《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Scale decides whether cold-water-pipe heat gain matters in ocean thermal energy conversion: A coupled cycle–pump criterion and design implications
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•D-2升温要求固定的尺寸比和速度、壁面主导以及小NTU。•耦合流动控制量化了功率和泵送对入口升温的响应。•十种换热器闭合测试验证了有界路线损失筛选的稳健性。•联合可行设计敏感性识别了流动和回路损失的优先级。•毫开尔文级升温预测需要独立的物理验证。引言海洋热能转换利用温暖的表层海
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D-2升温要求固定的尺寸比和速度、壁面主导以及小NTU。
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耦合流动控制量化了功率和泵送对入口升温的响应。
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十种换热器闭合测试验证了有界路线损失筛选的稳健性。
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联合可行设计敏感性识别了流动和回路损失的优先级。
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毫开尔文级升温预测需要独立的物理验证。
引言
海洋热能转换利用温暖的表层海水与深层海水之间的温差来产生持续电力。该资源在热带海洋中广泛分布，但可利用的温差范围较小，实际电厂净效率仅有几个百分点[1], [2]。因此，换热器接近温度和海水泵送需求的微小变化会显著改变净输出。这种敏感性促使了实验和分阶段循环研究[3], [4]、联合传热/压降评估[5]、动态和非设计工况模型[6], [7], [8]、火用与构形优化[9], [10]、热经济学综述[11], [12]以及商业规模设计研究[13], [14]。最近在50 kW陆基OTEC平台上进行的R134a实验也报告了持续并网发电和2.46%的热效率[15]。代表性OTEC研究中对冷水子系统的处理汇总于表1中。
冷水系统处于这些问题的交汇点。商用CWP必须从海面以下数百米输送非常大的质量流量，抵抗外部压力和敷设载荷[16]，限制入口流速，并以与电站其余部分兼容的资本成本实现这些目标。大多数循环级研究将深层入口温度视为给定条件。评估该简化的准确性需要将管道传热与循环热力学联系起来。水在上升穿过较暖环境时升温，摩擦耗散增加了第二个温度增量，而摩擦、局部损失和静水密度差消耗泵送功率。
图1描绘了限定这些约束的资源。在几乎整个热带印度洋-太平洋地区，表层温度与1000 m处温度之差超过常规20 K筛选阈值，在印度尼西亚海域达到26–28 K。因此，水深成为决定性的选址约束：可行场址需要靠近岸边的深水通道，避开深度浅于1000 m的阴影大陆架区域。图中标记的萨武海场址代表了OTEC与进口柴油竞争的岛屿环境[13]。
已发表的CWP热增益估算涵盖了显著不同的管径和运行条件。示范规模系统和数值研究报告的温度变化量级为1 K[3], [18], [19], [20]，而为多兆瓦电厂提出的更大管道具有大得多的热容量速率。在没有尺度参数的情况下比较这些数值可能会产生不一致的印象，而实际上设计仅处于不同工况区间。Aresti等人[20]最近直接考察了CWP热损失，强调了将管道纳入电厂能量平衡的必要性。然而，区分可忽略和显著热增益的明确判据对于循环建模者仍然有用。
更广泛文献中的两条线索与此相关。资源评估表明，量级取决于所选的空间和时间控制体[21], [22], [23], [24], [25]，机械综述将进水管确定为限制规模的部件[26]；许可、监测和碳去除变体增加了动力循环之外的约束[27], [28]。此外，水深可能主导选址[29]，控制研究将海水流量视为操作变量[30], [31]，而关于引射器吸收、温度提升和制冷剂混合物配置的最新循环工作[32], [33], [34], [35], [36]仍各自需要可靠的冷源和泵送模型。
我们课题组先前开发了一个瞬态CWP传热模型[19]。该工作求解了孤立管道内部及周围温度场。本研究将该部件模型扩展至闭合氨循环、部件火用核算、密度水头泵送和电厂级LCOE。这种耦合公式评估了管道尺度效应如何转化为商业电厂性能。
本研究探讨在特定热力和水力模型内，CWP升温如何转化为循环级误差。基于阻力的判据区分管道工况，循环将预测的入口升温转换为功率差。反平方关系是固定尺寸比和速度下的小NTU、壁面主导极限。耦合计算返回冷水流量、出口温度、冷凝器负荷和剖面积分密度水头。有界直径-流量筛选随后比较路线、残余损失和换热器闭合情景。本研究的贡献是一项条件性数值评估：在将这些比较用于选择设备或设定工程公差之前，需要对毫开尔文级预测和部件图进行实验验证。
章节片段
电厂配置、设计基准和海水性质
模型代表一座由单根CWP供水的陆基闭合循环OTEC电厂，采用图1中所标记萨武海场址（8.5°S，120.5°E）的环境剖面。管道理想化为1000 m垂直上升管；第4.3节量化了更长沿底路线的成本。环境温度和盐度取HYCOM + NCODA再分析8.0–9.0°S、119.0–122.0°E窗口的面积平均值（图2）。温暖海水在蒸发器中向氨传热。饱和
离散化和求解算法
图3显示了电厂布局，并将氨回路与冷水热力和水力路径分开。实线路径携带质量和能量；两条虚线路径是闭合计算的反馈，即相对于目标的净功率残差以及返回管道模型的冷凝温度和冷水流量。
图4显示了相应的离散化和求解顺序。管道被划分为轴向控制体，每个控制体在径向上分为流体、
目标功率耦合性能
校准后的5 MW参考闭合工况通过3.26 m HDPE管道返回14,400 kg s?1。平均速度为1.971 m s?1。模型预测总温升约0.0051 K，其中外部热量贡献约0.0035 K，分布摩擦贡献约0.0016 K（图5）。参考UA循环给出5.581 MW毛功率和5.000 MW净功率，蒸发器和冷凝器夹点分别为3.978 K和3.945 K。在同一水力工况点，抑制所有CWP升温会使预测净功率增加约2.8 kW：
结论
轴向有限体积CWP模型与氨Rankine循环、密度水头泵送和假定的非设计工况换热器阻力模型耦合。本研究提供了数值验证、外部部件测试、条件性热工况判据和有界参数比较。
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在固定尺寸比和速度、壁面阻力主导且小NTU条件下，外部热升温趋近D-2。膜控制材料、固定流量比较以及改变环境或路线
CRediT作者贡献声明
周翔：写作 – 初稿，软件，概念化。毛良杰：写作 – 审阅与编辑，项目管理，资金获取。宋世吉：软件，资源。黄鑫：验证，数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们不存在已知的、可能影响本论文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢中国国家科技重大专项“新型油气勘探开发”项目的资金支持（批准号2025ZD1403201-04），研究课题为“深水复杂井多管系统力学机理及模块开发研究”。
周翔|毛良杰|宋世吉|黄鑫
