Тепловой аккумулятор (аккумулятор тепла) на основе сульфата натрия. Опыты с глауберовой солью

Тепловой аккумулятор (аккумулятор  тепла) на основе сульфата натрия. Опыты  с глауберовой солью.

Раздел: ЭКО отопление

Проблемы накопления и  сохранения тепла по прежнему актуальны  и весьма заманчиво решить их с  помощью на простого нагрева какого либо теплоемкого тела, а с использованием физических особенностей перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое. Известно, что количество тепла, необходимое для, например, плавления льда в воду эквивалентно количеству тепла необходимому для нагрева этой же воды на 80 (!) градусов.

К сожалению, число веществ, изменяющих свое агрегатное состояние  в диапазоне температур солнечного коллектора (40-70 гр.С) не так велико. Да и те - достаточно дороги. Это прежде всего - парафины. Можно составить смесь парафинов плавящихся в этом диапазоне температур. Но парафины достаточно дороги (>1$US за килограмм). К счастью, есть и другое вещество - сульфат натрия или глауберова соль.

Поскольку в строящемся мною доме предполагается активно использовать тепловой аккумулятор (совместно с  солнечным коллектором и отопительными  приборами), то есть смысл рассмотреть  возможную реализацию его на основе глауберовой соли или сульфата натрия.

Подробнее, что такое сульфат натрия вы можете узнать, набрав в любом поисковике запрос «сульфат натрия» или «глауберова соль», я лишь упомяну об одном замечательном свойстве этого минерала, вернее одной его разновидности – т.н. десятиводном сульфате. Десятиводный он потому, что каждая его молекула «связывает» вокруг себя 10 молекул воды. В результате чего сульфат начинает растворяться в собственной воде с ростом температуры с огромным поглощением тепла. При температуре +32 градуса он становится густой жидкостью. А при охлаждении ниже этой температуры может начать кристаллизоваться и отдавать тепло назад. Количество тепла достаточно велико - 78,5 кДж/моль. Что эквивалентно количеству тепла, запасаемого водой, например (4,2 кДж/кг*град) в диапазоне либо несколько десятков градусов (!) одним литром, либо десятками литров воды!

«Может» - потому, что если насыщенный раствор сульфата натрия находится а абсолютном покое, то кристаллов не образуется. Но если его  переохлажденный раствор сотрясти или как то побеспокоить, то начинается лавинообразная кристаллизация с сильным  разогревом. Раствор быстро нагревается  до +32 и поддерживает эту температуру, пока весь не кристаллизуется. Т.е. в  зависимости от обстоятельств и  желания, можно получить запасенное тепло либо сразу, по мере остывания. А можно – по желанию, вызвал кристаллизацию переохлажденного раствора.

Эти замечательные свойства, разумеется, открыл не я, они давным-давно  известны и используются исследователями  альтернативных источников энергии. Вот  и я решил провести кое-какие  эксперименты. Для чего было закуплено  некоторое количество глауберовой  соли.

Приготовление раствора.

Глауберова соль продается  в обезвоженном виде (иначе ее было бы очень трудно хранить). Поэтому  я взял примерно 2 литра горячей  воды и начал растворять в ней  сульфат натрия до состояния насыщенного  раствора (т.е. до тех пор, пока соль не перестанет растворяться). В 2-х литрах растворилось примерно 600-650 мл соли. (мне  удобно пользоваться объемными мерами, ввиду отсутствия точных весов). Плотность  сульфата - примерно 1,5 Кг/литр, т.е. в  литре растворилось примерно 450-480 грамм (что близко к справочным показателям - максимальная его растворимость  в воде при 32,4° С, которая составляет 49,8 г в 100 г воды (в расчете на безводную соль). После тщательного  двойного процеживания раствора через  фильтровальную бумагу (фильтры для  кофеварки), я приступил к опытам.

Важно было максимально точно  воспроизвести условия, в которых  будет «работать» раствор сульфата натрия в условиях теплового аккумулятора. Как то: абсолютная неподвижность ( в подвале канистры с раствором  никто беспокоить не будет); достаточно медленные процессы нагрева и  охлаждения, поэтому охлаждение осуществляется естественным образом, а нагрев - очень  маломощной электрической грелкой, которой я оборачивал бутылку  с раствором.

Контроль температуры  производился с помощью лабораторного  ртутного термометра (к сожалению, электронного в выносным датчиком под рукой  не оказалось). Что бы измерять температуру  раствора, и при этом не вмешиваться  в раствор, пришлось сбоку бутылки  приделать специальную П-образную «капсулу» из пенополистирола, в которую вставлялся термометр так, что бы своей колбой с ртутью касаться стенки бутылки. Для улучшения теплопередачи от бутылки к термометру я туда натолкал алюминиевой фольги. Впрочем, важно было отследить динамику температур в различных условиях, а не ее абсолютные значения.

