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La cuota de mercado de los sistemas de refrigeración por adsorción y las bombas de calor sigue siendo relativamente pequeña en comparación con los sistemas de compresores tradicionales.A pesar de la enorme ventaja de utilizar calor barato (en lugar de costoso trabajo eléctrico), la implementación de sistemas basados ​​en principios de adsorción todavía 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 comerciales de refrigeración por adsorción de última generación se basan en adsorbentes basados ​​en intercambiadores de calor de placas revestidos para optimizar la capacidad de refrigeración.Los resultados son bien conocidos: la disminución del grosor del revestimiento conduce a una disminución de la impedancia de transferencia de masa, y el aumento de la relación entre el área superficial y el volumen de las estructuras conductoras aumenta la potencia sin comprometer la eficiencia.Las fibras metálicas utilizadas en este trabajo pueden proporcionar un área de 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, incluidas fibras metálicas, para la producción de recubrimientos demuestran por primera vez un intercambiador de calor de alta densidad de potencia.El tratamiento superficial a base de anodizado de aluminio se elige para crear una unión más fuerte entre el revestimiento y el sustrato.La microestructura de la superficie resultante se analizó mediante microscopía electrónica de barrido.Se utilizaron espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier de reflexión total reducida y espectroscopia de rayos X de dispersión de energía para comprobar la presencia de las especies deseadas en el ensayo.Su capacidad para formar hidratos se confirmó mediante análisis termogravimétrico combinado (TGA)/análisis termogravimétrico diferencial (DTG).Se encontró una mala calidad por encima de 0,07 g (agua)/g (compuesto) en el recubrimiento de MgSO4, mostrando signos de deshidratación a aproximadamente 60 °C y reproducibles después de 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 eligió la hidroxietilcelulosa como aditivo para aumentar la estabilidad y la adherencia del recubrimiento.Las propiedades de adsorción de los productos fueron evaluadas por TGA-DTG simultáneos y su adhesión fue caracterizada por un método basado en las pruebas descritas en ISO2409.La consistencia y adhesión del recubrimiento de CaCl2 mejora significativamente mientras mantiene 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 examinan las fibras metálicas recubiertas.Los resultados muestran que la conductividad térmica efectiva de la estructura de fibra recubierta con Al2(SO4)3 puede ser 4,7 veces mayor en comparación con el volumen de Al2(SO4)3 puro.El revestimiento de los revestimientos estudiados se examinó visualmente y la estructura interna se evaluó utilizando 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 general debe optimizarse para lograr una distribución más uniforme.
Los sistemas de adsorción han ganado mucha atención en las últimas décadas, ya que brindan una alternativa ecológica a las bombas de calor de compresión tradicionales o los sistemas de refrigeración.Con el aumento de los estándares de confort y las temperaturas medias globales, los sistemas de adsorción pueden reducir la dependencia de los combustibles fósiles en un futuro próximo.Además, las mejoras en refrigeración por adsorción o bombas de calor pueden trasladarse 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 por adsorción y los sistemas de refrigeración es que pueden operar con una masa de calor baja.Esto los hace adecuados para fuentes de baja temperatura como la energía solar o el calor residual.En términos de aplicaciones de almacenamiento de energía, la adsorción tiene la ventaja de una mayor densidad de energía y una menor disipación de energía en comparación con el almacenamiento de calor sensible o latente.
Las bombas de calor por adsorción y los sistemas de refrigeración siguen el mismo ciclo termodinámico que sus homólogos de compresión de vapor.La principal diferencia es la sustitución de los componentes del compresor por adsorbedores.El elemento es capaz de adsorber vapor de 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 excluir la entalpía de adsorción (exotermia).El adsorbedor se regenera a alta temperatura, lo que hace que el vapor de refrigerante se desorba.El calentamiento debe continuar proporcionando la entalpía de desorción (endotérmica).Debido a que los procesos de adsorción se caracterizan por cambios de temperatura, la alta densidad de potencia requiere una alta conductividad térmica.Sin embargo, la baja conductividad térmica es, con mucho, la principal desventaja en la mayoría de las aplicaciones.
