Рис. 1. Режим адсорбции
Рис. 2. Режим десорбции
Фото 1. Модель Vitosorp от Viessmann
Фото 2. Модель zeoTHERM от Vaillant
Конструкция zeoTHERM от Vaillant
Постановка задачи
Впервые о «цеолитовых котлах» я услышал достаточно давно, от менеджеров, побывавших на выставке во Франкфурте. В их представлении это был именно газовый котел, работающий с КПД до 130 % за счет волшебного материала с названием «цеолит». Противоречие основам физики их ничуть не смущало, что для менеджеров простительно. А вот меня смутило. Привезенные ими буклеты были невнятны, на сайтах производителей информация подавалась весьма поверхностно. Жажда знаний осталась неутоленной, но недостаточной, чтобы всерьез заняться этой темой.
В дальнейшем, на выставках и семинарах, я терзал представителей компа- ний-производителей вопросами о цео- литовой технике. И слышал в ответ удивительные вещи. Они говорили, что:
- цеолит действительно волшебный материал, и вся информация запатентована и чуть ли не секретна;
- суть в химических реакциях внутри цеолита, но он почему-то в результате не разрушается и не меняет своих свойств (опять волшебство?);
- в дело якобы вступают силы ядерного (!) взаимодействия (см. врезку);
- «на самом деле» классическую физику уже отменили, и закон сохранения энергии устарел...
Господи, чего я только не наслушался! Люди знающие могут здесь надо мной посмеяться и предположить, что все разговоры происходили в «пивнушках» с соответствующими «собеседниками» после литра любимого напитка. Беда в том, что это не так. Всё говорилось всерьез, и даже инженерами, и даже без тени сомнения. Зачастую люди не могли внятно ответить, котел это или всё-таки тепловой насос. Такова наша инженерная реальность. Что же, будем разбираться.
Цеолиты — целый класс природных минералов. Они встречаются по всему миру но производятся и искусственно. Цеолиты характеризуются чрезвычайно развитой площадью поверхности — это очень пористые материалы
Котел? Нет - насос
Давайте сразу зачеркнем слово «котел». Современные конденсационные котлы сжигают топливо с очень высоким КПД, и улучшать там уже нечего. Максимум, что мы можем сделать — снизить температуру в системе отопления «до упора», тем самым уменьшив потери тепла с дымовыми газами (ниже температура теплоносителя — ниже температура дымовых газов). Чтобы ещё более увеличить теплоотдачу нашего цеолитового агрегата, нужен дополнительный источник энергии. Желательно бесплатной. Будем его искать. А пока разберемся с самой начинкой — с цеолитом.
Сорбция — это обратимый процесс. Если изменить внешние условия — процесс пойдет в обратную сторону и сорбент начнет отдавать обратно всё, что поглотил (десорбция)
Цеолит
Цеолиты — это целый класс природных минералов. Их месторождения встречаются по всему миру. Также они производятся искусственно. Цеолиты характеризуются чрезвычайно развитой площадью поверхности — это очень пористые материалы. Основное полезное (нам) свойство цеолитов — это адсорбция, то есть способность впитывать (а также отдавать обратно) молекулы других веществ. В нашем случае — воды.
Применяют цеолиты в различных сферах: для фильтрации воды, в вакуумных насосах, в аналитической химии, в качестве катализаторов, как кормовые добавки для животных. И даже в качестве наполнителя для кошачьих туалетов. Да-да, кому высокие технологии, а кому наполнитель для туалета.
Адсорбция
Если тело или жидкость (сорбент) поглощает из окружающей среды другие вещества (сорбаты) — это называется сорбцией. Когда поглощение происходит всем объемом сорбента — процесс называется абсорбцией, а сорбент — абсорбентом. Если сорбат концентрируется в поверхностном слое сорбента, или на границе сорбат/ сорбент — процесс именуется адсорбцией, а сорбент — адсорбентом.
Оба вида сорбции широко встречаются в природе: вода поглощает (абсорбирует) воздух, деревянные изделия абсорбируют воду и «разбухают», активированный уголь адсорбирует на своей поверхности «всякую гадость», поэтому мы используем его в водяных фильтрах и противогазах. В климатической технике сорбция тоже давно применяется — все мы слышали про волшебные абсорбционные холодильные машины, в которых тепло превращается в холод. Не слышали? Почитайте статью В. Ф. Гершковича [1].
