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La cuota de mercado de los sistemas de refrigeración por adsorción y las bombas de calor aún es relativamente pequeña en comparación con los sistemas de compresores tradicionales. A pesar de la enorme ventaja de utilizar calor económico (en lugar de costosas instalaciones eléctricas), la implementación de sistemas basados ​​en principios de adsorción aún se limita a unas pocas aplicaciones específicas. La principal desventaja que debe eliminarse es la disminución de la potencia específica debido a la baja conductividad térmica y la baja estabilidad del adsorbente. Los sistemas de refrigeración por adsorción comerciales de vanguardia actuales se basan en adsorbedores con intercambiadores de calor de placas recubiertos para optimizar la capacidad de refrigeración. Es bien sabido que la disminución del espesor del recubrimiento reduce la impedancia de transferencia de masa, mientras que el aumento de la relación superficie/volumen de las estructuras conductoras aumenta la potencia sin comprometer la eficiencia. Las fibras metálicas utilizadas en este trabajo pueden proporcionar una superficie específica en el rango de 2500 a 50 000 m²/m³. Tres métodos para obtener recubrimientos muy delgados pero estables de hidratos de sal sobre superficies metálicas, incluyendo fibras metálicas, para la producción de recubrimientos, demuestran por primera vez un intercambiador de calor de alta densidad de potencia. El tratamiento superficial basado en anodizado de aluminio se eligió para crear una unión más fuerte entre el recubrimiento y el sustrato. La microestructura de la superficie resultante se analizó mediante microscopía electrónica de barrido. Se emplearon espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier de reflexión total reducida y espectroscopia de rayos X de energía dispersiva para verificar la presencia de las especies deseadas en el ensayo. Su capacidad para formar hidratos se confirmó mediante análisis termogravimétrico (TGA)/análisis termogravimétrico diferencial (DTG) combinado. Se encontró una baja calidad superior a 0,07 g (agua)/g (compuesto) en el recubrimiento de MgSO₄, mostrando signos de deshidratación a aproximadamente 60 °C y reproducible tras la rehidratación. También se obtuvieron resultados positivos con SrCl₂ y ZnSO₄, con una diferencia de masa de aproximadamente 0,02 g/g por debajo de 100 °C. Se seleccionó hidroxietilcelulosa como aditivo para aumentar la estabilidad y la adhesión del recubrimiento. Las propiedades adsortivas de los productos se evaluaron mediante TGA-DTG simultáneo y su adhesión se caracterizó mediante un método basado en las pruebas descritas en la norma ISO 2409. La consistencia y la adhesión del recubrimiento de CaCl₂ mejoraron significativamente, manteniendo su capacidad de adsorción con una diferencia de peso de aproximadamente 0,1 g/g a temperaturas inferiores a 100 °C. Además, el MgSO₄ conserva la capacidad de formar hidratos, mostrando una diferencia de masa de más de 0,04 g/g a temperaturas inferiores a 100 °C. Finalmente, se examinaron las fibras metálicas recubiertas. Los resultados muestran que la conductividad térmica efectiva de la estructura de la fibra recubierta con Al₂(SO₄)₃ puede ser 4,7 veces mayor en comparación con el volumen de Al₂(SO₄)₃ puro. El recubrimiento de los recubrimientos estudiados se examinó visualmente y la estructura interna se evaluó mediante una imagen microscópica de las secciones transversales. Se obtuvo un recubrimiento de Al₂(SO₄)₃ con un espesor de aproximadamente 50 µm, pero el proceso global debe optimizarse para lograr una distribución más uniforme.
Los sistemas de adsorción han cobrado gran importancia en las últimas décadas, ya que ofrecen una alternativa ecológica a las bombas de calor de compresión o los sistemas de refrigeración tradicionales. Con el aumento de los estándares de confort y las temperaturas medias globales, los sistemas de adsorción podrían reducir la dependencia de los combustibles fósiles en un futuro próximo. Además, cualquier mejora en la refrigeración por adsorción o las bombas de calor puede transferirse al almacenamiento de energía térmica, lo que representa un aumento adicional en el potencial de uso eficiente de la energía primaria. La principal ventaja de las bombas de calor y los sistemas de refrigeración por adsorción es que pueden operar con baja masa térmica. Esto los hace adecuados para fuentes de baja temperatura como la energía solar o el calor residual. En cuanto a las aplicaciones de almacenamiento de energía, la adsorción ofrece la ventaja de una mayor densidad energética y una menor disipación de energía en comparación con el almacenamiento de calor sensible o latente.
