Новое углеродное покрытие улучшает теплопередачу паровых конденсаторов в 20 раз

Если бы производство электроэнергии на угле и природном газе было на 2% эффективнее, то каждый год можно было бы выбрасывать на 460 млн тонн углекислого газа меньше, а воды расходовать на 2 трлн галлонов меньше. Этого можно достичь благодаря недавней инновации в паровом цикле, используемом при производстве электроэнергии на ископаемом топливе.

Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн разработали покрытие для паровых конденсаторов, используемых в паровом цикле генерации на ископаемом топливе, которое изготавливается на основе фторированного алмазоподобного углерода, F-DLC. Как сообщается в журнале Nature Communications, такое покрытие позволяет повысить общую эффективность процесса на 2%. Кроме того, они продемонстрировали пригодность покрытия для промышленного использования, проведя самое длительное испытание на долговечность из когда-либо   проводившихся.

Реальность такова, что ископаемое топливо не исчезнет по крайней мере в течение 100 лет, — сообщает Ненад Милькович, профессор машиноведения и инженерии UIUC и руководитель проекта.

Прежде чем мы придем к тому состоянию, когда можно будет опираться на возобновляемые источники энергии, будет выброшено большое количество CO2. Если бы наше покрытие F-DLC было принято во всем мире, это позволило бы заметно сократить выбросы углерода и потребление воды для существующей энергетической инфраструктуры.

Производство электроэнергии на ископаемом топливе основано на процессе, называемом паровым циклом, в котором топливо сжигается для кипячения воды, полученный пар вращает турбину, а турбина приводит в движение электрогенератор. Затем пар поступает в конденсатор, который отбирает воду из пара и поддерживает разность давлений в турбине, чтобы пар вытекал. Улучшение теплопроводности конденсаторов позволит поддерживать разницу давлений, сжигая при этом меньше топлива.

Новое покрытие F-DLC, разработанное исследователями, улучшает теплопередачу, поскольку материал является гидрофобным. Когда пар конденсируется в воду, он не образует тонкой пленки, покрывающей поверхность, как это происходит с водой на многих чистых металлах и их оксидах. Вместо этого вода образует капли на поверхности F-DLC, обеспечивая прямой контакт пара с конденсатором и непосредственную передачу тепла. Исследователи обнаружили, что это улучшает свойства теплопередачи в 20 раз, что означает 2%-ное общее ускорение процесса.

Поразительно, что мы можем достичь этого с помощью F-DLC, в котором используются только углерод, флуорен и немного кремния, — заявляет Мухаммад Хоке, научный сотрудник и ведущий автор исследования.

И он может покрывать практически любой распространенный металл, включая медь, бронзу, алюминий и титан.

Чтобы продемонстрировать долговечность F-DLC, исследователи подвергали металлы с покрытием воздействию условий парового конденсатора в течение 1095 дней, что является самым длительным испытанием, описанным в литературе. В течение всего этого времени металлы с покрытием сохраняли свои гидрофобные свойства. Исследователи также обнаружили, что металлы с покрытием сохранили свои гидрофобные свойства после 5 000 царапин в испытании на истирание.

В настоящее время исследовательская группа сотрудничает с электростанцией Abbott при UIUC для изучения эффективности покрытия в течение шести месяцев постоянного воздействия конденсата в промышленных условиях.

Если все пройдет успешно, мы надеемся показать всем, что это эффективное решение, которое является экономически целесообразным, — заключает Милькович.

Мы хотим, чтобы наше решение было принято, поскольку, хотя развитие возобновляемой энергетики должно быть безусловным приоритетом, все же стоит продолжать совершенствовать то, что мы имеем сейчас.

22.08.2023