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厉害了!石墨烯涂层可将火力发电厂效率提高2-3%!
点击次数:163  更新时间:2019-07-16  【打印此页】  【关闭


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


世界上大多数电厂发电装置,无论是由煤炭、天然气、或核裂变发电,都是通过驱动涡轮产生蒸汽发电。蒸汽冷凝成水,再次循环使用。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发电厂的发电效率。


现在,麻省理工学院(MIT)的一组研究人员想出了一种新方法,将这项冷凝器表面涂上一层石墨烯,只有一个原子那么厚,他们发现,这个方法使可以发电厂的凝结换热系数提高四倍,以后可能达到更高。与聚合物涂料不同,实验证明,石墨烯涂层非常耐用。


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,有两种基本方法——这可能采取盘绕金属管的形式,通常由铜制成,并与蒸汽流接触。在某些情况下,蒸汽冷凝形成一层很薄的水覆盖在表面;在其它情况下,由于重力作用,会形成水滴悬挂在表面。


Preston表示,当蒸汽形成薄膜时,会阻碍传热,从而降低冷凝效率。因此,许多研究都致力于通过让冷凝器管具有拨水性从而增强冷凝器管表面液滴的形成能力。

涂层常常使用聚合物涂料,但是这些往往会急剧降低发电厂的温度和湿度。当涂料慢慢变少直至全无,这一过程本身就会阻碍传热。


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。


他们发现,与形成冷凝水的表面(如未涂层金属)相比,石墨烯的单原子厚的涂层的确能使热传导率提高四倍。进一步的计算表明,优化温度差异可以使效率提高5到7倍。研究还表明,在这种情况下整整两周后,石墨烯的性能没有退化迹象。


通过对比,Preston表示,利用常规疏水涂料的类似测试表明,涂料在三个小时内就开始退化,12个小时内完全失效。


Preston表示,由于这个过程中需要在铜表面涂上石墨烯,因此被称为化学汽相淀积,这个新方法已经得到广泛测试,且即将于短短一年的时间内,在现实条件下测试。这个过程应该很容易使发电厂装置大小的冷凝器线圈变得可伸缩。


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。”