Проведение экспериментов.

Нагрев с помощью электрической  грелки раствор до 45 градусов (примерно до такой температуры я рассчитываю  заряжать свой теплоаккумулятор в эко-доме) я установил ее место, где она на подвергалась вибрациям, дополнительному нагреву или охлаждению и достаточно прохладное место. Т.е. в погребе (фактически - подвал дома и будет погребом, так что условия схожи). Температура окружающего воздуха +10 градусов.

Результаты проведенных  испытаний вы видите на графике:

Пояснения:

Синий график – график остывания  воды. Как видите, тут никаких  «приключений». Вода остывает по обратной экспоненте, стремясь к температуре  окружающего ее воздуха. И чем  меньше разница температуры между  водой и воздухом, тем медленнее  идет остывание.

График остывания раствора соли БЕЗ инициализации кристаллизации совершенно повторяет график остывания  воды. Поэтому я даже не стал его  рисовать.

Красный график - график остывания  насыщенного раствора с внесенной  затравкой. Дело в том, что для  того, что бы началась естественная кристаллизация в растворе, необходимо наличие какой-либо неоднородности. Обычно ею служит некоторое количество нерастворенной соли на дне сосуда. Т.е. раствор немного пересыщен. По мере остывания раствора, в точке  «А» началась кристаллизация соли в  бутылке и процесс остывания  резко замедлился. Тепло, выделяющееся при кристаллизации нагревало сам  раствор и компенсировало теплопотери. Так продолжалось до точки «В».

Следует учитывать, что я  фактически измерял не температуру  раствора, а температуру поверхности  бутылки. Но именно это и важно, поскольку  воздух в теплоакккумуляторе будет контактировать не с раствором, а именно с поверхностью канистр, в которых будет находится теплоаккумулирующее вещество, вода или раствор сульфата натрия.

В точке «В» кристаллы  заняли примерно 4/5 объема бутылки и  выделение тепла замедлилось, хотя ее верхняя часть все еще была на ощупь ощутимо теплее той зоны, в которой находился термометр. Очевидно, что просто передача тепла  внутри самой бутылки замедлилась  и термометр перестал фиксировать  ее.

Зеленый график - график поведения  переохлажденного раствора. Раствор  без затравки был просто охлажден до +15, а на следующие сутки в  нем была вызвана кристаллизация (фактически – прикосновением к  бутылке). Сразу начали расти кристаллы  по всему объему бутылки, а бутылка  фактически мгновенно разогрелась  до 27 градусов (наружная температура  поверхности). После разогрева часть  кристаллов снова «расплавилась» и  раствор перешёл в равновесное  состояние. Т.е. кристаллизовалась только та часть раствора, необходимая на поддержание температуры равновесия.

Выводы.

Как видим из графиков, теплоаккумулятор с использованием раствора сульфата натрия обеспечивает значительно большее количество запасаемого аккумулятором тепла, практически в 8-10 раз, по сравнению с простой водой. Причем температура раствора находится в самой комфортной температурной зоне для человека - + 20-27 градусов!

Формально можно сказать, что 100 литров раствора могут заменить примерно 1 тонну воды по теплоемкости.

Но наряду с этим достоинством проявляются и его определенные особенности. Не хочу писать «недостатки» потому что они могут обернутся  и дополнительными достоинствами, смотря как ими распорядиться.

В частности, достаточно трудно вызвать «монотонную» кристаллизацию раствора, т.е. естественную, в процессе остывания. Это можно сделать  затравкой, но тогда процесс становится неуправляемым. Поэтому, очевидно придется придумать какой то прибор с термодатчиком, который бы срабатывал и вызывал кристаллизацию раствора при его охлаждении, например до 20-24 градусов. С другой стороны, следует предусмотреть возможность управления этим прибором вручную. Тогда в ситуации, когда тепловой аккумулятор разряжен до 20 градусов и хотелось бы поднять его температуру за счет кристаллизации раствора сульфата, НО прогноз погоды в ближайшее день-два обещает потепление или просто солнечные дни, которые позволят подзарядить теплоаккумулятор, можно будет лучше немного «потерпеть», но сохранить потенциал ТА полностью. И в конце-концов, ТА - это не один большой бассейн, а набор емкостей с водой или раствором сульфата. И кто мешает организовать достаточно гибкое управление им, что бы начинать кристаллизацию раствора по частям.

Так же следует провести и  небольшой экономический анализ целесообразности применения сульфата натрия. Он хотя и недорог, но не бесплатен. Стоимость его – 7-8 рублей за килограмм. А 1 килограмм соли (сухой) дает нам 2,5 литра насыщенного раствора.

Допустим, мы купили 1 тонну  соли, что даст нам 2500 литров раствора. И обошлось нам это примерно в 8000 рублей. Теперь давайте сравним.