Las bombas de calor de adsorción y los sistemas de refrigeración siguen el mismo ciclo termodinámico que sus homólogos de compresión de vapor. La principal diferencia radica en la sustitución de los componentes del compresor por adsorbedores. El elemento puede adsorber vapor refrigerante a baja presión a temperaturas moderadas, evaporando más refrigerante incluso cuando el líquido está frío. Es necesario asegurar un enfriamiento constante del adsorbedor para eliminar la entalpía de adsorción (exotermia). El adsorbedor se regenera a alta temperatura, provocando la desorción del vapor refrigerante. El calentamiento debe continuar para proporcionar la entalpía de desorción (endotérmica). Dado que los procesos de adsorción se caracterizan por cambios de temperatura, una alta densidad de potencia requiere una alta conductividad térmica. Sin embargo, la baja conductividad térmica es, con diferencia, la principal desventaja en la mayoría de las aplicaciones.
El principal problema de la conductividad es aumentar su valor promedio mientras se mantiene la ruta de transporte que proporciona el flujo de vapores de adsorción/desorción. Dos enfoques se utilizan comúnmente para lograr esto: intercambiadores de calor compuestos e intercambiadores de calor revestidos. Los materiales compuestos más populares y exitosos son aquellos que utilizan aditivos a base de carbono, a saber, grafito expandido, carbón activado o fibras de carbono. Oliveira et al. 2 impregnaron polvo de grafito expandido con cloruro de calcio para producir un adsorbente con una capacidad de enfriamiento específica (SCP) de hasta 306 W/kg y un coeficiente de rendimiento (COP) de hasta 0,46. Zajaczkowski et al. 3 propusieron una combinación de grafito expandido, fibra de carbono y cloruro de calcio con una conductividad total de 15 W/mK. Jian et al4 probaron compuestos con grafito natural expandido tratado con ácido sulfúrico (ENG-TSA) como sustrato en un ciclo de enfriamiento por adsorción de dos etapas. El modelo predijo un COP de 0,215 a 0,285 y un SCP de 161,4 a 260,74 W/kg.
La solución más viable, con diferencia, es el intercambiador de calor revestido. Los mecanismos de recubrimiento de estos intercambiadores de calor se pueden dividir en dos categorías: síntesis directa y adhesivos. El método más exitoso es la síntesis directa, que implica la formación de materiales adsorbentes directamente sobre la superficie de los intercambiadores de calor a partir de los reactivos adecuados. Sotech5 ha patentado un método para sintetizar zeolita revestida para su uso en una serie de enfriadores fabricados por Fahrenheit GmbH. Schnabel et al.6 probaron el rendimiento de dos zeolitas revestidas sobre acero inoxidable. Sin embargo, este método solo funciona con adsorbentes específicos, lo que convierte el recubrimiento con adhesivos en una alternativa interesante. Los aglutinantes son sustancias pasivas elegidas para favorecer la adhesión del sorbente o la transferencia de masa, pero no intervienen en la adsorción ni en la mejora de la conductividad. Freni et al.7 recubrieron intercambiadores de calor de aluminio con zeolita AQSOA-Z02 estabilizada con un aglutinante a base de arcilla. Calabrese et al.8 estudiaron la preparación de recubrimientos de zeolita con aglutinantes poliméricos. Ammann et al.9 propusieron un método para preparar recubrimientos porosos de zeolita a partir de mezclas magnéticas de alcohol polivinílico. La alúmina también se utiliza como aglutinante 10 en el adsorbente. Hasta donde sabemos, la celulosa y la hidroxietilcelulosa solo se utilizan en combinación con adsorbentes físicos11,12. En ocasiones, el pegamento no se utiliza para la pintura, sino para construir la estructura 13 por sí solo. La combinación de matrices poliméricas de alginato con múltiples hidratos de sal forma estructuras flexibles de microesferas compuestas que evitan fugas durante el secado y proporcionan una transferencia de masa adecuada. Arcillas como la bentonita y la atapulgita se han utilizado como aglutinantes para la preparación de compuestos15,16,17. La etilcelulosa se ha utilizado para microencapsular cloruro de calcio18 o sulfuro de sodio19.
