Первым обратил внимание на громадные запасы тепло­вой энергии в океане французский ученый Жак Д'Арсон-валь более 100 лет назад (1881 г.) и теоретически показал возможность ее использования. Жоржа Клода называют его учеником, но между ними были серьезные разногласия в вопросе о выборе наилучшей жидкости в качестве рабо­чего тела для океанической тепловой машины. Этот вопрос надо было решить прежде всего. Рабочая жидкость должна закипать при температуре нагревателя, а пары ее после совершения работы в турбине должны сконденсироваться при температуре холодильника.

Нагреватель — теплая вода из верхних слоев океана. Наиболее высокая температура воды наблюдается в Пер­сидском заливе в августе — более 33 °С (а самая высокая температура воды зафиксирована в Красном море —плюс 36 °С). Но на максимальную температуру рассчитывать преобразователь нельзя: она встречается на ограниченных участках Мирового океана, а обширные районы имеют температуру поверхностного слоя около 25 °С. Это доста­точно высокая температура, при которой кипят многие жидкости. Д'Арсонваль предложил применить в качестве рабочей жидкости аммиак — жидкость с температурой кипения минус 33,4 °С, которая будет хорошо кипеть при 25 °С. При нормальной температуре (20 °С) аммиак — бесцветный газ с едким запахом. При повышении давления газообразный аммиак снова превращается в жидкость. При 20 °С для этого давление надо повысить до 8,46 атм, но при 5 °С — значительно меньше.

Выбор аммиака в качестве вторичного рабочего тела связан с отличными термодинамическими свойствами его паров. Пары аммиака имеют низкий молекуляр­ный вес, достаточно боль­шой удельный объем и хо­рошие характеристики теп­лопередачи. Они обеспечи­вают турбине вращение с большой скоростью, что очень важно. Благодаря этим качествам аммиак широко2применяется в наши дни в энергетических установках, использующих тепло океан­ских вод. При этом схема тепловой энергетической^уста­новки должна быть замкнутой, т. е.^после холодильника жидкий аммиак снова закачивается в нагреватель. Цикл непрерывно повторяется, пока работает установка. Коли­чество рабочей жидкости, залитой в систему теплового преобразователя, практически не изменяется в процессе работы. Замкнутый цикл имеет ряд преимуществ перед открытым циклом, предложенным Клодом, благодаря чему он получил широкое применение в наши дни в уста­новках OTEG.

Но Клод не захотел воспользоваться аммиаком. Он ре­шил в качестве рабочей жидкости использовать морскую воду. Чтобы добиться ее кипения при температуре поверх­ностных вод в тропиках, создал в установке пониженное давление. Если понизить атмосферное давление в 15 раз, т. е. примерно до 50 мм рт. ст., морская вода закипит при температуре не выше 27 °С. Образовавшийся пар пойдет в турбину, заставит ее вращаться и вращать элек­трогенератор. А потом пар поступит в холодильник, где с помощью холодной глубинной воды превратится в прес­ную воду. Клод спускал ее в море: тогда она была никому не нужна. Такой цикл называется открытым, или не­замкнутым.

Схема энергетической установки, работающей по этому принципу, представлена на рис. 2.2. По этой схеме была построена первая экспериментальна!! установка Клода и Бушеро.

При практической  реализации установки ее  авторы столкнулись с рядом специфических трудностей. Одна из первых — это создание низконапорной турбины.

Дело в том, что давление водяного пара, получаемого при не­высокой температуре в условиях частичного вакуума, мало. Чтобы снять сколько-нибудь заметную мощность, турбина должна иметь большие размеры. С этим затрудне­нием Клоду и Бушеро удалось справиться вполне удовле­творительно. Однако при первых же испытаниях обнаружив лась неожиданность. При нагреве из морской воды в боль­шом количестве выделялся растворенный в ней воздух, что повышало давление в системе и нарушало процесс кипения. Для поддержания достаточного разрежения систему приходилось непрерывно откачивать, на что требо­валась дополнительная мощность. В результате умень­шался и без того небольшой КПД установки. С этой проблемой изобретателям не удалось справиться. Были и другие проблемы. Поэтому в последующие годы основ­ное внимание ученых и инженеров обращалось на разра­ботку тепловых преобразователей с замкнутым циклом. Итог их усилий — действующие ныне системы OTEG.

Рис. 2.2. Схема теплоэнергетп* ческой океанской установки от­крытого цикла

1 — испаритель, г — турбина, 3 — генератор, 4 — конденсатор, 5 — пресная вода, в — теплая вода и,ч верхних слоев, 7 — холодная вода с больших глубин

Но теперь, спустя более полувека, внимание снова привлечено к открытому циклу. «Открытый цикл вызывает огромный интерес. Он устраняет все проблемы, касаю­щиеся обращения с аммиаком, фреоном и т. н. Пресная вода вырабатывается в качестве побочной продукции», — считают американские специалисты. В США разрабаты­вается океанская энергетическая установка, которая одно­временно с производством электроэнергии будет давать пресную воду — один из самых ценных в наше время продуктов, особенно в жарких и индустриальных странах, где все острее ощущается ее недостаток.

