Nová metoda chlazení  
Dvojice kalifornských vědců ze známé Berkley Lab popsala perspektivní způsob chlazení, který s velkou pravděpodobností povede k novým typům chladniček nebo klimatizačních zařízení. Fyzikální princip metody však není žádnou novinkou. Když nastane zima s mrazem a sněhem, polovina jeho důsledků se projeví na každé solí posypané silnici.

Model molekuly ethylenkarbonátu (esteru ethylenglykolu a kyseliny uhličité). Atomy uhlíku jsou znázorněné černými kuličkami, vodíku bílými, kyslíku červenými. Kredit: Jynto, Wikimedia Commons, CC0
Model molekuly ethylenkarbonátu (esteru ethylenglykolu a kyseliny uhličité). Atomy uhlíku jsou znázorněné černými kuličkami, vodíku bílými, kyslíku červenými. Kredit: Jynto, Wikimedia Commons, CC0

Zatím jsme si pravé zimy užili jenom pár dnů. I nasněžilo, takže jistě na mnoha místech vyjely sypače se solí. Co se stane, když sůl dopadne na vodu v tuhém skupenství, tedy na led nebo sníh?
Začněme u čisté vody vystavené mrazu. Ten postupně utlumí tepelný pohyb molekul natolik, že se přestanou trhat slabé vodíkové můstky, které v tekutině na prchavý okamžik propojují sousední polární molekuly H2O, jež se v důsledku chaotického tance k sobě náhodně přiblížily. Začne se vytvářet pravidelná vnitřní struktura pevného ledu. Toto uvěznění molekul do krystalické mřížky, tedy tuhnutí, je dějem exotermickým, do okolí uvolňuje přebytečné teplo.

 

Kredit: Jenny Nuss/Berkeley Lab
Ilustrativní schema. Kredit: Jenny Nuss/Berkeley Lab

Když však na povrch ledu nasypeme sůl, začne se na vlhkém sublimujícím povrchu pomalu rozpouštět. Ve vznikajícím roztoku disociované ionty Cl- a Na+ pak narušují slabé, ale do té doby chladem stabilizované vodíkové můstky mezi kyslíky a vodíky sousedních vodních molekul a samy se vážou k jejich  opačně polarizovaným oblastem. Krystalická mřížka se rozpadá a led se mění na solný roztok i při nízkých teplotách – v laboratorních podmínkách až do -16 °C za běžného tlaku. Nicméně v zimě by se silnice při teplotách pod -7 °C solit chloridem sodným prý neměly.


Vždy, když dochází k tání ledu, z mřížky osvobozené molekuly odebírají ze svého okolí energii na svůj obnovený chaotický pohyb, čímž prostředí ochlazují. Tento směr fázového přechodu je tedy dějem endotermickým. Paradoxně tedy solí posypaný led nejen začne tát, ale zároveň se i ochladí. Představte si ale, že ze vzniklého podchlazeného solného roztoku (který má vzhledem na destilovanou vodu nižší teplotu tání, vyšší teplotu varu a nižší tepelnou kapacitu) ionty sodíku a chlóru odstraníte. Zbyde čistá voda, která při okolní nízké teplotě  rychle zmrzne v led a energie se vyzáří. Takže přidáním soli se led ochladí a roztopí, odstraněním iontů soli z výsledného roztoku se opět vytvoří, přičemž se ale ohřeje. Samozřejmě tento cyklus funguje jen v jistém teplotním rozmezí.

Jeden z autorů, Ravi Prasher, zástupce ředitele Laboratoře energetických technologií Berkeley Lab a odborný asistent na Katedře strojního inženýrství Kalifornské univerzity v Berkeley. Kredit: Berkeley Lab
Jeden z autorů, Ravi Prasher, zástupce ředitele Laboratoře energetických technologií Berkeley Lab a odborný asistent na Katedře strojního inženýrství Kalifornské univerzity v Berkeley. Kredit: Berkeley Lab

 

Bylo by však možné popsaný fyzikální jev využít komerčně na cílené chlazení, nebo naopak ohřev? Odpověď zní ano, i když voda a sůl nejsou těmi správnými chladícími médii a nám sloužily jenom jako příklad, s nímž máme nějakou zkušenost.


