Цивилизация
Семья и Дети
Ученые из Института катализа СО РАН придумали, как из холода получить тепло, которое можно будет использовать для отопления в суровых климатических условиях. Для этого они предлагают в условиях низкой температуры поглощать пары метанола пористым материалом. Первые результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), были опубликованы в журнале Applied Thermal Engineering.
Химики предложили цикл под названием «Тепло из Холода» («ТепХол»). Ученые преобразуют теплоту, используя процесс адсорбции метанола пористым материалом. Адсорбция – это процесс поглощения веществ из раствора или газовой смеси другим веществом (адсорбентом), который применяют для разделения и очистки веществ. Поглощенное вещество называется адсорбат.
«Идея была в том, чтобы сначала теоретически предсказать, каким должен быть оптимальный адсорбент, а потом синтезировать реальный материал со свойствами близкими к идеальному, — прокомментировал один из авторов исследования, доктор химических наук Юрий Аристов. — Рабочим веществом являются пары метанола, и обычно их адсорбируют с помощью активированных углей. Вначале мы взяли коммерчески доступные активированные угли и использовали их. Оказалось, что большинство из них «работают» не очень хорошо, поэтому мы решили сами синтезировать новые адсорбенты метанола, специализированные для цикла «ТепХол». Это двухкомпонентные материалы: в них есть пористая матрица, относительно инертный компонент, и активный компонент – соль, хорошо поглощающая метанол».
Далее ученые провели термодинамический анализ цикла «ТепХол», который дает ориентировочное представление о протекании процесса преобразования, и определили оптимальные условия реализации адсорбции. Перед учеными стояла задача узнать, может ли новый термодинамический цикл обеспечить достаточную эффективность и мощность генерации теплоты. Чтобы ответить на этот вопрос, был сконструирован лабораторный прототип установки «ТепХол» с одним адсорбером, испарителем и криостатами, которые имитировали холодный воздух и незамерзающую воду. Адсорбент помещали в специальный теплообменник с большой поверхностью, сделанный из алюминия. Эта установка позволяет производить тепло в прерывистом режиме: оно выделяется при поглощении метанола адсорбентом, а потом требуется время на регенерацию последнего. Для этого давление метанола над адсорбентом уменьшают, чему способствует низкая температура окружающего воздуха. Испытания прототипа «ТепХол» проводили в лабораторных условиях, где имитировались температурные условия сибирской зимы, и эксперимент завершился успешно.
«Используя зимой два природных термостата (резервуара тепла), например окружающий воздух (Т = -20 — -40 °C) и незамерзающую воду из реки, озера, моря или грунтовые воды (Т = 0 — 20°C), с разницей температур 30-60 °C, можно получить теплоту для обогрева домов. Причем чем холоднее на улице, тем легче получить полезное тепло», — рассказал Юрий Аристов.
На сегодняшний день ученые синтезировали четыре новых сорбента, которые находятся в стадии испытаний. По словам авторов, первые результаты этих испытаний очень обнадеживают.
«Предложенный способ позволяет получить тепло непосредственно на месте в регионах с холодной зимой (северо-восток России, север Европы, США и Канада, а также Арктика), что может способствовать существенному ускорению их социально-экономического развития. Использование даже небольшого количества низкотемпературной теплоты окружающей среды может привести к изменению структуры современной энергетики, уменьшить зависимость общества от органического топлива и улучшить экологию нашей планеты», — заключил Аристов.
В перспективе разработка российских ученых может быть полезной для рационального использования низкотемпературных тепловых отходов промышленности (например, охлаждающая вода, которую сбрасывают тепловые электростанции, и газы, которые являются побочным продуктом химического и нефтеперерабатывающего производства), транспорта и жилищно-коммунального хозяйства, а также возобновляемой тепловой энергии, особенно в регионах Земли с суровыми климатическими условиями.
