Уважаемый посетитель! Сайт www.ozoneprogram.ru использует файлы cookie и похожие технологии, чтобы с помощью достоверной и персонализированной информации улучшить работу сайта, повысить его эффективность и удобство. Продолжая просмотр сайта, вы соглашаетесь на использование файлов cookie в соответствии с предупреждением об использовании файлов cookie на сайте www.ozoneprogram.ru. Если вы не согласны с использованием файлов cookie, настройте браузер или откажитесь от посещения сайта. Закрыть
Вывод озоноразрушающих веществ
и фторсодержащих газов в Российской Федерации
Назад

Перепад температур на поверхности и глубине 1000 м


Николас Кокс
Николас Кокс, управляющий директор Earthcare Products Ltd, член Institute of Sales and Marketing Management. Был консультантом правительства Великобритании и комиссии ЕС по экологическим вопросам технологий охлаждения и кондиционирования воздуха.

В статье рассматривается использование азеотропной смеси R-717 (аммиака) и R-170 (этана) в устройствах преобразования тепловой энергии океана (ПТЭО). Эта смесь экологически безопасна, обладает нулевым озоноразрушающим потенциалом и низким потенциалом глобального потепления. В генераторных станциях ПТЭО ею можно заменить традиционные рабочие вещества среднего давления. Ожидается, что за счет повышения давления существенно уменьшится размер агрегатов и, следовательно, сумма капитальных затрат.

Океаны покрывают 71% поверхности земли и ежедневно поглощают ошеломляющее количество энергии солнца. По словам Жака-Ива Кусто для выработки такого количества энергии потребовалось бы 16 000 атомных электростанций. Для получения электричества из этой энергии применяют технологии преобразования тепловой энергии океанов (ПТЭО) или выработки гидротермальной энергии. В основе преобразования тепловой энергии океанов лежит тот факт, что слои воды, расположенные близко к поверхности, нагреваются от солнца, а более глубокие остаются холодными. В установках ПТЭО теплая поверхностная вода используется для нагрева аммиака или другой жидкости, которая кипит при низких температурах. Полученный газ вращает турбины, вырабатывающие энергию. После этого газ конденсируется холодной водой из глубин океана и возвращается в испаритель.

Перепад температур на поверхности и глубине 1000 м

Рисунок 1. Перепад температур на поверхности и глубине 1000 м

Как видно из рис.1, одно из наиболее удачных мест для применения ПТЭО поблизости от населенных районов находится на побережье Индийского океана. В Индии потенциал использования агрегатов ПТЭО составляет 180 000 мегаватт. В 1998 году в стране была спроектирована и построена опытная установка ПТЭО мощностью 1 МВт. Она расположена в 35 километрах от берега города Тиручендур (штат Тамил Наду). Аналогичные проекты предлагаются для штата Андхра Прадеш. Исследование ПТЭО велось на факультете морской инженерии Индийского технологического института в городе Ченнаи с 1982 года. ВМФ США планирует построить установку ПТЭО мощностью 8 МВт у побережья острова Диего-Гарсия в Индийском Океане. Помимо электричества эта установка будет производить почти 5000 литров питьевой воды в день. Эта технология идеальна для Андаманских и Никобарских островов.

План установки ПТЭО 20 МВт

Рисунок 2. План установки ПТЭО 20 МВт

Концепция ПТЭО впервые была предложена Д’Арсонвалем в 1881 году. В 1979 году небольшая пилотная установка ПТЭО была установлена на Гавайских островах. Эта установка простого закрытого контура на базе цикла Ренкина работала на аммиаке (R-717) и вырабатывала не более 18 кВт. С тех пор было проведено много исследований, нацеленных на повышение производительности установки ПТЭО закрытого цикла.