Ravi Prasher a jeho doktorand Drew Lilley z kalifornské Lawrenceovy národní laboratoře v Berkeley (Lawrence Berkeley National Laboratory, zkráceně Berkeley Lab) v článku zveřejněném v posledním loňském vydání časopisu Science popsali tento iontokalorický chladicí cyklus, který má potenciál v chladničkách nahradit kompresorový systém využívající hydrofluorované uhlovodíky, jakým je například tetrafluorethan.


Prasher a Lilley navrhli reverzibilní proces využívající namísto vody a kuchyňské soli silně polární rozpouštědlo ethylenkarbonát a jodid sodný. Ethylenkarbonát, označovaný zkratkou EC, je uhličitanový ester ethylenglykolu se sumárním vzorcem C3H4O3, strukturním (CH2O)2CO. Obsahují ho například elektrolyty lithiových a lithium-iontových baterií. Za pokojové teploty jde o čirou, nepáchnoucí, ve vodě částečně rozpustnou krystalickou látku, která, když je chemicky čistá, taje při teplotě 36,4 °C. Tato teplota však výrazně klesne, když se EC smíchá s vhodnou solí, ve zmíněné studii je ní jodid sodný, NaI – bílá, ve vodě rozpustná krystalická látka.

 

Animace ve zkratce znázorňuje iontokalorický cyklus v akci. Když se elektrodialýzou z roztoku odstraní ionty rozpuštěné soli, čisté rozpouštědlo (voda, ethylenkarbonát) změní skupenství, vykrystalizuje v pevnou látku a uvolní teplo. Kredit: Jenny Nuss, Berkeley Lab
Animace ve zkratce znázorňuje iontokalorický cyklus v akci. Když se elektrodialýzou z roztoku odstraní ionty rozpuštěné soli, čisté rozpouštědlo (voda, ethylenkarbonát) změní skupenství, vykrystalizuje v pevnou látku a uvolní teplo. Kredit: Jenny Nuss, Berkeley Lab

Podobně jako u posoleného vodního ledu, dojde ve směsi EC a NaI k poklesu teploty tání, ke změně skupenství na kapalné a k ochlazení výsledného roztoku. Jenže aby se mohl cyklus uzavřít, je nevyhnutné ionty jodu a sodíku odstranit. Separace je však složitější než smíchání, to poznala již Popelka. V publikované studii autoři roli pohádkových holubů svěřili elektrodialýze – způsobu, jímž se odstraňují ionty rozpuštěné soli z jejího roztoku pomocí elektrického potenciálu a dvou speciálních iontovýměnných membrán. Jedna vlivem jednosměrného proudu selektivně propouští aniony směrem ke katodě, zatímco ta druhá kationy směrem k anodě. Výslednému, opětovně chemicky čistému rozpouštědlu, v našem případě ethylenkarbonátu, stoupne bod tání na původní hodnotu a vykrystalizuje. Tím uvolní energii a okolí zahřeje.

 

V prvním experimentálním cyklu vědci dosáhli až 25stupňového teplotního rozdílu při napětí jenom asi 0,22 V. V dalších to sice bylo o něco méně, protože elektrodialýza jodid z ethylenkarbonátu zcela neodstraní, protože dojde k jeho krystalizaci. Nicméně ty následující cykly k nežádoucímu stopovému zbytku soli nepřidávají další, vytvoří se jistá rovnováha.


Jde bezpochyby o zajímavou metodu, která funguje v právě vhodném teplotním rozmezí - kolem pokojové teploty, na rozdíl například od nízkoteplotních magnetokalorických procesů, s nimiž se také léta experimentuje. Autoři studie tvrdí, že „jejich“ iontokalorické chlazení dokáže plně konkurovat, a dokonce i předčit běžně používané způsoby využívající cykly komprese a dekomprese plynů, jež jsou ale z ekologického hlediska nežádoucí. Samozřejmě, že nás spotřebitele by nejvíc zajímalo srovnání energetické náročnosti obou systému při komerčním použití. Snad to vyplyne z další fáze výzkumu. Kalifornští vědci zatím poukazují zejména na ekologickou stránku a nulovou až mínusovou uhlíkovou stopu, protože ethylenkarbonát se vyrábí z ethylenoxidu a oxidu uhličitého. Dalším, pro grantové komise přesvědčivým argumentem je dohoda podepsaná loni, na summitu ReEnergy Africa 2022 ve rwandském Kigali zástupci 145 států včetně USA. Smluvní strany se v ní zavázali kromě jiného i k 80% snížení výroby a spotřeby částečně fluorovaných uhlovodíků (HFC) v příštích 25 letech.

