海洋温差电站垂向冷海水管内海水温升特性数值分析

施　伟，刘伟民，刘　蕾，彭景平，陈凤云

（国家海洋局第一海洋研究所，山东　青岛　266061）

海洋温差电站垂向冷海水管内海水温升特性数值分析

施伟，刘伟民*，刘蕾，彭景平，陈凤云

（国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛266061）

通过对海洋温差电站垂向冷海水管内海水温升进行数值模拟，分析了管材、管径及管道入口流速等因素对管内冷海水温升的影响。结果表明在给定水温和壁厚条件下，钢质管道内冷海水温升幅度介于0.200～1.569 K之间，高密度聚乙烯管内冷海水温升幅度介于0.009～0.089 K之间；出口处冷海水的温升与冷海水管管径和冷海水入口流速成反比。

海洋温差能转换；冷海水管；温升；数值分析

海洋温差能发电转换系统（OTEC）受海洋温差较小的限制，系统发电效率相对较低，而在抽取冷海水的过程中，冷海水受管外温海水的加热温度会升高，从而降低OTEC系统的发电效率。Wei［1］等人计算了沿海床敷设冷海水管的传热情况，结果表明管内冷海水的温升幅度较小。针对垂直管道传热问题，李旻［2］等利用有限容积法建立并验证了水体中垂直管的传热数值模型；Rodríguez［3］分析了OTEC电站冷海水管道外温度场的分布，发现冷海水管的运行对周边海水的温度场影响有限；马健［4］利用FLUENT软件分析了垂直式管道的传热过程，得到大量垂直管换热量和管内流体温度等传热数据。OTEC电站中，目前针对管道内海水温升特性的研究还较为少见。本文从工程角度出发，在充分考虑温升可能对OTEC电站发电效率影响的情况下，取管道垂直长度为1 000 m，模拟计算了OTEC电站垂直冷海水管道的传热过程，对比分析了管道材质、管径、壁厚以及冷海水入流速度等因素对管内冷海水温升的影响。

1　模型与方法

1.1冷海水管模型参数

选取管径为0.6 m，0.7 m，0.8 m，0.9 m，1.0 m，2.0 m的冷海水管，建立海洋温差电站冷海水管物理模型，表1是各不同规格冷海水管道的壁厚参数，数据来源自中国建筑工业出版社《给排水设计手册》。管材选取传统管材钢材以及新型管材高密度聚乙烯（HDPE，下同），其中钢管的密度为8 030 kg/m3，比热容为502.48 J/（kg·K），导热系数为16.27 W/（m·K），HDPE管道的密度为955 kg/m3，比热容为2 300 J/（kg·K），导热系数为0.5 W/（m·K）。

表1　冷海水管道壁厚选取表

图1所示为简化后的冷海水管物理模型。

图1　冷海水管物理模型和传热分析图

1.2数学模型

由于海水运动是一个复杂多变的运动过程，研究外部海水对OTEC电站冷海水管内冷海水的温升影响时，作了如下假设：（1）冷海水管垂向长度1 000 m，受海浪影响的管体区域与整体管道相比长度较短，故忽略其对管体传热造成的影响；（2）海水为不可压缩流体，密度为1 025 kg/m3，比热容为3 998 J/（kg·K），导热系数为0.58 W/（m·K），动力粘性系数1.569×10-3kg/（m·s）；（3）忽略海水腐蚀及管壁结垢对传热产生的影响。

1.2.1传热模型根据能量守恒定律，以冷海水管内流体微元体建立管内流体温度的控制方程。根据图1所示，设di，do分别为冷水管内径和外径；φ1为冷海水管内外流体传递的热流量；Δφab为轴向的对流换热传递的热流量；cv表示海水的定容比热容；cp表示海水的定压比热容；qm为冷海水管内的质量流量；V为选取的控制体的体积；Ta为管内海水温度；Tb为管外海水温度；t为时间。

对冷海水管内某一纵坐标y处的控制体，忽略管内流体的轴向导热，则控制体与外界的热量交换只有通过管壁的传热量和轴向的热对流两部分，根据能量守恒有：

式（1）左边表示控制体单位时间里内能的增量，右边第一项代表管外的海水传递进管内的热流量，右边第二项代表管内流体通过对流换热传递进来的热流量。其中为 Ta与Tb之间的热阻分别为冷海水管内外壁的对流换热系数，λ为冷海水管的导热系数，△y为控制体高度。

1.2.2边界与初始条件冷海水管入口处定义为速度入口边界；出口处选择自由出流边界；管道中心线定义为对称轴；管壁定义为耦合传热壁面；外部海水温度分布采用南海某区域一海水温度剖面，详见图2。管道的入口温度统一为279.12 K；随着用电终端用电负荷的变化，OTEC电站海水流量也需要做出相应的调节，因此本文冷海水入口流速选择为1.0～3.0 m/s。

