Tăng tỷ lệ truyền nhiệt lên bốn lần nhờ lớp phủ graphene

Một nghiên cứu mới từ MIT cho thấy một lớp graphene dày một nguyên tử có thể tăng gấp bốn lần tốc độ truyền nhiệt ngưng tụ trong các nhà máy điện.

Ống ngưng tụ bằng đồng không được phủ (phía trên bên trái) và ống tương tự được phủ graphene (phía trên bên phải). Khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ 100oC, ống không được phủ tạo ra một màng mỏng nước không hiệu quả (phía dưới bên trái), trong khi ống được phủ cho thấy sự ngưng giọt nhiều hơn (phía dưới bên phải).

Hầu hết các nhà máy sản xuất điện trên thế giới - cho dù sử dụng than, khí tự nhiên, hay phản ứng phân hạch hạt nhân - đều sản xuất điện bằng cách tạo ra hơi nước làm quay tuabin. Hơi nước  sau đó được ngưng tụ thành nước và chu kỳ này lại bắt đầu.

Nhưng các bình ngưng thu hơi nước khá kém hiệu quả và việc cải tiến chúng có thể tạo ra một sự khác biệt lớn về hiệu suất tổng thể của nhà máy điện.

Mới đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại MIT đã phát triển phương pháp phủ lên bề mặt của bình ngưng một lớp graphene, chỉ dày một nguyên tử, và thấy rằng việc này có thể cải thiện tỷ lệ truyền nhiệt lên bốn lần - và có khả năng thậm chí còn nhiều hơn với các nghiên cứu tiếp theo. Và không giống như các lớp phủ polyme, các lớp phủ graphene đã được chứng minh có độ bền cao trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Sự cải tiến này trong truyền nhiệt bình ngưng, chỉ là một bước trong chu trình sản xuất điện, có thể dẫn đến sự cải thiện 2-3% hiệu suất tổng thể của nhà máy điện dựa trên các số liệu từ Viện Nghiên cứu điện năng, Preston nói - đủ để làm giảm đáng kể phát thải cacbon trên toàn cầu, do những nhà máy như vậy đại diện cho đa số các nhà máy sản xuất điện trên thế giới. “Việc này có thể tiết kiệm hàng triệu đô la cho mỗi nhà máy điện mỗi năm”, ông giải thích.

Bình ngưng tụ có thể có hình ống, thường được làm bằng đồng - tương tác với dòng hơi nước theo hai cách cơ bản. Trong một số trường hợp, hơi nước ngưng tụ tạo thành một lớp nước mỏng bao phủ lên bề mặt bình; ở những trường hợp khác, hơi nước tạo thành các giọt nước được hút từ bề mặt bình ngưng bởi trọng lực.

Preston giải thích, khi hơi nước tạo thành một lớp màng, việc này làm cản trở sự truyền nhiệt - và do đó làm giảm hiệu suất - của quá trình ngưng tụ. Vì vậy, mục tiêu của nhiều nghiên cứu là để tăng cường sự hình thành giọt trên bề mặt bằng cách làm cho chúng kỵ nước.

Thường thì điều này được thực hiện bằng cách sử dụng các lớp phủ polyme, nhưng những lớp phủ này có xu hướng bị thoái hóa nhanh chóng ở nhiệt độ và độ ẩm cao trong các nhà máy điện. Và khi các lớp phủ được làm dày hơn để giảm sự xuống cấp, các lớp phủ này lại cản trở việc truyền nhiệt.

Preston nói: “Chúng tôi nghĩ rằng graphene có thể hữu ích vì chúng tôi biết loại vật liệu này có bản chất kỵ nước”. Vì vậy, ông và các đồng nghiệp đã quyết định kiểm tra khả năng kỵ nước của graphene cũng như độ bền của nó trong điều kiện điển hình của các nhà máy điện nơi môi trường hơi nước tinh khiết ở nhiệt độ 100oC.

Họ phát hiện ra rằng lớp phủ graphene dày 1 nguyên tử đã cải thiện khả năng truyền nhiệt gấp bốn lần so với các bề mặt nơi quá trình ngưng tụ hình thành các lớp nước mỏng, chẳng hạn như các kim loại không được che phủ. Tính toán thêm cho thấy việc tối ưu hóa những khác biệt về nhiệt độ có thể nâng sự cải thiện này từ 5-7 lần. Các nhà nghiên cứu cũng cho thấy, sau hai tuần, dưới các điều kiện như vậy, không có sự suy giảm nào về hiệu suất của graphene.

Preston cho biết các thí nghiệm tương tự sử dụng lớp phủ kỵ nước thông thường cho thấy lớp phủ này bắt đầu xuống cấp chỉ trong vòng ba giờ và hoàn toàn không hoạt động trong vòng 12 giờ.

Do quy trình phủ graphene lên trên bề mặt đồng - được gọi là lắng đọng hơi hóa học - đã được thử nghiệm rộng rãi, phương pháp mới này có thể sẵn sàng để thử nghiệm trong các điều kiện thực tế “trong ít nhất một năm” và quy trình này có thể được mở rộng một cách dễ dàng, Preston nói.

“Công trình nghiên cứu này là cực kỳ quan trọng bởi vì, theo tôi biết, nó là báo cáo đầu tiên về sự ngưng giọt ổn định với một lớp phủ bề mặt duy nhất,” Jonathan Boreyko, phó giáo sư kỹ thuật y sinh và cơ khí tại Virginia Tech, người đã nghiên cứu ngưng tụ trên bề mặt siêu kỵ nước, nói. “Những phát hiện này rất ngạc nhiên và thú vị”.

Boreyko, người không tham gia vào nghiên cứu, cho biết thêm, phương pháp này, nếu được chứng minh qua các thử nghiệm tiếp theo, “có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của các nhà máy điện và các hệ thống sử dụng bình ngưng khác”.

Theo Vista.gov.vn