Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 154.

Подводная яхта-генератор или Как использовать тепловую энергию океана?

В этом номере нашей газеты в рамках конкурса «Новые промышленные технологии: разработки и исследования» мы предлагаем вниманию читателя не совсем обычный материал. Обычно мы рассказывали об идеях и технологиях, которые уже имеют хотя бы экспериментальное практическое подтверждение и могут быть внедрены если не сразу, то хотя бы за относительно короткое время.

Сегодня мы рискнули заглянуть в будущее. Стоимость проекта, предложенного автором, составляет не менее полумиллиарда долларов. Иначе, чем на государственном уровне, этот проект реализовать невозможно.

Тем не менее, проект этот весьма актуален. Над вопросом использования тепловой энергии океана давно работают американские и японские ученые. Для Японии – это вопрос государственной стратегии и жизненной необходимости: использование энергии океана позволит этой стране решить даже территориальный вопрос - в этой стране давно обсуждается проблема создания плавучих городов-островов, которые будут независимы от стационарных источников энергии.

Идея петербургского автора столь же необычна, сколь и реализуема – при условии достаточного финансирования и при наличии явственной необходимости ее воплотить.

Наша газета не впервые обращается к идее использования энергии, заключенной в недрах океанических вод. Несколько лет назад мы писали о грандиозных проектах, которые СССР вынашивал в области использования морского и океанического прилива. В свое время этой идее была посвящена работа нескольких научно-исследовательских институтов и проектных организаций. Была введена в действие опытная установка Кислогубской ПЭС, разработаны проекты многих приливных электростанций, работающих в условиях Крайнего Севера и на Дальнем Востоке (с передачей электроэнергии, например, в страны Азии).

Кстати, идею использования энергии прилива внедрили в жизнь не только мы. До сих пор во Франции действует небольшая ПЭС «Ранс», которая, хотя и не «делает погоду» в энергетике этой страны но все же является действующим памятником тому, как можно эффективно использовать экологически чистые источники энергии.

Автор же сегодняшней публикации нашел принципиально новое решение по использованию другого энергетического потенциала океана – энергии, которая добывается с помощью разницы температур глубинных и поверхностных вод.

Евгений ХРУСТАЛЕВ

Подводный корабль, описанный Жюлем Верном в знаменитом романе «20 тысяч лье под водой», явно не имел дизельного двигателя, тем более - атомного реактора. Что за сила двигала эту махину? Если предположить, что писатель был знаком с работами д’Арсонваля (а они с писателем жили во Франции в одно время), то, возможно, Жюль Верн имел в виду тепловую энергию океана. Попробуем разобраться, как могла выглядеть силовая установка такого корабля.

Тепловые машины, разработанные учеником д’Арсонваля Ж. Клодом (а впоследствии усовершенствованные учеными США и Японии), состоят из теплообменного узла (бойлера), турбины с электрогенератором, еще одного теплообменного узла и насоса. Все четыре элемента последовательно соединены трубопроводами и заполнены рабочей жидкостью.

Для рабочей жидкости важно, чтобы она кипела при комнатной температуре и при этом давление газа было бы максимально высоким. Это связано с необходимостью уменьшения габаритов турбины. Если к этим требованиям прибавить необходимость экологической безопасности и низкой себестоимости, то, по расчетам, лучшими жидкостями являются аммиак, пропан и, вероятно, R22, который циркулирует в бытовых холодильниках.

Вышеописанная конструкция представляет собой тепловую машину замкнутого цикла. Существуют еще несколько видов тепловых машин - с открытым циклом и гибридная, но практика показывает, что тепловая машина с замкнутым циклом наиболее эффективна. Если на первый бойлер подать теплую воду с температурой 28 °С, а на второй - холодную воду с температурой 4 °С, то хладон (рабочая жидкость) в первом бойлере будет кипеть, а во втором конденсироваться.

Газ из первого бойлера через турбину под давлением переходит во второй бойлер и, конденсируясь, насосом вновь перекачивается в первый бойлер. При испарении хладон отбирает энергию от теплой воды, переносит ее во второй бойлер и передает холодной воде. Но поскольку пар рабочей жидкости из первого бойлера, прежде чем перейти во второй, крутит турбину, то небольшая часть энергии отбирается, и во второй бойлер переходит не вся энергия.

