海洋溫差電站垂向冷海水管內(nèi)海水溫升特性數(shù)值分析

施　偉，劉偉民，劉　蕾，彭景平，陳鳳云

（國家海洋局第一海洋研究所，山東　青島　266061）

海洋溫差電站垂向冷海水管內(nèi)海水溫升特性數(shù)值分析

施偉，劉偉民*，劉蕾，彭景平，陳鳳云

（國家海洋局第一海洋研究所，山東青島266061）

通過對海洋溫差電站垂向冷海水管內(nèi)海水溫升進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了管材、管徑及管道入口流速等因素對管內(nèi)冷海水溫升的影響。結(jié)果表明在給定水溫和壁厚條件下，鋼質(zhì)管道內(nèi)冷海水溫升幅度介于0.200～1.569 K之間，高密度聚乙烯管內(nèi)冷海水溫升幅度介于0.009～0.089 K之間；出口處冷海水的溫升與冷海水管管徑和冷海水入口流速成反比。

海洋溫差能轉(zhuǎn)換；冷海水管；溫升；數(shù)值分析

海洋溫差能發(fā)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（OTEC）受海洋溫差較小的限制，系統(tǒng)發(fā)電效率相對較低，而在抽取冷海水的過程中，冷海水受管外溫海水的加熱溫度會升高，從而降低OTEC系統(tǒng)的發(fā)電效率。Wei［1］等人計算了沿海床敷設(shè)冷海水管的傳熱情況，結(jié)果表明管內(nèi)冷海水的溫升幅度較小。針對垂直管道傳熱問題，李旻［2］等利用有限容積法建立并驗證了水體中垂直管的傳熱數(shù)值模型；Rodríguez［3］分析了OTEC電站冷海水管道外溫度場的分布，發(fā)現(xiàn)冷海水管的運行對周邊海水的溫度場影響有限；馬?。?］利用FLUENT軟件分析了垂直式管道的傳熱過程，得到大量垂直管換熱量和管內(nèi)流體溫度等傳熱數(shù)據(jù)。OTEC電站中，目前針對管道內(nèi)海水溫升特性的研究還較為少見。本文從工程角度出發(fā)，在充分考慮溫升可能對OTEC電站發(fā)電效率影響的情況下，取管道垂直長度為1 000 m，模擬計算了OTEC電站垂直冷海水管道的傳熱過程，對比分析了管道材質(zhì)、管徑、壁厚以及冷海水入流速度等因素對管內(nèi)冷海水溫升的影響。

1　模型與方法

1.1冷海水管模型參數(shù)

選取管徑為0.6 m，0.7 m，0.8 m，0.9 m，1.0 m，2.0 m的冷海水管，建立海洋溫差電站冷海水管物理模型，表1是各不同規(guī)格冷海水管道的壁厚參數(shù)，數(shù)據(jù)來源自中國建筑工業(yè)出版社《給排水設(shè)計手冊》。管材選取傳統(tǒng)管材鋼材以及新型管材高密度聚乙烯（HDPE，下同），其中鋼管的密度為8 030 kg/m3，比熱容為502.48 J/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)為16.27 W/（m·K），HDPE管道的密度為955 kg/m3，比熱容為2 300 J/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W/（m·K）。

表1　冷海水管道壁厚選取表

圖1所示為簡化后的冷海水管物理模型。

圖1　冷海水管物理模型和傳熱分析圖

1.2數(shù)學(xué)模型

由于海水運動是一個復(fù)雜多變的運動過程，研究外部海水對OTEC電站冷海水管內(nèi)冷海水的溫升影響時，作了如下假設(shè)：（1）冷海水管垂向長度1 000 m，受海浪影響的管體區(qū)域與整體管道相比長度較短，故忽略其對管體傳熱造成的影響；（2）海水為不可壓縮流體，密度為1 025 kg/m3，比熱容為3 998 J/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)為0.58 W/（m·K），動力粘性系數(shù)1.569×10-3kg/（m·s）；（3）忽略海水腐蝕及管壁結(jié)垢對傳熱產(chǎn)生的影響。

1.2.1傳熱模型根據(jù)能量守恒定律，以冷海水管內(nèi)流體微元體建立管內(nèi)流體溫度的控制方程。根據(jù)圖1所示，設(shè)di，do分別為冷水管內(nèi)徑和外徑；φ1為冷海水管內(nèi)外流體傳遞的熱流量；Δφab為軸向的對流換熱傳遞的熱流量；cv表示海水的定容比熱容；cp表示海水的定壓比熱容；qm為冷海水管內(nèi)的質(zhì)量流量；V為選取的控制體的體積；Ta為管內(nèi)海水溫度；Tb為管外海水溫度；t為時間。

