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發電廠效率低?別發愁,看石墨烯如何改變此狀

日期:2019-03-01 15:33:29    作者:院宣传部    浏览量:2940 次

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图片说明:图的左上角是一个裸铜冷凝器管,右上角是一个涂有石墨烯的冷凝器管。当置于100摄氏度的水蒸气中时,未涂层管产生的水膜转换低效率(左下角所示),而涂层显示更理想的滴状冷凝态(右下角所示)。 图片来源:phys.org

來源:科學之家


世界上大多數電廠發電裝置,無論是由煤炭、天然氣、或核裂變發電,都是通過驅動渦輪産生蒸汽發電。蒸汽冷凝成水,再次循環使用。

但冷凝器收集蒸汽效率非常低,提高收集效率有利于全面提高發電廠的發電效率。

現在,麻省理工學院(MIT)的一組研究人員想出了一種新方法,將這項冷凝器表面塗上一層石墨烯,只有一個原子那麽厚,他們發現,這個方法使可以發電廠的凝結換熱系數提高四倍,以後可能達到更高。與聚合物塗料不同,實驗證明,石墨烯塗層非常耐用。

这项研究成果由麻省理工学院研究生Daniel Preston,Evelyn Wang教授 、Jing Kong教授以及其他两位教授发表在Nano Letters上。根据电力科学研究院的数据,Preston表示,改善冷凝器传热,仅仅是在电力生产周期的一个步骤,但是能使电厂效率整体提高2 - 3%,这对全球碳排放足以造成重大改善,这种发电厂代表了世界上绝大多数的发电状况。他说道:“这项研究可以为电厂每年节省数百万美元。”

在冷凝器控制方面,有兩種基本方法——這可能采取盤繞金屬管的形式,通常由銅制成,並與蒸汽流接觸。在某些情況下,蒸汽冷凝形成一層很薄的水覆蓋在表面;在其它情況下,由于重力作用,會形成水滴懸挂在表面。

Preston表示,當蒸汽形成薄膜時,會阻礙傳熱,從而降低冷凝效率。因此,許多研究都致力于通過讓冷凝器管具有撥水性從而增強冷凝器管表面液滴的形成能力。

塗層常常使用聚合物塗料,但是這些往往會急劇降低發電廠的溫度和濕度。當塗料慢慢變少直至全無,這一過程本身就會阻礙傳熱。

Preston表示:“我们认为石墨烯是有用的,因为我们知道石墨烯具有疏水性。” 所以他和他的同事们决定在典型的电厂环境下(100摄氏度的纯水蒸汽环境中)测试石墨烯的疏水能力以及它的耐久性。

他們發現,與形成冷凝水的表面(如未塗層金屬)相比,石墨烯的單原子厚的塗層的確能使熱傳導率提高四倍。進一步的計算表明,優化溫度差異可以使效率提高5到7倍。研究還表明,在這種情況下整整兩周後,石墨烯的性能沒有退化迹象。

通過對比,Preston表示,利用常規疏水塗料的類似測試表明,塗料在三個小時內就開始退化,12個小時內完全失效。

Preston表示,由于這個過程中需要在銅表面塗上石墨烯,因此被稱爲化學汽相澱積,這個新方法已經得到廣泛測試,且即將于短短一年的時間內,在現實條件下測試。這個過程應該很容易使發電廠裝置大小的冷凝器線圈變得可伸縮。

研究过疏水表面冷凝性的弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)生物医学工程系助理教授Jonathan Boreyko,他并未参与这项研究,但他表示:“这项工作非常重要,因为据我所知,这是第一次关于具有单层表面涂层的持久滴状冷凝性的研究。这些研究成果某种程度上令人震惊,而且让人倍感兴奋。”

“这个方法如果能通过更多的测试,就能有效提高发电厂以及其它利用冷凝器系统的效率。” (科学之家,译审:Y Li)


(本文轉載自募格學術)




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