Та часть энергии, которая отбирается турбиной (при разности температуры в 20 °С - это порядка 2,5-3%), считается полезной и может быть с незначительными потерями преобразована в электрическую.

Но надо отметить, что и другая часть, составляющая около 97%, также может принести большую пользу. При наличии интенсивного движения воды между континентами морские пути, проходящие через район зарождения ураганов, могут перерезать его охлажденной водой и дробить на мелкие участки, препятствуя зарождению крупного урагана.

Казалось бы, можно ставить станции, основанные на применении тепловых машин замкнутого цикла, во многих местах, где имеются промышленные выбросы тепла, и получать дешевую энергию. Но расчеты показывают, что расходы на оборудование не оправдываются. К примеру, атомный энергоблок мощностью 1000 МВт выделяет 1000 МВт тепловой энергии. Получается, что 3% - это 30 МВт дополнительной энергии. Такая установка дорогостояща, занимает много места и никаких принципиальных задач не решает.

Однако если рассматривать работу таких станций в океане, то положение меняется. Бесконечно большой объем тепловой энергии океана и его огромная территория с большим биологическим потенциалом позволяют решить рад принципиально важных задач не только современности, но и проблемы экологии на будущее.

Энергия воды, которую можно использовать при разности температуры между верхним и глубинным слоем воды при 24 ОК, составляет 100640000 Вт/м3. Часть этой энергии, имеющая верхнее значение КПД от 5,5 до 8%, при современном техническом состоянии может быть реализована с высокой эффективностью.


Эксперименты уже были

Если вода в океане была бы дефицитной, то использованию подлежала бы вся энергия воды в диапазоне от 4 до 28 °С, но в океане воды очень много, и можно руководствоваться лишь оптимальными значениями. Если температуру воды понизить на 1-2 °С, то можно выделить из нее от 4186000 до 8372000 Вт энергии с наиболее высоким КПД. Ниже приводится ориентировочные расчеты для теплоэнергетической установки при дельта Т= 20 °К, хотя установка способна будет работать и при значительно низком градиенте температур- соответственно с более низким КПД.

Большое значение в оценке эффективности энергетической установки имеет коэффициент теплопередачи, который определяет величину теплового потока, способного перетекать из одного бойлера в другой. Величина теплопередачи зависит от теплового напора, т.е. разницы температуры между стенками котлов и тепловой прозрачностью самой стенки котла.

Тепловая энергия, проходящая в бойлер, преодолевает три преграды, каждая из которых имеет свое сопротивление и зависит от множества причин, плохо поддающихся расчету. Первая преграда - это переход энергии на поверхность котла, вторая - материал стенки котла, третья – переход энергии с внутренней поверхности котла на рабочую жидкость. Причем поверхностные пленки дают наибольшее сопротивление тепловому потоку.

Экспериментальным путем на опытной тепловой станции ОТЕК-1, установленной на корабле, ученые США получили величину коэффициента 2800 Вт/м2 сек °К при использовании титановых трубок. Титан, несмотря на плохую теплопроводность, считается лучшим материалом, поскольку обладает рядом других достоинств, таких, как химическая стойкость, прочность и др., а сопротивление, определяемое теплопроводностью титана, значительно ниже сопротивления поверхностных пленок. Поэтому основная задача по увеличению «прозрачности» котлов заключается в снижении теплового сопротивления контактных поверхностей теплообменного узла.

При разности температуры в 20 °С и с учетом полной нагрузки разность температуры между внешней и внутренней поверхностью трубки бойлера составит 5 °К, а тепловой поток будет равен 14000 Вт/м2. В результате чего можно получить 392 Вт/м2 полезной энергии.

Если сконструировать бойлер из титановой трубки диаметром 50 мм и толщиной стенки 2 мм, с расчетом, что она выдержит давление 60–80 атм, то на 1 м2 сечения бойлера поместится 200 трубок с теплообменной поверхностью 31,4 м2 при коэффициенте наполнения 0,4 и выходной мощностью 124 000 Вт.

Далее рассчитаем бойлер диаметром 16 метров и длиной 10 метров, назвав это секцией. Площадь поперечного сечения секции составит 200 м2, количество трубок - равно 40000 шт., общая длина трубок - 400000 м, теплообменная поверхность - 62000 м2. Занимаемый объем бойлера будет равен 2000 м3, выходная мощность составит 24600000 Вт.

