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.