El revestimiento del condensador de vapor podría ahorrar 460 millones de toneladas

Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois

Imagen: Tubos de cobre para condensadores de vapor recubiertos con F-DLC (arriba) y sin recubrimiento (abajo). El recubrimiento F-DLC permite que el agua condensada se forme en gotas en lugar de una fina película que cubra la tubería.ver más

Crédito: Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign

Si la generación de energía con carbón y gas natural fuera un 2% más eficiente, entonces, cada año, se podrían liberar 460 millones de toneladas menos de dióxido de carbono y se utilizarían 2 billones de galones menos de agua. Una innovación reciente en el ciclo de vapor utilizado en la generación de energía con combustibles fósiles podría lograrlo.

Investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign han desarrollado un revestimiento para condensadores de vapor utilizados en la generación de ciclos de vapor con combustibles fósiles que está fabricado con carbono fluorado similar al diamante, o F-DLC. Los investigadores informaron en la revista Nature Communications que este recubrimiento podría aumentar la eficiencia general del proceso en un 2%. Además, demostraron la idoneidad del recubrimiento para uso industrial realizando la prueba de durabilidad más larga jamás realizada.

"La realidad es que los combustibles fósiles no desaparecerán hasta dentro de al menos 100 años", dijo Nenad Miljkovic, profesor de ciencia e ingeniería mecánica en la UIUC y líder del proyecto. “Se emitirá una gran cantidad de CO2 antes de que lleguemos a un punto en el que podamos apoyarnos en las energías renovables. Si nuestro recubrimiento F-DLC se adoptara a nivel mundial, reduciría notablemente las emisiones de carbono y el uso de agua para la infraestructura eléctrica existente”.

La generación de energía con combustibles fósiles depende de un proceso llamado ciclo del vapor, en el que el combustible se quema para hervir agua, el vapor resultante hace girar una turbina y la turbina impulsa un generador eléctrico. Luego, el vapor llega a un condensador que recupera agua del vapor y mantiene una diferencia de presión a través de la turbina para que el vapor fluya. Mejorar las propiedades de transferencia de calor de los condensadores permitiría mantener una diferencia de presión mientras se quema menos combustible.

El nuevo recubrimiento F-DLC de los investigadores mejora la transferencia de calor porque el material es hidrofóbico. Cuando el vapor se condensa en agua, no forma una película delgada que recubre la superficie, como lo hace el agua sobre muchos metales limpios y sus óxidos. En cambio, el agua forma gotas en la superficie del F-DLC, poniendo el vapor en contacto directo con el condensador y permitiendo que el calor se transfiera directamente. Los investigadores descubrieron que esto mejoraba las propiedades de transferencia de calor en un factor de 20, lo que se traduce en un aumento general del proceso del 2 %.

"Es notable que podamos lograr esto con F-DLC, algo que sólo utiliza carbono, fluoreno y un poco de silicio", dijo Muhammad Hoque, investigador asociado postdoctoral y autor principal del estudio. "Y puede recubrir prácticamente cualquier metal común, incluidos cobre, bronce, aluminio y titanio".

Para demostrar la durabilidad del F-DLC, los investigadores sometieron metales recubiertos a condiciones de condensador de vapor durante 1.095 días, la prueba más larga reportada en la literatura. Los metales recubiertos mantuvieron sus propiedades hidrófobas durante todo este tiempo. Los investigadores también descubrieron que los metales recubiertos mantenían sus propiedades hidrofóbicas después de 5.000 rayones en una prueba de abrasión.

El equipo de investigación ahora está colaborando con la planta de energía Abbott de UIUC para estudiar el rendimiento del recubrimiento durante seis meses de exposición constante a la condensación en condiciones industriales.

"Si todo va bien, esperamos mostrar a todos que se trata de una solución eficaz y económicamente viable", afirmó Miljkovic. "Queremos que se adopte nuestra solución porque, aunque el desarrollo de las energías renovables debería ser absolutamente una prioridad, todavía vale la pena seguir mejorando lo que tenemos ahora".

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El artículo de los investigadores, "Superficies hidrofóbicas de carbono fluorado tipo diamante multicapa ultrarresiliente", está disponible en línea. DOI: 10.1038/s41467-023-40229-6.

Oerlikon Balzers Coating proporcionó los metales recubiertos con F-DLC.

Investigadores de la Universidad Sabanci también contribuyeron a este estudio.

La financiación fue proporcionada por la Oficina de Investigaciones Navales; la Fundación Nacional de Ciencias a través del Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de Illinois; y el Ministerio japonés de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología.

Comunicaciones de la naturaleza

10.1038/s41467-023-40229-6

Superficies hidrofóbicas de carbono fluorado tipo diamante multicapa ultrarresistentes

14-ago-2023

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