Цикл Андерсона

В 1960-е Гилберт Андерсон разработал устройство, в испарителе которого тепло морской воды передается рабочему веществу. Под давлением нагретый газ вращает турбину. На выходе турбины рабочее вещество слегка перегревается. Стандартный КПД турбины с обратимым адиабатическим расширением составляет 90%. Из турбины рабочее вещество поступает в конденсатор, где отдает тепло холодной морской воде. В контуре конденсатный насос сжимает полученный конденсат. Таким образом, закрытый цикл Андерсона основан на цикле Ренкина, схожем с традиционным паровым циклом электростанций, за тем исключением, что в цикле Андерсона рабочее вещество перегревается лишь на несколько градусов. Самыми крупными потребителями энергии в рамках установки ПТЭО являются насос холодной и теплой воды. Повысить эффективность системы и избежать этих расходов можно за счет применения недавно разработанных устройств, работающих на энергии возобновляемых источников, например, турбин, сжимающих воздух.

Несмотря на продолжающуюся исследовательскую работу, коммерческому использованию установок ПТЭО мешают высокие капитальные затраты. Установки ПТЭО закрытого типа состоят из турбины и крупных теплообменников, расположенных в море: испарителя и конденсатора. Для снижения капитальных затрат необходимо уменьшить размер этих дорогостоящих компонентов. Этого можно добиться за счет использования рабочих веществ с более высоким давлением и более высокой плотностью теплового потока. Цель этой статьи — представить экологически безопасное рабочее вещество высокого давления с нулевым озоноразрушающим потенциалом (ОРП) и низким потенциалом глобального потепления (ПГП) для установок ПТЭО.

Плюсы и возможности ПТЭО

Это возобновляемый источник экологически чистой энергии.

Стабильность. В отличие от ветряных и солнечных электростанций, зависящих от наличия солнечного света и ветра, установки ПТЭО могут работать 24 часа в сутки 365 дней в году.

Получение питьевой воды. В качестве побочного продукта в ходе переработки 1000 литров холодной морской воды можно получать 5 литров питьевой.

Питание. Отработанную воду можно использовать для выращивания морепродуктов и сельскохозяйственных культур умеренных широт (или для охлаждения корней растений умеренных широт, выращиваемых в тропиках).

Кондиционирование воздуха. Используемая установками ПТЭО холодная морская вода с температурой 5°С может охлаждать установки, расположенные поблизости от электростанции. Система ПТЭО используется для кондиционирования воздуха в зданиях курортной гостиницы InterContinental Resort and Thalasso-Spa, расположенной на острове Бора-Бора.

Минусы и риски ПТЭО

Технология ПТЭО проигрывает ископаемым видам топлива, которые, если учесть капитальные затраты, позволяют получать более дешевое электричество. Для повышения рентабельности ПТЭО необходимы дополнительные исследования и проектные изыскания.

Определенные трудности могут быть связаны с отсутствием крупных потребителей электричества поблизости от областей океана с большим перепадом температур. Заметными исключениями здесь являются Флорида, Пуэрто-Рико, острова Карибского моря и Гавайи.

За исключением этих районов транспортировка энергии и опресненной воды может быть ненадежной, сложной и дорогостоящей.

Анализ: разработка нового рабочего вещества

В отличие от других веществ использование аммиака в качестве рабочего вещества предлагает много плюсов, хотя не стоит забывать и о таких минусах, как относительно высокая точка кипения, высокая температура на выходе и способность к смешиванию с маслами. Плюсы, тем не менее, перевешивают минусы. В ходе исследований была найдена пропорция аммиака (R-717) и этана (R-170) при которой смесь приобретает азеотропные свойства. Свойства этой смеси отличаются от свойств аммиака, поэтому ее без каких-либо сложностей можно использовать в установках ПТЭО высокого давления.

