22 اوت 2023 – توسط کالج مهندسی دانشگاه ایلینویز گرینگر
لوله های کندانسور بخار مسی با پوشش F-DLC (بالا) و بدون روکش (پایین). پوشش F-DLC به آب تغلیظ شده اجازه می دهد تا به جای لایه نازکی که لوله را می پوشاند، به صورت قطرات شکل بگیرد. اعتبار: کالج مهندسی Grainger در دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign
اگر تولید برق زغال سنگ و گاز طبیعی 2 درصد کارآمدتر بود، آنگاه هر سال 460 میلیون تن دی اکسید کربن کمتر و 2 تریلیون گالن کمتر آب مصرف می شد. یک نوآوری اخیر در چرخه بخار مورد استفاده در تولید انرژی با سوخت فسیلی می تواند این امر را محقق کند.
محققان دانشگاه ایلینوی Urbana-Champaign پوششی ساخته اند که با کربن الماس مانند فلوئوردار یا F-DLC برای کندانسورهای بخار مورد استفاده در تولید چرخه بخار سوخت های فسیلی ساخته شده است. محققان در مجله Nature Communications گزارش داده‌اند که این پوشش می‌تواند کارایی کلی فرآیند را تا ۲ درصد افزایش دهد. علاوه بر این، آنها با انجام طولانی‌ترین آزمایش دوام که تاکنون گزارش شده است، مناسب بودن پوشش را برای استفاده صنعتی نشان داده‌اند.
نناد میلکوویچ، استاد علوم و مهندسی مکانیک در UIUC و سرپرست این پروژه، گفت: «واقعیت این است که سوخت‌های فسیلی حداقل برای 100 سال از بین نمی‌روند». “قبل از رسیدن به مکانی که می‌توانیم به انرژی‌های تجدیدپذیر تکیه کنیم، CO2 زیادی منتشر می‌شود. اگر پوشش F-DLC ما در سطح جهانی مورد استفاده قرار گیرد، انتشار کربن و مصرف آب برای زیرساخت‌های برق موجود را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد.”
تولید انرژی از سوخت فسیلی به فرآیندی به نام چرخه بخار بستگی دارد، که در آن سوخت برای جوشاندن آب سوزانده می شود، بخار حاصل یک توربین را می چرخاند و توربین یک ژنراتور الکتریکی را به حرکت در می آورد. سپس بخار به کندانسوری می رسد که هم آب را از بخار بازیابی می کند و هم اختلاف فشار را در سراسر توربین حفظ می کند تا بخار جریان یابد. بهبود خواص انتقال حرارت کندانسور باعث می شود که اختلاف فشار حفظ شود و در عین حال سوخت کمتری مصرف شود.
پوشش جدید F-DLC محققان انتقال حرارت را بهبود می بخشد زیرا این ماده آبگریز است. هنگامی که بخار به آب متراکم می شود، مانند آب روی بسیاری از فلزات تمیز و اکسیدهای آنها، لایه نازکی تشکیل نمی دهد که سطح را بپوشاند. در عوض، آب قطراتی را روی سطح F-DLC تشکیل می دهد و بخار را در تماس مستقیم با کندانسور قرار می دهد و اجازه می دهد تا گرما مستقیماً منتقل شود. محققان دریافتند که این امر خواص انتقال حرارت را تا 20 برابر بهبود می بخشد که به معنای افزایش 2 درصدی فرآیند کلی است.
محمد هوک، همکار تحقیقاتی فوق دکترا و نویسنده اصلی این مطالعه، گفت: «قابل توجه است که ما می‌توانیم با F-DLC به این هدف برسیم، چیزی که فقط از کربن، فلورن و کمی سیلیکون استفاده می‌کند. و می تواند تقریباً هر فلز رایج از جمله مس، برنز، آلومینیوم و تیتانیوم را پوشش دهد.
برای نشان دادن دوام F-DLC، محققان فلزات پوشش داده شده را به مدت 1095 روز در شرایط کندانسور بخار قرار دادند که طولانی ترین آزمایش گزارش شده است. فلزات پوشش داده شده خواص آبگریز خود را برای تمام این مدت زمان حفظ کردند. محققان همچنین دریافتند که فلزات پوشش داده شده خواص آبگریز خود را پس از 5000 بار در آزمایش سایش حفظ کردند.
تیم تحقیقاتی اکنون با نیروگاه آبوت UIUC همکاری می کند تا عملکرد پوشش را برای شش ماه قرار گرفتن در معرض تراکم ثابت در شرایط صنعتی مطالعه کند.
میلکوویچ گفت: “اگر همه چیز خوب پیش برود، ما امیدواریم به همه نشان دهیم که این یک راه حل موثر است که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است.” ما می‌خواهیم راه‌حل ما اتخاذ شود، زیرا اگرچه توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر باید در اولویت باشد، اما همچنان بسیار ارزشمند است که به بهبود آنچه در حال حاضر داریم ادامه دهیم.»
محققان دانشگاه سابانچی نیز در این مطالعه مشارکت داشتند.
