UC-design kan revolutionere kraftværker

Forskere fra University of Cincinnati siger, at de har fundet en løsning på et af de største miljøproblemer, som energiindustrien står over for:vandforbrug.

Kraftværker i USA har brug for lige så meget vand hvert år som alle landets gårde tilsammen - anslået 133 milliarder gallons om dagen, ifølge føderale numre. Dette udgør en enorm belastning for vandressourcerne og har en skadelig miljøpåvirkning.

Men Raj Manglik og Milind Jog, professorer i maskinteknik ved UC's Ingeniørhøjskole, siger, at de har udviklet et nyt luftkølesystem til kraftværker, der ikke bruger vand, men som er næsten lige så effektivt som vandkølede systemer.

"På et tidspunkt vil dette være en vandkrise - og det vil være ret snart, " sagde Manglik. "Det var den primære motivation. Kan vi gøre luftkøling væsentligt mere levedygtig, så virksomhederne ville tage den i brug uanset?"??

Projektet blev finansieret af et tilskud på 3,4 millioner dollars fra det amerikanske energiministerium.

De fleste kraftværker i USA er bygget sammen med vandmasser for at opfylde kravene til deres kølesystemer. Noget vand går tabt gennem fordampning i køletårne. I andre tilfælde, varmere vand pumpes tilbage i søer, floder eller bugter, som kan hæve den omgivende temperatur, dræber fisk og andre vandlevende organismer og skaber giftige algeopblomstringer. Forskere kalder dette "termisk forurening."

"Vandet omkring kraftværker kan være betydeligt varmere end resten af ​​en flod eller sø, " sagde Manglik. "Dette påvirker fisk og planter negativt og ødelægger økosystemet."

De to forskere brugte deres baggrund i eksperimentel varmeoverførsel, beregningsmodellering og væskedynamik for at designe en bedre luftkølet kondensator til kraftværker. Som en bils radiator, kondensatoren har et net af metalfinner, der er specielt designet af UC's forskere til at trække varme væk i den cirkulerede luft.

UC's forskere udviklede forbedrede metalfinner med et unikt geometrisk design, der positivt ændrer luftstrømmen over dem. Dette giver langt bedre varmekonvektion til afkøling af damp i den luftkølede kondensator.

"Luftstrømmen bliver forstyrret med mere blanding og mere effektiv varmeoverførsel sammenlignet med traditionelle finner, der bruges på disse luftkølede kondensatorer, " sagde Jog.

Manglik sagde, at der ikke var nogen enkelt "Eureka!" øjeblik, men snarere bevidste forbedringer over tid.

"Vi bruger omhyggeligt kontrolleret eksperimenter kombineret med beregningsmodellering, " sagde Manglik. "Modellering hjælper os med at forstå fysikken. Eksperimenter giver os de resultater, der kan bruges til at optimere designet."

Afgivelse af mere varme øger effektiviteten af ​​kraftværkerne, hvilket betyder, at de kan producere mere strøm. Og da kølesystemet er mere effektivt, det behøver ikke at være så stort og dyrt at bygge, de sagde. Tests i laboratorieskala antydede, at forskernes system kan reducere køletemperaturen fra nutidens 140 grader til så lavt som 115 grader.

UC ph.d.-studerende Kuan-Ting Lin og Dantong Shi testede en lille prototype i et ingeniørlaboratorium. Nu samarbejder UC med Taneytown, Maryland, virksomheden EVAPCO på en storstilet prototypetest af designet på virksomhedens laboratorier.

Men UC's ingeniører stoppede ikke med kondensatorfinner. De arbejder også på en løsning på en af ​​energiindustriens største gåder. Om sommeren, efterspørgslen efter elektricitet topper typisk i løbet af den varmeste del af dagen, hvor et anlægs kølesystemer er mindst effektive.

Professorerne Jog og Manglik er ved at udvikle et bedre system til at forkøle den cirkulerede luft ved hjælp af en køleplade, der fanger køligere temperaturer om natten.

"Den anden del, vi udvikler, er en luftforkøler kombineret med termisk energilagring, " sagde Jog. "Så om natten, når temperaturerne er lave, systemet 'lagrer' kulden. Og det bruges i spidsbelastningsperioderne til at afkøle luften, før den går til kondensatoren."

UC's forskere arbejder også med Babcock &Wilcox, i Lancaster, Ohio, som i 2016 købte den italienske virksomhed SPIG med speciale i kraftværkskølesystemer.

Manglik sagde, at luftkølede kraftværker vil blive mere og mere værdifulde i tørre dele af verden i lyset af voksende industrialisering og klimaændringer.

"Der er allerede vandmangel, forværret af det globale behov for energi, " sagde Manglik. "Vi får brug for et væsentligt stort antal nye kraftværker, hvis resten af ​​verden begynder at forbruge energi i den hastighed, vi gør i USA."

UC-forskerne har arbejdet på at patentere deres ideer, siden de indsendte deres bevillingsforslag i 2015. Manglik sagde, at deres resultater af fuldskala-eksperimenterne skal være overbevisende.

"Inertien i tekniske systemer er forbløffende. Du går til et olieraffinaderi eller en petrokemisk fabrik, og nogle af de anvendte teknologier er 40 eller 50 år gamle, " sagde Manglik. "Effektivitet er ikke altid en foranstaltning, der betyder noget."

De to forskere har samarbejdet om forskellige forskningsprojekter på UC gennem det seneste årti.

"Dr. Jog har særlige talenter inden for beregningsfysik og modellering, " sagde Manglik. "Jeg tilføjer eksperimentel indsigt. Jeg har ikke noget imod at få mine hænder snavsede - bogstaveligt talt."

"Jeg tror, ​​at synergien får det til at fungere, " sagde Jog.