Budou ti mladší z nás za nějakých dvacet let používat chladničku nebo klimatizaci fungující například na ionto-, magneto-, nebo elektrokalorickém jevu? A jezdit na elektromobilech? Nebo svět lidí bude vypadat zcela jinak, než si nyní představujeme nebo dokonce plánujeme?


Video: Perspektivní chladicí systém využívající iontokalorický cyklus.

 

Literatura

Science (volně přístupný jen doplňkový materiál), Berkeley Lab

Datum: 08.01.2023
Tisk článku

Související články:

Magie termodynamiky dokáže chladit bez spotřeby energie     Autor: Stanislav Mihulka (24.04.2019)
Nejchladnější chemická reakce všech dob předvedla ultrapomalé pohyby molekul     Autor: Stanislav Mihulka (03.12.2019)
IBM staví obří ultrachladnou ledničku Goldeneye pro kvantové počítače     Autor: Stanislav Mihulka (13.09.2022)



Diskuze:

Otazka na beznych chladnicky

Radoslav Porizek,2023-01-10 23:18:31

Ad. clanok : a DuPont (majitel patentu na pracovnu latku v tepelnych cepradalach) nebude mit co zrat! ;)

Mam jednu blbu otazku: preco sa v beznych chladnickach chladiaca mriezka nemontuje mimo budovu, kde je napriklad teraz v zime chladno, a teba by stacilo precerpavat teplo cez ovela mensi (resp. ziadny az zaporny) teplotny rozdiel? Preco je miesto toho instalovana v interieri, kde je aj cez zimu izbova teplota z ktorej sa odcerpava teplo menej efektivne?

Odpovědět


Re: Otazka na beznych chladnicky

D@1imi1 Hrušk@,2023-01-11 07:52:53

Protože technologická složitost znamená vyšší investiční náklady a nižší spolehlivost. Koncepce "všechno v jedné krabici" je levnější a spolehlivější. Snadno se instaluje (stačí strčit do zásuvky) a nehrozí únik chladiva mezi chladničkovým a venkovním výměníkem. Navíc tímto by se ušetřila elektřina jen v zimě, ale nejvíc chladnička sežere v létě.

Pokud chcete chladit chladem z venku, nastěhujte se do nezrekonstruovaného činžáku z padesátých až šedesátých let. Tam bývaly v kuchyni vestavné skříně, do kterých vedly skrz zeď dvě trubky, kterými se v zimě do skříně přiváďěl chlad zvenčí. Elektřina není potřeba u této koncepce vůbec. Jenže v létě nevychladíte nic.

Odpovědět


Re: Re: Otazka na beznych chladnicky

D@1imi1 Hrušk@,2023-01-11 08:36:47

Stejně tak by chladnička ušetřila nějakou elektřinu, kdyby měla půl metru silné tepelně-izolační stěny. Ale za cenu mnohem vyšších výrobních nákladů a toho, že by chladnička zabrala půlku kuchyně. A stejně by spotřeba neklesla k nule, protože je potřeba ji pravidelně otevírat.

Prostě v technické praxi se vždy někde nachází cost-benefit rovnováha. A bez umělých zásahů většinou trh sám k této rovnováze inklinuje. Ty umělé zásahy můžou být jak od zelených ideologů, tak od firem s dominantní tržní a marketingovou silou.

Odpovědět

Sůl + štětiny. Lépe přesolit než nedosolit.

Josef Hrncirik,2023-01-10 09:23:43

Když však na povrch ledu nasypeme sůl, začne se na vlhkém sublimujícím povrchu pomalu rozpouštět. Ve vznikajícím roztoku disociované ionty Cl- a Na+ pak narušují slabé, ale do té doby chladem stabilizované vodíkové můstky mezi kyslíky a vodíky sousedních vodních molekul a samy se vážou k jejich opačně polarizovaným oblastem. Krystalická mřížka se rozpadá a led se mění na solný roztok i při nízkých teplotách – v laboratorních podmínkách až do -16 °C za běžného tlaku. Nicméně v zimě by se silnice při teplotách pod -7 °C solit chloridem sodným prý neměly.