Диаграмма изменения давления в зависимости от состава гетероазеотропной смеси R-170/R-717 при 0°С

Рисунок 3. Диаграмма изменения давления в зависимости от состава гетероазеотропной смеси R-170/R-717 при 0°С

На рисунке 3 показана диаграмма изменения давления в зависимости от состава смеси R-170/R-717. Эта смесь образует положительные азеотропы с максимальной температурой кипения, вплоть до критической. Кривая раздела воды и воздуха и кривая точки росы идеальной двухкомпонентной смеси не сходятся при любом соотношении компонентов за исключением ситуаций, когда доля одного из компонентов в составе достигает 100 или 0%. В случае смеси R-717/R-170 линии сходятся при различных соотношениях компонентов, образующих азеотропную смесь. Кривая давления в зависимости от состава положительного азеотропа растет при низких температурах, а сама смесь ведет себя как чистая, однокомпонентная жидкость. С ростом температуры состав паров азеотропной смеси перемещается из области несмешиваемости в жидком состоянии в направлении более высокой мольной концентрации аммиака. По достижении верхнего температурного предела однофазный положительный азеотроп исчезает. Линия равновесной трехфазной системы исчезает в верхней критической конечной точке (UCEP) жидкость-жидкость, расположенной приблизительно на 10 К выше точки критической температуры чистого этана (+44,9°С). При низких температурах в трехфазной системе жидкость-жидкость-пар доля аммиака в жидкой фазе выше. Смесь R-170/R-717 образует гетерогенный положительный азеотроп (негомогенную смесь двух компонентов) вплоть до UCEP жидкость-жидкость, где три жидкие фазы наблюдаются в последовательности жидкость-пар-жидкость в противоположность обычной равновесной трехфазной системе с последовательностью жидкость-жидкость-пар.

Обсуждение

Температура поверхностной воды в установке ПТЭО находится в диапазоне 22-30°С, глубинной — 4-5°С, что дает величину перепада температур 17-26°С. В таком случае обычно применяется цикл Ренкина на органическом рабочем веществе (ORC), поскольку он отличается превосходными показателями преобразования низкопотенциального тепла в электричество. Поскольку характеристики ORC непосредственно связаны с термодинамическими свойствами рабочего вещества, правильно подобранное вещество повышает эффективность установки и снижает связанные с ней затраты. На сегодняшний день в качестве рабочего вещества для установок ПТЭО, использующих ORC, предлагается использовать аммиак (R-717), пропан (R-290), пропилен (R-1270), 1,1,1,2-тетрафторэтан (R-134a) и 2,3,3,3-тетрафторпропан (R-1234yf).. В таблице 1 представлен идеальный КПД ORC для стандартных температур испарения и конденсации 28-70°С, применяемых в установках ПТЭО. Типовые жидкости обладают схожим идеальным КПД. Эффективность смеси R-717/R-170 (55/45) приблизительно на 5% ниже, чем средняя эффективность остальных жидкостей. Однако смесь R-717/R-170 (55/45) привлекательна более высоким давлением пара, которое позволяет существенно уменьшить размеры турбины и теплообменников. Размер силовой установки зависит от давления пара рабочей жидкости. С ростом этого давления уменьшается размер турбины и теплообменников, а толщина стенок труб и теплообменников увеличивается. Ожидается, что рост давления, обеспеченный этой смесью, позволит уменьшить размер компонентов вполовину. В свою очередь, это позволит значительно уменьшить капитальные затраты. Вместо уменьшения размеров вдвое при сохранении мощности я предлагаю спроектировать самую большую турбинную установку, которую можно построить внутри 40-футового контейнера по стандарту ИСО, после чего увеличить выработку за счет применения оптимизированной смеси R-170/R-717.

Таблица 1. Результаты расчетов термодинамического цикла для установки ПТЭО

Жидкость Эффективность, % Давление испарения, кПа Давление конденсации, кПа
R-717 4,67 1099 554
R-290 4,49 1027 584
R-1270 4,48 1245 718
R-717/R-170 (55/45) 4,34 2208 1285
Модульная конструкция ORC на базе стандартных 40-футовых контейнеров

Рисунок 4. Модульная конструкция ORC на базе стандартных 40-футовых контейнеров

На рис. 4 представлена модульная система ORC на базе стандартных 40-футовых контейнеров. Модульная конструкция обеспечивает масштабируемость и рентабельность производства.

