КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 17-79-10103

НазваниеАдсорбционное преобразования тепла в климатических условиях Российской Федерации: теоретический анализ циклов, поиск эффективных адсорбентов

Руководитель Грекова Александра Дмитриевна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" , Новосибирская обл

Конкурс №23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-402 - Гидроэнергетика, новые и возобновляемые источники энергии

Ключевые слова адсорбционное преобразование тепла, композитные сорбенты, запасание тепла, сорбция воды, сорбция метанола, энергосбережение

Код ГРНТИ44.31.41

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
В последнее время в мире наблюдается настоящий бум в развитии адсорбционных систем для запасания теплоты, нагрева и охлаждения [1,2]. Адсорбционные преобразователи тепла (АПТ) обладают значительным энергосберегающим потенциалом за счет использования: 1) солнечной и геотермальной энергии, 2) тепловых отходов в бытовом, промышленном, транспортном секторах. Принципиальная схема АПТ, состоит из двух резервуаров с сорбтивом (испарителя и конденсатора) и реактора с сорбентом. В реакторе АПТ находится сорбент, способный обратимо поглощать пары сорбтива (воды, спиртов и т.д.). Рассмотрим работу АПТ в цикле запасания теплоты. Сорбент высушивают с помощью доступного бросового тепла, например, энергии солнца. Затем, когда необходимо получить тепло (ночью - солнечной энергией напрямую воспользоваться нельзя) сорбент приводят в контакт с парами сорбтива. Поглощение паров воды сорбентом инициирует его разогрев. Таким образом, на этой стадии мы получаем запасенное тепло. На следующее утро сорбент снова высушивают с помощью доступной днем солнечной энергии. Десорбирующиеся пары конденсируются в конденсаторе. Сорбент готов к следующему суточному циклу. Аналогичный цикл можно рассмотреть для сезонного запасания тепла (запасание энергии летом, использование - зимой). Так как процесс сорбции вызывает не только разогрев сорбента, но и достаточно сильное охлаждение испарителя - АПТ может быть использован в качестве холодильной установки (например, как кондиционер воздуха, работающий за счет солнечного излучения, или тепла, рассеиваемого двигателем транспортного средства в окружающую среду). Несмотря на существенный прогресс, достигнутый за последние десятилетия, необходимо дальнейшее улучшение эффективности работы АПТ [1]. Их совершенствование идет по двум основным направлениям: 1) поиск эффективных рабочих пар «адсорбат-адсорбент» для конкретных рабочих циклов, 2) оптимизация конструкции АПТ. Для различных циклов существует ряд общих требований к сорбенту, например, известно, что материалы, характеризующиеся ступенчатыми (S-образными) сорбционными кривыми (изотермы, изобары), наиболее перспективны для использования в АПТ. Также важными характеристиками являются теплопроводность материала и его сорбционная емкость в условиях рабочего цикла. Однако в зависимости от климатического пояса, в котором будет использоваться АПТ, вида альтернативного источника энергии, используемого для регенерации сорбента, и ряда других факторов каждый конкретный цикл АПТ предъявляет специфические требования к свойствам сорбционного материала [3]. Другими словами, сорбент, демонстрирующий хорошие показатели в одних климатических условиях может оказаться совершенно неэффективным в других. Так, область резкого увеличения сорбции (ступенька на изотерме) должна находиться в определенном интервале давлений, что позволит обменивать максимальное количество сорбтива, а, следовательно, и реализовать максимальную мощность именно в условиях конкретного рабочего цикла. Поэтому для успешного развития технологии адсорбционного преобразования тепла на территории России необходимо в первую очередь проанализировать рабочие условия, которые удастся реализовать для циклов запасания тепла, охлаждения и нагрева на территории нашей страны. Исходя из полученных граничных условий, необходимо сформулировать требования к сорбентам оптимальным для конкретных циклов, а затем приступать к поиску, а в ряде случаев и к целенаправленному синтезу подходящих материалов. В настоящее время в адсорбционных процессах используется ограниченный круг традиционных сорбентов: силикагели, активные угли, цеолиты, и т.д. Эти адсорбенты обладают рядом недостатков, в числе которых невысокая сорбционная ёмкость. Возможности изменять свойства традиционных однокомпонентных адсорбентов также весьма ограничены. Гораздо более интересными с точки зрения возможности согласования свойств сорбента с требованиями конкретного цикла являются модифицированные или композитные материалы: замещенные алюмофосфаты, гибридные органо-неорганические материалы, металлоорганические каркасы и т.д. Отдельно стоит отметить крайне перспективный с точки зрения увеличения сорбционной ёмкости промышленно производимого пористого сорбента (пористой матрицы) вариант модификации - внесение в поры неорганической соли [4]. Изотермы сорбции воды и спиртов неорганическими солями характеризуются ступенчатой формой оптимальной для АПТ. Варьирование химической природы солей и пористой структуры матриц позволяет целенаправленно изменять положение ступени на изотермах новых сорбентов, а, следовательно, целенаправленно изменять сорбционные свойства последних. Другими словами, широкие возможности модификации композитных материалов позволят подобрать/синтезировать материалы оптимально подходящие для АПТ, функционирующих именно в климатических условиях России. Ключевым моментом проекта будет впервые проводимый комплексный анализ рабочих условий и формулирование требований к сорбционным материалам перспективным для упомянутых приложений, реализуемых в условиях климата нашей страны. Таким образом, данная работа будет посвящена: 1) анализу рабочих циклов АПТ, специализированных для условий России (запасание тепла, нагревание, охлаждение), 2) формулированию требований к сорбентам оптимальным для конкретных циклов, 3) поиску/синтезу сорбентов, удовлетворяющих сформулированным требованиям, 4) испытанию наиболее перспективных материалов в условиях работы АПТ для заданных климатических зон. Подобное исследование, использующее в качестве источника исходных данных климатические условия Российской Федерации, будет проведено впервые. Цитируемая литература: 1. Meunier, F., Applied Thermal Engineering, 61 (2013)830 836. 2. Zheng, X., etc.,Energy 74 (2014)280-294. 3. Pons, M., etc., International Journal of Refrigeration, 22(1999)5-17. 4. Gordeeva, L., etc., International Journal of Low Carbon Technologies, 7(2012) 288-302.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---