Туманный лифт
A: Вакуумный насос, поддерживающий низкое давление в конструкции. B: Входное отверстие для стекания теплой поверхностной воды к турбине. C: Основание конструкции на глубине 100 м ниже поверхности, где расположена турбина. D: Труба холодной воды, проходящая на глубину (обычно от 700 до 1000 метров). E: Место, где струи холодной воды распыляются вверх в сосуд.
Подъемник тумана , поток тумана или паровой насос — это газлифтный метод подъема воды, используемый в форме преобразования тепловой энергии океана (OTEC), когда вода падает для работы гидроэлектрической турбины. Вода перекачивается с уровня, до которого она падает, с помощью поднимающегося пара, который объединяется в многофазный поток. [ 1 ] Независимо от производства энергии, эту технику можно использовать просто в качестве насоса с тепловым приводом, используемого для подъема океанской воды с глубин для неуказанных целей. [ 2 ]
Операция
[ редактировать ]Как и в других схемах OTEC с открытым циклом, этот метод предполагает кипячение морской воды при низком атмосферном давлении. Схема может принимать различные формы, поэтому для иллюстрации будет описана конкретная форма, а в разделе ниже будут перечислены подробности альтернативных форм. Предпосылкой для подъема тумана является наличие значительного температурного градиента. Ожидается, что температура поверхностных вод обычно будет около 25 ° C (77 ° F). Температура холодной воды из глубины должна быть около 5 °C (41 °F). [ 3 ] [ 4 ] В общем наборе вариантов реализации используется плавучий бетонный сосуд, большая часть которого погружена под поверхность. Большие объемы теплой поверхностной морской воды падают под действием силы тяжести со значительной высоты, например, 100 метров (330 футов), для выработки электроэнергии с помощью гидроэлектрической турбины в основании сооружения. «Туманный лифт» получил свое название от технологии газлифта, используемой для откачки воды обратно из конструкции. Из-за частичного вакуума внутри конструкции теплая морская вода с поверхности кипит, создавая большие объемы поднимающегося пара. На высоте от 10 до 20 метров струи холодной морской воды распыляются вверх, в пар, быстро сжимая его и тем самым создавая значительно более низкое давление наверху конструкции, чем у основания. Это приводит к тому, что многофазный пароводяной «туман» поднимается с большой скоростью к вершине конструкции, откуда он выходит. [ 1 ] [ 5 ]
Подробности вариаций
[ редактировать ]- В наземных вариантах вода поднимается вверх по башне и падает, приводя в движение турбину. [ 1 ]
- Многофазный поток может решить проблемы трения в конструкциях цилиндров, если струя холодной жидкости направляется вверх через центр цилиндра. Сжатый пар притягивается к центру цилиндра, уменьшая контакт между частями потока с более высокой плотностью и стенками цилиндра. [ 2 ]
- Высота конструкции может сильно различаться: большая высота коррелирует с большей выходной мощностью. Первоначальный патент Риджуэя предусматривал строительство конструкции длиной 50 метров (160 футов).
- Подобно эрлифтным насосам, многофазный поток может принимать форму не только тумана, но и пенистой смеси пузырьков, как это представлял себе Эрл Бек. [ 6 ]
- Многофазные потоки, насыщенные пузырьками, имеют тенденцию лопать пузырьки при подъеме, снижая производительность насоса. Этот эффект можно уменьшить за счет использования пенообразователя, такого как моющее средство, как предложили Зенер и Феткович. [ 3 ] [ 7 ]
- Лифт можно разделить на две ступени, которые теоретически могут генерировать 800 киловатт на кубический метр в секунду холодной воды. [ 5 ]
Детали, распространенные в дизайне Ridgway
- Вакуумный насос поддерживает давление 2400 паскалей (0,35 фунтов на квадратный дюйм) у основания конструкции.
- Струи холодной воды создают более низкое давление в 1200 паскалей (0,17 фунтов на квадратный дюйм) в середине конструкции.
