Grafenlaget kan firedoble hastigheden af ​​varmeoverførsel af kondensvand i produktionsanlæg

De fleste af verdens elproducerende kraftværker-uanset om de drives af kul, naturgas, eller nuklear fission - lav elektricitet ved at generere damp, der vender en turbine. Dampen kondenseres derefter tilbage til vand, og cyklussen begynder igen.

Men kondensatorerne, der opsamler dampen, er ret ineffektive, og forbedring af dem kan gøre en stor forskel i den samlede kraftværks effektivitet.

Nu, et team af forskere ved MIT har udviklet en måde at belægge disse kondensatoroverflader med et lag grafen, kun et atom tykt, og fandt ud af, at dette kan forbedre varmeoverførselshastigheden med en faktor fire - og muligvis endda mere end det, med videre arbejde. Og i modsætning til polymerbelægninger, grafenbelægningerne har vist sig at være yderst holdbare i laboratorietest.

Resultaterne er rapporteret i journalen Nano bogstaver af MIT -kandidatstuderende Daniel Preston, professorer Evelyn Wang og Jing Kong, og to andre. Forbedringen i kondensator varmeoverførsel, hvilket kun er et trin i kraftproduktionscyklussen, kunne føre til en samlet forbedring af kraftværks effektivitet på 2 til 3 procent baseret på tal fra Electric Power Research Institute, Preston siger - nok til at få et betydeligt indhug i de globale kulstofemissioner, da sådanne anlæg repræsenterer langt størstedelen af ​​verdens elproduktion. "Det betyder millioner af dollars pr. Kraftværk om året, "forklarer han.

Der er to grundlæggende måder, hvorpå kondensatorerne - som kan have form af oprullede metalrør, ofte lavet af kobber - interagerer med dampstrømmen. I nogle tilfælde, dampen kondenserer til at danne et tyndt lag vand, der dækker overfladen; i andre danner det vanddråber, der trækkes fra overfladen af ​​tyngdekraften.

Når dampen danner en film, Preston forklarer, der hindrer varmeoverførsel - og dermed reducerer effektiviteten - af kondens. Så målet med meget forskning har været at forbedre dråbedannelse på disse overflader ved at gøre dem vandafvisende.

Ofte er dette blevet opnået ved hjælp af polymercoatinger, men disse har en tendens til at nedbrydes hurtigt i kraftværks høje varme og fugtighed. Og når belægningerne gøres tykkere for at reducere denne nedbrydning, selve belægningerne hindrer varmeoverførsel.

"Vi troede, at grafen kunne være nyttigt, "Preston siger, "da vi ved, at det er hydrofobt af natur." Så han og hans kolleger besluttede at teste både grafens evne til at kaste vand, og dens holdbarhed, under typiske kraftværksforhold - et miljø med ren vanddamp ved 100 grader Celsius.

De fandt ud af, at den enkelt-atom-tykke belægning af grafen faktisk forbedrede varmeoverførslen fire gange sammenlignet med overflader, hvor kondensatet danner plader af vand, såsom bare metaller. Yderligere beregninger viste, at optimering af temperaturforskelle kunne øge denne forbedring til 5 til 7 gange. Forskerne viste også, at efter to hele uger under sådanne forhold, der var ingen målelig nedbrydning i grafens ydeevne.

Til sammenligning, lignende test med en almindelig vandafvisende belægning viste, at belægningen begyndte at nedbrydes inden for kun tre timer, Preston siger, og mislykkedes fuldstændigt inden for 12 timer.

Fordi den proces, der bruges til at belægge grafen på kobberoverfladen - kaldet kemisk dampaflejring - er blevet testet grundigt, den nye metode kunne være klar til test under virkelige forhold "på så lidt som et år, "Siger Preston. Og processen skal være let skalerbar til at drive kondensorspoler i anlægsstørrelse.

"Dette arbejde er yderst vigtigt, fordi, så vidt jeg ved, det er den første rapport om holdbar dråbevis kondens med en enkeltlags overfladebelægning, "siger Jonathan Boreyko, en adjunkt i biomedicinsk teknik og mekanik ved Virginia Tech, der har studeret kondens på superhydrofobisk overflade. "Disse fund er noget overraskende og meget spændende."

Boreyko, der ikke var involveret i forskningen, tilføjer, at denne metode, hvis det bevises ved yderligere test, "kunne forbedre effektiviteten af ​​kraftværker og andre systemer, der udnytter kondensatorer."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.