Покрытие конденсатора пара может сэкономить 460 миллионов тонн

Инженерный колледж Грейнджера Университета Иллинойса

изображение: Медные трубы конденсатора пара с покрытием F-DLC (вверху) и без покрытия (внизу). Покрытие F-DLC позволяет конденсированной воде образовывать капли, а не тонкую пленку, покрывающую трубу.посмотреть больше

Фото: Грейнджерский инженерный колледж Иллинойского университета в Урбане-Шампейне.

Если бы производство электроэнергии на угле и природном газе было на 2% более эффективным, то каждый год можно было бы выделять на 460 миллионов тонн меньше углекислого газа и использовать на 2 триллиона галлонов воды меньше. Недавнее нововведение в паровом цикле, используемом в производстве электроэнергии на ископаемом топливе, могло бы достичь этого.

Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне разработали покрытие для конденсаторов пара, используемое в паровом цикле производства ископаемого топлива, которое изготовлено из фторированного алмазоподобного углерода или F-DLC. Исследователи сообщили в журнале Nature Communications, что это покрытие может повысить общую эффективность процесса на 2%. Кроме того, они продемонстрировали пригодность покрытия для промышленного использования, проведя самое продолжительное из когда-либо зарегистрированных испытаний на долговечность.

«Реальность такова, что ископаемое топливо не исчезнет в течение как минимум 100 лет», — сказал Ненад Милькович, профессор механических наук и инженерии в UIUC и руководитель проекта. «Прежде чем мы доберемся до места, где мы сможем полагаться на возобновляемые источники энергии, будет выброшено много CO2. Если бы наше покрытие F-DLC было принято во всем мире, это заметно сократило бы выбросы углекислого газа и потребление воды для существующей энергетической инфраструктуры».

Выработка электроэнергии на ископаемом топливе зависит от процесса, называемого паровым циклом, в котором топливо сжигается до кипения воды, образующийся пар вращает турбину, а турбина приводит в движение электрический генератор. Затем пар достигает конденсатора, который одновременно удаляет воду из пара и поддерживает разницу давлений на турбине, поэтому пар течет. Улучшение свойств теплопередачи конденсаторов позволит поддерживать разницу давлений при сжигании меньшего количества топлива.

Новое покрытие F-DLC, созданное исследователями, улучшает теплопередачу, поскольку материал гидрофобен. Когда пар конденсируется в воду, он не образует тонкую пленку, покрывающую поверхность, как вода на многих чистых металлах и их оксидах. Вместо этого вода образует капли на поверхности F-DLC, приводя пар в прямой контакт с конденсатором и обеспечивая прямую передачу тепла. Исследователи обнаружили, что это улучшило свойства теплопередачи в 20 раз, что соответствует общему ускорению процесса на 2%.

«Примечательно, что мы можем добиться этого с помощью F-DLC, в котором используются только углерод, флуорен и немного кремния», — сказал Мухаммад Хок, научный сотрудник с докторской степенью и ведущий автор исследования. «И он может покрывать практически любой обычный металл, включая медь, бронзу, алюминий и титан».

Чтобы продемонстрировать долговечность F-DLC, исследователи подвергли металлы с покрытием воздействию парового конденсатора в течение 1095 дней, что является самым длительным испытанием, описанным в литературе. Металлы с покрытием сохраняли свои гидрофобные свойства в течение всего этого времени. Исследователи также обнаружили, что металлы с покрытием сохранили свои гидрофобные свойства после 5000 царапин в ходе испытания на истирание.

В настоящее время исследовательская группа сотрудничает с электростанцией Эбботт UIUC, чтобы изучить характеристики покрытия в течение шести месяцев при постоянном воздействии конденсата в промышленных условиях.

«Если все пойдет хорошо, мы надеемся показать всем, что это эффективное и экономически жизнеспособное решение», — сказал Милькович. «Мы хотим, чтобы наше решение было принято, потому что, хотя развитие возобновляемых источников энергии должно быть абсолютно приоритетом, все равно очень важно продолжать улучшать то, что мы имеем сейчас».

***

Статья исследователей «Сверхэластичные многослойные гидрофобные поверхности из фторированного алмазоподобного углерода» доступна в Интернете. DOI: 10.1038/s41467-023-40229-6.