Los compuestos con una estructura metálica porosa se pueden dividir en intercambiadores de calor aditivos e intercambiadores de calor revestidos. La ventaja de estas estructuras es su alta área superficial específica. Esto resulta en una mayor superficie de contacto entre el adsorbente y el metal sin la adición de una masa inerte, lo que reduce la eficiencia general del ciclo de refrigeración. Lang et al. 20 han mejorado la conductividad general de un adsorbente de zeolita con una estructura de panal de aluminio. Gillerminot et al. 21 mejoraron la conductividad térmica de las capas de zeolita NaX con espuma de cobre y níquel. Aunque los compuestos se utilizan como materiales de cambio de fase (PCM), los hallazgos de Li et al. 22 y Zhao et al. 23 también son de interés para la quimisorción. Compararon el rendimiento del grafito expandido y la espuma metálica y concluyeron que esta última era preferible solo si la corrosión no era un problema. Palomba et al. han comparado recientemente otras estructuras porosas metálicas24. Van der Pal et al. han estudiado sales metálicas incrustadas en espumas 25. Todos los ejemplos anteriores corresponden a capas densas de adsorbentes particulados. Prácticamente no se utilizan estructuras porosas metálicas para recubrir los adsorbentes, lo cual constituye una solución más óptima. Un ejemplo de unión a zeolitas se encuentra en Wittstadt et al. 26, pero no se ha intentado unir hidratos de sal a pesar de su mayor densidad energética 27.
Por lo tanto, en este artículo se explorarán tres métodos para preparar recubrimientos adsorbentes: (1) recubrimiento con aglutinante, (2) reacción directa y (3) tratamiento superficial. La hidroxietilcelulosa fue el aglutinante elegido en este trabajo debido a su estabilidad y buena adhesión, previamente reportadas, en combinación con adsorbentes físicos. Este método se investigó inicialmente para recubrimientos planos y posteriormente se aplicó a estructuras de fibra metálica. Previamente, se reportó un análisis preliminar de la posibilidad de reacciones químicas con la formación de recubrimientos adsorbentes. La experiencia previa se está transfiriendo al recubrimiento de estructuras de fibra metálica. El tratamiento superficial elegido para este trabajo es un método basado en el anodizado de aluminio. El anodizado de aluminio se ha combinado con éxito con sales metálicas con fines estéticos29. En estos casos, se pueden obtener recubrimientos muy estables y resistentes a la corrosión. Sin embargo, no pueden llevar a cabo ningún proceso de adsorción o desorción. Este artículo presenta una variante de este enfoque que permite mover masa utilizando las propiedades adhesivas del proceso original. Hasta donde sabemos, ninguno de los métodos aquí descritos ha sido estudiado previamente. Representan una nueva tecnología muy interesante porque permiten la formación de recubrimientos adsorbentes hidratados, que presentan una serie de ventajas sobre los adsorbentes físicos frecuentemente estudiados.
Las placas de aluminio estampadas utilizadas como sustratos para estos experimentos fueron proporcionadas por ALINVEST Břidličná, República Checa. Contienen 98,11 % de aluminio, 1,3622 % de hierro, 0,3618 % de manganeso y trazas de cobre, magnesio, silicio, titanio, zinc, cromo y níquel.
Los materiales elegidos para la fabricación de composites se seleccionan en función de sus propiedades termodinámicas, es decir, en función de la cantidad de agua que pueden adsorber/desorber a temperaturas inferiores a 120°C.
El sulfato de magnesio (MgSO₄) es una de las sales hidratadas más interesantes y estudiadas30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Sus propiedades termodinámicas se han medido sistemáticamente y se ha demostrado que son adecuadas para aplicaciones en refrigeración por adsorción, bombas de calor y almacenamiento de energía. Se utilizó sulfato de magnesio seco, n.º CAS 7487-88-9 al 99 % (Grüssing GmbH, Filsum, Baja Sajonia, Alemania).
El cloruro de calcio (CaCl₂) (H₃19) es otra sal bien estudiada debido a sus interesantes propiedades termodinámicas41,42,43,44. Cloruro de calcio hexahidratado, n.° CAS 7774-34-7, 97 % utilizado (Grüssing, GmbH, Filsum, Baja Sajonia, Alemania).
El sulfato de zinc (ZnSO₄) (H₃O₂, H₃18, H₃10) y sus hidratos poseen propiedades termodinámicas adecuadas para procesos de adsorción a baja temperatura45,46. Se utilizó sulfato de zinc heptahidratado, CAS-Nr.7733-02-0 al 99,5 % (Grüssing GmbH, Filsum, Baja Sajonia, Alemania).
El cloruro de estroncio (SrCl₂) (H₃₄) también posee interesantes propiedades termodinámicas4,45,47, aunque suele combinarse con amoníaco en la investigación sobre bombas de calor de adsorción o almacenamiento de energía. Para la síntesis se utilizó cloruro de estroncio hexahidratado, n.º CAS 10.476-85-4, 99,0-102,0 % (Sigma Aldrich, St. Louis, Misuri, EE. UU.).
