Onderzoekers van de Universiteit van Cincinnati zeggen dat ze een oplossing hebben gevonden voor een van de grootste milieuproblemen waarmee de energie-industrie wordt geconfronteerd:waterverbruik.

Energiecentrales in de Verenigde Staten hebben elk jaar evenveel water nodig als alle boerderijen in het land samen - naar schatting 133 miljard gallons per dag, volgens federale cijfers. Dit legt een enorme druk op de watervoorraden en heeft een nadelige invloed op het milieu.

Maar Raj Manglik en Milind Jog, hoogleraren werktuigbouwkunde in UC's College of Engineering and Applied Science, zeggen dat ze een nieuw luchtkoelsysteem voor energiecentrales hebben ontwikkeld dat geen water gebruikt, maar bijna net zo effectief is als watergekoelde systemen.

"Op een gegeven moment zal dit een watercrisis zijn - en het zal vrij snel zijn, " zei Manglik. "Dat was de primaire motivatie. Kunnen we luchtkoeling aanzienlijk levensvatbaarder maken, zodat bedrijven het hoe dan ook zouden toepassen?"??

Het project werd gefinancierd door een subsidie ​​van $ 3,4 miljoen van het Amerikaanse ministerie van Energie.

De meeste energiecentrales in de Verenigde Staten zijn naast watermassa's gebouwd om aan de eisen van hun koelsystemen te voldoen. In koeltorens gaat een deel van het water verloren door verdamping. In andere gevallen, warmer water wordt teruggepompt in meren, rivieren of baaien, die de omgevingstemperatuur kan verhogen, het doden van vissen en andere waterorganismen en het creëren van giftige algenbloei. Wetenschappers noemen dit 'thermische vervuiling'.

"Het water rond elektriciteitscentrales kan aanzienlijk warmer zijn dan de rest van een rivier of meer, " zei Manglik. "Dit heeft een nadelige invloed op vissen en planten en vernietigt het ecosysteem."

De twee onderzoekers gebruikten hun achtergrond in experimentele warmteoverdracht, computationele modellering en vloeistofdynamica om een ​​betere luchtgekoelde condensor voor energiecentrales te ontwerpen. Als de radiator van een auto, de condensor heeft een netwerk van metalen vinnen die speciaal zijn ontworpen door de onderzoekers van UC om warmte weg te zuigen in de circulerende lucht.

De onderzoekers van UC ontwikkelden verbeterde metalen vinnen met een uniek geometrisch ontwerp dat de luchtstroom erover gunstig verandert. Dit zorgt voor een veel betere warmteconvectie voor koelstoom in de luchtgekoelde condensor.

"De luchtstroom wordt verstoord door meer menging en efficiëntere warmteoverdracht in vergelijking met traditionele vinnen die worden gebruikt op deze luchtgekoelde condensors, ' zei Jog.

Manglik zei dat er geen enkele "Eureka!" moment, maar eerder bewuste verbeteringen in de loop van de tijd.

"We gebruiken zorgvuldig gecontroleerde experimenten in combinatie met computationele modellering, " zei Manglik. "Modelvorming helpt ons de fysica te begrijpen. Experimenten geven ons de resultaten die kunnen worden gebruikt om het ontwerp te optimaliseren."

Meer warmte afgeven verhoogt het rendement van de energiecentrales, waardoor ze meer elektriciteit kunnen produceren. En aangezien het koelsysteem effectiever is, het hoeft niet zo groot en duur te zijn om te bouwen, ze zeiden. Tests op laboratoriumschaal suggereerden dat het systeem van de onderzoekers de koeltemperatuur kan verlagen van de huidige 140 graden tot zo laag als 115 graden.

UC-promovendi Kuan-Ting Lin en Dantong Shi testten een klein prototype in een technisch laboratorium. Nu werkt UC samen met Taneytown, Maryland, bedrijf EVAPCO op een grootschalige prototypetest van het ontwerp in de laboratoria van het bedrijf.

Maar de ingenieurs van UC stopten niet bij condensorvinnen. Ze werken ook aan een oplossing voor een van de grootste raadsels in de energiesector. In de zomer, De elektriciteitsvraag piekt doorgaans tijdens het heetste deel van de dag, wanneer de koelsystemen van een fabriek het minst efficiënt zijn.

Professoren Jog en Manglik ontwikkelen een beter systeem om de circulerende lucht voor te koelen met behulp van een koellichaam dat 's nachts koelere temperaturen opvangt.

"Het tweede onderdeel dat we ontwikkelen is een luchtvoorkoeler in combinatie met thermische energieopslag, " zei Jog. "Dus 's nachts als de temperaturen laag zijn, het systeem 'slaat' de kou op. En dat wordt tijdens de piekuren gebruikt om de lucht te koelen voordat deze naar de condensor gaat."

De onderzoekers van UC werken ook samen met Babcock &Wilcox, in Lancaster, Ohio, die in 2016 het Italiaanse bedrijf SPIG overnam, gespecialiseerd in koelsystemen voor energiecentrales.

Manglik zei dat luchtgekoelde energiecentrales steeds waardevoller zullen worden in droge delen van de wereld in het licht van de toenemende industrialisatie en klimaatverandering.

"Er is al een watertekort, verergerd door de wereldwijde behoefte aan energie, "Zei Manglik. "We zullen een aanzienlijk groot aantal nieuwe energiecentrales nodig hebben als de rest van de wereld energie gaat verbruiken in het tempo dat we in de Verenigde Staten doen."

De UC-onderzoekers werken sinds het indienen van hun subsidievoorstel in 2015 aan het patenteren van hun ideeën. Manglik zei dat hun resultaten van de grootschalige experimenten overtuigend moeten zijn.

"De traagheid in technische systemen is verbijsterend. Je gaat naar een olieraffinaderij of een petrochemische fabriek, en sommige van de gebruikte technologieën zijn 40 of 50 jaar oud, "Zei Manglik. "Efficiëntie is niet altijd een maatstaf die ertoe doet."

De twee onderzoekers hebben het afgelopen decennium samengewerkt aan diverse onderzoeksprojecten aan UC.

"Dr. Jog heeft speciale talenten in computationele fysica en modellering, " zei Manglik. "Ik voeg daar experimentele inzichten aan toe. Ik vind het niet erg om mijn handen vuil te maken - letterlijk."

"Ik denk dat die synergie het doet werken, ' zei Jog.