В настоящее время достаточно значительная часть от общего количества электрической энергии, вырабатываемой на всем земном шаре, приходится на долю тепловых электростанций, на которых сжигается газ, уголь и другие виды ископаемого топлива. Естественно, что все время ученые и инженеры стараются разработать новые технологии, направленные на увеличение эффективности тепловых электростанций, и недавно исследователи из Массачусетского технологического института предложили применение графенового покрытия для некоторых элементов теплообменников и пароконденсаторов, что позволяет увеличить эффективность тепловых электростанций на несколько процентов. А эти несколько процентов выливаются в миллионы долларов экономии ежегодно для одной отдельной электростанции.
На традиционной тепловой электростанции энергия сжигаемого топлива используется для превращения воды в перегретый пар. Этот пар вращает лопасти турбины, связанной с электрогенератором, теряя при этом свою энергию и превращаясь обратно в жидкую воду. Вода снова нагревается, превращается в пар и цикл полностью повторяется.
Исследователи из Массачусетского технологического института изучили работу активных элементов теплообменников и пароконденсаторов, которые используются на последнем этапе цикла тепловой станции. Исследования показали, что покрытие их поверхности слоем графена позволит в три-четыре раза увеличить эффективность процесса теплопередачи. Так как этот этап является одним из ключевых этапов цикла тепловой станции, увеличение его эффективности приведет к увеличению общей эффективности работы станции в целом на 2-3 процента. И, несмотря на такой незначительный прирост, эти проценты могут обеспечить экономию на уровне миллионов долларов в год.
Теплообменники и пароконденсаторы, которые представляют собой катушки из металлической, обычно медной, трубки, размещенные в потоке пара, теряют свою эффективность за счет образования на их поверхности тонкой водяной пленки, которая выступает в роли тепловой изоляции. Известно, что графен обладает сильными гидрофобными (водоотталкивающими) свойствами и эта особенность материала была использована для того, чтобы оседающая на поверхности влага формировалась в виде капель, которые не задерживаются на поверхности надолго. Ранее были предприняты попытки изготовления полимерных гидрофобных покрытий, но они закончились неудачей из-за того, что эти покрытия были достаточно толстыми, выступая сами как тепловой изолятор, или служили короткое время, выходя из строя под воздействием перегретого пара.
Испытания элементов теплообменников, покрытых графеном, были произведены в среде обычного, нагретого до 100 градусов Цельсия, водяного пара. Эти испытания показали, что теплопроводность таких элементов в четыре раза превышает теплопроводность элементов, на поверхности которых нет никакого покрытия. А при повышении температуры пара и увеличении перепада температур в теплообменнике теплопроводность может быть увеличена в 5-7 раз.
Что крайне важно, графеновое покрытие не показало никаких признаков деградации в течение испытаний, которые длились две недели. Для сравнения, качество одного из самых стойких полимерных покрытий начало ухудшаться уже через 3 часа, а через 12 часов оно полностью прекратило работать.
Нанесение графенового покрытия на элементы теплообменников и пароконденсаторов производится при помощи стандартного процесса химического осаждения из паровой фазы. А исследователи планируют довести все разработанные ими технологии до коммерческого уровня уже к концу этого года.