Сорбция может проходить как с образованием химических связей между молекулами взаимодействующих веществ (химическая сорбция — хемосорбция), так и без него (физическая сорбция). При хемосорбции вещества меняют свои свойства — можно сказать, что это однократный процесс, и нам он сегодня не интересен. Нам нужно, чтобы каждый день, и на долгие годы. Сорбция — обратимый процесс. Если изменить внешние условия — процесс пойдет в обратную сторону и сорбент начнет отдавать обратно всё, что поглотил (десорбция). Вспомните, как работает термический деаэратор: при нагреве воды до кипения все растворенные в ней газы выделяются и уносятся с «выпаром».
Предполагаю, что если мы нагреем кошачий туалет, то всё впитанное получим обратно в «чистом» виде и сможем использовать наполнитель ещё раз. Но, боюсь, что в случае кошачьего туалета мы имеем дело с хемосорбцией, хотя бы частично, и полное восстановление наполнителя маловероятно. Да и сам процесс... пожалуй, ну его.
При адсорбции происходит выделение тепла. Чтобы понять, почему — уповать на волшебство не нужно. И отменять классическую физику тоже не нужно, все процессы соответствуют её базовым законам.
Между молекулами газа и молекулами на поверхности адсорбента существуют силы притяжения, их ещё называют силами Ван-дер-Ваальса. Они относятся к электромагнитным взаимодействиям, и, хотя их энергия невелика (10-20 кДж/моль), силы способны удержать молекулу газа на поверхности адсорбента.
Происходит повышение концентрации молекул газа — выделяется тепло. Стоит повысить температуру — кинетическая энергия молекул газа превысит силы Ван-дер-Ваальса — начнется десорбция.
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПРИРОДЕ
Фундаментальные взаимодействия — качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого. При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия. Помимо качественных различий, фундаментальные взаимодействия отличаются в количественном отношении по силе воздействия, которая характеризуется термином «интенсивность». По мере увеличения интенсивности фундаментальные взаимодействия располагаются в следующем порядке: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное.
Гравитационное взаимодействие носит универсальный характер, в нем участвуют все виды материи, все объекты природы, все элементарные частицы. В рамках классической механики гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Общепринятой классической теорией гравитационного взаимодействия является общая теория относительности (ОТО), согласно которой гравитация связана с кривизной пространства-времени и описывается в терминах римановой геометрии. Пока все экспериментальные и наблюдательные данные о гравитации укладываются в рамки ОТО.
Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом, и осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля. С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Сам фотон электрическим зарядом не обладает и не может непосредственно взаимодействовать с другими фотонами. Из фундаментальных частиц в электромагнитном взаимодействии участвуют также имеющие электрический заряд частицы: кварки, электрон, мюон и тау-лептон (из фермионов), а также заряженные калибровочные W±-бозоны. Электромагнитное взаимодействие отличается от слабого и сильного взаимодействия своим дальнодействующим характером.
В сильном ядерном взаимодействии участвуют кварки и глюоны и составленные из них частицы, называемые адронами (барионы и мезоны). Оно действует в масштабах порядка размера атомного ядра и менее, отвечая за связь между кварками в адронах и за притяжение между нуклонами (разновидность барионов — протоны и нейтроны) в ядрах — то есть отвечают за непосредственно ядерные силы. Фундаментальная природа сильных ядерных взаимодействий успешно описывается квантовой хромодинамикой.
Слабое ядерное взаимодействие ответственно, в частности, за радиоактивный распад (бета-распад) атомного ядра. Это взаимодействие называется «слабым», поскольку два других взаимодействия (сильное и электромагнитное) характеризуются значительно большей интенсивностью (однако оно значительно сильнее гравитационного). Слабое взаимодействие является короткодействующим и проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра. Оно позволяет лептонам, кваркам и их античастицам обмениваться энергией, массой, электрическим зарядом и квантовыми числами.
Между молекулами газа и молекулами на поверхности адсорбента существуют силы притяжения, их ещё называют силами Ван-дер-Ваальса. Это силы электрической природы
Мне кажется уместной аналогия с завучем и первоклассниками (надеюсь, физики не станут меня бить за такие аналогии). Представьте, на перемене завуч движется по коридору, и там же носятся первоклассники. Время от времени они сталкиваются с завучем. Те, кто недостаточно быстр — захватываются руками завуча (силы Ван-дер-Ваальса), происходит адсорбция первоклассников на поверхности завуча. У завуча всего две руки, поэтому адсорбция конечна — третьего первоклассника захватить уже нечем, силы скомпенсированы. Концентрация первоклассников резко повышается, их энергия передается завучу — завуч потеет — происходит выделение тепла (экзотермическая реакция). Звенит звонок, возбуждение и подвижность первоклассников нарастает (аналог повышения температуры) — один вырывается из рук завуча — десорбция. Теперь у завуча вторая рука свободна, он вцепляется ею в оставшегося первоклассника (больше центров взаимодействия), и, хоть возбудился тот не меньше своего товарища, этого недостаточно для освобождения из рук завуча. Но если возбудить его ещё больше (вспомнил про папкин ремень) — он вырвется и завуч останется без трофеев. Если у завуча будет больше рук (пористый адсорбент) — он удержит больше первоклассников, но и сильнее вспотеет. Тот завуч, который более строг к девочкам, чем к мальчикам — отлавливать будет только девочек (специфический адсорбент). А вот если завуч намажет руку суперклеем — это уже хемосорбция.