El sulfato de cobre (CuSO₄) (H₃O₂, H₃15, H₃19, H₃10) no se encuentra entre los hidratos que se encuentran con frecuencia en la literatura profesional, aunque sus propiedades termodinámicas son de interés para aplicaciones a baja temperatura48,49. Para la síntesis se utilizó sulfato de cobre CAS-Nr.7758-99-8 al 99 % (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.).
El cloruro de magnesio (MgCl₂) es una de las sales hidratadas que ha recibido mayor atención recientemente en el campo del almacenamiento de energía térmica50,51. Para los experimentos se utilizó cloruro de magnesio hexahidratado, n.º CAS 7791-18-6, de grado farmacéutico puro (Applichem GmbH, Darmstadt, Alemania).
Como se mencionó anteriormente, se seleccionó la hidroxietilcelulosa debido a sus resultados positivos en aplicaciones similares. El material utilizado en nuestra síntesis es hidroxietilcelulosa, n.º CAS 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.).
Las fibras metálicas se fabrican a partir de alambres cortos unidos mediante compresión y sinterización, un proceso conocido como extracción en crisol fundido (CME)52. Esto significa que su conductividad térmica depende no solo de la conductividad volumétrica de los metales utilizados en la fabricación y de la porosidad de la estructura final, sino también de la calidad de las uniones entre los hilos. Las fibras no son isótropas y tienden a distribuirse en una dirección específica durante la producción, lo que reduce considerablemente la conductividad térmica en la dirección transversal.
Las propiedades de absorción de agua se investigaron mediante análisis termogravimétrico simultáneo (TGA)/análisis termogravimétrico diferencial (DTG) en un envase al vacío (Netzsch TG 209 F1 Libra). Las mediciones se llevaron a cabo en una atmósfera de nitrógeno circulante a un caudal de 10 ml/min y un rango de temperatura de 25 a 150 °C en crisoles de óxido de aluminio. La velocidad de calentamiento fue de 1 °C/min, el peso de la muestra varió de 10 a 20 mg y la resolución fue de 0,1 μg. En este trabajo, cabe destacar que la diferencia de masa por unidad de superficie presenta una gran incertidumbre. Las muestras utilizadas en TGA-DTG son muy pequeñas y presentan cortes irregulares, lo que hace que la determinación de su área sea inexacta. Estos valores solo pueden extrapolarse a un área mayor si se tienen en cuenta grandes desviaciones.
Los espectros infrarrojos por transformada de Fourier de reflexión total atenuada (ATR-FTIR) se adquirieron en un espectrómetro FTIR Bruker Vertex 80 v (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Alemania) utilizando un accesorio de platino ATR (Bruker Optik GmbH, Alemania). Los espectros de cristales de diamante seco puro se midieron directamente al vacío antes de utilizar las muestras como fondo para mediciones experimentales. Las muestras se midieron al vacío con una resolución espectral de 2 cm⁻¹ y un promedio de 32 barridos. El rango de número de onda fue de 8000 a 500 cm⁻¹. El análisis espectral se realizó con el programa OPUS.
El análisis SEM se realizó con un microscopio DSM 982 Gemini de Zeiss a voltajes de aceleración de 2 y 5 kV. La espectroscopia de rayos X por dispersión de energía (EDX) se realizó con un Thermo Fischer System 7 con un detector de deriva de silicio (SSD) refrigerado por Peltier.
La preparación de las placas metálicas se realizó siguiendo un procedimiento similar al descrito en la figura 53. Primero, se sumergieron en ácido sulfúrico al 50 % durante 15 minutos. A continuación, se sumergieron en una solución de hidróxido de sodio 1 M durante unos 10 segundos. A continuación, se lavaron las muestras con abundante agua destilada y se sumergieron en agua destilada durante 30 minutos. Tras el tratamiento superficial preliminar, las muestras se sumergieron en una solución saturada al 3 % de HEC y la sal objetivo. Finalmente, se extrajeron y se secaron a 60 °C.
El método de anodizado mejora y refuerza la capa de óxido natural del metal pasivo. Los paneles de aluminio se anodizaron con ácido sulfúrico en estado endurecido y luego se sellaron en agua caliente. El anodizado se realizó tras un grabado inicial con 1 mol/l de NaOH (600 s) seguido de una neutralización en 1 mol/l de HNO₃ (60 s). La solución electrolítica es una mezcla de 2,3 M de H₂SO₃, 0,01 M de Al₂(SO₃)₃ y 1 M de MgSO₃ + 7H₂O. El anodizado se realizó a (40 ± 1) °C, 30 mA/cm₂ durante 1200 segundos. El proceso de sellado se realizó en diversas soluciones de salmuera, como se describe en los materiales (MgSO₃, CaCl₂, ZnSO₃, SrCl₂, CuSO₃, MgCl₂). La muestra se hierve en ella durante 1800 segundos.
