Parafina

Przemiana fazowa materii to po prostu przejście z jednego stanu skupienia do drugiego stanu skupienia, np z ciała stałego w ciecz. Ten z pozoru nie wiele znaczący proces, z którym się spotykamy co dziennie ma olbrzymie znaczenie i gigantyczny wręcz potencjał, jeżeli chodzi o magazynowanie energii. Jakby tego było mało to magazynowanie w tym energii jest dość tanie i bardzo proste mechanicznie do wykonania. Przemiana fazowa materii to jeden z niewielu jak nie jedyny sposób na przechowanie energii z kolektora słonecznego. Kolektor wytwarza niskie temperatury rzędu 50 – 90 st C, bardzo ciężko jest energie w takiej postaci jakoś przechować, ta temperatura jest tak niska ze prawie nie użyteczna, wszelkie próby przerobienia tej niskiej temperatury na energię np elektryczną do przechowania w akumulatorze żelowym będą miały bardzo mizerne rezultaty, a cała aparatura sprawność nie większą jak 7 %, wynika to z niskiej różnicy temperatur miedzy kolektorem, a otoczeniem.
Proces jest następujący: jeżeli ogrzewamy jakąś materie np wodę to ona na ogrzanie każdego kilograma pobiera jakąś określona energie, ale jeżeli dojdziemy do 100 st C woda zacznie się przemieniać w parę i jak część z was zauważyła temperatura wody stoi na 100 st C mimo, że ja podgrzewamy i właśnie dla czego ? a no dla tego, że proces przemiany wody w parę czyli przemiany fazowej wymaga wiele razy więcej energii niż proces podgrzewania wody, tak samo mamy z lodem, jak lód topnieje to ma temperaturę ok 0 st C, właśnie dla tego, że trwa przemiana fazowa i potrzebuje mnóstwo energii z otoczenia, aby ta przemiana zaszła. Jak zauważyliście np ciekły azot się gotuje w naszej temperaturze, nie zamienia się gwałtownie w parę azotu tylko spokojnie po woli gotuje i odparowuje. Przechowanie energii w tym polega na znalezieniu takiej substancji, która stopi się od ciepła kolektora, czyli kolektor odda jej energie na przemianę fazową, a potem jak będzie ciemno to ten czynnik będzie grzać nas zamiast kolektora oddając energie przemiany fazowej zestalając się. Tabela poniżej pokazuje przykładowe wartości. Podstawowy czynnik to ciepło właściwe wyrażony w J/(kg*K) czyli ile energii trzeba aby podgrzać 1 kg substancji o 1 K lub C. Czyli przykładowo aby podgrzać 1 kg wody o 1 st C potrzeba 4,2 kJ energii. Energia topnienia to ilość energii potrzebnej do stopienia 1 kg substancji, dla wody wynosi ona 334 kJ/kg czyli, aby stopić 1 kg lodu potrzeba dostarczyć 80x więcej energii niż na podgrzanie 1 kg tego samego lodu o 1 st C. Zjawisko to wykorzystuję się do budowy magazynów energii dla pomp ciepła. Dla naszego kolektora potrzeba innej substancji działającej w wyższej temperaturze topnienia. Dodam jeszcze, że ilość energii potrzebna na wyparowanie 1 kg wody wynosi 2257 kJ/kg czyli 537x więcej energii niż trzeba na podgrzanie 1 kg wody o 1 st C, a prawie 7 x więcej niż na stopienie 1 kg lodu. Trzymanie energii w przemianie ciecz/para jest wydajniejsze, ale z technicznego punktu widzenia mało wykonalne bo

Tabela przemian

Materiały Ciepło właściwe kJ/(kg*K) Energia topnienia kJ/kg Temperatura topnienia (st C)
Woda 4,2 334 0
Parafina miękka 2,1 150 50
Parafina twarda 2,1 150 61
Woski pszczele ok 2 ok 150 62-72
Potas 0,75 b.d. 63