El principal problema de la conductividad es aumentar su valor medio manteniendo la ruta de transporte que proporciona el flujo de vapores de adsorción/desorción.Se utilizan comúnmente dos enfoques para lograr esto: intercambiadores de calor compuestos e intercambiadores de calor revestidos.Los materiales compuestos más populares y exitosos son aquellos que usan aditivos a base de carbono, a saber, grafito expandido, carbón activado o fibras de carbono.Oliveira et al.2 polvo de grafito expandido impregnado con cloruro de calcio para producir un adsorbente con una capacidad de refrigeración 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 COP de 0,215 a 0,285 y SCP de 161,4 a 260,74 W/kg.
Con mucho, la solución más viable 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 involucra la formación de materiales adsorbentes directamente sobre la superficie de los intercambiadores de calor a partir de los reactivos apropiados.Sotech5 ha patentado un método para sintetizar zeolita recubierta para su uso en una serie de enfriadores fabricados por Fahrenheit GmbH.Schnabel et al6 probaron el rendimiento de dos zeolitas recubiertas de acero inoxidable.Sin embargo, este método solo funciona con adsorbentes específicos, lo que hace que el recubrimiento con adhesivos sea una alternativa interesante.Los aglutinantes son sustancias pasivas elegidas para apoyar la adhesión del sorbente y/o la transferencia de masa, pero no desempeñan ningún papel en la adsorción o la mejora de la conductividad.Freni et al.7 intercambiadores de calor de aluminio revestidos con zeolita AQSOA-Z02 estabilizada con ligante a base de arcilla.Calabrese et al.8 estudiaron la preparación de recubrimientos de zeolita con ligantes poliméricos.Ammann et al.9 propusieron un método para preparar recubrimientos porosos de zeolita a partir de mezclas magnéticas de alcohol polivinílico.La alúmina (alúmina) también se usa como aglutinante 10 en el adsorbedor.Hasta donde sabemos, la celulosa y la hidroxietilcelulosa solo se usan en combinación con adsorbentes físicos11,12.A veces, el pegamento no se usa para la pintura, sino que se usa para construir la estructura 13 por sí sola.La combinación de matrices de polímeros de alginato con múltiples hidratos de sal forma estructuras de perlas compuestas flexibles que evitan las fugas durante el secado y proporcionan una transferencia de masa adecuada.Arcillas como la bentonita y la atapulgita se han utilizado como ligantes para la preparación de composites15,16,17.Se ha utilizado etilcelulosa 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 la alta área de superficie específica.Esto da como resultado 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 global de un adsorbedor de zeolita con estructura de nido de abeja de aluminio.Gillerminot et al.21 mejoró 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 de partículas.Las estructuras porosas de metal prácticamente no se utilizan para recubrir adsorbentes, que es una solución más óptima.Puede encontrarse un ejemplo de unión a zeolitas en Wittstadt et al.26 pero no se ha hecho ningún intento de unir hidratos de sal a pesar de su mayor densidad de energía 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 de superficie.La hidroxietilcelulosa fue el aglutinante de elección en este trabajo debido a la estabilidad reportada previamente y la buena adhesión del recubrimiento en combinación con adsorbentes físicos.Este método se investigó inicialmente para recubrimientos planos y luego se aplicó a estructuras de fibra metálica.Previamente, se informó un análisis preliminar de la posibilidad de reacciones químicas con la formación de recubrimientos adsorbentes.La experiencia anterior se está transfiriendo ahora al recubrimiento de estructuras de fibra metálica.El tratamiento superficial escogido para este trabajo es un método basado en el anodizado del 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 la masa utilizando las propiedades adhesivas del proceso original.Hasta donde sabemos, ninguno de los métodos descritos aquí ha sido estudiado previamente.Representan una nueva tecnología muy interesante porque permiten la formación de recubrimientos adsorbentes hidratados, que tienen una serie de ventajas sobre los adsorbentes físicos frecuentemente estudiados.