Se han investigado tres métodos diferentes para la producción de compuestos: recubrimiento adhesivo, reacción directa y tratamiento de superficies. Se analizan y discuten sistemáticamente las ventajas y desventajas de cada método de formación. Para evaluar los resultados, se utilizaron la observación directa, la nanoimagen y el análisis químico/elemental.
El anodizado se eligió como método de tratamiento superficial de conversión para aumentar la adhesión de los hidratos de sal. Este tratamiento superficial crea una estructura porosa de alúmina directamente sobre la superficie del aluminio. Tradicionalmente, este método consta de dos etapas: la primera crea una estructura porosa de óxido de aluminio y la segunda crea una capa de hidróxido de aluminio que cierra los poros. A continuación, se presentan dos métodos para bloquear la sal sin bloquear el acceso a la fase gaseosa. El primero consiste en un sistema de panal que utiliza pequeños tubos de óxido de aluminio (Al₂O₃) obtenidos en el primer paso para contener los cristales adsorbentes y aumentar su adhesión a las superficies metálicas. Los panales resultantes tienen un diámetro de aproximadamente 50 nm y una longitud de 200 nm (Fig. 1a). Como se mencionó anteriormente, estas cavidades suelen cerrarse en un segundo paso con una fina capa de boehmita de Al₂O(OH)₂, con el apoyo del proceso de ebullición de tubos de alúmina. En el segundo método, este proceso de sellado se modifica de tal manera que los cristales de sal quedan capturados en una capa uniforme de boehmita (Al₂O(OH)), que no se utiliza para el sellado en este caso. La segunda etapa se lleva a cabo en una solución saturada de la sal correspondiente. Los patrones descritos tienen tamaños en el rango de 50 a 100 nm y se asemejan a gotas salpicadas (Fig. 1b). La superficie obtenida como resultado del proceso de sellado presenta una estructura espacial pronunciada con un área de contacto mayor. Este patrón superficial, junto con sus múltiples configuraciones de enlace, es ideal para transportar y retener los cristales de sal. Ambas estructuras descritas parecen ser verdaderamente porosas y presentan pequeñas cavidades que parecen ser muy adecuadas para retener los hidratos de sal y adsorber vapores a la sal durante el funcionamiento del adsorbedor. Sin embargo, el análisis elemental de estas superficies mediante EDX puede detectar trazas de magnesio y azufre en la superficie de la boehmita, que no se detectan en el caso de una superficie de alúmina.
El ATR-FTIR de la muestra confirmó que el elemento era sulfato de magnesio (véase la Figura 2b). El espectro muestra picos característicos de iones sulfato a 610-680 y 1080-1130 cm⁻¹, así como picos característicos de agua reticular a 1600-1700 cm⁻¹ y 3200-3800 cm⁻¹ (véanse las Figs. 2a, 2c). La presencia de iones magnesio prácticamente no altera el espectro54.
(a) EDX de una placa de aluminio MgSO4 recubierta de boehmita, (b) Espectros ATR-FTIR de recubrimientos de boehmita y MgSO4, (c) Espectros ATR-FTIR de MgSO4 puro.
El mantenimiento de la eficiencia de adsorción se confirmó mediante TGA. La figura 3b muestra un pico de desorción de aproximadamente 60 °C. Este pico no corresponde a la temperatura de los dos picos observados en TGA de sal pura (figura 3a). Se evaluó la repetibilidad del ciclo de adsorción-desorción, y se observó la misma curva tras colocar las muestras en una atmósfera húmeda (figura 3c). Las diferencias observadas en la segunda etapa de desorción podrían deberse a la deshidratación en una atmósfera con flujo, ya que esto suele provocar una deshidratación incompleta. Estos valores corresponden a aproximadamente 17,9 g/m² en la primera deshidratación y 10,3 g/m² en la segunda.
Comparación del análisis TGA de boehmita y MgSO4: análisis TGA de MgSO4 puro (a), mezcla (b) y después de la rehidratación (c).
Se aplicó el mismo método con cloruro de calcio como adsorbente. Los resultados se presentan en la Figura 4. La inspección visual de la superficie reveló cambios leves en el brillo metálico. La capa superficial es apenas visible. El microscopio electrónico de barrido (MEB) confirmó la presencia de pequeños cristales distribuidos uniformemente sobre la superficie. Sin embargo, el TGA no mostró deshidratación por debajo de 150 °C. Esto podría deberse a que la proporción de sal es demasiado pequeña en comparación con la masa total del sustrato para su detección mediante TGA.