- Входная вода фильтруется и деаэрируется для удаления газов и улучшения качества кипения. [ 4 ]
- Капли тумана размером 200 микрометров могут подниматься на высоту до 50 метров за счет собственного пара, образующегося при мигании. [ 8 ]
Проблемы дизайна
[ редактировать ]- Если в процессе работы турбины происходит подъем водяного тумана, может образоваться большое количество микропузырьков, которые могут вызвать чрезмерную кавитацию ротора турбины. [ 6 ]
- Если используется погружная конструкция, стоимость погружной камеры может составлять до 40 процентов стоимости установки из-за требуемой прочности и объема. Камера большого объема необходима для того, чтобы высокоскоростные потоки поднимались без чрезмерного трения. Если конструкция имеет большой объем и погружается на глубину 100 метров, она должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать вес океана на этой глубине. [ 2 ]
Оценка стоимости
[ редактировать ]Mist Lift, использующий термическую разницу температур, не требует больших насосов и теплообменников, как в других типах OTEC. В закрытых системах стоимость теплообменников представляет собой наибольшую стоимость установки OTEC, при этом для установки мощностью 100 МВт требуется 200 теплообменников размером с 20-футовый транспортный контейнер. [ 9 ]
В 2010 году с Makai Ocean Engineering был заключен контракт на создание компьютерных моделей для оценки того, будет ли электростанция с подъемом тумана конкурентоспособной с доминирующими подходами OTEC, разрабатываемыми исследователями. По оценкам исследования, электростанция с подъемом тумана может быть на 17–37% дешевле, чем электростанция замкнутого цикла. [ 10 ] В установках с погружным распылением около 40% затрат уходит на создание достаточно прочного сосуда под давлением. [ 2 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Патент США 4441321 , Риджуэй, Стюарт Л., «Компактный генератор потока тумана», опубликован 10 апреля 1984 г.
- ^ Jump up to: а б с д Патент США 4603553 , Риджуэй, Стюарт Л., «Баллистическая труба для холодной воды», опубликован 11 декабря 1984 г.
- ^ Jump up to: а б Зенер, Кларенс; Норьега, Хайме (май 1982 г.), «Периодические взрывы при положительной обратной связи в поднимающемся столбе пены» (PDF) , Proceedings of the National Academy of Sciences , 79 (10): 3384–3386, Бибкод : 1982PNAS...79.3384Z , дои : 10.1073/pnas.79.10.3384 , PMC 346420 , PMID 16593192 , получено 2 июня 2012 г.
- ^ Jump up to: а б Патент США 4216657 , Риджуэй, Стюарт Л., «Процесс тепловой энергии океана с потоком тумана», опубликован 12 августа 1980 г.
- ^ Jump up to: а б Риджуэй, Стюарт Л. (19 апреля 2005 г.), Закончился газ? Заправка с помощью туманного подъемника Ocean Thermal Energy , OTEC News, архивировано из оригинала 26 декабря 2005 г. , получено 13 февраля 2011 г.
- ^ Jump up to: а б Патент США 6202417 , Бек, Эрл Дж., «Гидравлическая электростанция с температурным градиентом океана», опубликован 20 марта 2001 г.
- ^ Зенер, Кларенс; Феткович, Джон (25 июля 1975 г.), «Пенная солнечная морская электростанция», Science , 189 (4199): 294–5, Бибкод : 1975Sci...189..294Z , doi : 10.1126/science.189.4199.294 , PMID 17813708 , S2CID 13151635
- ^ Ли, ЦКБ; Риджуэй, Стюарт (май 1983 г.), «Связь пара/капель и цикл потока тумана (OTEC)» (PDF) , Journal of Solar Energy Engineering , 105 (2): 181–186, Бибкод : 1983ATJSE.105..181L , дои : 10.1115/1.3266363
- ^ Элдред, М.; Ландхерр, А.; Чен, IC (июль 2010 г.), «Сравнение алюминиевых сплавов и производственных процессов на основе коррозионных характеристик для использования в теплообменниках OTEC», Offshore Technology Conference 2010 (OTC 2010) , Curran Associates, Inc., doi : 10.4043/20702-MS , ISBN 9781617384264 , получено 28 мая 2010 г.
- ^ Сводка наград Recovery.gov: Makai Ocean Engineering, 1 июля — 30 сентября 2011 г. , архивировано из оригинала 14 декабря 2012 г. , получено 2 июня 2012 г.