案例展示

石墨烯层四倍率冷凝传热率

来自MIT的新研究表明,一个原子厚的石墨烯层可以使发电厂中冷凝传热速率增加四倍。 < / EM>

世界上大多数电力生产电厂 - 无论是以煤炭,天然气还是核裂变为动力 - 通过产生使蒸汽轮机旋转的蒸汽来发电。然后,这些蒸汽被冷凝成水,循环再次开始。

但是收集蒸汽的冷凝器效率很低,而改进它们可能会对整个电厂效率产生很大影响。

现在,麻省理工学院的一个研究小组已经开发出了一种用一层石墨烯涂覆这些电容器表面的方法,只有一个原子厚,并且发现这可以将传热率提高四倍 - 甚至可能超过那还有更多的工作。与聚合物涂层不同,石墨烯涂层已被证明在实验室测试中非常耐用。

研究结果在麻省理工学院研究生Daniel Preston,教授Evelyn Wang和Jing Kong等人的Nano Letters杂志中报道。普雷斯顿说,冷凝器传热的改进只是电力生产周期中的一步,根据电力研究所的数据,电厂效率的整体提高可能达到2%至3% - 足以制造全球碳排放量显着下降,因为这些电厂代表了世界绝大多数发电量。 “这意味着每个电厂每年能够投入数百万美元,”他解释说。

冷凝器有两种基本的方式,它们可以采用通常由铜制成的盘绕金属管的形式,与蒸汽流动相互作用。在某些情况下,蒸汽冷凝形成覆盖表面的薄水层;在其他情况下,它会形成由重力从表面拉出的水滴。

普雷斯顿解释说,当蒸汽形成薄膜时,会阻碍热量传递,从而降低冷凝效率。因此,大量研究的目标是通过使这些表面具有防水性来增强这些表面上的液滴形成。

通常这是使用聚合物涂料完成的,但是这些往往会在发电厂的高温高湿下迅速降解。而当涂层变得更厚以减少降解时,涂层本身阻碍热传递。

“我们认为石墨烯可能是有用的,”普雷斯顿说,“因为我们知道它本质上是疏水的。”因此,他和他的同事们决定在典型的发电厂条件下测试石墨烯的脱水能力和耐久性 - 环境100摄氏度的纯水蒸气。

他们发现,单原子厚度的石墨烯涂层的确可以将传热改善四倍,而冷凝物形成水层的表面比如裸金属。进一步的计算表明,优化温差可以将这种改善提高到5至7倍。研究人员还表示,在这样的条件下两周后,石墨烯的性能没有可测量的下降。

普雷斯顿说,相比之下,使用普通防水涂料进行的类似测试表明,涂层在短短的三个小时内开始降解,并在12小时内完全失效。

普雷斯顿说,因为用于在铜表面涂覆石墨烯的工艺(称为化学气相沉积)已经得到了广泛的测试,这种新方法可以在现实世界的条件下进行测试,“只需一年”。这个过程应该容易扩展到电厂大小的冷凝器盘管。

“这项工作非常有意义,因为据我所知,这是第一篇报道持久性逐滴冷凝的单层表面涂层,”弗吉尼亚理工大学生物医学工程和力学助理教授Jonathan Boreyko说:超疏水表面。 “这些发现有点令人惊讶,也非常令人兴奋。”

Boreyko没有参与这项研究,他补充说,如果通过进一步的测试证明,这种方法“可以显着提高发电厂和利用冷凝器的其他系统的效率。”

研究团队还包括麻省理工学院博士后Daniela Mafra和前博士后Nenad Miljkovic,他现在是伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的助理教授。这项工作得到了海军研究办公室和国家科学基金会的支持。

出版物:Daniel J.Preston等,“Scalable Graphene Coatings for Enhanced Condensation Heat Transfer”,Nano Letters,2015,15(5),第2902-2909页; DOI:10.1021 / nl504628s

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler

图片:研究人员提供的图片