Las placas de aluminio estampado 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/desabsorber 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.Las propiedades termodinámicas se han medido sistemáticamente y se ha demostrado que son adecuadas para aplicaciones en los campos de la refrigeración por adsorción, las bombas de calor y el almacenamiento de energía.Se utilizó sulfato de magnesio seco CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Alemania).
El cloruro de calcio (CaCl2) (H319) es otra sal bien estudiada porque su hidrato tiene interesantes propiedades termodinámicas41,42,43,44.Cloruro de calcio hexahidratado CAS-No.7774-34-7 97% usado (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Alemania).
El sulfato de zinc (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) y sus hidratos tienen propiedades termodinámicas adecuadas para procesos de adsorción a baja temperatura45,46.Se utilizó sulfato de zinc heptahidratado CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Alemania).
El cloruro de estroncio (SrCl2) (H318) también tiene propiedades termodinámicas interesantes4,45,47, aunque a menudo se combina con amoníaco en investigaciones sobre bombas de calor por adsorción o almacenamiento de energía.Para la síntesis se usó cloruro de estroncio hexahidratado CAS-Nr.10.476-85-4 99.0–102.0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, EE. UU.).
El sulfato de cobre (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) no se encuentra entre los hidratos frecuentemente encontrados 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 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.).
El cloruro de magnesio (MgCl2) es una de las sales hidratadas que recientemente ha recibido más atención en el campo del almacenamiento de energía térmica50,51.Para los experimentos se usó cloruro de magnesio hexahidratado CAS-Nr.7791-18-6 grado farmacéutico puro (Applichem GmbH., Darmstadt, Alemania).
Como se mencionó anteriormente, se eligió la hidroxietilcelulosa debido a los resultados positivos en aplicaciones similares.El material utilizado en nuestra síntesis es hidroxietilcelulosa CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.).
Las fibras metálicas están hechas de alambres cortos unidos por compresión y sinterización, un proceso conocido como extracción por fusión en crisol (CME)52.Esto significa que su conductividad térmica depende no solo de la conductividad aparente de los metales utilizados en la fabricación y la porosidad de la estructura final, sino también de la calidad de las uniones entre los hilos.Las fibras no son isotrópicas y tienden a distribuirse en una determinada dirección durante la producción, lo que hace que la conductividad térmica en la dirección transversal sea mucho más baja.
Las propiedades de absorción de agua se investigaron usando análisis termogravimétrico simultáneo (TGA)/análisis termogravimétrico diferencial (DTG) en un paquete al vacío (Netzsch TG 209 F1 Libra).Las medidas se llevaron a cabo en una atmósfera de nitrógeno fluyente 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, la resolución fue de 0,1 μg.En este trabajo, cabe señalar que la diferencia de masa por unidad de superficie tiene una gran incertidumbre.Las muestras utilizadas en TGA-DTG son muy pequeñas y cortadas irregularmente, 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 de 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 secos puros se midieron directamente al vacío antes de usar las muestras como fondo para las mediciones experimentales.Las muestras se midieron en vacío usando una resolución espectral de 2 cm-1 y un número promedio de escaneos de 32. Rango de número de onda de 8000 a 500 cm-1.El análisis espectral se realizó utilizando el programa OPUS.
El análisis SEM se realizó usando un DSM 982 Gemini de Zeiss a voltajes de aceleración de 2 y 5 kV.La espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX) se realizó utilizando un Thermo Fischer System 7 con un detector de deriva de silicio refrigerado por Peltier (SSD).
