Може да сте го виждали в кухненски съдове или стари водопроводни тръби: твърдата, богата на минерали вода ще остави люспести отлагания с течение на времето. Среща се не само в тръбите и съдовете за готвене у дома, но и в тръбите и вентилите, които транспортират нефт и природен газ, и тръбите, които транспортират охлаждаща вода в електроцентралите. Добре известно е, че мащабът може да причини неефективност, прекъсване и проблеми с поддръжката. В нефтената и газовата промишленост мащабът понякога води до пълно затваряне на работещи кладенци, поне временно. Следователно решаването на този проблем може да донесе огромни ползи. Сега екип от изследователи от MIT излезе с потенциално решение на този огромен, но малко известен проблем. Те откриха, че нова повърхностна обработка - включително нано-текстуриране на повърхността и след това прилагане на смазваща течност - може да намали скоростта на образуване на котлен камък поне десет пъти. Тази седмица резултатите от изследването бяха публикувани в Journal of Advanced Materials Interface. Статията е написана от дипломиран студент Шринивас Субраманям, постдокторант Жизел Азими и Крипа Варанаси, доцент по морска употреба в катедрата по машинно инженерство в MIT. „Можете да видите [мащаб] почти навсякъде“, каза Варанаси. В дома тези отлагания са най-вече неприятни, но в промишлеността те могат да доведат до „намаляване на производителността и методът за премахването им може да бъде вреден за околната среда“, обикновено включващ използването на агресивни химикали. В електроцентралите и инсталациите за обезсоляване котленият камък може да причини значителни загуби на ефективност, тъй като действа като термична бариера и влияе върху охлаждането или кондензацията в топлообменника. Проблемът възниква, защото водата обикновено съдържа много разтворени соли и минерали. Способността на водата да разтваря тези вещества зависи от разтворимостта, така че ако водата се охлади или се изпари, разтворът може да стане пренаситен: той съдържа повече разтворени вещества, отколкото може да побере, така че някои вещества започват да се утаяват. Когато топлият и влажен въздух внезапно се охлади, когато срещне по-студена повърхност, това ще причини замъгляване на студеното стъкло, което е същият принцип. В повечето случаи инженерите решават този проблем чрез прекомерно проектиране на системата, каза Варанаси: Използвайте много по-голяма тръба от необходимата, например, очаква се, че замърсяването ще причини частично запушване или по-голяма повърхност, в този случай топлообменник под. Субраманям посочва, че този проблем не е нов: „Древните съдове за готвене имат такъв вид натрупване“, каза той. „Все още нямаме добро решение.“ Въпреки че все още предстои да бъде доказан в индустриален мащаб, новият метод, разработен от екипа на MIT, може да окаже значително влияние върху скоростта на образуване на котлен камък и в много случаи може да го предотврати напълно. Техният метод звучи просто: ефективно нанотекстуриране на повърхността и запълване на получената текстура с лубрикант. Текстурата зависи главно от размера на получените неравности и бразди; точната форма изглежда няма значение. Следователно могат да се използват различни техники за създаване на тази текстура - включително нанасяне на текстурирано покритие върху повърхността или химическо ецване на място. Изследователите също описаха процес за избор на подходящ лубрикант, който не само увеличава енергийната бариера, образувана от мащаба, но също така се разпространява върху текстурирани твърди вещества, правейки повърхността „гладка“ и намалявайки нуклеацията, която може да се използва за образуване на мащаб. сайт. Предишни опити за предотвратяване или намаляване на образуването на котлен камък обикновено включват добавяне на покритие (като тефлон) към повърхността, за да се предотврати свързването на минерали с нея. Варанаси обясни, че проблемът с този метод е, че тези покрития се износват, точно както покритията на тигани с незалепващо покритие често се разграждат при употреба. Той каза, че дори и да има малка дупка в покритието, тя осигурява място, където да започне да се образува котлен камък. С помощта на новия метод, след като нано-текстурата се формира върху повърхността, върху повърхността се нанася масло или друга смазочна течност. Варанаси каза, че малки наномащабни канали улавят тази течност и я държат здраво на място чрез капилярно действие. За разлика от твърдите незалепващи покрития, течността може да тече, за да запълни всички празнини, да се разпространи върху текстурата на повърхността и ако част от тях се отмие, може да се допълва непрекъснато. „Дори ако има механична повреда, лубрикантът може да се върне на тази повърхност“, каза Субраманям. „Може да запази своята гладкост за дълго време.“ Тъй като този смазващ слой е много тънък – с дебелина само няколкостотин нанометра – той изисква само малко количество смазка, за да защити повърхността в продължение на десетилетия. Варанаси каза, че резервоар, изграден в част от тръбопровода, може да осигури смазване през целия живот на оборудването. В случай на нефтопроводи, „лубрикантът вече съществува“, маслото, уловено от текстурата на повърхността, може да защити повърхността на тръбопровода. Юрген Рюе, ръководител на лабораторията по химия и физика на интерфейса в университета във Фрайбург, не участва в изследването, като каза, че то представлява „много важни открития и важен научен напредък“. Той нарече метода на екипа за намаляване на образуването на котлен камък „нов и креативен“ и каза, че „може да има потенциално въздействие върху всички области, където водата се нагрява и се генерира пара“. Изследователите казаха, че след допълнителни лабораторни тестове за определяне на най-доброто за конкретно приложение След методите за смазване и текстуриране системата може да бъде готова за търговско приложение само за три години. Тази работа беше подкрепена от Енергийната инициатива на MIT.
Време на публикуване: 8 декември 2021 г
