Новосибирские химики выяснили, какие материалы будут эффективны для адсорбционного преобразования тепла в различных регионах России. Эта технология может сделать более доступной энергию альтернативных источников, например, солнечную.

Статья ученых 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 другими материалами: композитами, 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.

Схема адсорбционного преобразователя тепла. / Александра Грекова

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».