فن آوری جمع آوری بخار باعث صرفه جویی در مصرف آب در حین پاکسازی هوا می شود | اخبار MIT

تقریباً دو پنجم کل آبی که از دریاچه‌ها، رودخانه‌ها و چاه‌ها در ایالات متحده خارج می‌شود، برای کشاورزی، شرب یا بهداشت استفاده نمی‌شود، بلکه برای خنک کردن نیروگاه‌هایی که برق را از سوخت‌های فسیلی یا انرژی هسته‌ای تأمین می‌کنند، استفاده می‌شود. بیش از 65 درصد از این گیاهان از خنک‌کننده تبخیری استفاده می‌کنند که منجر به ایجاد توده‌های سفید بزرگی می‌شود که از برج‌های خنک‌کننده خود بیرون می‌آیند، که می‌تواند آزاردهنده باشد و در برخی موارد حتی به شرایط رانندگی خطرناک کمک کند.

اکنون، یک شرکت کوچک مبتنی بر فناوری که اخیراً توسط گروه تحقیقاتی بنارس در MIT توسعه یافته است، امیدوار است که هم نیاز به آب در این نیروگاه‌ها و هم توده‌های ناشی از آن را کاهش دهد – و به طور بالقوه به کاهش کمبود آب در مناطقی که نیروگاه‌ها بر آب محلی فشار وارد می‌کنند کمک کند. سیستم های.

این فناوری در اصل به طرز شگفت انگیزی ساده است، اما توسعه آن تا جایی که اکنون بتوان آن را در مقیاس کامل در کارخانه های صنعتی آزمایش کرد، پیشنهاد پیچیده تری بود. این امر مستلزم تجربه دنیای واقعی بود که بنیانگذاران شرکت از نصب سیستم‌های نمونه اولیه، ابتدا بر روی سیستم‌های گاز طبیعی MIT به دست آوردند. کارخانه تولید همزمان و سپس در MIT راکتور تحقیقاتی هسته ای.

در این آزمایشات سخت، که شامل قرار گرفتن در معرض نه تنها گرما و ارتعاشات یک کارخانه صنعتی در حال کار، بلکه همچنین سختی زمستان های نیوانگلند بود، این سیستم کارایی خود را هم در حذف ستون بخار و هم در جذب مجدد آب به اثبات رساند. و در این فرآیند آب را تصفیه کرد، به طوری که 100 برابر تمیزتر از آب خنک کننده ورودی بود. این سیستم اکنون برای آزمایشات کامل در یک نیروگاه تجاری و در یک کارخانه فرآوری شیمیایی آماده می شود.

“پردیس به عنوان یک آزمایشگاه زنده”

این فناوری در ابتدا توسط پروفسور مهندسی مکانیک کریپا واراناسی برای توسعه سیستم‌های بازیابی آب کارآمد با گرفتن قطرات آب از مه طبیعی و ستون‌های برج‌های خنک‌کننده نیروگاه طراحی شد. این پروژه به عنوان بخشی از تحقیقات پایان نامه دکتری ماهر دامک PhD ’18، با بودجه مرکز فناوری و طراحی تاتا MIT، برای بهبود کارایی سیستم های جمع آوری مه مانند سیستم هایی که در برخی از مناطق خشک ساحلی به عنوان منبع استفاده می شود، آغاز شد. آب قابل شرب. این سیستم ها که عموماً از مش پلاستیکی یا فلزی آویزان شده به صورت عمودی در مسیر مه شکن ها تشکیل شده اند، بسیار ناکارآمد هستند و تنها حدود 1 تا 3 درصد از قطرات آبی را که از آنها عبور می کنند جذب می کنند.

بنارس و داماک دریافتند که جمع‌آوری بخار می‌تواند بسیار کارآمدتر باشد، ابتدا قطرات ریز آب را با پرتویی از ذرات باردار الکتریکی یا یون‌ها کوبیده و به هر قطره یک بار الکتریکی خفیف بدهد. سپس، جریان قطرات از یک شبکه سیمی مانند یک صفحه پنجره عبور می کند که دارای بار الکتریکی مخالف است. این باعث می شود که قطرات به شدت به سمت مش جذب شوند، جایی که به دلیل گرانش از بین می روند و می توانند در سینی هایی که در زیر مش قرار داده شده اند جمع آوری شوند.