對冷海水管內(nèi)某一縱坐標(biāo)y處的控制體，忽略管內(nèi)流體的軸向?qū)?，則控制體與外界的熱量交換只有通過管壁的傳熱量和軸向的熱對流兩部分，根據(jù)能量守恒有：

式（1）左邊表示控制體單位時間里內(nèi)能的增量，右邊第一項代表管外的海水傳遞進(jìn)管內(nèi)的熱流量，右邊第二項代表管內(nèi)流體通過對流換熱傳遞進(jìn)來的熱流量。其中為 Ta與Tb之間的熱阻分別為冷海水管內(nèi)外壁的對流換熱系數(shù)，λ為冷海水管的導(dǎo)熱系數(shù)，△y為控制體高度。

1.2.2邊界與初始條件冷海水管入口處定義為速度入口邊界；出口處選擇自由出流邊界；管道中心線定義為對稱軸；管壁定義為耦合傳熱壁面；外部海水溫度分布采用南海某區(qū)域一海水溫度剖面，詳見圖2。管道的入口溫度統(tǒng)一為279.12 K；隨著用電終端用電負(fù)荷的變化，OTEC電站海水流量也需要做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，因此本文冷海水入口流速選擇為1.0～3.0 m/s。

圖2　典型海水溫度剖面圖

2　結(jié)果與討論

2.1冷海水溫度與表面對流換熱系數(shù)分布特征

通過模擬得出各不同規(guī)格冷海水管在不同工況下的傳熱情況，如圖3所示。各管徑冷海水管在不同工況下管內(nèi)冷海水溫度分布表現(xiàn)出較一致的分布特征：自管道入口到出口冷海水溫度在不斷升高，在管道前半段冷海水溫度變化較為平緩，冷海水溫度的提升主要體現(xiàn)在管道后半段。比較兩種材質(zhì)管道內(nèi)冷海水溫度，鋼質(zhì)管道內(nèi)冷海水溫升速度與幅度均明顯高于HDPE管：鋼質(zhì)管道內(nèi)冷海水溫升介于0.200～1.569 K之間，HDPE管道內(nèi)冷海水溫升為0.009～0.089 K之間。HDPE管保溫作用顯著強于鋼質(zhì)管道。

圖4為不同管徑情況下兩種材質(zhì)冷海水管表面換熱系數(shù)的變化曲線?？傮w上，表面換熱系數(shù)沿管長在不斷加大，在冷海水管起始段各冷海水管表面換熱系數(shù)趨于一致，在管道中間段各冷海水管表面換熱系數(shù)分布曲線表現(xiàn)出不同的發(fā)展趨勢，在管道末段表現(xiàn)出明顯的差異。其次，隨著冷海水管管徑的增大，其表面換熱系數(shù)依次降低。兩種材質(zhì)管道的表面換熱系數(shù)差異巨大，其中鋼質(zhì)管道表面換熱系數(shù)最大為598.49 W/（m2·K），而HDPE管道表面換熱系數(shù)最大僅為25.78 W/（m2·K）。

圖4　冷海水管表面換熱系數(shù)分布

2.2管徑對傳熱的影響

圖5顯示的是不同管徑冷海水管出口處冷海水溫度變化曲線。由圖可知：兩種材質(zhì)管道冷海水溫度變化均表現(xiàn)為隨著管徑的增大，出口處冷海水的溫度在不斷降低。在管徑為0.6~1.0 m時，同一入口流速下管道出口處冷海水溫度隨管徑的增大迅速降低；在管徑為1.0~2.0 m時，同一入口流速下管道出口處冷海水溫度變化不大。各入流速度下管道出口處冷海水溫度見表2，其中：兩種材質(zhì)管道出口處冷海水溫度均在管徑0.6 m、入流速度1.0 m/s時達(dá)到最大值，分別為280.689 K和279.209 K；在管徑2.0 m、入流速度3.0 m/s時達(dá)到最小值，分別為279.320 K和279.129 K。

圖5　不同管徑冷海水管出口處冷海水溫度

表2　管道出口處冷海水溫度表

2.3入口速度對傳熱的影響

當(dāng)冷海水管入口流速取值為1.0 m/s，1.5 m/s，2.0 m/s，2.5 m/s，3.0 m/s時，經(jīng)過模擬計算，得出冷海水管出口處冷海水溫度與入口流速之間的關(guān)系，如圖6所示，左圖為鋼質(zhì)管，右圖為HDPE管。由圖可知：隨著冷海水管入流速度的增加，各管道出口處冷海水的溫度在依次降低。在入口速度為1.0~ 2.0 m/s時，各不同管徑冷海水管管道出口處冷海水溫度變化幅度較大，在入口速度為2.0~3.0 m/s時，各不同管徑冷海水管管道出口處冷海水溫度變化趨緩。