Можно определить еще некоторые полезные параметры. К примеру. Площадь теплообменной поверхности погонного метра трубки - 0,157 м2. Его вес, учитывая удельный вес титана 4,32 гр/см3, составит 1,3 кг. Объем - 1,96 дм3. Вес секции – 520 тонн. Объем трубок секции – 784 м3. Зальем трубку на треть хладоном, доведя вес трубки до 1,9 кг. Теперь трубка имеет небольшой запас плавучести и данные, которые можно использовать в последующих расчетах.


Главные недостатки

Одним из факторов тепловой энергии океана, который сдерживает развитие ее применения, является то, что холодная вода в океане находится на глубине около 600 м. Это, пожалуй, главное препятствие на пути к использованию тепловой энергии океана.

С времен Ж. Клода принята такая схема использования энергии океана: тепловую машину располагать на поверхности океана, а холодную воду поднимать по трубе на поверхность. Данная технология имеет ряд недостатков, главные из которых - большие расходы энергии на подъем воды и выделение углекислого газа на поверхности океана.

Экспериментальная установка, которая была построена в США, выработав 120 кВт, 90 кВт затратила на собственные нужды - в основном на подъем воды. Поэтому есть основание отказаться от такой компоновки и скомпоновать энергетическую установку иначе, а именно: расположить второй бойлер на глубине около 600 м в слоях холодной воды, а между ними установить пилон, в котором разместятся турбина с электрогенератором, насос и трубопроводы. Давление на такой глубине - около 60 атм, но титановая трубка диаметром 50 мм и толщиной стенки 2 мм такое давление должна выдержать.

Что мы в итоге получим и какие проблемы необходимо решить при такой компоновке?

Длина трубопровода рабочего контура в предлагаемой конструкции увеличивается на 600 метров. Это несколько увеличивает потери, связанные с трением рабочего тела о стенки трубопровода. Однако существенных энергетических потерь ожидать не следует. Рабочее тело циркулирует в замкнутом контуре – значит, затраты на подъем жидкого хладона будут скомпенсированы при падении газа в холодный бойлер (как при подбрасывании камня). Трубки бойлеров имеют небольшой диаметр, изготовлены из прочного материала и вполне способны выдержать рабочее давление. Т.е. увеличение длины рабочего контура ни существенных энергетических потерь, ни технических проблем, связанных с повышенным давлением, не принесет.

С другой стороны, нет необходимости поднимать холодную воду на поверхность, затрачивая на это энергию. Исключается также проблема, связанная с выделением вредного газа, растворенного на глубине.

Наряду с этим предложенная компоновка способна производить энергию из режима пассивного ожидания даже при малом градиенте температуры. Увеличивается и мобильность конструкции – установки могут своим ходом добираться со стапелей в район плавания. То есть предложенная конструкция позволяет ликвидировать практически все основные недостатки тепловых энергетических установок такого типа.

Мобильный теплоэнергетический объект, или теплоэнергетическая «яхта», созданная по предложенной схеме, представляет собой конструкцию, состоящую из трех основных элементов. Это бойлер-испаритель, бойлер-конденсатор и пилон.

Им можно придать следующие геометрические параметры.

Длина пилона (заглубление установки) – 600 метров - определяется природными условиями.

Поперечное сечение пилона – 20 м2.

Длина бойлера-испарителя и бойлера-конденсатора – 200 метров.

Диаметр бойлера-испарителя и бойлера-конденсатора - 16 метров.

При этом длина и диаметр бойлеров определяются величиной заглубления (геометрией) и экономическими возможностями.

Рассмотрим элементы конструкции отдельно, начиная с пилона - так как в основном именно длина пилона определяет габаритные размеры и единичную мощность при минимальном водоизмещении «яхты» (максимальное водоизмещение яхты ограничивается исключительно экономическими соображениями.)


Элементы конструкции

Пилон служит для жесткого соединения двух бойлеров и размещения в нем силового оборудования. Пилон является пассивным элементом, его масса и обтекаемая поверхность составляют дополнительную нагрузку при движении. Длина пилона определяется расстоянием между теплой и холодной водой и составляет примерно 600 метров. Одна из главных его задач - максимально согласовать два других компонента яхты с учетом прочности конструкции и экономических возможностей.