Но остаются нерешенные проблемы, в частности созда­ние больших низконапорных турбин и удаление из системы преобразователя выделяющегося из морской воды воз­духа. Ближайшей задачей считается найти такой способ удаления воздуха, чтобы на него затрачивалось не более 10 % вырабатываемой энергии. Для ее решения в схему энергетической   установки   включается   деаэратор — камера, в которой морская вода будет дегазироваться перед поступлением в нагреватель.

Теоретически оба вида преобразователей — с откры­тым и закрытым циклом — имеют близкие и одинаково малые  коэффициенты  полезного  действия.

Примем температуру нагревателя T1=273+25=298 К, температуру холодильника T2=273+5=278 К. Согласно формуле Карно КПД будет равен

nk==(T1-T2)/T1=(298-278)/298=0,067, или 6,7 %,

Полученная цифра еще недавно считалась близкой к теоретическому пределу КПД для океанской тепловой машины при принятых значениях температуры нагрева­теля и холодильника (как и для любой другой). Но не­давно было показано 2, что из-за специфических особен­ностей преобразования энергии тепла в океане теоретиче­ский КПД теплового цикла в этом случае следует оценивать по формуле n0=(T1-T2)/(T1+T2)

При малом значении разности температур ^T=T1— Т2 КПД океанской тепловой машины может быть вдвое меньше теоретического значения, вычисленного по фор­муле Карно, т. е.

n0=1/2nk

Поправка весьма существенная. Фактически КПД пре­образователя в любом случае будет еще меньше из-за неизбежных потерь в теплообменниках, насосах, трубо­проводах и др. Величина потерь будет зависеть от степени совершенства конструкции тепловой машины. Для пре­образователей с замкнутым циклом реальным считается получение КПД в пределах до 2—3 %. Эти цифры близки к КПД отвергнутого паровоза. Но он сжигал драгоценное топливо, а здесь энергия вырабатывается за счет дарового тепла океана, топлива не требуется.

Интересно отметить переоценку значения малых цифр КПД, происшедшую за последние полвека. Пятьдесят лет назад теоретическое значение КПД около7% считалось

ничтожным и едва ли заслуживающим внимания. В наше же время строятся мощные океанские энергоцентрали с КПД примерно в половину этой величины. Существен­ного улучшения КПД можно ожидать только при исполь­зовании в океанских тепловых энергоцентралях большего перепада температуры между нагревателем и холодильни­ком. Принципиально такая возможность имеется. В раз­ных районах на дне океана обнаружены места, где раз­ность температуры воды значительно превышает принятые .для расчета 20 °С. Например, в термальных впадинах на дне Красного моря температура воды достигает 60 СС, к тому же она ежегодно несколько повышается. А на дне Тихого океана бьют гидротермальные источники с тем­пературой более 350 °С, как в котле вполне современной ТЭЦ высокого давления. Вблизи от этих горячих источ­ников имеется вода с низкой температурой, пригодная для холодильника. При использовании такой воды воз­можно получение КПД океанской установки, как у луч­ших наземных ТЭЦ высокого давления. Однако примене­ние горячих гидротермальных вод для выработки электри­ческой энергии потребует особой технологии.

СИСТЕМЫ ОТЕС

В августе 1979 г, вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с поло­виной месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если не считать мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная — 53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точ­нее — на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабаты­ваемая мощность расходовалась на собственные нужды установки. В их число входят затраты энергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.

Три насоса потребовались из следующего расчета: один — для подачи теплой воды из океана, второй — для подкачки холодной воды с глубины около 700 м, третий — для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т. е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочей жидкости применяется аммиак,

Установка мини-ОТЕС смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинный трубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая труба длиной 700 м с внутренним диаметром 50 см. Труба сваривалась на берегу из 58 секций. Выбор полиэтилена связан с тем, что он как будто не подвержен обрастанию и, следовательно коррозии (создание 700-метрового трубо­провода было самым трудным делом). Трубопровод при­креплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в случае необходимости ого быстрое отсоеди­нение. Полиэтиленовая труба одновременно используется и для заякоривания системы труба—судно. Оригиналь­ность подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорные постановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьма серьезной пробле­мой.

Впервые в истории техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузку полезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полу­ченный при эксплуатации мини-ОТЕС, позволил быстро достроить более мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще более мощ­ных систем подобного типа.

