Panou termic inovator cu sodă caustică pentru încălzirea locuinței

Descriere:

Această inovație descrie un panou termic care utilizează căldura generată de reacția dintre soda caustică (hidroxid de sodiu, NaOH) și apă pentru a încălzi locuința. Panoul, de mărimea unui perete al casei, culisează pe o șină, permițându-i să fie expus în exterior pentru evaporarea apei și readus în interior pentru generarea de căldură.

Construcție și funcționare:

• Panoul: Confecționat din sticlă securizată termorezistentă sau acril protejat într-un strat suplimentar de acril cu apă, panoul conține sodă caustică anhidră (sub formă de pulbere sau granule). Deci un rezervor va fi cu NaOH+ H2O iar ca schimbator de caldura un alt panou ce va fi umplut cu apa sau apa si antigel.
• Sistem de umplere și golire: Un robinet automat alimentează panoul cu apă rece atunci când se află în interior. Datorită efectului fotomolecular descoperit recent se poate valorifica evaporarea apei la temperaturi scazute în conditiile existenței luminii https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2320844121
• Generare de căldură: În interiorul casei, apa rece este adăugată la soda caustică anhidră, declanșând o reacție exotermă care generează o cantitate semnificativă de căldură.
• Transfer termic: Căldura este transferată de la soluția fierbinte la sistemul de încălzire al casei prin intermediul unui schimbător de căldură.
• Evaporare și regenerare: Când soluția s-a răcit, iar temperatura exterioară depășește 4 grade Celsius, panoul este expus la soare sau lumină pentru a permite evaporarea apei, lăsând în urmă soda caustică anhidră, gata pentru un nou ciclu de încălzire.

Reacție chimică principală:

• Dizolvarea exotermă: NaOH(s) + H2O(l) → Na+(aq) + OH-(aq) + căldură

Avantaje:

• Sursă regenerabilă de energie: Utilizează energia solară indirect, prin evaporarea apei, și căldura generată de reacția chimică.
• Costuri reduse de operare: Soda caustică nu se consumă, fiind necesară doar înlocuirea apei evaporate.
• Eficiență termică ridicată: Reacția dintre sodă caustică și apă generează o cantitate mare de căldură.
• Integrare arhitecturală: Panoul se integrează perfect în structura casei.

Considerații de siguranță:

• Manipularea sodei caustice: Necesită precauții speciale datorită caracterului său coroziv.
• Etanșeitatea panoului: Esențială pentru a preveni scurgerile de soluție caustică.
• Sistem de control automat: Recomandat pentru a asigura funcționarea optimă și în siguranță a sistemului, inclusiv controlul temperaturii și al nivelului de apă.

Concluzie:

Această invenție reprezintă o abordare ingenioasă și ecologică pentru încălzirea locuințelor, utilizând căldura generată de reacția dintre sodă caustică și apă, împreună cu energia solară pentru evaporarea apei și regenerarea sistemului. Prin implementarea acestei tehnologii, putem reduce dependența de combustibili fosili și contribui la un viitor mai sustenabil.

 Este posibil ca lumina UV, în combinație cu un perete din sticlă tripan și fenomenul  fotomolecular, să contribuie la evaporarea apei din panou, fără să mai fie necesar scoaterea panoului afară.

Iată cum ar putea funcționa:

1. Lumina UV și fotomolecular: Sticla tripan ar permite trecerea unei părți din radiația UV solară. 

2. Conversia energiei și încălzirea: Această lumină bită de apa din panou, crescându-i temperatura și favorizând evaporarea.

Factori de luat în considerare:

• Intensitatea luminii UV: Cantitatea de lumină UV disponibilă ar depinde de locație, anotimp și condițiile meteorologice.

Potențiale beneficii:

• Accelerarea evaporării: Utilizarea acestui fenomen ar putea accelera procesul de evaporare, permițând o regenerare mai rapidă a panoului și o utilizare mai frecventă a acestuia pentru încălzire.
• Eficiență energetică crescută: Prin valorificarea unei game mai largi a spectrului solar, inclusiv a luminii UV, s-ar putea crește eficiența energetică a întregului sistem.

Cercetări și dezvoltări ulterioare:

Pentru a evalua fezabilitatea și eficiența acestei abordări, ar fi necesare cercetări și experimente suplimentare pentru a testa în condiții reale ar fi esențiale pentru a evalua performanța sistemului în diferite locații și condiții meteorologice.

Reacția dintre NaOH (hidroxid de sodiu) și apă este una de dizolvare, însoțită de o degajare puternică de căldură (reacție exotermă).

Ecuația reacției:

NaOH(s) + H₂O(l) → Na⁺(aq) + OH⁻(aq) + căldură

Explicație:

• NaOH solid se dizolvă în apă, disociindu-se în ioni de sodiu (Na⁺) și hidroxil (OH⁻). Acești ioni sunt înconjurați de molecule de apă (aq - apos), formând o soluție de hidroxid de sodiu.
• Reacția este puternic exotermă, adică se degajă o cantitate mare de căldură în timpul procesului. De aceea, este important să se adauge NaOH în apă treptat și cu atenție, pentru a evita accidentele.