Схема компоновки яхты дает возможность, контролируя нагрузки на отдельных участках пилона, перераспределять их работой двигательных винтов, которые могут устанавливаться по всей длине пилона на его корпусе.

В рассматриваемой конструкции можно использовать два разнесенных пилона в виде титановых обтекаемых труб сечением по 20 м2, которые в сочетании с бойлерами, имеющими длину 200 м и диаметр 16 м, соединяются в жесткую рамную конструкцию и обтягиваются тросами наподобие мачты парусного судна.

Внутри пилонов размещаются турбины с электрогенераторами, электродвигатели, обеспечивающие ход «яхты», и аккумуляторы.

Внутренний объем пилона - около 12000 м3. Электрогенераторы, электродвигатели, аккумуляторы и корпус, обладающие большим удельным весом, компенсируют положительную плавучесть пилона, которая образуется коллекторными трубами.

Если учесть, что при испарении 1 кг хладона отбирается 250 ккал, то через коллекторную трубу секции должно проходить около 1 т/сек газа.

Бойлер-испаритель (БИ). Основная задача бойлера-испарителя - отобрать тепловую энергию от окружающей среды и создать давление газа для работы турбины.

В нашей конструкции бойлер-испаритель представляет собой конструкцию, собранную из титановых трубок, заключенных в обтекаемый корпус, внутрь которого через регулируемые каналы подается забортная вода, выполняющая роль энергоносителя. Мощность БИ при заданном дельта Т ограничивается исключительно экономическими соображениями, может быть сколь угодно большой и определяется площадью поверхности теплообменных труб. Теплообменные трубки бойлера заключены в обтекаемый корпус, на поверхности которого устанавливаются регулируемые водозаборы. Помимо этого, на корпус бойлера устанавливаются основные двигатели.

Бойлер-конденсатор (БК). Основная задача бойлера-конденсатора - конденсация отработанного пара для подачи рабочего тела в жидком виде в бойлер-испаритель. Конструктивно БК ничем не отличается от БИ. Несмотря на то что общий тепловой поток, проходящий через бойлер-конденсатор, на величину ниже выходной мощности, запас теплообменной поверхности бойлера-конденсатора приводит лишь к увеличению эффективности установки.

Основная задача создания двух одинаковых узлов заключается в том, чтобы была возможность переворачивать «яхту» вокруг горизонтальной оси. Это ликвидирует одну из главных проблем любых подводных сооружений – проблему борьбы с обрастанием. Как известно, в поверхностных слоях воды корпуса морских судов и сооружений быстро обрастают морскими организмами. Помимо ряда других неудобств, это – что особенно важно для нашей конструкции - способно значительно снизить теплопередачу. Для устранения этой опасности будет полезным резкое изменение природных жизненных условий, которое нарушит естественное развитие морских организмов. В случае разворота по горизонтальной оси бойлер-испаритель превращается в бойлер-конденсатор - и наоборот. Турбины и насосы в этом случае должны отследить разворот и в соответствии с этим изменить режим работы.

Сравнивая полученные выходные параметры с результатами экспериментальной установки ОТЕС-1, нетрудно заметить, что эффективность предложенной компоновки энергетического узла выше более чем на порядок. Сказывается несколько причин, главные из которых - отказ от подъема воды на поверхность и возможность обеспечить большой объем поступления воды на теплообменные трубки, что позволяет энергетической установке работать на максимальных значениях дельта Т и перепада температур, что вследствие сложности с подачей воды на конденсатор ОТЕС-1 практически недостижимо.

Автор допускает возможные неточности в расчетах, но они вряд ли носят принципиальный характер. Бесспорно, что океан обладает огромной тепловой энергией, которую можно использовать с пользой. Об этом, начиная с д’Арсонваля, высказывались многие авторитетные ученые. Показательно, что и президент Sumitomo Titanium Corp. и вице-президент JTS Японского титанового общества Масаки Тачибана дальнейшее развитие титановой промышленности связывает с освоением тепловой энергии океана. Новая схема использования тепловой энергии океана, предлагаемая в данной статье, обещает высокую эффективность, а значит - требует привлечения широкого круга специалистов.

Станислав ПОНЯТОВСКИЙ

В 155 выпуске читайте: Самая простая технология сбережения бытовой электроэнергии