石墨烯层的四倍冷凝水传热速率

时间：2021-11-02 16:24:55 来源：

在涂有石墨烯的类似管子（右上）旁边显示了未涂覆的铜冷凝器管（左上）。当暴露于100摄氏度的水蒸气中时，未涂覆的管会产生无效的水膜（左下），而涂覆的管显示出更理想的逐滴冷凝（右下）。

麻省理工学院的一项新研究表明，一个原子厚的石墨烯层可以使发电厂的冷凝传热速率提高四倍。

世界上大多数发电厂，无论是用煤炭，天然气还是核裂变发电，都是通过产生蒸汽来使涡轮机发电的。然后，该蒸汽被冷凝回水中，并且循环再次开始。

但是收集蒸汽的冷凝器效率很低，对其进行改进可能会对整个电厂的效率产生很大的影响。

现在，麻省理工学院的一组研究人员已经开发出一种方法，用一层石墨烯（仅一个原子厚）在冷凝器表面覆盖，这可以将传热速率提高四倍，甚至可能超过四倍。那，还有进一步的工作。并且与聚合物涂层不同，石墨烯涂层在实验室测试中被证明具有很高的耐用性。

麻省理工学院的研究生丹尼尔·普雷斯顿，伊夫林·王和金刚教授以及另外两名教授在《纳米快报》上发表了这一发现。普雷斯顿说，根据电力研究所的ps，冷凝器传热的改善（仅是发电周期的一个步骤）可以使发电厂的整体效率提高2％至3％。由于此类发电厂占世界发电量的绝大部分，因此对全球碳排放量有显着影响。他解释说：“这意味着每个发电厂每年可赚取数百万美元。”

冷凝器（可以采取通常由铜制成的盘绕金属管的形式）通过两种基本方式与蒸汽流相互作用。在某些情况下，蒸汽凝结形成覆盖表面的薄水层。在其他情况下，它会形成水滴，这些水滴会因重力而从表面拉出。

普雷斯顿解释说，当蒸汽形成薄膜时，会阻碍冷凝的传热，从而降低冷凝效率。因此，许多研究的目标是通过使它们具有疏水性来增强这些表面上的液滴形成。

通常，这是使用聚合物涂层完成的，但是这些涂层往往会在发电厂的高温高湿环境中迅速降解。并且当使涂层变厚以减少这种降解时，涂层本身会阻碍热传递。

普雷斯顿说：“我们认为石墨烯可能是有用的，因为我们知道它本质上是疏水的。”因此，他和他的同事决定在典型的发电厂条件下（100摄氏度的纯水蒸气环境）测试石墨烯的排水能力及其耐久性。

他们发现，与冷凝物形成水片的表面（例如裸露的金属）相比，石墨烯的单原子厚涂层确实确实将传热提高了四倍。进一步的计算表明，优化温差可以使这种改进提高5到7倍。研究人员还表明，在这种条件下整整两周之后，石墨烯的性能没有可测量的降低。

相比之下，普雷斯顿说，使用普通的防水涂料进行的类似测试表明，涂料仅在三个小时内就开始降解，并在12小时内完全失效。

普雷斯顿说，由于用于将石墨烯涂覆在铜表面上的工艺（称为化学气相沉积）已经进行了广泛的测试，因此这种新方法可以“在短短的一年内”就可以在实际条件下进行测试。而且该过程应易于扩展至电厂大小的冷凝器盘管。

弗吉尼亚理工大学生物医学工程和力学助理教授乔纳森·博雷科说：“这项工作非常重要，因为据我所知，这是首次使用单层表面涂层进行逐滴冷凝的报告。”超疏水表面。“这些发现有些令人惊讶，也非常令人兴奋。”

没有参与这项研究的Boreyko补充说，这种方法，如果经过进一步的测试证明，“可以显着提高发电厂和其他利用冷凝器的系统的效率。”

该研究团队还包括麻省理工学院的博士后Daniela Mafra和前博士后的内纳德·米尔科维奇（Nenad Miljkovic），他现在是伊利诺伊大学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，“用于增强冷凝传热的可缩放石墨烯涂层”，Nano Letters，2015，15（5），第2902–2909页； DOI：10.1021 / nl504628s

图像：由研究人员礼貌