新型纹理表面分析用于高效、安全的发电厂

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　                  将水沸腾是许多工业过程的核心，包括电厂中的化学处理和海水淡化处理都用到了这一过程。但是，人们对水沸腾表面的详细情况知之甚少，有时候一些意想不到的水沸腾热点可能会融化昂贵的设备，使电站损坏。
        现在，麻省理工学院的研究人员揭示了导致这种极端加热（超过临界热通量值）的原因，并想办法预防这种现象的发生。这种新的发现使得电站可以在更高的温度内运行，从而显著提高电厂的整体效率。
        该研究结果发表在本周的《自然通讯》上，该论文由机械工程博士后Navdeep Singh Dhillon，核科学和工程学教授JacopoBuongiorno和机械工程副教授Kripa Varanasi共同撰写。
        博士后Navdeep Singh Dhillon(如图所示)研究了沸腾危机现象的基本物理机制。图的右边是测量临界热通量(CHF)的钻井平台，其中热饱和水在薄的变形基质中沸腾，研究人员可以用可视化泡沫和红外成像实时测量衬底的温度。

        

新型纹理表面分析用于高效、安全的发电厂

        图片来源:麻省理工学院

        Varanasi 说：“目前，全球大约85%的电力依靠蒸汽发电机，这个数据在美国是90%。如果人们能够提高沸腾过程中产生的蒸汽，就可以提高整个电厂的效率。”
        蒸汽就是沸腾的气泡，人们熟悉的开水炉限制了能源的利用效率。这是因为气体无论是在空气中还是呈现蒸气状态都是高度绝缘的，而水是一种优良的热量吸收物质。所以在热表面区域，覆盖的泡沫越多，热能转移效率就越低。
        如果这些泡沫在一个给定的温度点持续时间变长，就会显著提高金属的加热温度，由于热量的转移没有足够快，就会融化一部分金属。
        Dhillon说：“这种现象会损害工业锅炉，给核电站或化学处理厂带来灾难性的后果。当一层泡沫达到其传热极限，温度就可以增加数千度，这一现象被称为“‘沸腾危机”’。”
        为了避免超过临界热通量，发电厂通常的运行温度要低于临界热通量，这就限制了电厂的效率和输出功率。使用纹理表面有助于改善这一现象，但人们不知道这是基于什么原理，也无法获得最优纹理。
        与流行的观点相反，新的研究工作表明，纹理并不总是越多越好。麻省理工学院的研究小组在实验中使用同步高速光学和红外成像来观测沸腾过程，结果显示，一定程度的表面纹理具有最优的性能，优化表面纹理这一概念及其背后的物理学原理则是改进锅炉系统的关键。
        Buongiorno说：“人们对纹理表面的认识真正缺失的是具体机制的探讨。新的研究指出，液体中毛细管力和粘性力的平衡是解决这一问题的关键。”
        Varanasi 说：“泡沫离开表面时，周围的液体需要在表面温度超过临界热通量之前重新润湿表面。这需要人们对纹理表面及其热液体流动与底层表面的交互作用有一定的认识。如果可以提高传热效率，就可以使电厂在更高的温度下运行，因此就能提高发电厂的利润。”
        Dhillon说：“通过改善电厂的整体效率，可以减少电厂的碳排放量。利用较少的燃料生产相同数量的蒸汽。同时，通过降低过热现象带来的风险可以保证核电站的安全运行，避免电厂发生事故。”
<p class="MsoNormal"style="text-indent:21.0pt;">        来源：新材料在线 μ炻