هر دستگاه مکانیکی از قبیل انواع موتورها و کمپرسورها در هنگام کارکرد و در اثر اصطکاک اجزا حرارت زیادی ایجاد می‌کند. حرارت باعث وارد آمدن صدمه و تنش‌های نامطلوبی به سامانه می‌شود.
به گزارش ایران‌جیب به نقل از صمت، این حرارت باید به وسیله یک ماده، از سامانه خارج و حذف شود. در اثر تبادل حرارت که در اجزای یک چرخه نیروگاه تولید برق که منجر به افزایش حرارت یا تغییر فاز سیال عامل می‌شود، لازم است که سیال عامل را با مجموعه‌ای از تجهیزات خنک کرده یا آن را به فاز اولیه بازگرداند. به عنوان مثال برای متراکم کردن بخار خروجی از توربین و تغییر فاز دوباره آن به مایع برای ورود به دیگ بخار از آب به عنوان یک خنک‌کننده استفاده می‌شود. یا برای خنک‌کردن سیم‌پیچ‌ها در ژنراتور تولید برق از گاز هیدروژن، آب یا هوای طبیعی استفاده می‌شود. همچنین می‌توان به عنوان یک نمونه دیگر به خنک‌کردن روغن‌هایی که حرارت را از یاتاقان‌های موتور یا توربین و سایر قطعات دیگر می‌گیرند اشاره کردکه این روغن‌ها را می‌توان با آب خنک کرده و دوباره در مسیر گردش به منظور جذب حرارت قرار داد. سیال‌های عامل در یک چرخه بسته یا باز عمل کرده و برای انتقال حرارت خود به سیال خنک‌کننده از یک مبدل حرارتی استفاده می‌کنند. برای گردش سیال عامل در چرخه، پمپ‌هایی به طور مداوم سیال را به گردش در آورده و ضمن مصرف بیش از حد مواد خنک‌کننده، انرژی زیادی نیز برای این گردش تلف می‌شود. سامانه خنک‌کاری مناسب منجر به بهبود عملکرد سامانه و کاهش تلفات انرژی آن می‌شود. عمده‌ترین سامانه‌های خنک‌کننده مورد استفاده در نیروگاه‌ها را می‌توان به این صورت نام برد؛
- برج‌های خنک‌کننده
- سامانه خنک‌کننده رآکتورهای نیروگاه‌های هسته‌ای
- ژنراتورهای الکتریکی.
روش‌های مختلفی برای طراحی مناسب و بهینه سامانه‌های خنک‌کننده در انواع نیروگاه‌ها مطالعه و پیشنهاد شده است. پژوهشگران فناوری نانو برای رفع چالش‌های مربوط به خنک‌سازی تجهیزات نیروگاه‌ها، استفاده از نانو سیالات را پیشنهاد می‌کنند.
نانوسیالات
در مسائل مدیریت گرمایی قسمت‌های مختلف نیروگاه‌ها، افزایش نرخ انتقال حرارت و کوچ کردن تجهیزات انتقال حرارت برای بهبود کارآیی، افزایش طول عمر، مسائل ایمنی و...، یکی از دغدغه‌های اصلی به‌شمار می‌رود. مراجع علمی زیادی درباره روش‌های افزایش نرخ انتقال حرارت در قسمت‌های مختلف نیروگاهی گزارش داده‌اند. بیشتر این روش‌ها بر مبنای تغییرات در ساختار تجهیزات، مانند افزایش سطوح حرارتی، لرزش سطوح حرارتی، تزریق یا مکش سیال و اعمال جریان الکتریکی یا مغناطیسی متمرکز است. موضوعی که کمتر به آن توجه شده، تاثیر ضریب انتقال حرارت با بازدهی بالاست. محیط‌های انتقال حرارت معمولا از سیالاتی مانند آب، اتیلن‌گلیکول یا روغن تشکیل شده‌اند. این سیالات ضریب انتقال حرارت پایینی در مقایسه با فلزات و حتی اکسیدهای فلزی دارند. به عنوان مثال ضریب هدایت حرارتی مس ۷۰۰ برابر ضریب هدایت حرارتی آب و ۳۰۰۰ برابر ضریب هدایتی روغن و ضریب هدایت حرارتی « Al۲O۳» نیز ۶۰ برابر ضریب هدایت حرارتی آب است.