图2　典型海水温度剖面图

2　结果与讨论

2.1冷海水温度与表面对流换热系数分布特征

通过模拟得出各不同规格冷海水管在不同工况下的传热情况，如图3所示。各管径冷海水管在不同工况下管内冷海水温度分布表现出较一致的分布特征：自管道入口到出口冷海水温度在不断升高，在管道前半段冷海水温度变化较为平缓，冷海水温度的提升主要体现在管道后半段。比较两种材质管道内冷海水温度，钢质管道内冷海水温升速度与幅度均明显高于HDPE管：钢质管道内冷海水温升介于0.200～1.569 K之间，HDPE管道内冷海水温升为0.009～0.089 K之间。HDPE管保温作用显著强于钢质管道。

图4为不同管径情况下两种材质冷海水管表面换热系数的变化曲线。总体上，表面换热系数沿管长在不断加大，在冷海水管起始段各冷海水管表面换热系数趋于一致，在管道中间段各冷海水管表面换热系数分布曲线表现出不同的发展趋势，在管道末段表现出明显的差异。其次，随着冷海水管管径的增大，其表面换热系数依次降低。两种材质管道的表面换热系数差异巨大，其中钢质管道表面换热系数最大为598.49 W/（m2·K），而HDPE管道表面换热系数最大仅为25.78 W/（m2·K）。

图4　冷海水管表面换热系数分布

2.2管径对传热的影响

图5显示的是不同管径冷海水管出口处冷海水温度变化曲线。由图可知：两种材质管道冷海水温度变化均表现为随着管径的增大，出口处冷海水的温度在不断降低。在管径为0.6~1.0 m时，同一入口流速下管道出口处冷海水温度随管径的增大迅速降低；在管径为1.0~2.0 m时，同一入口流速下管道出口处冷海水温度变化不大。各入流速度下管道出口处冷海水温度见表2，其中：两种材质管道出口处冷海水温度均在管径0.6 m、入流速度1.0 m/s时达到最大值，分别为280.689 K和279.209 K；在管径2.0 m、入流速度3.0 m/s时达到最小值，分别为279.320 K和279.129 K。

图5　不同管径冷海水管出口处冷海水温度

表2　管道出口处冷海水温度表

2.3入口速度对传热的影响

当冷海水管入口流速取值为1.0 m/s，1.5 m/s，2.0 m/s，2.5 m/s，3.0 m/s时，经过模拟计算，得出冷海水管出口处冷海水温度与入口流速之间的关系，如图6所示，左图为钢质管，右图为HDPE管。由图可知：随着冷海水管入流速度的增加，各管道出口处冷海水的温度在依次降低。在入口速度为1.0~ 2.0 m/s时，各不同管径冷海水管管道出口处冷海水温度变化幅度较大，在入口速度为2.0~3.0 m/s时，各不同管径冷海水管管道出口处冷海水温度变化趋缓。

图6　不同入口流速下冷海水管出口处冷海水温度

2.4讨论

在本文计算范围内，通过上述分析可发现，冷海水温升幅度介于0.009～1.569 K之间：其中钢质管道内冷海水温升介于0.200～1.569 K之间，HDPE管道内冷海水温升介于0.009～0.089 K之间。管径为0.6 m的钢质冷海水管在管道入口流速为1.0 m/s时管道内冷海水温升幅度达到最大，为1.569 K；管径为2.0 m的HDPE冷海水管在管道入口流速为3.0 m/s时管道内冷海水温升幅度达到最小，为0.009 K。这说明HDPE材质冷海水管能有效地阻碍外部温海水对管内冷海水的传热，而钢质冷海水管在保温性能方面较差；其次管径和入口流速越小，管道内冷海水的温升幅度越大，这主要是由于管径大的管道管壁厚度也相应有所增加，导致管内冷海水和管外温海水之间的传热热阻增大，冷海水管程表面换热系数的分布特征很好地证明了这一点。

3　结论

通过对相同入口温度、不同入口流速条件下，冷海水在钢质和HDPE两种材质不同管径的管道中沿程温升进行数值分析，得到以下结论：

（1）在模型计算范围内，管道出口处冷海水温度随管径的增加而减小，随管道入口流速的增加而减小；

（2）HDPE材质管内冷海水最大温升幅度为0.089 K，钢质管道内冷海水最大温升幅度为1.569 K，HDPE材质管道对管内冷海水的保温作用显著。

［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”地热换热器数值传热模型研究［J］.广东海洋大学学报，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］马健.基于FLUENT软件的地源热泵地下垂直式埋管换热器的传热研究［D］.南京：东南大学，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

海洋可再生能源专项资助项目（KZS0313001）；青岛市蓝色经济区建设专项资助项目（Q1402）；山东省科技发展计划资助项目（2014GHY115035）

施伟（1993-），男，硕士研究生，主要从事海洋温差能发电研究。E-mail：shiwei_09@163.com

刘伟民（1964-），男，博士，研究员，主要从事多相流动、传热、海洋可再生能源方向研究。E-mail：lwmxjtu@163.com