La preparación de las placas de metal se realizó de acuerdo con el procedimiento similar al descrito en 53. Primero, sumergir la placa en ácido sulfúrico al 50%.15 minutos.Luego se introdujeron en solución de hidróxido de sodio 1 M durante aproximadamente 10 segundos.Luego, las muestras se lavaron con una gran cantidad de agua destilada y luego se sumergieron en agua destilada durante 30 minutos.Después del tratamiento superficial preliminar, las muestras se sumergieron en una solución saturada al 3%.HEC y sal objetivo.Por último, sacarlos y secarlos a 60°C.
El método de anodizado mejora y fortalece la capa de óxido natural sobre el metal pasivo.Los paneles de aluminio fueron anodizados con ácido sulfúrico en estado endurecido y luego sellados en agua caliente.La anodización siguió a 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 H2SO4 2,3 M, Al2(SO4)3 0,01 M y MgSO4 1 M + 7H2O.El anodizado se llevó a cabo a (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 durante 1200 segundos.El proceso de sellado se llevó a cabo en diversas soluciones de salmuera como se describe en los materiales (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).La muestra se hierve en ella durante 1800 segundos.
Se han investigado tres métodos diferentes para producir materiales compuestos: revestimiento adhesivo, reacción directa y tratamiento superficial.Las ventajas y desventajas de cada método de entrenamiento se analizan y discuten sistemáticamente.Se utilizaron la observación directa, la nanoimagen y el análisis químico/elemental para evaluar los resultados.
Se eligió el anodizado 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 (alúmina) directamente sobre la superficie de aluminio.Tradicionalmente, este método consta de dos etapas: la primera etapa crea una estructura porosa de óxido de aluminio y la segunda etapa crea una capa de hidróxido de aluminio que cierra los poros.Los siguientes son dos métodos para bloquear la sal sin bloquear el acceso a la fase gaseosa.El primero consiste en un sistema de nido de abeja que utiliza pequeños tubos de óxido de aluminio (Al2O3) obtenidos en el primer paso para retener los cristales adsorbentes y aumentar su adherencia 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 generalmente se cierran en un segundo paso con una capa delgada de boehmita Al2O (OH) 2 respaldada por el proceso de ebullición del tubo de alúmina.En el segundo método, este proceso de sellado se modifica de tal manera que los cristales de sal son 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 parecen gotas salpicadas (Fig. 1b).La superficie obtenida como resultado del proceso de sellado tiene una estructura espacial pronunciada con un área de contacto aumentada.Este patrón de superficie, junto con sus muchas configuraciones de unión, es ideal para transportar y sostener cristales de sal.Ambas estructuras descritas parecen ser verdaderamente porosas y tienen pequeñas cavidades que parecen ser muy adecuadas para retener hidratos de sal y adsorber vapores en la sal durante el funcionamiento del adsorbedor.Sin embargo, el análisis elemental de estas superficies con 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 (ver Figura 2b).El espectro muestra picos de iones de sulfato característicos en 610–680 y 1080–1130 cm–1 y picos de agua reticular característicos en 1600–1700 cm–1 y 3200–3800 cm–1 (ver Fig. 2a, c).).La presencia de iones de magnesio casi no cambia 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 fue confirmado por TGA.En la fig.3b muestra un pico de desorción de aprox.60°C.Este pico no corresponde a la temperatura de los dos picos observados en TGA de sal pura (Fig. 3a).Se evaluó la repetibilidad del ciclo de adsorción-desorción y se observó la misma curva después de colocar las muestras en una atmósfera húmeda (Fig. 3c).Las diferencias observadas en la segunda etapa de desorción pueden ser el resultado de la deshidratación en una atmósfera fluida, ya que esto a menudo conduce a una deshidratación incompleta.Estos valores corresponden a aproximadamente 17,9 g/m2 en la primera deshidratación y 10,3 g/m2 en la segunda deshidratación.