بنابراین انتظار می‌رود سیالاتی که شامل ذرات بسیار ریز این ترکیبات است در مقایسه با سیالات خالص ویژگی حرارتی بهتری از خود نشان دهند. به دلیل مشکلات فنی مطالعات انجام شده در این زمینه بیشتر روی سوسپانسیون‌هایی متمرکز بوده که شامل ذرات جامد معلق در حد میلی‌متر یا حداکثر میکرومتر هستند. ذرات در این مقیاس مشکلات جدی در تجهیزات انتقال حرارت ایجاد می‌کنند؛ به طوری که این ذرات به سرعت ته‌نشین می‌شوند و در صورتی که کانال از قطر کمتری برخوردار باشد مشکل جدی‌تر خواهد بود. به‌طورمثال در هنگام عبور از میکروکانال‌ها، کلوخه شده و باعث گرفتگی مسیر می‌شوند که در نتیجه افت فشار زیادی ایجاد می‌کنند از سوی دیگر برخورد این ذرات با سطوح منجر به سائیدگی می‌شود. بنابراین با وجود ضریب هدایت حرارتی بالا، این سوسپانسیون‌ها به علت ملاحظات فرآیندی به‌عنوان محیط انتقال حرارت مناسب به نظر نمی‌رسند. فرآیند تولید ذرات در حد نانومتر را باید به‌عنوان انقلابی در افزایش انتقال حرارت دانست. در سال ۱۹۹۵میلادی برای نخستین بار در آزمایشگاه ملی آرگون، پودرهای نانو در سیالات به‌عنوان نانو سیال معرفی و ویژگی‌های برجسته این سیال معرفی شد.
اندازه بسیار کوچک ذرات استفاده شده و کسر حجمی پایین ذرات نانو، مسائلی مانند ته‌نشینی و کلوخه شدن را از بین می‌برد و هزینه‌های لازم برای نگهداری و انتقال این سیالات را کم می‌کند و به علت اندازه بسیار کوچک، سائیدگی و آسیب رساندن به سامانه‌ها درباره این ذرات وجود ندارد. علاوه بر این سطح نسبی بزرگ این ذرات تاثیرات غیرتعادلی بین سیال و جامد را کاهش داده و باعث پایداری سوسپانسیون می‌شود. همچنین در شکل تئوریک مشخص است هرچه اندازه ذرات ریزتر باشد، سطح نسبی انتقال حرارت آنها بیشتر می‌شود و در نتیجه بازده حرارتی ذرات معلق که تابعی از سطوح انتقال حرارت است با کاهش اندازه ذرات افزایش می‌یابد. بنابراین طراحی سامانه‌های خنک‌کننده به کمک تزریق نانوسیال برای بهبود سامانه‌های مهندسی پیچیده امری ضروری به‌شمار می‌رود. از سوی دیگر یکی از روش‌های افزایش ایمنی نیروگاه‌ها افزایش قابلیت انتقال حرارت در آنها است. بنابراین نانوسیال‌ها با توجه به قابلیت فزاینده در انتقال حرارت در نیروگاه‌ها بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. بهبود ویژگی‌های گرمایی نانوسیال‌ها احتیاج به انتخاب روش مناسب برای تهیه این سوسپانسیون‌ها دارد تا از ته‌نشینی و ناپایداری آنها جلوگیری شود. متناسب با نوع کاربرد، انواع زیادی از نانوسیالات از جمله نانوسیالات اکسید فلزات، نیتریت‌ها، کاربید فلز و غیرفلزات که به‌وسیله یا بدون استفاده از سورفکتانت در سیالاتی مانند آب، اتیلن‌گلیگول و روغن به‌وجود آمده‌است. مطالعات زیادی روی چگونگی تهیه نانوذرات و روش‌های پراکنده‌سازی آنها در سیال پایه انجام شده‌است.
یکی از روش‌ها متداول تهیه نانوسیال، روش دو مرحله‌ای است. در این روش ابتدا نانوذره یا نانولوله معمولا به‌وسیله رسوب بخار شیمیایی در فضای گاز بی‌اثر به‌صورت پودرهای خشک تهیه می‌شود. در مرحله بعد نانوذره یا نانولوله در داخل سیال پراکنده می‌شود تا توده‌های نانوذره‌ای به حداقل رسیده و باعث بهبود رفتار پراکندگی شود. روش دو مرحله‌ای برای بعضی موارد مانند اکسید فلزات در آب، دیونیزه شده بسیار مناسب است و برای نانو سیالات نانو ذرات فلزی سنگین، کمتر موفق بوده‌است. روش دو مرحله‌ای دارای مزایای اقتصادی بالقوه‌ای است؛ زیرا شرکت‌های زیادی توانایی تهیه نانو پودرها در مقیاس صنعتی را دارند. روش یک مرحله‌ای نیز به موازات روش دو مرحله‌ای پیشرفت کرده‌است. به‌طور مثال نانو سیالاتی شامل نانوذرات فلزی با استفاده از روش تبخیر مستقیم تهیه شده‌اند. در این روش، منبع فلزی در شرایط خلأ تبخیر می‌شود. در این روش، تراکم توده نانو ذرات به حداقل خود می‌رسد، اما فشار بخار پایین سیال یکی از معایب این فرآیند به شمار می‌رود. با این حال روش‌های شیمیایی تک‌مرحله‌ای مختلفی برای تهیه نانو سیال به‌وجود آمده‌اند که از جمله آن می‌توان به روش احیای نمک فلزات و تهیه سوسپانسیون آن در حلال‌های مختلف برای تهیه نانوسیال فلزات اشاره کرد. مزیت اصلی روش یک مرحله، کنترل بسیار مناسب روی اندازه و توزیع اندازه ذرات است.
