Жылу алмастырғыштар.

P₁ идеал шығыс қуатын есептеу кезінде OTEC жүйедегі жұмыс денесі мен мұхит суының арасындағы жылуалмасу қарастырылған.

Жалпылай талдау. Жылу алмастырғыштар бір сұйықтықтан екінші сұйықтыққа, оларды алмастырмайтындай, жылуды береді. Анықтамалық әдебиетте осы тәріздес құрылғылардың көп түрі туралы жазылған, алайда аса кең таралған түрі қаптамақұбырлы жылу алмастырғыш болып табылады.(14.4 сур.) Мұндай жылу алмастырғышта жұмыс денесімен жуылатын құбыр арқылы су ағыны қозғалады.

 

14. 4 сур. Қаптамақұбырлы жылу алмастырғыш (кесілген түрі)

14.5 суретте жылу алмасуға деген кедергі неден болатыны көрсетілген. Негізгі жайсыздықтар мұхит суының төмен жылуды өткізу қасиетінен болады. Судан металға берілетін жылу §3.4-те көрсетілгендей болады. Соңында жылу берілу жылуды өткізу есебінен болады, оның бетінде металл немесе пленка (оксидтер, биологиялық өсінділер)болсын. Жылу берілу кезінде барлық термиялық кедергілерден өту үшін δT белгілі температуралардың түсуі керек.

P_ωf - жылу ағыны (ω) теңіз суынан (f) дене сұйықтығына дейін болсын. Сонда

P_ωf = δT/R_ωf, (14.5)

мұндағы R_ωf­- судан жұмыс денесіне деген жылу берілудің кедергісі. Егер δT температураның аналогиялық төмендеуі, жұмыс денесінен теңіз суына жылудың берілуі екінші жылу алмастырғышта бақыланса, онда жылу машинасын қозғалысқа келтіретін температураның төмендеуі ΔT-ға емес, Δ₂T= ΔT-2δT. (14.6)

мынаған тең болады.

Карноның идеал жылу машинасы үшін шығыс қуаты мынаған тең болар еді:

(14.7)

14.5 сур. Жылу алмастырғыш дуалы арқылы жылу берілуге деген кедергі.

(14.7) -ге сәйкес, егер аз болса, онда шығыс қуаты да аз болады. Алайда, жылу машинаның КПД-сы максималды болуы үшін δT минималды болуы тиіс. Яғни, R_ωf жылу берілу кедергісін азайтып және жылу алмастырғышты эффективті ету керек. Сондықтан, жылу алмастырғыш құбыры жылуды жақсы өткізетін металдан жасалуы тиіс, жұмыс бетінің ауданын қамтамасыз ету үшін олар көп болуы керек. Жылу беруді жақсартудың басқа тәсілі - беттің ауданын үлкейту, қуысты қабаттарды, құбыр ішіндегі турбулизаторларды қолдану. Осындай құрылыстың күрделенуі нәтижесінде жылу алмастырғыштар OTEC-тің қымбат бөлігі болып отыр. Оның бағасы құбырлардың жасалған металы теңіз суында, жұмыс денесінің ортасында коррозияға қарсы түру керектігінен қымбаттайды. Барлық байланыстар герметикалық болуы тиіс.

Толық термиялық кедергіні r_ωf үлесті термиялық кедергі мен A_ωf қабырғалардың жалпы ауданы арқылы көрсетуге болады(§3.2-де осы терминдердің барлығы жазылған):

R_ωf = r_ωf /A_ωf. (14.8)

OTEC проблемалары бойынша жүргізілетін зерттеулер жылу алмастырғыштарды өңдеумен байланысты. Олардың мақсаты - r_ωf -ты түсіріп және соның есебінен A_ωf аудынын кішірейту.Ірі жылу алмастырғыштардың жасалған металының шығынын азайту барық құнның айтарлықтай түсуіне алып келеді.Жетілген технологиялар қазірден бастап r= 3·10⁴м²·K/Вт [ h=1/r= 3000 Вт/(м²·K)] -алып жатыр.