Los resultados del tratamiento superficial del recubrimiento de sulfato de cobre mediante anodizado se muestran en la figura 5. En este caso, no se produjo la incorporación esperada de CuSO₄ a la estructura del óxido de Al. En cambio, se observaron agujas sueltas, como las que se utilizan comúnmente para el hidróxido de cobre Cu(OH)₂, utilizado con tintes turquesa típicos.
El tratamiento de superficie anodizada también se probó en combinación con cloruro de estroncio. Los resultados mostraron una cobertura desigual (véase la Figura 6a). Para determinar si la sal cubría toda la superficie, se realizó un análisis EDX. La curva para un punto en el área gris (punto 1 en la Fig. 6b) muestra poco estroncio y mucho aluminio. Esto indica un bajo contenido de estroncio en la zona medida, lo que, a su vez, indica una baja cobertura de cloruro de estroncio. Por el contrario, las áreas blancas tienen un alto contenido de estroncio y un bajo contenido de aluminio (puntos 2-6 en la Fig. 6b). El análisis EDX del área blanca muestra puntos más oscuros (puntos 2 y 4 en la Fig. 6b), bajos en cloro y altos en azufre. Esto puede indicar la formación de sulfato de estroncio. Los puntos más brillantes reflejan un alto contenido de cloro y un bajo contenido de azufre (puntos 3, 5 y 6 en la Fig. 6b). Esto se explica por el hecho de que la mayor parte del recubrimiento blanco consiste en el cloruro de estroncio esperado. El análisis de temperatura transcraneal (TGA) de la muestra confirmó la interpretación del análisis, con un pico a la temperatura característica del cloruro de estroncio puro (Fig. 6c). Su bajo valor se justifica por una pequeña fracción de sal en comparación con la masa del soporte metálico. La masa de desorción determinada en los experimentos corresponde a la cantidad de 7,3 g/m² emitida por unidad de área del adsorbedor a una temperatura de 150 °C.
También se analizaron recubrimientos de sulfato de zinc tratados con eloxal. Macroscópicamente, el recubrimiento es una capa muy delgada y uniforme (Fig. 7a). Sin embargo, el microscopio electrónico de barrido (MEB) reveló una superficie cubierta de pequeños cristales separados por áreas vacías (Fig. 7b). La TGA del recubrimiento y del sustrato se comparó con la de la sal pura (Figura 7c). La sal pura presenta un pico asimétrico a 59,1 °C. El aluminio recubierto mostró dos pequeños picos a 55,5 °C y 61,3 °C, lo que indica la presencia de sulfato de zinc hidratado. La diferencia de masa revelada en el experimento corresponde a 10,9 g/m² a una temperatura de deshidratación de 150 °C.
Al igual que en la solicitud anterior 53, se utilizó hidroxietilcelulosa como aglutinante para mejorar la adhesión y la estabilidad del recubrimiento absorbente. La compatibilidad del material y su efecto sobre la adsorción se evaluaron mediante TGA. El análisis se realiza en relación con la masa total, es decir, la muestra incluye una placa metálica utilizada como sustrato de recubrimiento. La adhesión se evalúa mediante una prueba basada en la prueba de entalla cruzada definida en la especificación ISO 2409 (no puede cumplir con la especificación de separación de entallas, dependiendo del espesor y la anchura especificados).
El recubrimiento de los paneles con cloruro de calcio (CaCl₂) (véase la Fig. 8a) resultó en una distribución desigual, lo cual no se observó en el recubrimiento de aluminio puro utilizado para la prueba de entalla transversal. En comparación con los resultados del CaCl₂ puro, la TGA (Fig. 8b) muestra dos picos característicos desplazados hacia temperaturas más bajas de 40 y 20 °C, respectivamente. La prueba de sección transversal no permite una comparación objetiva, ya que la muestra de CaCl₂ puro (muestra a la derecha en la Fig. 8c) es un precipitado pulverulento que elimina las partículas superficiales. Los resultados de la HEC mostraron un recubrimiento muy delgado y uniforme con una adhesión satisfactoria. La diferencia de masa que se muestra en la Fig. 8b corresponde a 51,3 g/m₂ por unidad de área del adsorbedor a una temperatura de 150 °C.
También se obtuvieron resultados positivos en cuanto a adhesión y uniformidad con sulfato de magnesio (MgSO₄) (véase la Fig. 9). El análisis del proceso de desorción del recubrimiento mostró la presencia de un pico de aproximadamente 60 °C. Esta temperatura corresponde al principal paso de desorción observado en la deshidratación de sales puras, que representa otro paso a 44 °C. Corresponde a la transición de hexahidrato a pentahidrato y no se observa en el caso de recubrimientos con aglutinantes. Las pruebas de sección transversal muestran una mejor distribución y adhesión en comparación con los recubrimientos elaborados con sal pura. La diferencia de masa observada en TGA-DTC corresponde a 18,4 g/m² por unidad de área del adsorbedor a una temperatura de 150 °C.