برج‌های خنک‌کننده
برج خنک‌کننده دستگاهی است که حرارت اضافی سیال عامل را می‌گیرد و آن را به محیط منتقل می‌کند. سیالاتی که برای خنک‌کاری استفاده می‌شوند، در اثر گردش در یک چرخه، گرم شده و دمای آن بالا می‌رود. برج خنک‌کننده دمای این سیالات را تا نزدیکی دمای حباب «تر» پایین آورده و حرارت را وارد محیط می‌کند. این کار را با تبخیر آب انجام می‌دهند. عمده‌ترین مشکلات به‌وجود آمده برای یک برج خنک‌کن عبارت است از: خوردگی قطعات داخلی برج، رشد جلبک‌ها و باکتری‌های بیولوژیکی، تشکیل رسوب در قسمت‌های مختلف برج و مصرف چشمگیر آب. در واقع مصرف آب و هدر رفت آب در برج‌های خنک‌کننده نیروگاهی بسیار بالاست. برای مثال پژوهش‌ها نشان می‌دهد ۴۰درصد مجموع برداشت آب شیرین امریکا به وسیله نیروگاه‌های بخار بوده که به طور تقریبی ۳درصد کل مصرف آب نیروگاه در برج‌های خنک‌کننده «تر» هدر می‌رود.
برنامه نوآوری و فناوری موسسه پژوهشی برق امریکا (EPRI) به یک موفقیت در زمینه نانو ذرات برای افزایش خواص ترموفیزیکی سیالات مبدل حرارتی مورد استفاده در برج‌های خنک‌کننده تر رسیده که باعث کاهش چشمگیر آب مصرفی در نیروگاه‌ها بخار موجود و جدید می‌شود. ترکیب خنک‌کننده‌های نیروگاهی با نانو ذرات هسته ماده‌های تغییردهنده فاز (PCM) تا ۲۰درصد سبب کاهش مصرف آب می‌شوند. بر اثر ذوب این مواد گرمای کندانسور نیروگاه گرفته شده و به عنوان محصولات خنک‌کننده جامد می‌شود. همچنین انتظار می‌رود، بهبود ویژگی گرمایی که به‌وسیله این نانو ذرات چندمنظوره حاصل می‌شود، سبب کاهش نرخ جریان سیال خنک‌کننده تا حدود ۱۵درصد می‌شود که خود باعث کم شدن بار پمپ‌ها و در نتیجه کاهش تلفات انرژی است. در آزمایشگاه ملی آرگون، پژوهشگران یک ایده خنک‌کاری بر مبنای فناوری نانو توسعه داده‌اند. این ایده افزودن نانو ذرات با پوستهٔ سرامیکی یا فلزی و هسته‌ای از مواد تغییردهنده فاز به سیال خنک‌کننده است. این مواد برای ذوب شدن در دمای کندانسور و جامد شدن هنگامی‌که جریان انتقال دهنده گرما به برج خنک‌کننده می‌رسد، طراحی می‌شوند. افزودن نانو ذرات جاذب گرما به سیال خنک‌کننده باعث افزایش ضریب انتقال حرارت، ظرفیت گرمایی و گرمای تبخیر در نتیجه کاهش مقدار آب مورد نیاز برای رسیدن به یک سطح خنک‌کنندگی می‌شود.
در اوایل سال ۲۰۱۱میلادی موسسه پژوهشی برق قدرت امریکا به پژوهشگران و سازندگان درباره با فناوری‌های کارآیی آب مورد استفاده در صنایع نیروگاهی، پیشنهاد پژوهش و بررسی داد. از بین ۷۰ پاسخ، آزمایشگاه آرگون، پیشنهاد خنک‌کاری نیروگاه‌ها مبتنی بر نانو ذرات تغییردهنده فاز ارائه کرد. بنابراین ارزیابی و تجاری‌سازی این ایده به‌وسیله موسسه پژوهشی برق قدرت در دستور کار قرار گرفت. در سال ۲۰۱۲میلادی، مدل‌ها و مطالعات موازی در آزمایشگاه برای دستیابی به ویژگی بهینه ترموفیزیکی این مواد در کاربردهای خنک‌کاری نیروگاهی در جریان قرار گرفت. در سال ۲۰۱۳میلادی یک طرح برای آزمایش کاربرد نانو سیال پیشنهادی برای بکارگیری در یک نمونه برج خنک‌کننده و سامانه کندانسور آن ارائه شد که یک مطالعه دقیق روی امکانات فنی و اقتصادی برای یک نیروگاه MW۵۰۰ انجام می‌دهد. برای ساخت ابتدا نانو ذرات مواد تغییردهنده فاز، شبیه‌سازی و ویژگی ترموفیزیکی و به‌ویژه هدایت گرمایی آنها ارزیابی می‌شود. بر اساس این ارزیابی ساخت انجام می‌شود. روش‌های میکروامولوسیون برای ساخت مواد تغییردهنده فاز استفاده و سپس لایه‌های اتمی پوسته ساخته می‌شود.
ژنراتورهای الکتریکی
در ژنراتورها، گرما در قسمت‌های مختلفی تولید می‌شود، مانند گرمای ناشی از تلفات مسی سیم‌پیچی آرمیچر و میدان، تلفات آهن هسته، تلفات مکانیکی و... دمای کاری ژنراتور یکی پارامترهایی است که بر طول عمر آن اثر می‌گذارد و برای نگه‌داشتن دمای عایق‌های ژنراتور در محدودیت دمایی آنها، این حرارت‌ها باید از ژنراتور خارج شوند. با افزایش ظرفیت و ولتاژ ژنراتور، خنک‌کردن سخت‌تر می‌شود چون نسبت حرارت تولید شده به سطح افزایش یافته و ضخامت عایق‌های ولتاژ بالا باعث افزایش مقاومت حرارتی می‌شود. سامانه خنک‌کنندگی ژنراتورها از خنک‌کنندگی غیرمستقیم تا خنک‌کنندگی مستقیم، از خنک‌کنندگی با هوا تا خنک‌کنندگی با هیدروژن یا آب پیشرفت کرده است. ژنراتورهای با ظرفیت کم یا دور کم با هوای طبیعی یا با استفاده از فن خنک می‌شوند اما ژنراتورهای با سرعت بالا و ظرفیت بزرگ با استفاده از هیدروژن و آب خنک می‌شوند. سامانه خنک‌کاری مناسب منجر به بهبود عملکرد ژنراتور و کاهش تلفات انرژی آن می‌شود.
فناوری نانو در سامانه خنک‌کاری ژنراتور هم به کمک آمده است. به این منظور روش‌های مختلفی برای طراحی مناسب و بهینه سامانه‌های خنک‌کننده در انواع نیروگاه‌ها پیشنهاد شده است. در این بین یکی از کاربردهای فناوری نانو برای رفع چالش‌های مربوط به خنک‌سازی استفاده از نانو سیالات است. این مواد به دلیل قابلیت انتقال حرارت بالا، برای افزایش ویژگی خنک‌کنندگی مانند فلوی گرمایی بالا و قابلیت ترشوندگی در غلظت متوسط که مشخصه مفیدی در نیروگاه‌هاست استفاده می‌شود. سامانه پیشنهادی برای انتقال حرارت به کمک نانوسیال (آب به علاوه نانو ذرات Al۲O۳) است. با افزایش نرخ فلوی ذرات، میزان ضریب انتقال حرارت و با افزایش غلظت «Al۲O۳» ضریب انتقال حرارت افزایش می‌یابد. سامانه خنک‌کننده بیشتر توربین‌های بادی، برای یک جریان هوای پایدار اغلب برق زیادی مصرف می‌کنند و در نتیجه تلفات گرمایی زیادی دارند. به‌علاوه جریان هوا می‌تواند مقدار زیادی گرد و غبار، شن و نمک و... حمل کند که می‌تواند به ناسل توربین وارد شود یا جریان هوای اطراف روی کار خنک‌کننده اثر بگذارد. این روش مزایای بیشتری نسبت به روش خنک‌کنندگی سنتی دارد، نخست اینکه ناخالصی، رطوبت و آلودگی وارد ناسل نشده و توربین می‌تواند هم در سطح دریا و هم روی خشکی استفاده شود. دوم اینکه عملکرد مقاوم آن در شرایط مختلف هوایی است. در این ساختار پیشنهادی، تلفات گرمایی ژنراتور از طریق برج به بیرون منتقل می‌شود. برج از لوله‌های گرد ساخته شده که به قسمت داخلی آن جوش خورده‌اند. سیال عامل، نانوسیال «Al۲O۳» است.