El mercado global exige mejoras constantes en el rendimiento y la eficiencia de los motores de los aviones, las turbinas de potencia y otros pilares modernos de la tecnología energética. Este progreso requiere materiales estructurales avanzados, como compuestos cerámicos y aleaciones metálicas con capacidades de temperatura más altas. Comprender y predecir elEl desempeño de tales materiales de vanguardia en ambientes extremos ha sido durante mucho tiempo la fortaleza de la firma en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía. Durante décadas, las cámaras de exposición ambiental en ORNL, incluidas algunas denominadas plataformas Keizer, han sometido los materiales a gases corrosivos, presiones de aplastamiento ycalor calamitoso: los ambientes extremos creados en los equipos Keizer han impulsado los avances y continúan haciéndolo al proporcionar una idea de las condiciones en las que fallan los materiales para que los investigadores puedan aplicar las lecciones aprendidas para diseñar mejores materiales para aplicaciones de potencia y propulsión.
"Hemos podido realizar pruebas en una amplia gama de atmósferas gaseosas de alta presión: vapor puro, hidrógeno puro, oxígeno puro y una gama muy amplia de gases corrosivos mezclados", dijo Jim Keizer de ORNL. En 1991 Keizer, junto con Irv Federer, construyeron dos sistemas idénticos con capacidades únicas que podrían generar condiciones de temperatura y presión difíciles de recrear en entornos de laboratorio, tan difíciles de hecho que, al comienzo del esfuerzo, muchos pensaron que no se podía hacer.construyeron materiales sometidos a temperaturas hasta 1.400 grados C / 2.550 grados F y presiones hasta 34 bar / 500 psi más severas que las características de los reformadores de metano típicos, que reaccionan vapor con metano para producir hidrógeno y monóxido de carbono parala industria de procesos químicos. Los hornos, empaquetados en cubos de metal brillante tan altos como refrigeradores, se conocieron como los "equipos Keiser".
Keizer y Federer construyeron las cámaras de prueba cuando Stone & Webster, una empresa de servicios de ingeniería con sede en Massachusetts, solicitó ayuda a los científicos de ORNL para evaluar la durabilidad de los tubos de cerámica para intercambiadores de calor. Si los tubos de cerámica pudieran soportar ambientes extremos que se corroeron severamente con tubos fabricados conotros materiales, podrían aumentar la eficiencia de las operaciones industriales. Resultó que las uniones que conectan los tubos de cerámica al cabezal de metal del intercambiador de calor fallaron mucho antes que los tubos, por lo que el proyecto finalizó., en cambio, vivió e incluso se multiplicó. Tres ahora operan en ORNL.
Las plataformas Keizer se hicieron grandes en un gran proyecto para encontrar los mejores materiales de combustión para una turbina de gas que se instalaría en la planta industrial de Malden Mills en Massachusetts. Entre 1997 y 1999, el esfuerzo de colaboración de Solar Turbines, ORNL, Pratt& Whitney, el Laboratorio Nacional Argonne del DOE, BF Goodrich y Honeywell Advanced Composites culminaron con la creación de un motor de turbina de gas natural Solar Turbines con camisas de combustión hechas de compuestos cerámicos continuos reforzados con fibra, o CFCC. Cuando entró en funcionamiento en 1999, tenía las emisiones más bajas de cualquier instalación comercial combinada de energía eléctrica y térmica en los Estados Unidos.
En los CFCC, las fibras cerámicas están rodeadas por una capa protectora e incrustadas en una matriz cerámica. Para identificar los mejores materiales para Malden Mills y otras aplicaciones de turbinas de gas, los investigadores de ORNL y la comunidad en general han impulsado los CFCC basados en carburo de silicio,o SiC, hasta sus límites. Estos CFCC manejaban el calor mejor que la mayoría de las aleaciones metálicas, y los recubrimientos de barrera ambiental los protegían del gas de combustión de alta presión que hacía girar una turbina para generar energía.
Con fondos de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE en la década de 1990 y principios de la década de 2000, los investigadores de lo que entonces era la División de Metales y Cerámica de ORNL examinaron muchos CFCC candidatos, la mayoría de los cuales fueron producidos por empresas asociadas. Estos materiales prometedores incluían fibras de SiCincrustado en una matriz de SiC llamados compuestos "SiC-SiC" y compuestos a base de óxido. Además, utilizando el proceso de deposición de vapor químico de flujo forzado de ORNL, Rick Lowden hizo compuestos con una variedad de fibras y recubrimientos de fibras. Edgar Lara-Curzio evaluóel rendimiento mecánico de los materiales, como la resistencia durante el estiramiento y la flexión, y las respuestas al estrés, incluida la fatiga, la fluencia y la ruptura. Luego, Pete Tortorelli sometió los materiales a temperaturas y presiones extremadamente altas en los equipos Keiser y otros entornos de prueba.
Normalmente, el equipo analizaría muestras de material del tamaño de un cupón en la plataforma durante 500 a 2,000 horas y extrapolaría datos sobre las tasas de degradación para predecir cuándo fallarían los materiales. Los gráficos de datos mostraron que sin recubrimientos protectores, la mayoría de los CFCC basados en SiCmateriales fallados dentro de 5,000 horas.
"Era nuestro trabajo entender cómo se degradaban los CFCC", dijo Karren More, quien realizó la caracterización microestructural de los CFCC preparados con diferentes materiales y métodos. Comparando materiales idénticos expuestos a condiciones difíciles en los equipos Keiser o en las pruebas de motores, More encontróel mecanismo de degradación era el mismo: "A través de la ruta del flujo de gas comenzaría a verse una recesión o pérdida de material debido a la volatilización del material", explicó.
Casi dos décadas después de que se lograron bajas emisiones récord en Malden Mills, los equipos Keiser aún se están fortaleciendo. "Hay muy pocas instalaciones similares disponibles, por lo que Jim recibe regularmente solicitudes industriales para usar el equipo", dijo Bruce Pint, líder deGrupo de Ciencia y Tecnología de Corrosión de ORNL.
Debido a que el aumento de la temperatura y la presión del vapor mejora la eficiencia de las calderas y turbinas, las plataformas Keizer también fueron utilizadas ampliamente por un consorcio que desarrolla materiales para la próxima generación de calderas de carbón de alta eficiencia, dijo Pint. Las operaciones típicas ocurrirán a temperaturas que varíande 500-800 grados C 930-1,470 grados F y presiones que alcanzan 30 veces la de la atmósfera de la Tierra al nivel del mar.
Menos de 6 meses después del desastre nuclear de Fukushima Daiichi de 2011, durante el cual la pérdida de refrigerante del reactor provocó tres colapsos nucleares, se empleó una plataforma Keizer para simular las condiciones de temperatura y presión alcanzadas durante el accidente y detectar nuevos revestimientos de combustible candidatos hasta1.350 grados C 2.460 grados F. La publicación que resultó ganó el Premio al Mejor Artículo 2013-2014 de la Revista de Materiales Nucleares.
Actualmente, una plataforma Keizer está probando materiales de vapor para el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica. Para un estudio de la Oficina de Energía Fósil del DOE, otra plataforma Keizer está evaluando aleaciones estructurales para un nuevo concepto de combustión, llamado oxicombustión presurizada por etapas, dirigida a un limpiadoruso de carbón.
El renovado interés en los materiales compuestos cerámicos pronto puede volver a poner en servicio una plataforma Keizer, esta vez para evaluar su potencial en los motores de turbina más nuevos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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