Debido a las irregularidades de la superficie, el cloruro de estroncio (SrCl2) tiene un recubrimiento desigual en las aletas (Fig. 10a). Sin embargo, los resultados de la prueba de entalla transversal mostraron una distribución uniforme con una adhesión significativamente mejorada (Fig. 10c). El análisis TGA mostró una diferencia muy pequeña en peso, que debe deberse al menor contenido de sal en comparación con el sustrato metálico. Sin embargo, los pasos en la curva muestran la presencia de un proceso de deshidratación, aunque el pico está asociado con la temperatura obtenida al caracterizar la sal pura. Los picos a 110 °C y 70,2 °C observados en las Figs. 10b también se encontraron al analizar la sal pura. Sin embargo, el principal paso de deshidratación observado en la sal pura a 50 °C no se reflejó en las curvas utilizando el aglutinante. Por el contrario, la mezcla de aglutinante mostró dos picos a 20,2 °C y 94,1 °C, que no se midieron para la sal pura (Fig. 10b). A una temperatura de 150 °C, la diferencia de masa observada corresponde a 7,2 g/m2 por unidad de área del adsorbedor.
La combinación de HEC y sulfato de zinc (ZnSO₄) no arrojó resultados aceptables (Figura 11). El análisis TGA del metal recubierto no reveló procesos de deshidratación. Si bien la distribución y la adhesión del recubrimiento han mejorado, sus propiedades aún distan de ser óptimas.
La forma más sencilla de recubrir fibras metálicas con una capa fina y uniforme es la impregnación húmeda (Fig. 12a), que incluye la preparación de la sal objetivo y la impregnación de las fibras metálicas con una solución acuosa.
Al preparar la impregnación húmeda, se presentan dos problemas principales. Por un lado, la tensión superficial de la solución salina impide la correcta incorporación del líquido a la estructura porosa. La cristalización en la superficie exterior (Fig. 12d) y las burbujas de aire atrapadas en el interior de la estructura (Fig. 12c) solo pueden reducirse reduciendo la tensión superficial y humedeciendo previamente la muestra con agua destilada. La disolución forzada en la muestra, mediante la evacuación del aire interior o la creación de un flujo de solución en la estructura, son otras maneras eficaces de asegurar el llenado completo de la misma.
El segundo problema encontrado durante la preparación fue la eliminación de la película de una parte de la sal (véase la Fig. 12b). Este fenómeno se caracteriza por la formación de una capa seca sobre la superficie de disolución, que detiene el secado por convección e inicia el proceso por difusión. El segundo mecanismo es mucho más lento que el primero. Como resultado, se requiere una temperatura alta durante un tiempo de secado razonable, lo que aumenta el riesgo de formación de burbujas en la muestra. Este problema se soluciona introduciendo un método alternativo de cristalización basado en la temperatura y no en el cambio de concentración (evaporación) (como en el ejemplo con MgSO₄ de la Fig. 13).
Representación esquemática del proceso de cristalización durante el enfriamiento y separación de las fases sólida y líquida utilizando MgSO4.
Mediante este método, se pueden preparar soluciones salinas saturadas a temperatura ambiente (TA) o superior. En el primer caso, se forzó la cristalización bajando la temperatura por debajo de la temperatura ambiente. En el segundo, la cristalización se produjo al enfriar la muestra a temperatura ambiente (TA). El resultado es una mezcla de cristales (B) y disueltos (A), cuya parte líquida se elimina mediante aire comprimido. Este método no solo evita la formación de una película sobre estos hidratos, sino que también reduce el tiempo necesario para la preparación de otros compuestos. Sin embargo, la eliminación del líquido mediante aire comprimido provoca una cristalización adicional de la sal, lo que resulta en un recubrimiento más grueso.
Otro método para recubrir superficies metálicas consiste en la producción directa de sales objetivo mediante reacciones químicas. Los intercambiadores de calor recubiertos, fabricados mediante la reacción de ácidos sobre las superficies metálicas de aletas y tubos, ofrecen diversas ventajas, como se informó en nuestro estudio anterior. La aplicación de este método a fibras produjo resultados muy deficientes debido a la formación de gases durante la reacción. La presión de las burbujas de hidrógeno se acumula dentro de la sonda y varía a medida que se expulsa el producto (Fig. 14a).