Расчетная производительность установки на пропане (R-290) 9,65 МВт электрической энергии и этого количества достаточно для обслуживания крупного ЦОД. При использовании смеси R-717/R-170 (55/45) расчетная производительность вырастает до 20,23 МВт электрической энергии. То есть, мы увеличили выработку более чем в два раза и при этом размер оборудования остался тем же, а стоимость оборудования увеличилась незначительно.

Таблица 2. Расчетные условия для гидротермальной турбины

Условие   Нормальные условия эксплуатации. Без учета солнечной энергии
Температура глубинной воды (на входе в установку) °С 4,5
Перепад температур теплообменника конденсатора на стороне моря °С 1,5
Температура конденсации насыщенного водного потока °С 6
Переохлаждение конденсатора °С 2
Температура поверхностной воды на входе °С 24,5
Перепад температур теплообменника испарителя на стороне моря °С 1,5
Температура насыщения водного потока на входе турбины °С 21,5
Перегрев водного потока на входе турбины °С 1

Рост давления легко регулировать. В настоящее время давление конденсации R-404A в типовом кондиционере в летнее время составляет около 2700 кПа. Давление испарения смеси R-717/R-170 (55/45) в типовой установке ПТЭО в летнее время составляет приблизительно 2200 кПа.

Применительно к использованию рассматриваемого состава в установках ПТЭО можно сделать следующие обобщения:

  • Смесь имеет сложные характеристики, но в рабочем диапазоне остается азеотропной, что позволяет избежать сложностей, связанных с температурным гистерезисом.
  • Благодаря тому, что нормальная точка кипения смеси ниже, чем у чистого R-717 и большинства привычных рабочих веществ, появляется возможность избежать трудностей, связанных с поступлением воздуха и влаги.
  • За счет эффекта синергии объемная холодопроизводительность смеси выше, чем сумма значений холодопроизводительности ее компонентов, рабочий объем турбины может быть уменьшен.
  • За счет того что температура выброса смеси значительно ниже, чем у R-717, температура системы повышается и появляется возможность использовать одноступенчатые турбины с большим повышением температуры.

Таблица 3. Характеристики новой смеси

Наименование ECP717
Состав (мольный) 45% R-170, 55% R-717
Мольная масса 22,9
НТК, °C -52,5
Критическая температура, °C 41,9
Температура замерзания, °C -97
ATEL, м.д. 550-570
НКПР, % об. 4,0-4,2
Вероятный класс безопасности В3
ОРП 0
ПГП 100 ~2

Использование смеси R-170/R-717 позволяет улучшить характеристики теплопередачи, особенно в испарителе, и, следовательно, повысить температуру испарения, что приравнивается к дополнительному повышению эффективности цикла. Кроме того, с ростом температуры смеси КПД и производительность системы снижаются в меньшей степени, чем в случае использования чистого аммиака. Смесь хорошо смешивается с минеральными маслами, что устраняет проблемы, связанные с высокой гигроскопичностью полиалкиленгликолевых масел и делает ненужным применение новых дорогостоящих гидроочищенных смазочных веществ.

Выводы

Для замены традиционных рабочих веществ в установках ПТЭО предлагается новая азеотропная смесь R-717/R-170. Она экологически безопасна, обладает нулевым озоноразрушающим потенциалом и низким потенциалом глобального потепления. По сравнению с R-717 смесь имеет более высокое давление насыщения, холодопроизводительность, низкую степень сжатия и температуру выброса из турбины. Все это делает смесь пригодной для установок ПТЭО. Благодаря повышенному давлению становится возможным существенное снижение размера оборудования, что, в свою очередь, приводит к снижению первоначальных затрат.