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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:院宣傳部    瀏覽量:1323 次

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圖片說明:圖的左上角是一個裸銅冷凝器管,右上角是一個涂有石墨烯的冷凝器管。當置于100攝氏度的水蒸氣中時,未涂層管產生的水膜轉換低效率(左下角所示),而涂層顯示更理想的滴狀冷凝態(右下角所示)。 圖片來源: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,都是通過驅動渦輪產生蒸汽發電。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,將這項冷凝器表面涂上一層石墨烯,只有一個原子那么厚,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,以后可能達到更高。與聚合物涂料不同,實驗證明,石墨烯涂層非常耐用。

這項研究成果由麻省理工學院研究生Daniel Preston,Evelyn Wang教授 、Jing Kong教授以及其他兩位教授發表在Nano Letters上。根據電力科學研究院的數據,Preston表示,改善冷凝器傳熱,僅僅是在電力生產周期的一個步驟,但是能使電廠效率整體提高2 - 3%,這對全球碳排放足以造成重大改善,這種發電廠代表了世界上絕大多數的發電狀況。他說道:“這項研究可以為電廠每年節省數百萬美元。”

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,并與蒸汽流接觸。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,會形成水滴懸掛在表面。

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。

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

Preston表示:“我們認為石墨烯是有用的,因為我們知道石墨烯具有疏水性。” 所以他和他的同事們決定在典型的電廠環境下(100攝氏度的純水蒸汽環境中)測試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(如未涂層金屬)相比,石墨烯的單原子厚的涂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后,石墨烯的性能沒有退化跡象。

通過對比,Preston表示,利用常規疏水涂料的類似測試表明,涂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涂上石墨烯,因此被稱為化學汽相淀積,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。

研究過疏水表面冷凝性的弗吉尼亞理工大學(Virginia Tech)生物醫學工程系助理教授Jonathan Boreyko,他并未參與這項研究,但他表示:“這項工作非常重要,因為據我所知,這是第一次關于具有單層表面涂層的持久滴狀冷凝性的研究。這些研究成果某種程度上令人震驚,而且讓人倍感興奮。”

“這個方法如果能通過更多的測試,就能有效提高發電廠以及其它利用冷凝器系統的效率。” (科學之家,譯審:Y Li)


(本文轉載自募格學術)




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