Observații:

• Soluția rezultată este bazică (alcalină) datorită prezenței ionilor hidroxil (OH⁻).
• Hidroxidul de sodiu este foarte higroscopic, adică absoarbe ușor umiditatea din aer. De aceea, trebuie păstrat în recipiente bine închise.
• Soluția de hidroxid de sodiu este caustică și poate provoca arsuri grave. Este important să se manipuleze cu precauție, folosind echipament de protecție adecvat.

Când apa se evaporă dintr-o soluție de hidroxid de sodiu (NaOH), ionii de sodiu (Na⁺) și hidroxil (OH⁻) se vor recombina, formând din nou hidroxid de sodiu solid.

Procesul:

1. Evaporarea apei: Prin încălzire sau lăsând soluția expusă la aer, apa se va evapora treptat.
2. Concentrarea soluției: Pe măsură ce apa se evaporă, concentrația ionilor de Na⁺ și OH⁻ în soluția rămasă crește.
3. Cristalizarea: Când concentrația ionilor devine suficient de mare, aceștia încep să se recombine, formând cristale de NaOH solid.
4. Obținerea NaOH solid: În final, toată apa se evaporă, iar în recipient rămâne doar hidroxid de sodiu solid.

Ecuația reacției (inversă dizolvării):

Na⁺(aq) + OH⁻(aq) → NaOH(s)

Observații:

• Procesul de evaporare a apei și recristalizare a NaOH este endoterm, adică necesită aport de energie (de obicei sub formă de căldură).
• Hidroxidul de sodiu solid obținut poate fi din nou dizolvat în apă, refăcând soluția inițială.
• Este important să se efectueze evaporarea într-un mediu bine ventilat, deoarece vaporii de apă pot conține urme de NaOH, care sunt iritanți pentru căile respiratorii.

În concluzie:

Integrarea fenomenului de fotomolecular într-un panou termic cu sodă caustică reprezintă o idee inovatoare și promițătoare, cu potențialul de a crește eficiența și de a accelera procesul de regenerare. Cu toate acestea, sunt necesare cercetări și dezvoltări suplimentare pentru a evalua fezabilitatea și a optimiza designul unui astfel de sistem.

Amestecarea hidroxidului de sodiu (NaOH) solid cu apă este o reacție foarte exotermă, ceea ce înseamnă că eliberează o cantitate semnificativă de căldură. Temperatura finală a amestecului depinde de mai mulți factori, precum cantitățile reactanților și capacitatea calorică specifică a soluției formate.

Datele inițiale

• Masa NaOH: $m_{\text{NaOH}} = 100 \, \text{g}$
• Masa apei: $m_{\text{H2O}} = 100 \, \text{g}$
• Temperatură inițială: $T_{\text{inițial}} = 20^\circ \, \text{C}$
• Căldura de dizolvare a NaOH (aproximativ): $\Delta H = -44.5 \, \text{kJ/mol}$ (valoarea poate varia în funcție de sursă)
• Capacitatea calorică specifică aproximativă a soluției rezultate: $c \approx 4.18 \, \text{J/g·°C}$ (similara apei, pentru soluții diluate).

1. Calcularea cantității de substanță NaOH:

   • Masa molară a NaOH: $M_{\text{NaOH}} = 40 \, \text{g/mol}$
   • Molii de NaOH: $$n_{\text{NaOH}} = \frac{m_{\text{NaOH}}}{M_{\text{NaOH}}} = \frac{100}{40} = 2.5 \, \text{mol}$$

2. Căldura eliberată:

   $$Q = n_{\text{NaOH}} \cdot \Delta H = 2.5 \cdot (-44.5 \, \text{kJ}) = -111.25 \, \text{kJ} = -111250 \, \text{J}$$

   (Este negativă, dar indică energia eliberată, deci vom lua valoarea absolută.)

3. Creșterea temperaturii: Energia eliberată este folosită pentru a încălzi amestecul (masa totală a amestecului este de 200 g):

   $$\Delta T = \frac{Q}{m_{\text{total}} \cdot c} = \frac{111250}{200 \cdot 4.18} \approx 133.3^\circ \, \text{C}$$

4. Temperatura finală:

   $$T_{\text{final}} = T_{\text{inițial}} + \Delta T = 20 + 133.3 = 153.3^\circ \, \text{C}$$

Rezultatul

Temperatura finală a amestecului este aproximativ 153°C, suficient de ridicată pentru a produce vapori și chiar fierbere locală, în funcție de rata de amestecare și disiparea căldurii.

Metodă concepută de Vodă Laurențiu Sorin - student anul I la Facultatea de Construcții - Universitatea Tehnică Cluj - Napoca

Vă imaginați că metoda este mai complicată, nu este prezentată în detaliu doar a vrut să apreciați potențialul creator. Metoda este în curs de brevetare la OSIM .