圖6　不同入口流速下冷海水管出口處冷海水溫度

2.4討論

在本文計算范圍內(nèi)，通過上述分析可發(fā)現(xiàn)，冷海水溫升幅度介于0.009～1.569 K之間：其中鋼質(zhì)管道內(nèi)冷海水溫升介于0.200～1.569 K之間，HDPE管道內(nèi)冷海水溫升介于0.009～0.089 K之間。管徑為0.6 m的鋼質(zhì)冷海水管在管道入口流速為1.0 m/s時管道內(nèi)冷海水溫升幅度達(dá)到最大，為1.569 K；管徑為2.0 m的HDPE冷海水管在管道入口流速為3.0 m/s時管道內(nèi)冷海水溫升幅度達(dá)到最小，為0.009 K。這說明HDPE材質(zhì)冷海水管能有效地阻礙外部溫海水對管內(nèi)冷海水的傳熱，而鋼質(zhì)冷海水管在保溫性能方面較差；其次管徑和入口流速越小，管道內(nèi)冷海水的溫升幅度越大，這主要是由于管徑大的管道管壁厚度也相應(yīng)有所增加，導(dǎo)致管內(nèi)冷海水和管外溫海水之間的傳熱熱阻增大，冷海水管程表面換熱系數(shù)的分布特征很好地證明了這一點。

3　結(jié)論

通過對相同入口溫度、不同入口流速條件下，冷海水在鋼質(zhì)和HDPE兩種材質(zhì)不同管徑的管道中沿程溫升進(jìn)行數(shù)值分析，得到以下結(jié)論：

（1）在模型計算范圍內(nèi)，管道出口處冷海水溫度隨管徑的增加而減小，隨管道入口流速的增加而減小；

（2）HDPE材質(zhì)管內(nèi)冷海水最大溫升幅度為0.089 K，鋼質(zhì)管道內(nèi)冷海水最大溫升幅度為1.569 K，HDPE材質(zhì)管道對管內(nèi)冷海水的保溫作用顯著。

［1］Wei C H，Huang B J，Kong M S.Engineering Analysis of Pumping Cold Deep Nutrient-Rich Seawater for Mariculture and Nuclear Power Plant Cooling［J］.Ocean Engineering，1980，7（4）：501-520.

［2］李旻，刁乃仁，方肇洪.“裸管”地?zé)釗Q熱器數(shù)值傳熱模型研究［J］.廣東海洋大學(xué)學(xué)報，2007，27（4）：58-62.

［3］RodríguezBM.Near and Far Field Models ofExternal Fluid Mechanics ofOcean Thermal EnergyConversion（OTEC）Power Plants［M］.Massachusetts，USA：Massachusetts Institute ofTechnology，2013.

［4］馬健.基于FLUENT軟件的地源熱泵地下垂直式埋管換熱器的傳熱研究［D］.南京：東南大學(xué)，2009.

Numerical Analysis on the Temperature Rise Characteristics of Seawater in Vertical Cold-Water Pipe in OTEC Power Plant

SHI Wei，LIU Wei-min，LIU Lei，PENG Jing-ping，CHEN Feng-yun
First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，Shandong Province，China

The numerical simulation is conducted for temperature rise characteristics of seawater in vertical coldwater pipe in OTEC power plant.This study analyzes the effects of the material and diameter of cold-water pipe on the temperature rise characteristics under different inlet conditions.The results show that under given water temperature and pipe thickness，the cold-water temperature rises along the pipe，with total temperature difference between 0.200 K and 1.569 K in steel pipe，and 0.009 K and 0.089 K in HDPE pipe.The cold-water temperature decreases with increasing pipe diameter and inlet velocity.

OTEC；cold-water pipe；temperature rise；numerical analysis

P743.4

A

1003-2029（2016）04-0093-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.017

2015-07-08

海洋可再生能源專項資助項目（KZS0313001）；青島市藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)專項資助項目（Q1402）；山東省科技發(fā)展計劃資助項目（2014GHY115035）

施偉（1993-），男，碩士研究生，主要從事海洋溫差能發(fā)電研究。E-mail：shiwei_09@163.com

劉偉民（1964-），男，博士，研究員，主要從事多相流動、傳熱、海洋可再生能源方向研究。E-mail：lwmxjtu@163.com