Жылу алмастырғыш арқылы өтетін судың шығыны одан алынатын қуаттан, жылу беруден және температураның абсолютті мәнімен анықталады. Ол істеп тұрған құрылғының жылу алмастырғыш арқылы өтіп жатқан су ағынының тепе-теңдігі көрсетілген 14.6 суреттен бейнеленген. Жылу алмастырғыштың әр нүктесінде су мен жұмыс денесі арасындағы температуралар айырмашылығы 4⁰C-қа тең. Осылайша, жұмыс денесінің ең үлкен температурасы T_hf=Tⁱⁿ_hω - δT - ке тең. Сондықтан, ыстық сумен берілетін қуат мынаған тең:

(14.9)

температура түскен кезде

=ΔT-2δT (14.10)

14.2 мысал. Жылу алмастырғыштың сипаттамасы. Жылу алмастырғыштың жетілмегендігіненжұмыс денесі температурасы төмендейді деген шартпен Карно циклы орындалады деп есептегендегі, шығыс қуаты1МВт болатынOTEC қаптамақұбырлы жылу алмастырғыштың негізгі параметрін анықтау.

14.6 сур. OTEC алмастырғыштағы энергетикалық ағындар. (14.2 мысал)

Берілген параметрлер 14.7 суретте қарас. (r_ωf =3·10^-4м²·K/Вт, ΔT=20⁰C, δT=4⁰C және т.б)

Шешімдер

1)Беттің ауданы. (14.8)-ден A_ωf = r_ωf / R_ωf.

(14.7) -ден

осылайша

Бұл өте үлкен мән.

2)Су шығыны

Сондықтан, (14.9) мен (14.10) -ге сәйкес су шығыны мынаған тең:

3)Шекаралық қабаттардың термиялық кедергісі. Әр шекаралық қабат(14.5 сур) r_ωf -ның жартысын береді деп есептейік. Ішкі қабырға құбырындағы шекаралық қабаттың (судың) жеке термиялық кедергісі болсын. Тағы d - жылу алмастырғыштағы әр құбырдың диаметрі деп белгілейік. Тегіс құбырдың ішкі бетінің конвективті жылу берілуі келесі теңдеумен беріледі:

Нуссельт санының анықталуымен қатар Рейнольд саны әр құбыр үшін

тең. Мұндағы

4) Құбыр диаметрі және олардың саны. деп алсақ, тең болады. Бұл жағдайда әр құбырдағы ағынның жылдамдығы:

n құбыр арқылы өтетін көлемдік шығын:

тең. Ал құбыр саны

5) Құбыр ұзындығы.

Бұл мысал үлкен емес OTEC үшін бағасы сәйкес жылу алмастырғыш керек екендігін көрсетеді. Әрине, бұл мысалда өлшемнің кіші мәндері берілген: қолданылған мәндер жылулық машинаның жетілмегендігін ескермейді, ол керек шығын қуатын жасау үшін көлемдік шығынының көбеюіне алып келеді. Бұл мысалда құбырлар тегіс қабырғалы деп қарастырылған.

Биоөсулер. Жылу алмастырғыш құбырларының ішкі беттері теңіз организмдердің тұрақтануына ыңғайлы, ол OTEC жұмысының өнімділігін төмендетеді және жылу берілу кедергісін жоғарылатады. Биоөсу - осындай станцияларды жобалауда негізгі проблемалардың бірі болып отыр: жылу алмастырғыштың беткі ауданының ұлғаюы зиян организмдердің қосымша тұрақтануына алып келеді. Осы проблемамен күресудің бір амалы - тығыз орналасқан шарларды жылу алмастырғыш құбырлары өткізу арқылы механикалық тазалау мен теңіз суына биоцидтерді енгізу арқылы химиялық тазалау.

Құрылыс бағасын сақтау үшін, оптималды өлшеммен сәйкес келмейтін компоненттерді қолдану осы барлық күрделендірудің нәтижесі болып отыр(мысалы, жылу алмастырғыштың өлшемі).