ОТЕС-1 — плавучая лаборатория: как и мини-ОТЕС, она не предназначена для коммерческой выработки элек­трической энергии, хотя ее мощность достигает 1 МВт, т. е. в 20 раз больше, чем у мини-ОТЕС. В качестве вто­ричного рабочего тела в ОГЕС-1 также применяется аммиак. Питательный насос забирает воду из поверх­ностного слоя океана с температурой 27 °С и прогоняет ее через нагреватель аммиака, состоящий из 6304 титано­вых трубок диаметром 2 см. Это — паровой котел уста­новки. Аммиак распыляется в теплых трубках и вскипает. Пар аммиака идет в турбину и вращает ее, а оттуда, со­вершив работу, поступает в конденсатор — холодильник. Конденсатор также сделан из тонких трубок, охлаждаемых водой с температурой немного более 4 °С. Там пары аммиака конденсируются и превращаются снова п жидкость, пере­качиваемую обратно и испаритель. Общая длина трубок в двух теплообменниках (испарителе и конденсаторе) составляет 140 км.

Под установку ОТЕС-1 переоборудован танкер с турбо-электрическим приводом. Электрическая силовая уста­новка танкера позволяет с удобством использовать ее энергетические ресурсы во время проведения различных экспериментов для привода насосов и других целей. На этой установке предполагается проверить некоторые эксплуатационные характеристики ОТЕС, чтобы в даль­нейшем их можно было использовать при создании опыт­ного образца. Число вопросов, подлежащих изучению, достаточно велико. К ним относятся, например, следую­щие. Какого типа теплообменники будут  оптимальными и из какого материала их следует делать? Титан — дорог, нельзя ли его заменить на алюминий или что-нибудь другое? Как быстро будут развиваться морские оргаппзмы-обрастатели в теплообменниках и в других частях системы и как с ними бороться? Как повлияют на состояние окру­жающей морской среды мощные установки такого типа? Как лучше выполнить трубопровод для подъема хо­лодной воды?

Последний вопрос становится традиционным для кон­структоров всех установок ОТЕС. Для OTEG-1 он был решен в пользу применения трех параллельных поли­этиленовых труб диаметром 1 м каждая, длиной но 900 м. Трубы были доставлены на Гавайские острова секциями длиной по 27 м и сварены на берегу. Потом все три трубы были связаны вместе и уложены на тележки, установлен­ные на специальном рельсовом пути, спускающемся прямо в океан. Суммарная масса трубопровода достигла 450 т, укладка его на тележки была выполнена с помощью лебедки. Для закрепления нижнего конца трубопровода вблизи дна потребовалось 50 т балласта. А для поддержа­ния трубопровода в вертикальном положении его верх­ний конец окружен плавучим кольцом, имеющим буй, к которому прикреплен прочный конец; с его помощью трубопровод можно несколько перемещать. Такой способ крепления верхнего конца трубы к днищу судна позволил очень быстро (за 2 часа) произвести постановку трубы в океане. Так же просто происходит и разъединение трубопровода холодной воды с судном, если возникает сильное волнение или по какой-либо друюй при­чине.

Конструкторы установки ОТЕС-1 ввели между трубо­проводом холодной воды и судном новую деталь, которая сделала всю систему более надежной. Речь идет о кардан­ном подвесе трубы к судну. При наличии кардана судно может произвольно качаться на волнах при относительно малоподвижном длинном трубопроводе, если волны не слишком велики (не более 2 м). А если волнение увеличи­вается, судно отцепляется от трубы и уходит в укрытие.

Защелка для быстрого разъ­единения судна с трубой была опробована еще в си­стеме мини-ОТЕС. Применением карданного подвеса трубы и защелки решился старый спор судна с трубой, начавшийся еще при Клоде. Надо сказать, что, видимо, труба все же «победит» судно, в том смысле, что новые станции ОТЕС на мощность во много десятков и сотен мегаватт проектируются без судна. Это — одна грандиозная тру­ба, в верхней части которой находится круглый машин­ный зал,, где размещены все необходимые устройства для преобразования энергии (рис. 29). Верхний конец трубопровода холодной воды расположится в океане на глубине 25—50 м. Машинный зал проектируется вокруг трубы на глубине около 100 м. Там будут установлены турбоагрегаты, работающие на па­рах аммиака, а также все остальное оборудование. Масса всего сооружения превышает 300 тыс. т. Труба-монстр, уходящая почти на километр в холодную глубину океана, а в ее верхней части что-то вроде маленького островка. И никакого судна, кроме, конечно, обычных судов, не­обходимых для обслуживания системы и для связи с бе­регом. Это любопытный эпизод из новейшей истории развития техники преобразования тепла океана.

