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发电厂:对沸水中传热的新认识可以提高发电厂的效率

发布时间:2019-05-14 16:06:10 来源:

简单的开水行为是人类最古老的发明之一,并且仍然是当今许多技术的核心,从咖啡机到核电站。然而,这个看似简单的过程具有长期以来无法完全理解的复杂性。

现在,麻省理工学院的研究人员已经找到了一种方法来分析热交换器和其他技术所面临的最棘手的问题,其中沸水起着核心作用:如何预测和预防一种危险的,可能是灾难性的事件,称为沸腾危机。这是在热表面上形成如此多气泡的点,它们聚结成连续的蒸气片,阻止从表面到水的任何进一步的热传递。

这些事件可能导致削弱或融化,因此核电厂的设计运行水平远低于可能引发沸腾危机的水平。这种新的理解可能允许这些工厂通过降低所需的运营利润率在更高的产量水平下安全运行。

新的研究成果今天发表在“核物理学报”杂志上,由核工程助理教授Matteo Bucci和研究生Limiao Zhang和Jee Hyun Seong撰写。

“这是一个非常复杂的现象,”Bucci说,虽然它已经“研究了一个多世纪,但它仍然很有争议。” 他说,即使在21世纪,我们也谈到了能源革命,计算机革命,纳米级晶体管,各种伟大的事物。然而,仍然在本世纪,甚至在下个世纪,这些都受到限制传播热量。”

例如,随着计算机芯片越来越小,功能越来越强大,一些高性能处理器可能需要液体冷却来散热,这对于普通的冷却风扇而言可能过于强烈。(一些超级计算机,甚至一些高端游戏PC,已经使用抽水来冷却芯片)。同样,生产世界上大部分电力的发电厂,无论是化石燃料,太阳能还是核电站,主要通过产生蒸汽来转动涡轮机来发电。

在核电站中,水被燃料棒加热,燃料棒通过核反应加热。热量通过金属表面传播到水中负责将能量从燃料传递到发电涡轮机,但它也是防止燃料过热并可能导致熔化的关键。在沸腾危机的情况下,形成将液体与金属分离的蒸汽层可以防止热量传递,并且可以导致快速过热。

由于存在这种风险,法规要求核电站在热通量下运行,热通量不超过临界热通量(CHF)的75%,这是触发可能损坏关键部件的沸腾危机的水平。 。但由于瑞士法郎的理论基础知之甚少,因此非常保守地估计这些水平。Bucci说,如果可以更加确定地理解这种现象,那么这些工厂可能会在更高的热量水平下运行,从而从相同的核燃料中产生更多的能量。

他说,更好地理解沸腾和CHF是“这样一个难以解决的问题,因为它非常非线性”,材料或表面纹理的微小变化会产生很大的影响。但是现在,由于能够在实验室实验中捕获过程细节的更好的仪器,“我们已经能够用所需的空间和时间分辨率来实际测量和绘制现象”,以便能够理解沸腾危机是如何开始的。第一名。

事实证明,这种现象与城市交通流量或疾病爆发通过人口传播的方式密切相关。从本质上讲,这是事物聚集在一起的问题。

当一个城市的汽车数量达到一定的阈值时,他们更有可能在某些地方聚集并导致交通堵塞。而且,当疾病携带者进入机场或礼堂等拥挤的地方时,引发流行病的可能性就会增加。研究人员发现,加热表面上的气泡数量遵循相似的模式; 在一定的气泡密度之上,气泡聚集在一起,合并并在该表面上形成绝缘层的可能性增加。

“沸腾的危机主要是由于气泡的积聚导致相互融合和结合,导致表面失效,”他说。

由于相似之处,Bucci说,“我们可以采取灵感,采用与用于模拟交通堵塞的模型沸腾相同的方法”,并且这些模型已经得到了很好的探索。现在,基于实验和数学分析,Bucci和他的共同作者已经能够量化这种现象,并在这种泡沫合并开始发生时找到更好的方法来确定。“我们发现使用这种模式,我们可以根据正在形成的气泡的模式和密度来预测何时会发生沸腾危机”。

分析表明,表面的纳米级纹理起着重要的作用,这可能是用于进行调整以提高CHF的几个因素之一,因此可能导致更可靠的热传递,无论是用于发电厂,液体冷却用于先进的计算机芯片,或许多其他传热是关键因素的过程。

“我们可以利用这些信息不仅可以预测沸腾危机,还可以通过改变沸腾表面来探索解决方案,最大限度地减少气泡之间的相互作用,”Bucci说。“我们正在利用这种理解来改善表面,因此我们可以控制并避免'泡沫堵塞'。”

如果这项研究能够实现能够在更高的热通量下安全运行核电厂的变化 - 即,它们散热的速度 - 比目前允许的那样,那么影响可能是巨大的。“如果你能通过操纵表面来证明这一点,你可以将临界热通量提高10%到20%,然后通过更好地利用燃料和资源,在全球范围内增加相同数量的发电量。已经存在,“Bucci说。

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