Слушать новости
Размер шрифта
Маленький текст
Средний текст
Большой текст

Новости науки

Российские химики изучили преобразование тепла для разных регионов

Новосибирские химики выяснили, какие материалы будут эффективны для адсорбционного преобразования тепла в различных регионах России. Эта технология может сделать доступней энергию альтернативных источников, например, солнечную. Статья с результатами работы опубликована в журнале Applied Sciences. Исследование выполнено при поддержке Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ).

Чтобы подогреть летом на даче воду для душа или сохранить свежими продукты в жаркий день, не обязательно использовать электричество или природный газ. Для бытовых нужд подойдет адсорбционный преобразователь тепла (АПТ). Такие приборы работают благодаря способности пористых материалов-сорбентов взаимодействовать с парами жидкостей-сорбтивов. Насыщаясь паром, сорбент выделяет тепло и, наоборот, поглощает его, когда отдает пар.

Свойства сорбентов имеют угли, цеолиты, силикагели. Иногда их заменяют инновационными материалами: композитами типа «соль в пористой матрице», металлоорганическими каркасами, алюмофосфатами. Основные составляющие АПТ – реактор с поглотителем-сорбентом и два резервуара с жидкостью-сорбтивом. Один резервуар служит испарителем, второй – конденсатором. Чтобы запасти энергию, сорбент сушат на солнце. Когда необходимо получить тепло (например, ночью), между резервуаром-испарителем и реактором открывают кран, так что пары сорбтива поступают на сорбент. Сорбент поглощает их, происходит разогрев реактора, и запасенное за день тепло можно использовать. На следующий день сорбент вновь сушат с помощью доступной солнечной энергии, и пары из него поступают в конденсатор. Это пример суточного цикла работы АПТ, но возможен и сезонный цикл, когда энергию запасают все лето и используют зимой. Кроме того, преобразователь тепла может служить источником холода: когда материал-сорбент поглощает пары сорбтива, резервуар-испаритель сильно охлаждается. Этот эффект можно использовать для охлаждения продуктов или кондиционирования помещений.

Высушить сорбент можно не только с помощью солнечной энергии. Подойдет любое тепло, например, от работающего двигателя, отработанного промышленного газа, от выхлопных газов автомобилей. Обычно такое тепло рассеивается в окружающей среде без всякой пользы. Но хотя солнечный свет – не единственный источник энергии для АПТ, климатические условия, тем не менее, важны при выборе пары «сорбент-сорбтив». Материал, хорошо накапливающий и отдающий тепло в одной климатической зоне, может оказаться совершенно неэффективным при других температурах. Чтобы выяснить, какие материалы и жидкости подойдут для работы АПТ в российских климатических условиях, новосибирские химики в сотрудничестве с итальянскими коллегами проанализировали около 40 пар «сорбент-сорбтив». Исследователи оценивали возможность использовать их в циклах обогрева, охлаждения и запасания тепла в условиях семи локаций (Астрахань, Москва, Владивосток, Омск, Архангельск, Якутск, Оймякон).

Для каждой локации по данным базы METEONORM рассчитали средние температуры дня и ночи для каждого месяца года. Используя эти данные в качестве параметров, авторы определили для каждого цикла (охлаждение, обогрев и запасание тепла) так называемый интервал адсорбционного потенциала Поляни. Его граничные значения позволяют оценить, какое количество сорбтива выбранный сорбент будет обменивать за нужный рабочий цикл. Чем больше сорбтива сорбент может обменять в заданных условиях, тем выше эффективность АПТ. Расчеты помогли подобрать наиболее перспективную для каждого случая пару «сорбент-сорбтив». Например, подходящий для большинства случаев сорбтив – вода, но зимой лучше использовать метанол, так как температура его замерзания ниже нуля. Из сорбентов лучшие для климатических условий России результаты показали композиты типа «соль в пористой матрице» и металлоорганические каркасы.

Оказалось, в России можно рассматривать как циклы нагревания, так и циклы охлаждения. Циклы охлаждения могут использоваться для кондиционирования воздуха (такое приложение авторы рассмотрели только для условий Астрахани) и для хранения продуктов или лекарств. Больше перспектив у циклов обогрева и запасания тепла. Летом работающие на солнечной энергии АПТ могут нагревать воду для душа, стирки, мытья посуды и других бытовых потребностей практически на всей территории страны, даже в Оймяконе. Авторы предполагают, что эта возможность будет особенно полезна для дач и небольших загородных домов. Зимой, когда солнечного света недостаточно, для работы АПТ необходим дополнительный источник энергии с температурой 2–20 °C. Это могут быть подземные воды, бросовое тепло от промышленных предприятий или транспорта. С запасанием тепла сложнее: ни в одном регионе накопленной за лето энергии не хватит, чтобы отапливать дом всю зиму. Но ее будет достаточно для поддержания систем теплого пола во время умеренных холодов осенью и весной.

«В мире сейчас очень популярны циклы сорбционного охлаждения. Например, тепло от работающего двигателя рыболовецкого судна может обеспечивать работу АПТ для заморозки рыбы, а тепло выхлопных газов двигателя локомотива – работу кондиционера в кабине машиниста, – говорит руководитель проекта, научный сотрудник Института катализа СО РАН Александра Грекова. – Для большинства регионов России жаркий климат не характерен, поэтому для нашей страны интереснее приложения, связанные с нагреванием и запасанием тепла. На первом этапе проекта для конкретных условий были определены наиболее перспективные рабочие пары. Сейчас работа связана с исследованием динамики сорбции воды и метанола в лабораторных установках, моделирующих работу реальных АПТ».