آزمایش‌های آزمایشگاهی نشان داد که این مفهوم کارآمد است، و محققان به همراه دکتر کریم خلیل در سال 2018 برنده مسابقه کارآفرینی 100 هزار دلاری MIT برای مفهوم اصلی شدند. شرکت نوپایی که آنها آن را Infinite Cooling نامیدند، با دامک به عنوان مدیر عامل، خلیل به عنوان CTO، و بنارس به عنوان رئیس، بلافاصله به کار راه اندازی یک نصب آزمایشی بر روی یکی از برج های خنک کننده کارخانه مرکزی گاز طبیعی MIT رفتند. با بودجه دفتر پایداری MIT. پس از آزمایش با پیکربندی‌های مختلف، آنها توانستند نشان دهند که این سیستم واقعاً می‌تواند ستون را از بین ببرد و آب با خلوص بالا تولید کند.

پروفسور Jacopo Buongiorno در دپارتمان علوم و مهندسی هسته‌ای فوراً فرصت خوبی برای همکاری پیدا کرد و استفاده از مرکز تحقیقاتی آزمایشگاه راکتور هسته‌ای MIT را برای آزمایش بیشتر سیستم با کمک مهندس NRL، Ed Block، پیشنهاد داد. این نیروگاه با عملکرد 24 ساعته و 7 روز هفته و انتشار بخار در دمای بالاتر، آزمایش سخت گیرانه تری از سیستم را در دنیای واقعی ارائه می دهد و همچنین اثربخشی آن را در یک راکتور فعال واقعی دارای مجوز کمیسیون تنظیم مقررات هسته ای اثبات می کند که گام مهمی است. در “ریسک زدایی” از فناوری به طوری که شرکت های برق بتوانند در پذیرش این سیستم احساس اطمینان کنند.

پس از نصب سیستم در بالای یکی از چهار برج خنک کننده کارخانه، آزمایش نشان داد که آب جمع آوری شده بیش از 100 برابر تمیزتر از آب تغذیه ای است که به سیستم خنک کننده وارد می شود. همچنین ثابت کرد که نصب – که برخلاف نسخه قبلی، صفحه های مشبک آن به صورت عمودی و موازی با جریان بخار نصب شده بود – هیچ تأثیری بر عملکرد کارخانه نداشت. ویدئوی تست ها به طور چشمگیری نشان می دهد که چگونه به محض اینکه برق به مش جمع کننده وصل می شود، ستون سفید بخار بلافاصله به طور کامل ناپدید می شود.

دماک می‌گوید که دما و حجم بالای ستون بخار از برج‌های خنک‌کننده راکتور «یک نوع بدترین سناریو از نظر ستون‌ها» را نشان می‌دهد، «بنابراین اگر بتوانیم آن را ضبط کنیم، اساساً می‌توانیم هر چیزی را ضبط کنیم.»

بنارسي مي گويد كه كار با آزمايشگاه راكتور هسته اي MIT «گام بسيار مهمي بوده است، زيرا به ما كمك كرد تا آن را در مقياس آزمايش كنيم. … واقعاً هم کیفیت آب و هم عملکرد سیستم را تأیید می کند. او می‌گوید این فرآیند اهمیت استفاده از محوطه دانشگاه را به عنوان یک آزمایشگاه زنده نشان می‌دهد. این به ما امکان می‌دهد این نوع آزمایش‌ها را در مقیاس انجام دهیم، و همچنین توانایی کاهش پایدار ردپای آب پردیس را نشان داد.»