El recubrimiento se modificó mediante una reacción química para controlar mejor su espesor y distribución. Este método implica el paso de una corriente de niebla ácida a través de la muestra (Figura 14b). Se espera que esto produzca un recubrimiento uniforme por reacción con el metal del sustrato. Los resultados fueron satisfactorios, pero el proceso fue demasiado lento para considerarse un método eficaz (Fig. 14c). Se pueden lograr tiempos de reacción más cortos mediante calentamiento localizado.
Para superar las desventajas de los métodos anteriores, se ha estudiado un método de recubrimiento basado en el uso de adhesivos. Se seleccionó HEC con base en los resultados presentados en la sección anterior. Todas las muestras se prepararon al 3% en peso. El aglutinante se mezcla con sal. Las fibras se pretrataron de acuerdo con el mismo procedimiento que para las costillas, es decir, se remojaron en ácido sulfúrico al 50% vol. dentro de 15 minutos, luego se remojaron en hidróxido de sodio durante 20 segundos, se lavaron con agua destilada y finalmente se remojaron en agua destilada durante 30 minutos. En este caso, se agregó un paso adicional antes de la impregnación. Sumerja la muestra brevemente en una solución diluida de sal objetivo y seque a aproximadamente 60 °C. El proceso está diseñado para modificar la superficie del metal, creando sitios de nucleación que mejoran la distribución del recubrimiento en la etapa final. La estructura fibrosa tiene un lado donde los filamentos son más delgados y están compactados, y el lado opuesto donde los filamentos son más gruesos y están menos distribuidos. Este es el resultado de 52 procesos de fabricación.
Los resultados para el cloruro de calcio (CaCl₂) se resumen e ilustran con imágenes en la Tabla 1. Buena cobertura después de la inoculación. Incluso aquellas hebras sin cristales visibles en la superficie mostraron reflejos metálicos reducidos, lo que indica un cambio en el acabado. Sin embargo, después de que las muestras se impregnaran con una mezcla acuosa de CaCl₂ y HEC y se secaran a una temperatura de aproximadamente 60 °C, los recubrimientos se concentraron en las intersecciones de las estructuras. Este es un efecto causado por la tensión superficial de la solución. Después de la inmersión, el líquido permanece dentro de la muestra debido a su tensión superficial. Básicamente, ocurre en la intersección de las estructuras. El mejor lado de la muestra tiene varios agujeros llenos de sal. El peso aumentó en 0,06 g/cm₃ después del recubrimiento.
El recubrimiento con sulfato de magnesio (MgSO₄) produjo más sal por unidad de volumen (Tabla 2). En este caso, el incremento medido fue de 0,09 g/cm₃. El proceso de siembra resultó en una amplia cobertura de la muestra. Tras el recubrimiento, la sal obstruye grandes áreas del lado delgado de la muestra. Además, algunas áreas de la mata quedan obstruidas, pero se conserva cierta porosidad. En este caso, la formación de sal se observa fácilmente en la intersección de las estructuras, lo que confirma que el recubrimiento se debe principalmente a la tensión superficial del líquido y no a la interacción entre la sal y el sustrato metálico.
Los resultados de la combinación de cloruro de estroncio (SrCl₂) y HEC mostraron propiedades similares a las de los ejemplos anteriores (Tabla 3). En este caso, la cara más delgada de la muestra está casi completamente cubierta. Solo se observan poros individuales, formados durante el secado como resultado de la liberación de vapor de la muestra. El patrón observado en la cara mate es muy similar al del caso anterior: la zona está bloqueada con sal y las fibras no están completamente cubiertas.
Para evaluar el efecto positivo de la estructura fibrosa en el rendimiento térmico del intercambiador de calor, se determinó la conductividad térmica efectiva de la estructura fibrosa recubierta y se comparó con la del material de recubrimiento puro. La conductividad térmica se midió según la norma ASTM D 5470-2017 utilizando el dispositivo de panel plano que se muestra en la Figura 15a y un material de referencia con conductividad térmica conocida. En comparación con otros métodos de medición transitoria, este principio resulta ventajoso para los materiales porosos utilizados en el presente estudio, ya que las mediciones se realizan en estado estacionario y con un tamaño de muestra suficiente (área base de 30 × 30 mm², altura aproximada de 15 mm). Se prepararon muestras del material de recubrimiento puro (referencia) y de la estructura fibrosa recubierta para realizar mediciones en la dirección de la fibra y perpendicularmente a ella, con el fin de evaluar el efecto de la conductividad térmica anisotrópica. Las muestras se rectificaron superficialmente (grano P320) para minimizar el efecto de la rugosidad superficial debida a la preparación de la muestra, que no refleja la estructura interna de la misma.