Учёные из России получили полезное тепло из холода

Учёные 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 были опубликованы в журнале Applied Thermal Engineering.

Химики предложили цикл под названием «Тепло из Холода» ("ТепХол"). Учёные 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. Поглощённое 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 исследователи провели термодинамический анализ цикла «ТепХол», который даёт ориентировочное представление о протекании процесса преобразования, и определили оптимальные условия реализации адсорбции. Перед учёными 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.

Первый прототип устройства «ТепХол»: 1 — адсорбер, 2 — испаритель/конденсатор, 3 — теромокриостаты, 4 — вакуумный насос.

"Используя зимой два природных термостата (резервуара тепла), например, окружающий воздух и незамерзающую воду из реки, озера, моря или грунтовые воды, 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 учёные синтезировали четыре новых сорбента, которые находятся в стадии испытаний. По словам авторов, первые результаты этих испытаний очень обнадёживают.

"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 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 учёных 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.

К слову, ранее мы рассказывали о новом нанопокрытии, которое превращает обыкновенную одежду в самонагревающуюся.