Преобразование тепловой энергии океана
Впервые обратил внимание на громадные запасы тепловой энергии в океане французский ученый Жак Д'Арсонваль и в 1881 году теоретически показал возможность её использования. Практически его идею воплотил в жизнь Жорж Клод в 20-е годы ХХ столетия, и, несмотря на отсутствие коммерческого успеха и многие недостатки, его установка проработала две недели и давала 22 кВт за счет энергии океана. В настоящее время разработаны проекты станций ОТЕС мощностью до 400 МВт. ОТЕС мощностью 400 МВт имеет для подачи холодной воды трубопровод диаметром 30 м, длиной 900 м. Водоизмещение корпуса станции и заборной трубы составляет 500 тыс. т. Станция должна устанавливаться в районах океана с глубиной более 1200 м. Суммарный расход холодной (1500 м /с) и теплой воды составляет 2600 м /с (как у реки Нил).
Упрощенная схема установки ОТЕС
1 - насос теплой поверхностной воды;
2 - теплообменник испаритель;
3 - фреоновая турбина;
4 - электрогенератор;
5 - теплообменник-конденсатор;
6 - насос для прокачки фреона;
7 - насос холодной (глубинной) воды.
В 1981 году начала давать электрический ток японская, опытная установка ОТЕС на острове Науру мощностью 100 кВт.
Параметры станции ОТЕС на острове Науру:
1) температура паров фреона - 25 C,
2) расход фреонового пара - 74 т/час,
3) расход теплой воды - о,395 м /с (29,8 C, насос 27,8 кВт),
4) расход холодной воды - 0,382 м /с (8,1 C, насос 43,3 кВт),
5) расход фреона - 1 м /с (насос 15,3 кВт).
При мощности отдаваемой генератором равной 120 кВт за исключением затрат на привод насосов и собственных нужд в сеть отдается 31,5 кВт. К.п.д. преобразования равен 25%.
Очевидно, что большие по мощности станции ОТЕС будут иметь больший к.п.д. Дополнительным преимуществом крупных станций ОТЕС является то обстоятельство, что их можно использовать для создания искусственных апвеллингов. Перуанский естественный апвеллинг при площади 3% от площади мирового океана обеспечивает 20% мирового улова рыбы.
После успешных испытаний опытной станции ОТЕС на о. Науру была построена коммерческая установка мощностью 2500 кВт (500-700 кВт отдаваемой мощности).
Лекция № 9 Вихревые технологии и энергетика
Начало периода массового машинного производства совпало с освоением людьми паровых двигателей. Вначале это были поршневые двигатели, но по мере роста их мощности все ярче проявлялись их недостатки – неравномерность крутящего момента, наличие пар трения. Поэтому естественным развитием паровой энергетики стали паровые турбины. Рабочим телом первых энергетических двигателей была вода и её пар как наиболее дешевое и доступное вещество. Но если с переходом на турбины двигательная установка изменилась коренным образом, то система получения водяного пара развивалась по традиционной схеме, наращивая свои габариты и повышая температуру и давление пара, что несколько ограничивало рост габаритов и стоимости паровых котлов.
Одновременно с развитием техники развивались и технические науки. Вначале сформировалась техническая механика как наука о движущихся твердых телах, затем гидравлика, электротехника, аэро и газодинамика. И только когда все основные вопросы в традиционных областях знаний получили достаточное теоретическое обоснование, ученые обратили внимание на пограничные области – переходы вещества из одного состояния в другое и процессы, происходящие при этих переходах. Из жидкого в твердое для получения кристаллических полупроводников, из жидкого в парообразное для реализации интенсивных систем охлаждения силового оборудования и т. д.
В средине семидесятых годов прошлого столетия появились вихревые парогенераторы, которые изобрел Ю.М. Красильников. Они оказались в 25 раз эффективнее парогенераторов барабанного типа, применяемых в паросиловых энергетических установках (ИР № 11, 1976 г.). Получаемый в вихревом парогенераторе пар свободен от жидкой фракции и жидкая фракция может не доводиться до кипения, то есть энергозатраты на получение пара могут быть значительно снижены.
На процесс разделения пузырьков пара и жидкости влияют величина силы, действующей на пузырёк и силы поверхностного натяжения на границе раздела жидкости и газа.
В естественных условиях на пузырек пара действует сила Архимеда, выталкивающая его из жидкости и равная весу жидкости в объеме тела:
(2.1)
где:
-
плотность
жидкости;
-
объём
тела, погруженного в жидкость;
-
ускорение свободного падения.
В центробежных системах сила, действующая на тело, погруженное в жидкость равна силе, действующей на объём жидкости равной объёму тела и находящейся в том же месте, где находится тело (на том же радиусе вращения).
Во вращающейся системе на частицу действует центробежная сила и сила Кориолиса. Направление силы Кориолиса смещает частицу по направлению вращения системы, поэтому при расчете центробежных пароотделителей она не учитывается.
На пузырёк газа, находящийся во вращающейся по радиусу жидкости действует центробежная и выталкивающая силы, которые направлены навстречу друг другу.
Рисунок 2.2 – Силы, действующие в центробежной системе.
Центробежная сила определяется по формуле
(2.2)
где
-
масса частицы (пузырька);
- угловая частота
вращения;
-
радиус, на котором находится частица.
Т.к. плотность жидкости и плотность газа отличаются приблизительно в 1000 раз, то центробежной силой действующей на пузырёк пренебрегаем.
Сравним
силы, действующие на пузырёк газа при
естественном кипении воды и в центробежном
пароотделителе при диаметре пузырька
,
угловой частоте вращения жидкости
и диаметре пароотделителя
=
0.1м.
-6
Н;
-6
Н.
Получается, что на пузырёк пара в центробежной системе будет действовать сила в 114 раз превышающая силу естественного всплытия.
При достижении пузырьком поверхности раздела двух сред, сила поверхностного натяжения будет препятствовать переходу пузырька из жидкой среды в газообразную.
Она определяется по формуле
(2.3)
где σ - коэффициент поверхностного натяжения (для воды σ =7,3 Н/м);
-
максимальная длина деформирования
поверхности раздела, м.
Рисунок 2.3 – Длина деформированной поверхности раздела.
Рассчитаем эту силу для такого же по диаметру пузырька:
FПН
Из произведённого расчета видно, что сила поверхностного натяжения значительно превышает Архимедову выталкивающую силу жидкости (22,94х10-3 >> 5,13х10-6), то есть пузырек пара диаметром 1мм не сможет выйти из жидкости. При нормальных условиях диаметр одиночного пузырька способного преодолеть силу поверхностного натяжения воды должен составлять 4,7 см. Пузыри меньшего диаметра мы наблюдаем в лужах во время дождя. В традиционных парогенераторах приходится перегревать теплообменные поверхности котла для достижения интенсивного образования пузырьков с целью их слияния и прорыва сил поверхностного натяжения.
Этот принцип получения водяного пара в дальнейшем был использован в электромеханических опреснительных установках, вытеснивших в связи с меньшими затратами энергии все предыдущие виды опреснительных установок, кроме осмотических.