Comparación del análisis TGA de boehmita y MgSO4: análisis TGA de MgSO4 puro (a), mezcla (b) y después de la rehidratación (c).
El mismo método se llevó a cabo con cloruro de calcio como adsorbente.Los resultados se presentan en la Figura 4. La inspección visual de la superficie reveló cambios menores en el brillo metálico.El pelaje es apenas visible.SEM confirmó la presencia de pequeños cristales distribuidos uniformemente sobre la superficie.Sin embargo, TGA no mostró deshidratación por debajo de 150°C.Esto puede deberse al hecho de que la proporción de sal es demasiado pequeña en comparación con la masa total del sustrato para la detección por TGA.
Los resultados del tratamiento superficial del revestimiento de sulfato de cobre por el método de anodizado se muestran en la fig.5. En este caso, no se produjo la incorporación esperada de CuSO4 a la estructura de óxido de Al.En cambio, se observan agujas sueltas, ya que se usan comúnmente para el hidróxido de cobre Cu (OH) 2 que se usa con los tintes turquesa típicos.
El tratamiento superficial anodizado también se probó en combinación con cloruro de estroncio.Los resultados mostraron una cobertura desigual (ver Figura 6a).Para determinar si la sal cubría toda la superficie, se realizó un análisis EDX.La curva de 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 a 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 puede explicarse por el hecho de que la parte principal de la capa blanca consiste en el cloruro de estroncio esperado.El TGA de la muestra confirmó la interpretación del análisis con un pico a la temperatura característica del cloruro de estroncio puro (Fig. 6c).Su pequeño valor puede justificarse 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 desprendidos por unidad de superficie del adsorbedor a una temperatura de 150°C.
También se probaron recubrimientos de sulfato de zinc tratados con Eloxal.Macroscópicamente, el recubrimiento es una capa muy delgada y uniforme (Fig. 7a).Sin embargo, SEM reveló un área superficial cubierta con pequeños cristales separados por áreas vacías (Fig. 7b).La TGA del recubrimiento y el sustrato se comparó con la de la sal pura (Figura 7c).La sal pura tiene un pico asimétrico a 59,1 °C.El aluminio revestido mostró dos pequeños picos a 55,5°C y 61,3°C, indicando la presencia de hidrato de sulfato de zinc.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 anterior53, se utilizó hidroxietilcelulosa como aglutinante para mejorar la adherencia y la estabilidad del revestimiento absorbente.TGA evaluó la compatibilidad del material y el efecto sobre el rendimiento de la adsorción.El análisis se realiza en relación a la masa total, es decir, la muestra incluye una placa metálica utilizada como sustrato de revestimiento.La adherencia se prueba mediante una prueba basada en la prueba de muescas cruzadas definida en la especificación ISO2409 (no puede cumplir con la especificación de separación de muescas según el grosor y el ancho de la especificación).
Recubrir los paneles con cloruro de calcio (CaCl2) (ver Fig. 8a) dio como resultado una distribución desigual, que no se observó en el recubrimiento de aluminio puro utilizado para la prueba de muesca transversal.En comparación con los resultados para CaCl2 puro, 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 porque la muestra de CaCl2 puro (muestra a la derecha en la Fig. 8c) es un precipitado en polvo que elimina las partículas superiores.Los resultados de HEC mostraron un recubrimiento muy delgado y uniforme con una adhesión satisfactoria.La diferencia de masa mostrada en la fig.8b corresponde a 51,3 g/m2 por unidad de superficie del adsorbedor a una temperatura de 150°C.
También se obtuvieron resultados positivos en términos de adherencia y uniformidad con sulfato de magnesio (MgSO4) (ver Fig. 9).El análisis del proceso de desorción del recubrimiento mostró la presencia de un pico de aprox.60°C.Esta temperatura corresponde al principal paso de desorción visto en la deshidratación de sales puras, representando otro paso a 44°C.Corresponde a la transición de hexahidrato a pentahidrato y no se observa en el caso de recubrimientos con ligantes.Las pruebas de sección transversal muestran una mejor distribución y adhesión en comparación con los recubrimientos fabricados con sal pura.La diferencia de masa observada en TGA-DTC corresponde a 18,4 g/m2 por unidad de área del adsorbente a una temperatura de 150°C.