8000 рублей - это примерно 5000 чистых кВт электроэнергии, или  18.000 МДж тепла. КПД электронагревателей  близко к 100%.

8000 рублей - это примерно 5 кубометров дров (3000 кг). Это, с  учетом КПД печи даст нам  примерно 20.000-25.000 МДж тепла

Просто бесплатная вода (2500 литров) остывая с 40 градусов до 20 (когда  еще есть смысл отнимать у нее  тепло для обдува помещения воздухом такой температуры) Не отдает 200 МДж

А 2500 литров сульфата натрия дадут нам тепла соответственно в 6 раз (берем по минимуму) больше. Т.е. 200 х 6 = 1200 МДж.

Получается, что прежде чем  затраты на сульфатный теплоаккумулятор окупятся, он должен будет совершить как минимум полных «оборотов» 15 по сравнению с электричеством, и 20 по сравнению с дровами.

С одной стороны, затраты  на теплоаккумулятор являются разовыми и будут «отбиваться» достаточно долго, очевидно 2-3 года. А за электричество можно платить малыми дозами, и дрова можно использовать «случайные» - валежник вдоль дорог, всякое деревянное старье и отходы. А с другой стороны, и дрова, и электричество можно сжечь только 1 раз. И потом придется вновь тратить очередные «8000 тысяч» на них. А теплоаккумулятор будет служить долгие годы, возможно – десятилетия…

Поэтому тут уж каждый решает сам - стоит ли тратиться на сульфат  натрия, или просто увеличить объем  обычного водяного теплоаккумулятора в 6-10 раз, и строить ли его вообще… Очевидно, что использование сульфата - выход для тех, кто не может себе позволить достаточно объемный теплоаккумулятор на обычной воде или гравийно-каменнный.

    Устройство облегчения  пуска двигателя, схема подключения  которого показана на рис.2, включает  в себя несколько узлов: собственно  тепловой аккумулятор (ТА), его  вид приведен на рис.1, электронасос (ЭН), датчики зарядки и разрядки (Д) теплового аккумулятора, блок  управления и соединительную  арматуру. Основным узлом системы  является тепловой аккумулятор,  внутри которого находится вещество, способное накапливать тепло.  Этот узел устанавливается в  подкапотное пространство автомобиля  с помощью кронштейнов и врезается  посредством шлангов в штатную  систему охлаждения двигателя.  Врезка при этом удобна параллельно  с отопителем, но возможны и другие варианты. При прохождении через (ТА) охлаждающей жидкости, имеющей температуру около 90 градусов, он принимает тепло и "заряжается". Благодаря высокоэффективной вакуумно-порошковой изоляции аккумулятор сохраняет тепло длительное время, подобно термосу.  
          Для наглядности легко представить себе такую жизненную ситуацию. Вы поставили вечером машину на стоянку. Утром - мороз двадцать, тридцать, а то и все сорок градусов. Ваши соседи возятся с паяльными лампами или уже готовят буксирные троса чтобы насиловать двигатели безжалостной буксировкой своих автомобилей за тракторами. Знакомая картина. Не правда ли ? Вы же, подойдя к машине, нажимаете кнопку, которая включает небольшой насос, прокачивающий тосол по системе охлаждения, и через три минуты двигатель Вашего автомобиля уже теплый. Вы спокойно заводите его и едете по своим делам, не теряя ни минуты ценного времени и не тратя нервных клеток.  
          Через пятнадцать минут после прогрева двигателя до рабочей температуры тепловой аккумулятор опять готов к работе, то есть Вы опять можете глушить двигатель и оставлять автомобиль на морозе, а потом также спокойно его завести.

МАЛЕНЬКАЯ ПОДРОБНОСТЬ

 
          Электронасос, о котором упоминалось выше, имеет  мощность 40 Вт, работает от бортовой  сети автомобиля и потребляет  ток в 3.5 ампера. Всем известно, что на морозе перед пуском  двигателя рекомендуется включить  дальний свет фар, чтобы прогреть акккумулятор. Здесь же, используя устройство облегчения пуска двигателя, Вы убиваете двух зайцев - включив электронасос Вы прогреваете двигатель и одновременно готовите к работе аккумулятор.

ИСПЫТАНИЯ

 
          Устройство  прошло испытания на Горьковском  автозаводе. Климатические испытания  в течения двух недель и  дорожные испытания в течение  полугода. Как заявляют разработчики, использование его эффективно  не только в мороз, но и  просто в холодную погоду.

СРОК СЛУЖБЫ

 
          Срок службы  устройства, по словам разработчиков,  практически не ограничен. Десять  лет? Без проблем. Достаточно  просто механически его не  повредить. Корпус теплового аккумулятора  изготовлен из хорошей нержавеющей  стали и проверен на коррозионную  стойкость.