Eutektikum b.t. -21,2°C: Sůl 23,3% hm. + voda
Zdá se, že bez Hg teplotoměru to už nikdo není schopen změřit, nebo alespoň najít.

Odpovědět


Re: Take it easy.

Josef Hrncirik,2023-01-10 09:36:16

Fahrenheit při definici své stupnice požil jako nejnižší dosažitelnou teplotu eutektikum salmiak-voda: -17,78°C, místo aby požil eutektikum sůl nad Au voda :-21,2 °C.

Odpovědět

Účinnost - odpověď od autora

Dagmar Gregorová,2023-01-10 02:53:28

Odepsal mladší z obou autorů - a napsal čestně a srozumitelně. Aby byla odpověď srozumitelná, uvádím ji podstatným textem dotazu. Z odpovědi také vkládám jen relevantní část, která vše na pravou míru uvádí. Autor poslal i volně nedostupný orig. článek, kdyby někdo měl zájem - mail do redakce ja@osel.cz)
Z dotazu:
Nemám přístup k původní publikaci, pouze k volně dostupným informacím. Možná proto vnímám rozpor mezi těmito dvěma tvrzeními - mezi větou z tiskové zprávy: "Vypočítali (autoři – vysv. DG), že má potenciál konkurovat účinnosti plynných chladiv, která se dnes vyskytují ve většině systémů, nebo ji dokonce překonat"
a poslední větou v abstraktu: "Naše experimentální výsledky ukazují koeficient účinnosti 30 % vzhledem ke Carnotovu a zvýšení teploty až 25 °C při použití napětí o síle ~0,22 V".
Znamená to, že dosavadní experimentální výsledky potvrzují pouze třetinovou účinnost ve srovnání s chlazením v Carnotově cyklu a mohou jej překonat pouze teoreticky?

Odpověď (podstatná část):
První tvrzení, které uvádí, že iontokalorické chlazení má potenciál konkurovat nebo dokonce překonat účinnost plynných chladiv, vychází z našich výpočtů chladicího procesu za "ideálních" podmínek. To znamená, že pokud by byl celý systém udržován v termodynamické rovnováze (např. proces probíhá reverzibilně), mohli bychom tuto "ideální" účinnost získat. Ideální účinnost našeho cyklu/materiálu je vyšší než ideální účinnost cyklu komprese par/materiálu s plynným chladivem.

Ve skutečnosti nikdo nemůže dosáhnout ideální účinnosti, protože při reálných procesech vznikají ztráty. Například v současném chladicím systému je většina těchto ztrát obsažena v kompresoru (tření, turbulence atd.). Skutečná účinnost bude záviset na těchto ztrátách. V abstraktu našeho článku uvádíme, že jsme dosáhli účinnosti 30 % ve srovnání s karnotem. Toto číslo zohledňuje ztráty, které jsme utrpěli ve skutečném experimentálním uspořádání.

Aby bylo jasno, Carnotův cyklus nikdo nepřekoná. Carnotův cyklus je teoretický cyklus, který poskytuje horní hranici účinnosti jakéhokoli možného termodynamického cyklu. Porovnáváme náš výkon s výkonem Carnotova cyklu, abychom získali představu o tom, jak "termodynamicky dokonalý" je náš cyklus. Náš ideální výkon oproti Carnotovu cyklu je přibližně 90 %. Náš skutečný výkon v těchto experimentech byl asi 30 %.
Doufám, že se tím věci vyjasnily...

Dodatek DG:
Takže to neznamená, že iontokalorika bude nutně méně účinná než kompresorové chladničky - které dosahují také jen nějaké procenta ideálního adiabatického cyklu. Myslím, že pro nás spotřebitele je důležité porovnat spotřebu energie při plném chodu při stejném snížení teploty za nějaký dostatečně dlouhý čas. Samozřejmě u komerčních zařízení. Dokud je trh nenabízí, význam pro nás je zejména v tom, že víme, že takový princip existuje a že má potenciál využití v praxi.