Не понравилась аналогия? Тогда почитайте статью О.В. Мосина [2] — хорошая статья про адсорбцию на хорошем физическом языке.
Низкопотенциальное тепло
Наших знаний уже достаточно, чтобы предположить, откуда берется дополнительное тепло. Представьте, что у нас есть некое количество адсорбента — цеолита, который абсолютно сух (на поверхности нет молекул воды). Если мы поместим его в среду с водяным паром, то начнется адсорбция и цеолит разогреется. Вот вам и дополнительное тепло. Если пар будет насыщенным — реакция пойдет быстрее, мощность увеличится. Нагревать воду до 100 °C ради получения пара бессмысленно — проще горячую воду отправить сразу в систему отопления. Но кто сказал, что кипятить воду надо при атмосферном (или избыточном) давлении? Напомню, что при давлении в 0,007 бара температура кипения воды всего 4 °C. Правда, при кипении температура воды понизится, её надо чем-то подогревать. Это без проблем, четырехградусного теплоносителя у нас завались. Вода из скважины, например, или из ближайшего пруда, или из грунтового зонда. Или наружный воздух, если мы живем где-нибудь в Краснодарском крае. Опять же, при парообразовании давление повысится, повысится и температура кипения. Но и тут у нас всё продумано — цеолит поглотит молекулы воды, вакуум сохранится.
Таким образом, мы получаем тепловой трансформатор, преобразующий низкопотенциальное тепло (4 °C) в высокопотенциальное (теоретически до 300 °C).
Если сравнивать цеолитовый насос с конденсационным котлом — все плюсы и минусы достаточно очевидны
Вот так бы всё и продолжалось вечно... Ан нет, цеолит «насытится» влагой — десорбция станет равной адсорбции, процесс прекратится, цеолит начнет остывать. Так давайте его просушим! И запустим реакцию по новой. Как просушим? Да просто нагреем, у нас для этого есть газ и газовая горелка. Вода испарится, пар будет горячим, мы его отправим в теплообменник и нагреем теплоноситель. Потерь тепла не будет. В теплообменнике пар сконденсируется и превратится в воду, которую вновь можно кипятить. Так и будем сушить/мочить всю зиму. Получается, что часть времени тепло мы получаем за счет горения газа, часть за счет низкопотенциального тепла. Отсюда и 130 %.
Как это сделано
На рис. 1 приведена принципиальная схема цеолитового теплового насоса в режиме адсорбции, а на рис. 2 — десорбции. Как видно, одни и те же теплообменники используются и для подачи, и для съема тепла. В реальности такое решение не всегда эффективно, и могут использоваться 3-4 теплообменника — каждый на свою задачу. Алгоритм управления установкой достаточно прост. Я не знаю, как это реально происходит, но могу предположить. При старте запускаем горелку котла и «сушим» цеолит. Процесс «сушки» закончится, как только начнется падение температуры на выходе нижнего теплообменника. После этого отключаем горелку, переключаем теплообменники на режим адсорбции, подаем низкотемпературный теплоноситель, находимся в этом режиме до тех пор, пока не начнется падение температуры на выходе уже верхнего теплообменника. Далее переключаемся, «сушим» цеолит и т.д.
Производители
На российском рынке цеолитовые насосы практически не представлены. Рекламируются модели Vitosorp от компании Viessmann (показан на фото 1) и zeoTHERM от компании Vaillant (фото 2). Но рекламируются именно как перспективные.
Температурные режимы
Большую часть времени цеолитовый насос отдает тепло от газовой горелки. Соответственно, оптимальный температурный режим агрегата должен примерно соответствовать оптимальному режиму конденсационного котла (температура до 50 °C, перепад температур порядка 20 °C). Но процесс теплопереноса более сложен, поэтому оптимальные температуры будут пониже: 35/28 °С для Viessmann и 40/30 °С для Vaillant. Понятно, что возможен нагрев до более высоких температур со снижением КПД.