Намечено окончание строительства новой, третьей по счету, экспериментальной станции ОТЕС, мощность которой будет находиться в пределах 40—100 МВт. При строительстве этой станции исполь­зуется модульный принцип, она собирается из отдельных блоков по 10 МВт каждый. Такой подход позволит легко наращивать мощность до желательной величины в установленных пределах. Трубопровод холодной воды по-прежнему остается одним из наиболее сложных узлов этой станции. Станции мощностью в 40 МВт требуется трубопровод диаметром 10 м и длиной 900 м. А для про­ектируемой коммерческой станции OTEG на 400 МВт при той же длине трубопровод должен иметь диаметр 30 м. Каждую секунду насосы через него будут прокачи­вать около 1500 м3 холодной воды. Столько же потре­буется прокачать и теплой воды. Суммарный расход воды в этой мощной установке получится, как v реки Нил, — 2600 м8/с, Полное водоизмещение корпуса станции на 400 МВт с заборной трубой оценивается цифрой около 500 тыс. т. Станция должна устанавливаться в районах океана с глубинами более 1200 м. Для ее удержания в районе постановки требуется якорная система с большой массой. В целом — поистине циклопическое сооружение, строитель­ство его предполагалось начать в 1985 г. Было также сообщение о строительстве станции типа ОТЕС в Японии, но значительно менее мощной.

Рис. 2.3. Один из вариантов стан­ции ОТЕС на мощность в сотни мегаватт

I — платформа, 2 — труба холодной воды, з — якорная система

ТЕПЛО ИЗ ХОЛОДА

Энергию можно получать не только из теплых вод тропических или субтропических районов Мирового оке­ана, но и из крайних северных или южных бассейнов пла­неты, т. е. из вод Арктики и Антарктики. Была бы только достаточная разность температур для эффективной ра­боты тепловой машины. А разность там обычно есть, и иногда не меньше, чем в тропиках. Но не между слоями поверхностной и глубинной воды, как в тропиках.

Например, в Северном Ледовитом океане температура в поверхностном слое подо льдом близка к 0 °С. Ниже, на нескольких сотнях метров глубины, температура воды немного повышается и доходит примерно до 0,6 °С. Там находится теплый промежуточный слой, образовавшийся за счет притока вод атлантического происхождения. А глубже нескольких сот метров температура воды снова понижается до минус 1 °С. Самая холодная вода встре­чается в Датском проливе близ Гренландии, где темпера­тура ее падает до минус 2,2 °С; такая же холодная вода бывает и в море Уэддела в Антарктике. Где же при подоб­ных условиях взять достаточно высокую разность темпе­ратур в  этих широтах планеты?

На помощь энергетикам приходит холодный воздух.

Во многих районах Арктики большую часть года темпера­тура воздуха ниже минус 10 °С. Например, на Ново­сибирских островах в году бывает всего 2—4 дня с тем­пературой воздуха выше минус 10 °С, на побережье моря Лаптевых таких дней от 10 до 14, а на архипелаге Север­ная Земля их только 10—12. В остальное время года здесь царствуют морозы, временами значительно превыша­ющие минус 10 °С.

На возможность использования энергетического по­тенциала высоких широт, по-видимому, первым обратил внимание в 1928 г. французский инженер Баржо. В ка­честве нагревателя им предлагалась морская вода с тем­пературой,, близкой к 0 °С. Холодильником должен был служить морозный воздух. В качестве вторичного рабочего тела было предложено взять такое вещество, которое кипело бы при температуре несколько ниже 0 °С и конден­сировалось бы в жидкость при температуре минус 20 °С. Баржо рекомендовал углеводородные соединения типа пропана, бутана или изобутана. Для предотвращения потерь рабочего вещества предлагался замкнутый цикл работы энергетической установки. Схема Баржо имеет много общего с идеей Д'Арсонваля. Но, учитывая аркти­ческие условия, Баржо предлагал вызывать кипение ра­бочего тела путем разбрызгивания в нагревателе морской воды, чтобы замерзая, она отдавала рабочему телу свою скрытую теплоту льдообразования. Это — остроумное предложение, но, как лучше реализовать его, до сих пор неизвестно.

Предложение Баржо не было практически реализо­вано. Пятьдесят лет назад указывались минимум две при­чины этого: малый КПД установки и практически не­приемлемые размеры теплообменника (нагревателя) для получения достаточной мощности из-за низкой рабочей температуры нагревателя.

А недавно опубликована работа А. К. Ильина, где показана возможность практической реализации пре­образования тепловой энергии океана в арктических районах 3. В ней отмечается не только важность наличия достаточного градиента температуры, но также и не­обходимость достаточной скорости ветра и скорости те­чения воды в океане. Два последних условия, на которые раньше не обращалось должного внимания, необходимы для обеспечения нормальной работы теплообменников. Благоприятные условия для работы энергетических уста­новок  имеются в  устье  сибирских  рек.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5