Tin hot: Phần được in 3D lấy cảm hứng từ phổi làm mát bằng CO2 có thể đưa năng lượng phát triển lên tầm cao mới

27

Khi Charles Parsons phát minh ra tuabin hơi vào năm 1884, đó là một bước tiến lớn. Hơn một thế kỷ sau, các kỹ sư vẫn đang dựa vào hơi nước để vận hành các tua-bin tạo ra phần lớn sức mạnh của thế giới. Có lẽ nó sắp sửa đưa công nghệ lên một tầm cao mới.

Một cách để làm điều đó là lấy cảm hứng từ cơ thể con người. Đó chính xác là những gì Peter deBock và các đồng nghiệp của ông tại GE Research ở Niskayuna, New York đã làm: Họ đã nghĩ ra một bộ trao đổi nhiệt – một thành phần thiết yếu của hệ thống làm mát của tuabin điện – mô phỏng cách thức của con người.

Bộ trao đổi nhiệt được sử dụng trong các nhà máy điện để di chuyển năng lượng từ khí thải nóng chảy ra từ tuabin khí sơ cấp và chuyển nó sang vòng tua bin thứ cấp, hoặc chu trình chạm đáy, để tạo ra nhiều điện hơn. Quá trình này về cơ bản làm mát lưu lượng khí thải của tuabin chính với chất lỏng làm việc của hãng, giống như chất chống đông của xe hơi.

Hầu hết các chu kỳ chạm đáy sử dụng hơi nước làm chất lỏng làm việc. Hợp kim thông thường và phương pháp sản xuất, tuy nhiên, giới hạn nhiệt độ hoạt động dưới 1.200 độ F.

Nhưng nếu có một cách khác thì sao? Bằng cách sử dụng các hợp kim khác, sản xuất phụ gia (thường được gọi là in 3D) và chất lỏng làm việc khác cho chu trình chạm đáy, các kỹ sư hy vọng sẽ tăng nhiệt độ vận hành và tăng hiệu suất nhiệt. Nhiệt độ và áp suất cao hơn cho phép họ đóng tạo nên lực mạnh vào một khu vực nhỏ hơn và lấy thêm năng lượng từ nó.

Một ứng cử viên chất lỏng làm việc đầy hứa hẹn là carbon dioxide siêu tới hạn, cùng loại khí làm cho soda có ga. Khi nhiệt độ và áp suất đạt đến điều kiện thích hợp, CO2 trở nên siêu tới hạn – nó thu được mật độ của chất lỏng nhưng chảy giống như một chất khí và giữ một lượng năng lượng nhiệt khổng lồ. Kết quả là, một máy phát điện sử dụng nó làm phương tiện có thể nhỏ hơn và hiệu quả hơn 10 lần so với máy phát điện sử dụng hơi nước và cũng cần ít bộ phận hơn. (GE Research tham gia vào một dự án do Viện Công nghệ Gas dẫn đầu và hợp tác với Viện Nghiên cứu Tây Nam để xây dựng một nhà máy sử dụng CO2 trị giá 122 triệu đô la, có khả năng tạo ra 10 megawatt điện (Mwe).


Kết hợp chuyên môn sâu về vật liệu kim loại nhiệt độ cao, quản lý nhiệt và sản xuất phụ gia, Kỹ sư cao cấp và luyện kim GE, Laura Dial và Peter deBock, Kỹ sư chính và chuyên gia về Quản lý nhiệt, sẽ làm việc với một nhóm các chuyên gia GE để thiết kế một bộ trao đổi nhiệt cực kỳ hiệu quả để cải thiện cấu hình hiệu quả cho cả các ứng dụng phát điện và hàng không vũ trụ tiên tiến. Không có trong hình nhưng cũng hỗ trợ sự phát triển này là Bill Gerstler, một Kỹ sư chính về Quản lý Nhiệt và Dan Erno, một chuyên gia thiết kế phụ gia. Hình trên: Một nguyên mẫu của một bộ trao đổi nhiệt in 3D được thiết kế bởi các nhà nghiên cứu GE Dan Erno và Bill Gerstler tại cơ sở nghiên cứu GE kèm theo ở Niskayuna, NY. Bộ trao đổi nhiệt này được thiết kế để có cấu trúc tri-furcating trong đó cả hai chất lỏng phân chia theo ba hướng và kết hợp lại liên tục trong thiết bị, bắt chước các khái niệm tự nhiên lấy cảm hứng từ sinh học như phổi của con người để cải thiện hiệu quả nhiệt. Ảnh: GE Research.