Odpovědět


Re: Účinnost - odpověď od autora

Josef Hrncirik,2023-01-10 10:26:47

Nepochybně to jsou prověřovaní pilní a min. z 90% os vědčení výzkumníci energetických obranných prostředků. Iontokalorika se stávají nezbytnou součástí iontových nápojů.

0,22 V je nejspíše? jako součet ůbytkú pothenciálů na kathexové a anexové membráně, ale bez udání proudové hustoty jsou ničemu a poklesy napětí v máálo vodivém čistém (a suchém?) carbonate a na cat ho dá , ano da jsou TOP SECRET.
I Carnot se v tom zacykluje.
Ani Zablokovaný Scihub mu nepomůže.

Bude muset vykrást vykradené Supplements.
Místo pumpy na plyn či kapalinu, bude peristalticky 2 střevy vytlačovat kašovité břečky iodide § carbonate.

Odpovědět

ReEnergy Africa

Zicho Trenčiansky,2023-01-09 13:39:13

Prosím Vás, to je preboha čo?
Ako, nechcem propagandistické reči, ktoré nájdem na prvých 10 miestach googlu. Čo v skutočnosti odsúhlasili a čo z toho pre nás plynie?

To HFC mi príde zase ako dobrý kšeft pre niekoho, kto má patentovanú náhradu.

Odpovědět

Poslala jsem mail hlavnému autoru

Dagmar Gregorová,2023-01-09 08:59:12

K ekologickým otázkám se nechci vyjadřovat, myslím, že se zhodnem na tom, že chránit si prostředí, v němž žijeme, je racionální. Ale tento cíl, na který lze ze společnosti odčerpat hoooodně peněz, je zneužíván povětšinou k jejich účelovému nebo velice iracionálnímu přerozdělení.

Zajímavé jsou samozřejmě otázky kolem efektivity iontokalorického chlazení. Sama jsem velice skeptická a protože jsem našla dvě věty, které se mi zdají být ve vzájemném protikladu, poslala jsem hlavnímu autoru mail s dotazem. Podle abstraktu se (mi) to jeví tak, že experimenty potvrdily jen třetinový "coefficient of performance" - topný faktor (?) vzhledem ke Carnotovu cyklu, který využívají běžné chladničky. Ale mediální zpráva tvrdí něco jiné.
Kdyby Prasher odepsal, info doplním. Autoři podali patent, tak asi to nebude, jak se říká "o ničem". Ale že by doposud nikdo jiný na nadějně efektivní mechanismus chlazení založeném na obecně známém fyzikálním principu nepřišel, se mi také nezdá. Obávám se proto, že ekologie bude tím nejdůležitějším argumentem - jenže ta je i (a možná zejména ) o energetické náročnosti.
Proto jsem tolik prostoru věnovala spíše objasnění fyzikálního principu, ne každý si ho uvědomuje celý, i když část známe všichni. Je dobré se něco naučit nebo si uvědomit souvislosti... alespoň na chvíli to odpoutá od přemýšlení nad situací současnou a budoucí ;)

Odpovědět


Re: Poslala jsem mail hlavnému autoru

Zicho Trenčiansky,2023-01-09 13:34:15

Dajte vedieť, ak sa vôbec ozve.

Odpovědět

Otázky?

Martin Prokš,2023-01-08 18:39:15

Dobrý den,

Nejsem chemik ani fyzik, jsem technik/strojař - konstruktér. Ze zelených .. ehm .. řečí mi naskakuje husina, už jsem na to náboženství a množství zeleniny v populaci alergický.

Ale okamžitě mi naskakují otázky. Jaká je potřeba energie na separaci solí z roztoku? Jaká je životnost membrány a celého zařízení? V jaké formě jsou složky po separaci?

V případě Carnotova cyklu pro chlazení je účinnost daná tím, že médium musíme stlačit aby se ohřálo. Výsledné teplo (odpadní) pak je dané energií odvedenou chlazením + energie dodaná kompresí. A samozřejmě chceme mít co nejmenší odpadní teplo / energii nutnou pro kompresi.

Při Carnotově využití pro ohřev se naopak z vnějšího média odebírá teplo, médium se stlačí a tím se ohřeje a vytápěný objekt pak odebírá teplo = vnější odebrané teplo + kompresí dodané teplo. A samozřejmě chceme mít co nejmenší energii nutnou pro kompresi.

