University of Cincinnati forskare säger att de har hittat en lösning på ett av de största miljöproblemen som energiindustrin står inför:vattenförbrukning.

Kraftverk i USA behöver lika mycket vatten varje år som alla landets gårdar tillsammans – uppskattningsvis 133 miljarder liter per dag, enligt federala nummer. Detta innebär en enorm påfrestning på vattenresurserna och har en skadlig miljöpåverkan.

Men Raj Manglik och Milind Jog, professorer i maskinteknik vid UC:s Tekniska Högskola, säger att de har utvecklat ett nytt luftkylningssystem för kraftverk som inte använder något vatten men är nästan lika effektivt som vattenkylda system.

"Någon gång kommer detta att bli en vattenkris - och det kommer att vara ganska snart, ", sade Manglik. "Det var den primära motivationen. Kan vi göra luftkylning betydligt mer lönsam så att företag skulle ta till sig det oavsett?"??

Projektet finansierades av ett anslag på 3,4 miljoner dollar från det amerikanska energidepartementet.

De flesta kraftverk i USA är byggda vid sidan av vattendrag för att möta kraven från deras kylsystem. En del vatten går förlorad genom avdunstning i kyltorn. I andra fall, varmare vatten pumpas tillbaka in i sjöar, floder eller vikar, som kan höja omgivningstemperaturen, döda fiskar och andra vattenlevande organismer och skapa giftiga algblomningar. Forskare kallar detta "termisk förorening".

"Vattnet runt kraftverk kan vara betydligt varmare än resten av en flod eller sjö, ", sa Manglik. "Detta påverkar fiskar och växter negativt och förstör ekosystemet."

De två forskarna använde sin bakgrund inom experimentell värmeöverföring, beräkningsmodellering och vätskedynamik för att designa en bättre luftkyld kondensor för kraftverk. Som kylaren på en bil, kondensorn har ett nät av metallfenor speciellt designade av UC:s forskare för att dra bort värme i den cirkulerade luften.

UC:s forskare utvecklade förbättrade metallfenor med en unik geometrisk design som positivt förändrar luftflödet över dem. Detta ger mycket bättre värmekonvektion för att kyla ånga i den luftkylda kondensorn.

"Luftflödet störs med mer blandning och effektivare värmeöverföring jämfört med traditionella flänsar som används på dessa luftkylda kondensorer, " sa Jog.

Manglik sa att det inte fanns någon enda "Eureka!" ögonblick utan snarare avsiktliga förbättringar över tid.

"Vi använder noggrant kontrollerade experiment i kombination med beräkningsmodellering, ", sa Manglik. "Modellering hjälper oss att förstå fysiken. Experiment ger oss de resultat som kan användas för att optimera design."

Att avge mer värme ökar kraftverkens effektivitet, vilket innebär att de kan producera mer el. Och eftersom kylsystemet är mer effektivt, det behöver inte vara så stort och kostsamt att bygga, sa de. Tester i laboratorieskala antydde att forskarnas system kan minska kyltemperaturen från dagens 140 grader till så lågt som 115 grader.

UC doktorander Kuan-Ting Lin och Dantong Shi testade en liten prototyp i ett ingenjörslabb. Nu samarbetar UC med Taneytown, Maryland, företaget EVAPCO på ett storskaligt prototyptest av designen på företagets labb.

Men UC:s ingenjörer slutade inte med kondensatorfenor. De arbetar också på en lösning på en av energibranschens största gåtor. På sommaren, efterfrågan på elektricitet toppar vanligtvis under den varmaste delen av dagen när en anläggnings kylsystem är minst effektiva.

Professorerna Jog och Manglik utvecklar ett bättre system för att förkyla den cirkulerade luften med hjälp av en kylfläns som fångar svalare temperaturer på natten.

"Den andra delen vi utvecklar är en luftförkylare i kombination med värmeenergilagring, " Sa Jog. "Så på natten när temperaturen är låg, systemet "lagrar" kylan. Och det används under rusningstid för att kyla luften innan den går till kondensorn."

UC:s forskare arbetar också med Babcock &Wilcox, i Lancaster, Ohio, som 2016 förvärvade det italienska företaget SPIG specialiserat på kraftverkskylsystem.

Manglik sa att luftkylda kraftverk kommer att bli allt mer värdefulla i torra delar av världen inför växande industrialisering och klimatförändringar.

"Det finns redan vattenbrist, förvärras av det globala behovet av energi, "Vi kommer att behöva ett avsevärt stort antal nya kraftverk om resten av världen börjar konsumera energi i den takt vi gör i USA."

UC-forskarna har arbetat med att patentera sina idéer sedan de lämnade in sitt bidragsförslag 2015. Manglik sa att deras resultat av fullskaliga experiment måste vara övertygande.

"Trögheten i tekniska system är häpnadsväckande. Du går till ett oljeraffinaderi eller en petrokemisk anläggning, och en del av de tekniker som används är 40 eller 50 år gamla, ", sa Manglik. "Effektivitet är inte alltid ett mått som betyder något."

De två forskarna har samarbetat i olika forskningsprojekt vid UC under det senaste decenniet.

"Dr. Jog har speciella talanger inom beräkningsfysik och modellering, " Sade Manglik. "Jag lägger till experimentella insikter. Jag har inget emot att bli smutsig på händerna - bokstavligen."

"Jag tror att synergi får det att fungera, " sa Jog.