CO2 siêu tới hạn là một ưu tiên lớn đối với ARPA-E, bộ phận nghiên cứu tiên tiến của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Gần đây, ARPA-E đã đưa ra lời kêu gọi một loại bộ trao đổi nhiệt mới có thể giúp các nhà máy điện tiên tiến này xử lý nhiệt độ 1.650 độ F – cao hơn 450 độ so với các bộ trao đổi nhiệt hiện tại sử dụng hơi nước – ở áp suất hơn 3.600 pound mỗi inch vuông. (Áp suất khí quyển ở mực nước biển là 14,69 psi.)

Khi deBock và các đồng nghiệp của mình nghe thấy những yêu cầu này, tâm trí của họ đã hình dung đến hai tiến bộ mô phỏng tại phòng thí nghiệm GE Research, ở Niskayuna: “kỹ năng thiết kế cực đoan và kỹ năng luyện kim cực đoan” deBock nói.

Laura Dial, một nhà nghiên cứu cao cấp từ nhóm luyện kim, đã làm việc để phát triển một siêu hợp kim niken tiên tiến để sử dụng cho các bộ phận động cơ phản lực. Kim loại có khả năng duy trì đủ độ bền ở nhiệt độ cực cao và cũng phù hợp cho sản xuất phụ gia, một công nghệ tương đối mới trong đó một máy điều khiển bằng máy tính hợp nhất các lớp vật liệu mỏng, bao gồm cả kim loại cao cấp, để chế tạo một bộ phận. Các đối tượng được xây dựng bằng in 3D có thể có hình dạng phức tạp hơn nhiều so với những vật thể được làm bằng kỹ thuật sản xuất thông thường. Có thể in 3D, deBock cho biết: “Chúng tôi có thể xây dựng các kiến ​​trúc thiết kế mà trước đây không thể”.

In 3D đã mở đường cho một số suy nghĩ cấp tiến về cách thiết kế một bộ trao đổi nhiệt cho nhiệt độ và áp suất cao. Nhóm DeBock cảm hứng lấy cảm hứng từ phổi của con người, đóng vai trò quan trọng trong việc giúp làm mát cơ thể đến khoảng 98 độ F. Lùng phổi, deBock cho biết, gọi là chất trao đổi nhiệt cuối cùng.

Phổi thực hiện chức năng trao đổi nhiệt của nó với một mạng lưới các mao mạch, phân chia dòng máu thành dòng nhỏ để tối đa hóa sự tiếp xúc với không khí lạnh từ bên ngoài, giải phóng nhiệt và hấp thụ oxy. Bộ trao đổi nhiệt GE, được thiết kế bởi nhà khoa học Dan Erno, làm một cái gì đó tương tự. Nó lấy luồng khí nóng đi ra từ tuabin khí và tách ra và kết hợp lại liên tục thành một mạng lưới ống dẫn, mỗi đường kính nhỏ hơn 2,5 mm, được đặt xen kẽ với một mạng lưới kênh khác chứa chất lỏng làm việc lạnh hơn (trong trường hợp này là CO2 siêu tới hạn) chạy theo hướng ngược lại. Không khí nóng và chất lỏng làm việc được giữ riêng biệt về mặt vật lý, nhưng khoảng cách gần của chúng cho phép trao đổi nhiệt hiệu quả.

Vào tháng Tư, ARPA-E đã trao cho GE khoản tài trợ 2,5 triệu đô la, 2,5 năm để phát triển màn trình diễn bộ trao đổi nhiệt 50 kilowatt sử dụng thiết kế mới của nó. Các đối tác của GE, trong dự án bao gồm Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge, nơi sẽ đóng góp chuyên môn về khoa học ăn mòn để kiểm tra và xác nhận hiệu suất dài hạn của vật liệu và Đại học Maryland, nơi sẽ hỗ trợ thiết kế trao đổi nhiệt và chuyên môn tối ưu hóa.

BÌNH LUẬN CỦA BẠN