Takže jak je to s elektrodialízou? Kolik energie a technických zádrhelů je potřeba na uzavření cyklu? Protože pokud by to bylo energeticky výhodnější než Carnotův cyklus, pak by to byla revoluce v klimatizacích, vytápění, chlazení... praktické důsledky nedozírné...

Odpovědět


Re: Otázky?

Josef Hrncirik,2023-01-08 19:43:22

Budou permoníci rubat za maximálně minimální mzdu carbonátový led z "condensátoru" a házet ho spolu s Jodidem Sodným do pece výparníku?

Nebo bude dříve Revoluce?

V Klimatizacích, Vytápění, Chlazení...?
Praktické důsledky nedozírné...

Vemte si pro sichr preventivně jodidové tablety!

Odpovědět


Re: Otázky?

Dagmar Gregorová,2023-01-09 09:08:37

Kalifornský výzkum je ve stadiu prvních experimentálních pokusů a výpočtů. Na energetickou efektivitu může odpovědět jen přibližně různými teoretickými výpočty. Uvidíme, co na mail odpoví autor. Když elektrodialýzou separujete ionty, abyste cyklus mohl uzavřít, musíte je nějak naprat zpět do zkrystalizovaného rozpouštědla, což také se neděje "samo" a potřebuje energii, stejně jako výměník tepla.

Odpovědět

účinnost

Florian Stanislav,2023-01-08 14:51:17

Zdroj článku říká, že metoda má potenciál větší účinnsti jak dosavadní chlazení.
Můj názor: problém může být životnost iontových membrán. Které membrány nemají tendenci se ucpat? Chladnička má elektromotor a kompresor, vydrží běžet mnoho let.
Článek :"pomocí elektrického potenciálu a dvou speciálních iontovýměnných membrán."
Článek :Když však na povrch ledu nasypeme sůl, začne se na vlhkém sublimujícím povrchu pomalu rozpouštět. "
Komentář, řekl bych že : sublimace je mezi pevnou a plynnou fází, rozpouštění je děj v kapalné fázi. Leda by vlhký vzduch byla mlha.

Odpovědět


Re: účinnost

Vladimír Bzdušek,2023-01-08 14:57:35

Súhlas, keď je niekde membrána, a ešte k tomu špeciálna, tak sa to skôr či neskôr ucpe.

Odpovědět


Re: Re: účinnosť sa chýtro upchá

Josef Hrncirik,2023-01-08 17:40:15

Tak ako sa upchalo video ukazujúce kto způsobuje GW a emisi 50 Mm3 CH4 směřující k WW.

Emerické kino sice ukazuje že se elektrodialýzou dá pomocí katexové a anexové membrány v části roztoku zakoncentrovat "sůl" a zbytek odkoncentrovat = zakoncentrovat rozpouštědlo, ale neupozorńuje nepřátele pokroku za každou cenu, že:
Energie se však musí dodávat do uzavřeného obvodu. V tomto případě by se katodě vylučoval sodík a na anodě, ano da tavaryšči: jód.
K tomu jsou nutné i pro spojence min. 3 V. Potom by sodík měli nenápadně posypávat jo´ jódem
a tím měli nenápadně recyklovat NaJ a přidávat si ho k etylenkarbonátu a do potravy.

Určitě jim to bude topit mnohem více než tuhnutí karbonátu či nějaké zanedbatelné tepla rozpouštěcí spojené s aktivistickými ko-effiscienti.

Founded in 1931 on the belief that the biggest scientific challenges are best addressed by teams, Lawrence Berkeley National Laboratory and its scientists have been recognized with 16 Nobel Prizes.
Today, Berkeley Lab researchers develop sustainable energy and environmental solutions, create useful new materials, advance the frontiers of computing, and probe the mysteries of life, matter, and the universe.
Scientists from around the world rely on the Lab’s facilities for their own discovery science.

Berkeley Lab is a multiprogram national laboratory, managed by the University of California for the U.S. Department of Energy’s Office of Science.


DOE’s Office of Science is the single largest supporter of basic research in the physical sciences in the United States, and is working to address some of the most pressing challenges of our time. For more information, please visit energy.gov/science.

Odpovědět


Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce








Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace