海洋熱能轉(zhuǎn)換（OTEC）是一種海洋可再生能源技術(shù)。它的原理是利用熱帶海洋表層海水（大約25攝氏度）與深層海水（大約1000米處為5攝氏度）之間的溫度梯度。與許多可再生能源技術(shù)相比，OTEC能產(chǎn)生不受天氣條件影響的可靠電力。這種溫度梯度能產(chǎn)生持續(xù)的電力供應(yīng)。在中期內(nèi)，OTEC將幫助滿(mǎn)足熱帶地區(qū)日益增大的電力需求并保障他們未來(lái)的能源獨(dú)立自給。這種創(chuàng)新性解決方案是化石燃料的綠色替代方案，目前仍然廣泛應(yīng)用在未與大陸性電力網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)的偏僻地區(qū)。
DCNS目前可提供功率為16MW的交鑰匙式海洋熱能浮動(dòng)式離岸解決方案。該集團(tuán)在2014年7月獲得歐盟資金資助的NEMO（馬提尼克和海外新能源）項(xiàng)目框架下，在馬提尼克開(kāi)發(fā)一種浮動(dòng)式OTEC發(fā)電廠(chǎng)。
為方便該發(fā)電廠(chǎng)的冷凝器設(shè)計(jì)，DCNS研究團(tuán)隊(duì)借助ANSYS仿真軟件和服務(wù)加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程。該項(xiàng)目展示了OTEC技術(shù)有望幫助未與大陸電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的海島區(qū)域?qū)崿F(xiàn)能源自給自足。
郎肯循環(huán)
圖1 OTEC郎肯循環(huán)
DCNS利用其在為潛艇和水面船舶設(shè)計(jì)推進(jìn)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出一種基于傳統(tǒng)郎肯循環(huán)的OTEC，其中使用氨作為閉式循環(huán)中的工作流體。液態(tài)氨先進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，通過(guò)靠近海面的暖水進(jìn)行加熱。隨后液態(tài)氨通過(guò)恒壓沸騰成為氣體。渦輪需要恒定的供應(yīng)壓力，因此加熱時(shí)可以產(chǎn)生更多蒸汽，以替換被渦輪消耗的蒸汽。蒸汽穿越渦輪時(shí)膨脹，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，然后進(jìn)入冷凝器被冰冷海水冷卻，再次成為液體。該液體隨即用泵送回蒸汽發(fā)生器，該循環(huán)重復(fù)運(yùn)行。
圖2 滯留流體（左）、以蒸汽速度（中）、淹沒(méi)（右）
冷凝器對(duì)于郎肯循環(huán)渦輪的性能非常關(guān)鍵。冷凝器內(nèi)置大量水平管道，周?chē)茄h(huán)往復(fù)的液態(tài)工作流體（本例中是氨）。管道中循環(huán)的是冷卻液，一般是冰冷海水。管道裝配體外工作流體的冷凝涉及多種復(fù)雜現(xiàn)象。氣體接觸管道時(shí)會(huì)冷凝產(chǎn)生液膜。管道裝配體中膜的形狀會(huì)根據(jù)周?chē)鷼怏w速度和重力而變化。冷凝液從上方的管道落向下方的管道（淹沒(méi)）。根據(jù)冷凝率，冷凝液下落的方式可以是液滴、液柱或連續(xù)的液膜。氣體速度不斷增大會(huì)攪動(dòng)液膜，加強(qiáng)熱交換，而淹沒(méi)會(huì)增大液膜厚度，減少熱交換。冷凝器設(shè)計(jì)的目標(biāo)一般是最大限度地增加熱交換以縮小管束的尺寸，從而縮小冷凝器的尺寸，降低其成本。
圖3 管束（上）、多孔介質(zhì)模型（中）和網(wǎng)格剖分（下）
設(shè)計(jì)人員一般通過(guò)分析方法創(chuàng)建初始設(shè)計(jì)來(lái)開(kāi)發(fā)冷凝器。這種方法的缺陷在于分析方法未將冷凝器的幾何形狀納入考量范圍，因此不能預(yù)測(cè)熱交換器的局部值。因此冷凝器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是管束的設(shè)計(jì)無(wú)法得到優(yōu)化。物理測(cè)試一般使用具有流體動(dòng)力學(xué)性能的、實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的原型，往往不能精確地?cái)U(kuò)展到生產(chǎn)尺寸的裝置上。
圖4 OTEC原型的三維仿真
冷凝器仿真
許多年來(lái)，DCNS在把ANSYSCFD解決方案用于新設(shè)計(jì)故障排除和研究方面取得了巨大的成功。但為了把仿真工作流從研究遷移到設(shè)計(jì)工程，該組織機(jī)構(gòu)需要開(kāi)發(fā)能在不影響結(jié)果精確度的情況下、在幾分鐘（而非數(shù)天）內(nèi)提供答案的可靠模型。法國(guó)的ANSYS Customer Excellence團(tuán)隊(duì)為DCNS開(kāi)發(fā)出一系列簡(jiǎn)化但綜合全面的可靠模型。這些模型能幾乎立即良好地預(yù)測(cè)冷凝器行為。協(xié)作過(guò)程非常順利，結(jié)果符合預(yù)期。DCNS工程師隨即使用新的方法開(kāi)發(fā)出附加模型，用于仿真三維淹沒(méi)。這樣負(fù)責(zé)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的工程師能夠獲得通常只有研究人員才能使用的強(qiáng)大仿真工具。
圖5 Coleson Cove發(fā)電廠(chǎng)冷凝器的CFD結(jié)果
DCNS正在使用ANSYS Fluent改進(jìn)冷凝器設(shè)計(jì)過(guò)程。冷凝器模型在描述管束時(shí)，將其等效為多孔介質(zhì)域。這種方法讓DCNS能夠顯著減少網(wǎng)格單元的數(shù)量。雖然如此，仍然有必要通過(guò)添加源項(xiàng)來(lái)正確地模擬所有的液力現(xiàn)象和熱現(xiàn)象，從而完成Navier–Stokes方程的求解。
該模型假設(shè)只有氣相流；不存在冷凝液。冷凝器中液體的比例非常小，一般只有管道周?chē)”〉囊粚�。但是這層薄液膜在管道內(nèi)壁與外壁之間的熱交換中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。一種算法可確定每根管道的流速并計(jì)算出管束中液膜的淹沒(méi)情況。這種方法能夠計(jì)算出淹沒(méi)導(dǎo)致的熱阻并將熱阻整合到冷凝流速的計(jì)算中，因冷凝流速取決于每根管道內(nèi)外之間的熱平衡。熱交換則是根據(jù)從資料中得到的分析關(guān)聯(lián)度加以確定。
圖6 OTEC冷凝器原型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與CFD結(jié)果對(duì)比
冷凝流速則用質(zhì)量守恒方程中的一項(xiàng)表示。動(dòng)量守恒方程中加入一個(gè)用于表達(dá)管束氣壓損耗的源項(xiàng)。
壓降和冷凝流速這兩個(gè)源項(xiàng)用用戶(hù)定義的函數(shù)計(jì)算。定制的用戶(hù)界面簡(jiǎn)化了仿真的設(shè)置流程，降低了輸入差錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)。ANSYS Meshing用四面體單元和六面體單元自動(dòng)生成網(wǎng)格。
該團(tuán)隊(duì)在OTEC冷凝器原型上成功地驗(yàn)證了這一仿真方法。DCNS工程師比較了管道內(nèi)部的蒸汽質(zhì)流速和出口溫度。CFD結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合。
DCNS工程師還仿真了加拿大圣約翰Coleson Cove發(fā)電廠(chǎng)的蒸汽驅(qū)動(dòng)熱機(jī)使用的冷凝器。就Coleson Cove發(fā)電廠(chǎng)而言，工程師將CFD結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做了對(duì)比，其中包括六個(gè)不同點(diǎn)的溫度。CFD結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)良好吻合，如圖中所示。
借助CFD仿真，第一次可以在建造大比例尺原型之前精確地預(yù)測(cè)熱交換器的局部值。這樣讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程早期更方便地優(yōu)化管束設(shè)計(jì)，提升熱交換器的性能。
在下一個(gè)項(xiàng)目中，DCNS計(jì)劃使用CFD仿真優(yōu)化管束幾何形狀和進(jìn)口位置，從而提升蒸汽速度，限制淹沒(méi)情況。該CFD模型將用于在構(gòu)建第一個(gè)原型之前顯示這些現(xiàn)象和優(yōu)化設(shè)計(jì)。DCNS預(yù)計(jì)通過(guò)仿真可以實(shí)現(xiàn)重量更輕、尺寸更小、成本更低、而且能滿(mǎn)足或超過(guò)性能要求壓縮機(jī)設(shè)計(jì)。這種定制化過(guò)程讓設(shè)計(jì)工程師能夠運(yùn)用仿真工具加快設(shè)計(jì)過(guò)程。該結(jié)果有助于降低未來(lái)OTEC、熱機(jī)發(fā)電廠(chǎng)設(shè)施和船舶推進(jìn)系統(tǒng)的尺寸與成本。
圖7 Coleson Cove電廠(chǎng)測(cè)量點(diǎn)
圖8 Coleson Cove電廠(chǎng)CFD和實(shí)驗(yàn)壓力結(jié)果對(duì)比
圖9 Coleson Cove電廠(chǎng)CFD和實(shí)驗(yàn)溫度結(jié)果對(duì)比
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