مزایای گسترده

ستون‌های نیروگاه اغلب به عنوان یک چشم درد در نظر گرفته می‌شوند و می‌توانند به مخالفت محلی با نیروگاه‌های جدید منجر شوند، زیرا پتانسیل ایجاد منظره‌های مبهم، و حتی خطرات احتمالی ترافیکی هنگام وزش ستون‌های مبهم در جاده‌ها وجود دارد. Buongiorno می‌گوید: «توانایی از بین بردن توده‌ها می‌تواند یک مزیت مهم باشد و به گیاهان اجازه می‌دهد در مکان‌هایی قرار بگیرند که در غیر این صورت ممکن است محدود شوند. در عین حال، این سیستم می تواند مقدار قابل توجهی از آب مصرف شده توسط گیاهان را از بین ببرد و سپس در آسمان از بین برود و به طور بالقوه فشار بر سیستم های آبی محلی را کاهش دهد، که به ویژه در مناطق خشک می تواند مفید باشد.

این سیستم اساساً یک فرآیند تقطیر است و آب خالصی که تولید می‌کند می‌تواند به دیگ‌های نیروگاه – که جدا از سیستم خنک‌کننده هستند – برود که به آب با خلوص بالا نیاز دارند. این ممکن است نیاز به آب شیرین و سیستم های تصفیه برای دیگهای بخار را کاهش دهد.

علاوه بر این، در بسیاری از مناطق خشک ساحلی، نیروگاه ها مستقیماً با آب دریا خنک می شوند. این سیستم اساساً قابلیت نمک‌زدایی آب را با کسری از هزینه ساخت یک نیروگاه جدید نمک‌زدایی مستقل و با کسری حتی کمتر از هزینه‌های عملیاتی آن به نیروگاه اضافه می‌کند، زیرا گرما اساساً به صورت رایگان ارائه می‌شود.

آلودگی آب معمولاً با آزمایش رسانایی الکتریکی آن اندازه‌گیری می‌شود که با مقدار نمک‌ها و سایر آلاینده‌های موجود در آن افزایش می‌یابد. خلیل توضیح می‌دهد که آب مورد استفاده در سیستم‌های خنک‌کننده نیروگاه معمولاً 3000 میکروزیمن بر سانتی‌متر است، در حالی که منبع آب در شهر کمبریج معمولاً حدود 500 یا 600 میکروزیمنس بر سانتی‌متر است. به گفته او، آب جذب شده توسط این سیستم معمولاً کمتر از 50 میکروزیمن بر سانتی‌متر است.

به لطف اعتبار سنجی ارائه شده توسط آزمایش روی کارخانه های MIT، این شرکت اکنون توانسته است ترتیبات لازم را برای دو نصب اول خود در کارخانه های تجاری عملیاتی، که باید اواخر امسال آغاز شود، تضمین کند. یکی یک نیروگاه 900 مگاواتی است که در آن تولید آب پاک سیستم مزیت بزرگی خواهد بود و دیگری در یک کارخانه تولید مواد شیمیایی در غرب میانه است.

بنارس می‌گوید در بسیاری از مکان‌ها نیروگاه‌ها باید هزینه آبی را که برای خنک‌سازی استفاده می‌کنند بپردازند و انتظار می‌رود سیستم جدید نیاز به آب را تا 20 درصد کاهش دهد. او می گوید که برای یک نیروگاه معمولی، این به تنهایی می تواند حدود یک میلیون دلار در هزینه آب در سال صرفه جویی کند.

ماریا جی کورسنیک، رئیس و مدیر عامل مؤسسه انرژی هسته‌ای، که در این تحقیق شرکت نداشت، می‌گوید: «نوآوری برای بیش از شش دهه نشانه صنعت تجاری ایالات متحده بوده است. از آنجایی که تغییر اقلیم بر هر جنبه از زندگی، از جمله منابع آب جهانی تأثیر می‌گذارد، شرکت‌ها در سراسر زنجیره تأمین در حال نوآوری برای راه‌حل‌ها هستند. آزمایش این فناوری نوآورانه در MIT مبنای ارزشمندی را برای بررسی آن در کاربردهای تجاری فراهم می کند.