Большинство мировых электростанций – работающих на угле, природном газе или ядерном топливе - вырабатывают электричество путем создания пара, который вращает турбину. Этот пар затем конденсируется обратно в воду, и цикл снова повторяется. Но конденсирующие устройства, которые собирают пар, довольно неэффективны и их улучшение может внести существенный вклад в общую эффективность электростанции.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали способ покрытия поверхностей конденсирующего устройства слоем графена, в один атом толщиной, и обнаружили, что это улучшает скорость теплопередачи в четыре раза, а возможно и больше после проведения дополнительных исследований. Кроме этого, при лабораторных испытаниях графеновые покрытия показали себя как очень долговечные, в отличие от полимерных покрытий.

Результаты исследования представлены в журнале Nano Letters. Улучшение теплопередачи конденсирующего устройства, которое является лишь одним звеном в цикле производства энергии, может привести к общему улучшению эффективности электростанции от 2 до 3 процентов, что, в свою очередь, приведет к уменьшению глобальных выбросов углерода.

Существуют два основных способа взаимодействия конденсирующих устройств (которые могут иметь форму скрученных металлических труб, часто изготавливающихся из меди) с потоком пара. В одном случае, пар конденсируется и формирует тонкий слой воды, который покрывает поверхность; в других он образует капельки воды, которые падают с поверхности под действием силы тяжести.

Когда пар образует пленку, это препятствует передачи тепла и таким образом снижает эффективность конденсации. Следовательно, цель многих исследований заключается в создании водоотталкивающих поверхностей для повышения образования на них капель воды.

Часто для этого использовали полимерные покрытия, но они, как правило, быстро разрушаются при высокой температуре и влажности электростанции. При увеличении толщины покрытия, чтобы уменьшить деградацию, покрытия сами препятствовали передаче тепла.

Исследователи подумали, что графен может быть полезным для этого применения, поскольку он является гидрофобным по своей природе. Они решили проверить способность графена отталкивать воду и его долговечность при типичных условиях работы оборудования на электростанции - в среде водяного пара при 100 0С.

Они обнаружили, что покрытие графена в один атом толщиной действительно улучшило теплопередачу в четыре раза по сравнению с поверхностями, такими как чистые металлы, где конденсат формировал слой воды. Дальнейшие расчеты показали, что оптимизация разницы температур может еще увеличить этот результат от 5 до 7 раз. Исследователи также показали, что после двух полных недель в таких условиях не было заметного ухудшения эксплуатационных характеристик графена.

 

Медная трубка конденсирующего устройства без покрытия (вверху слева) показана рядом с аналогичной трубкой с графеновым покрытием (вверху справа). При воздействии паров воды при 100 0С на не покрытой трубке образуется уменьшающая теплопередачу водяная пленка (внизу слева), в то время как трубка с покрытием показывает более желательный эффект конденсации капель (внизу справа).

 

Для сравнения, аналогичные испытания с использованием простого водоотталкивающего покрытия показали, что покрытие стало деградировать в течение всего трех часов и полностью разрушилось в течение 12 часов.

Поскольку процесс, используемый для покрытия графеном медной поверхности - химическое осаждение паров - был протестирован, то новый метод может быть готов для испытаний в реальных условиях в течение года. Этот процесс может быть легко масштабирован для покрытий конденсирующих устройств реальных размеров.

Источник: http://newsoffice.mit.edu/2015/graphene-coating-more-efficient-power-plants-0529

Энергетика и промышленность России - информационный портал           Научный журнал “Видеонаука          Наука и технологии России − STRF.ru

Другие партнёры сайта