Плюсы и минусы
Поскольку никакой аналитики, приближенной к нашим российским условиям, на эту тему я не нашел, воспринимайте всё сказанное далее как мое особое мнение, основанное на знаниях и опыте. Если сравнивать цеолито- вый насос с конденсационным котлом — все плюсы и минусы достаточно очевидны. Главный плюс — это частично «дармовое» тепло за счет использования возобновляемых источников энергии. А главный минус — высокая стоимость. Вакуумная техника не может быть дешевой по определению. Я нашел сайт с ценой на Viessmann Vitosorp, модель в 11 кВт стоит 13,8 тыс. евро [3]. Удельная стоимость составляет 1250 евро за киловатт — дух захватывает.
Интереснее сравнить цеолитовый насос не с котлом, а с «обычным» компрессорным тепловым насосом. Если всё равно бурить скважины, или тянуть трубы к озеру, так не проще ли вообще не использовать газ? Прокладка газа — тоже очень недешевое удовольствие.
Давайте сравним.
Большим плюсом я считаю простоту и долговечность цеолитового насоса. В компрессорном насосе самая сложная и дорогая деталь — это компрессор, его ресурс и определяет срок жизни агрегата. Производители компрессоров заявляют ресурс компрессора в пять, семь или десять лет непрерывной работы. В случае цеолитового насоса все детали с ограниченным ресурсом дешевы и легко меняются на месте, поэтому ресурс его работы можно считать неограниченным (скорее, он морально устареет). Второй плюс — это низкое потребление электроэнергии. В наших условиях потребление электрической энергии компрессорным тепловым насосом во время морозов составит от трети до четверти тепловой нагрузки. А это дополнительных 5-10 кВт к электропотреблению дома. Электрическая энергия — штука дорогая. И не везде она есть в достаточном количестве, часто (да почти всегда) владельцев домов ограничивают в максимальной разрешенной мощности. В этом случае цеолитовый насос может оказаться «очень кстати».
Теплопотери объекта для размещения цеолитового насоса должны быть низкими, не должно быть проблем с подключением газа, стоимость газа и электроэнергии должна быть высокой
Теперь поговорим про минусы. Основной, как мы уже говорили, — это высокая стоимость. Второй — потребность в газе. Третий — температурный режим (40/30 °C) маловат даже для панельно-лучистого отопления в наших краях, не говоря уже о радиаторах и/или конвекторах (если только вентиляторных).
Кому он нужен?
Попробуем пофантазировать, на каком объекте цеолитовый насос будет идеален. Теплопотери этого объекта должны быть низкими, то есть он должен размещаться в регионе с достаточно мягким климатом. Не должно быть проблем с подключением газа. Лучше — если газ уже есть на участке. Стоимость газа и электрической энергии должна быть высокой. Местные власти должны экономически стимулировать использование нетрадиционных источников энергии и экономию традиционных. Узнаете? Это же решение для европейца, который решил заменить существующий котел на новый. Уровень его доходов позволяет без ужаса смотреть на стоимость насоса. Все затраты (сам насос, бурение скважины...) окупятся за несколько лет, учитывая государственные субсидии. Красота! А вот у нас, с высокими теплопотерями, низкой стоимостью энергоносителей, высокой стоимостью буровых работ, отсутствием поощрительных госпрограмм и далеко не европейским уровнем доходов. Как вы считаете, сколько будет окупаться агрегат стоимостью в 1250 евро за киловатт? Мне кажется — просто не окупится.
Выводы
Итак, подытожим:
1. Правильное название — цеолито- вый насос, не котел. Котел — часть цеолитового насоса.
2. Ничего чудесного и волшебного в работе цеолитового насоса нет. Он построен на известных физических принципах, которые давно используются в промышленности.
3. Для работы цеолитового насоса нужен источник низкопотенциального тепла: скважина, грунтовый зонд, солнечные коллекторы, технологические стоки. Это бесплатное тепло в тепловом балансе агрегата составит 20-25 %.
4. Оптимальный температурный режим ниже, чем у конденсационного котла — близок к 40/30 °C.
5. Цеолитовый насос — это отличная штука. Но это решение для европейского ареала. Перспектив применения в России я пока не вижу.
Не согласны с выводами? Выскажитесь! Я был бы рад получить в ответ гневную статью от производителей цеолитовых насосов с доказательствами экономической целесообразности их применения в наших сложных климатических условиях. Уж очень эти штуки мне нравятся.