objętość pary jest tak duża, że trzeba by cysternę wielkości jeziora, aby ją pomieścić. Woda tu była przedstawiona jako przykład, oczywiście do magazynowania energii z kolektora nie nadaje się. Najlepsza jest parafina, wosk pszczeli lub potas. Temperatura topnienia tych materiałów oscyluje miedzy 50 a 72 st C czyli temperatura pracy kolektora. Wg obliczeń w 3 m3 parafiny można by zgromadzić aż ok 400 MJ energii czyli tyle co 200 akumulatorów samochodowych których koszt wyniósłby 30 000 zl, za parafinę damy w rafinerii jakieś 8000 zł, z tym ze energii z kolektora do akumulatora samochodowego nie wsadzimy. Można kombinować i próbować kupić odrzuty z np produkcji świeczek i kosmetyków jakiś ułamek ceny rafineryjnej. Albo skupić wosk pszczeli od pszczelarzy (parafina to też rodzaj wosku). Aparatura taka ma bardzo wysoką sprawność przekraczająca 90%, a 400 MJ pozwoli mieć bardzo gorące kaloryfery w 100 metrowym mieszkaniu przez 15 h non stop. Oczywiście opłaca się robić jak największy ten akumulator woskowy, ale ogranicza tu nas niestety cena wosków. Zasada jest prosta, słonko świeci, wosk ma np 20 st C, kolektory dają mu po 2,1 kJ/kg*K i temperatura szybko rośnie do 60 st C (dla wosku twardego) i tu się temperatura zatrzymuje bo wosk zaczyna chłonąc po 150 kJ/kg, aby się roztopić (przemiana fazowa), dopiero jak stopi się to temperatura zacznie rosnąc dalej i dalej będzie pobierać po 2,1 kJ/kg*K. Słońce zachodzi i teraz wyłączamy obieg kolektora, a podłączamy obieg kaloryferów i ciepłej wody użytkowej, płynny wosk po całym dniu ma np 80 st C, teraz zaczyna oddawać po 2,1 kJ/kg*K do kaloryferów i boliera i temperatura wosku zaczyna szybko spadać (co 2,1 kJ to mało energii i kaloryfery szybko ja “wyssają”) i na poziomie 60 st C (wosk twardy) zatrzymuje się i zaczyna się przemiana fazowa z ciekłej na stałą oddając po 150kJ/kg wosku do kaloryferów przy temp 60 st C przez ponad 10 godzin (dla 3 m3 parafiny), rano słońce wstaje i proc4s się zaczyna od nowa. Oczywiście kolektory musza mieć odpowiedni naddatek mocy, aby oprócz nagrzania parafiny też grzały dom w ciągu dnia. Sam zbiornik parafinowy to prosta beczka z rurowanym użebrowaniem, podobnie jak ma chłodnica w samochodzie. Cała beczka musi być pokryta szczelna warstwą styropianu i wełny mineralnej (osłona termiczna). Najlepiej takie coś trzymać w piwnicy, gdzie przez cały rok jest jedna temperatura, a zwłaszcza w zimie jest znacznie cieplej niż na dworze, pozwoli to zmniejszyć straty cieplne. Rysunek poniżej pokazuje taka instalację. Zamierzam coś takiego zbudować do moich kolektorów. Jest to banalnie prosty sposób na magazynowanie ogromnych ilości energii. Parafina waży ok 900 kh/m3 więc jest lżejsza od wody, posiada jeden minus, a mianowicie niską przewodność cieplną, dla tego z komorze parafinowej musi być dużo gęsto ułożonych żeberek z np aluminium. Na czarno mamy elektrozawory trójdrożne kierunkowe, zawory te po prostu przełączają obiegi, albo beczka parafinowa i dom (bolier i kaloryfery) albo beczka parafinowa i kolektory. Wszystko napędza 1 pompka najzwyklejsza od ogrzewania centralnego, oczywiście sterowana sterownikiem cyfrowym od kolektorów, jak ktoś ma taki sterownik robiony na zamówienie to można poprosić o oprogramowanie funkcji obsługi przełączania tych 2 elektrozaworów na bazie temperatury kolektora i parafiny. No najdzie nam chmura jakieś większa i temp kolektora spadnie do 30 st C wtedy kontroler przełączy na zasilanie parafiną, za 30 minut później słońce wyjdzie i sterownik przełączy na zasilanie z kolektora. System niesamowicie prosty wydajny i funkcjonalny zapewniający względnie stałą temperaturę kaloryferów w ciągu doby przy założeniu, że mamy codziennie słoneczne dni. Oczywiście powiększając akumulator woskowy i liczbę kolektorów można doprowadzić do tego ze nawet jak tydzień nie będzie słońca to i tak będziemy mieć ciepłą wodę i ciepłe kaloryfery, ale tu już się zaczną poważniejsze koszty. Myślę ze na potrzeby domku 1 rodzinnego wystarczy 20 kW kolektorów i akumulator woskowy o pojemności ok 5000 litrów (5 m3). Dziś domy są dobrze izolowane termicznie i taki 100 metrowy dom nie musi grzać na pełnym gazie non stop, przy przerwach i mniejszym grzaniu (Polska to nie Syberia) akumulator 5 m3 powinien starczyć na 2 doby całkowitego braku słońca. W tabeli wyżej widzimy jeszcze potas, jest to metal, niewątpliwie byłby bardzo dobry na magazyn energii ale niestety jego cena jest dla nas zaporowa, jak ktoś ma ochotę może przerobić ze 100 ton minerałów aby odzyskać kilka ton potasu ale nawet wtedy jest to niebezpieczne, metaliczny potas w wetknięciu z powietrzem pali się i zabawa z tym metalem skończyłaby się raczej jednym wielkim pożarem. Dla tego woski wydają się najrozsądniejsze i najtańsze, wosk pszczeli to mieszanina rożnych wosków i paru innych substancji. Nie mniej najlepiej użyć parafiny, jest dość trwała (kilkadziesiąt lat) i jej temperatura topnienia jest mniej więcej równa w odróżnieniu od temperatury wosku pszczelego. Jak ktoś natknie się na inne tanie związki chemiczne mogące się tu nadać do takiej instalacji to proszę o kontakt.

Zostaw odpowiedź

Musisz zalogowany aby opublikować komentarz.