Debido a las irregularidades de la superficie, el cloruro de estroncio (SrCl2) tiene un revestimiento desigual en las aletas (Fig. 10a).Sin embargo, los resultados de la prueba de muesca transversal mostraron una distribución uniforme con una adhesión significativamente mejorada (Fig. 10c).El análisis TGA mostró una diferencia de peso muy pequeña, lo que debe deberse al menor contenido de sal en comparación con el sustrato metálico.Sin embargo, los pasos de la curva muestran la presencia de un proceso de deshidratación, aunque el pico está asociado a 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 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 ligante.Por el contrario, la mezcla de aglutinantes 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 superficie del adsorbente.
La combinación de HEC y sulfato de zinc (ZnSO4) no dio resultados aceptables (Figura 11).El análisis TGA del metal revestido no reveló ningún proceso de deshidratación.Aunque la distribución y la adherencia del recubrimiento han mejorado, sus propiedades todavía están lejos de ser óptimas.
La forma más sencilla de recubrir las fibras metálicas con una capa delgada 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.
Cuando se prepara para la impregnación en húmedo, se encuentran 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 dentro de la estructura (Fig. 12c) solo pueden reducirse bajando la tensión superficial y humedeciendo previamente la muestra con agua destilada.La disolución forzada en la muestra evacuando el aire del interior o creando un flujo de solución en la estructura son otras formas efectivas de asegurar el llenado completo de la estructura.
El segundo problema encontrado durante la preparación fue la eliminación de la película de parte de la sal (ver Fig. 12b).Este fenómeno se caracteriza por la formación de una capa seca sobre la superficie de disolución, que detiene el secado estimulado por convección e inicia el proceso estimulado por difusión.El segundo mecanismo es mucho más lento que el primero.Como resultado, se requiere una temperatura alta para un tiempo de secado razonable, lo que aumenta el riesgo de que se formen burbujas dentro de la muestra.Este problema se resuelve introduciendo un método alternativo de cristalización basado no en el cambio de concentración (evaporación), sino en el cambio de temperatura (como en el ejemplo con MgSO4 en la Fig. 13).
Representación esquemática del proceso de cristalización durante el enfriamiento y separación de las fases sólida y líquida utilizando MgSO4.
Las soluciones de sal saturada se pueden preparar a temperatura ambiente (HT) o superior con este método.En el primer caso, se forzó la cristalización bajando la temperatura por debajo de la temperatura ambiente.En el segundo caso, la cristalización se produjo cuando la muestra se enfrió a temperatura ambiente (RT).El resultado es una mezcla de cristales (B) y disueltos (A), cuya parte líquida se elimina con aire comprimido.Este enfoque no solo evita la formación de una película sobre estos hidratos, sino que también reduce el tiempo requerido para la preparación de otros compuestos.Sin embargo, la eliminación del líquido con aire comprimido conduce a una cristalización adicional de la sal, lo que da como resultado una capa más espesa.
Otro método que se puede utilizar para recubrir superficies metálicas implica la producción directa de sales objetivo a través de reacciones químicas.Los intercambiadores de calor revestidos hechos por la reacción de ácidos en las superficies metálicas de aletas y tubos tienen una serie de ventajas, como se informó en nuestro estudio anterior.La aplicación de este método a las fibras condujo a resultados muy pobres debido a la formación de gases durante la reacción.La presión de las burbujas de gas hidrógeno se acumula dentro de la sonda y cambia a medida que se expulsa el producto (Fig. 14a).
El recubrimiento ha sido modificado a través de una reacción química para controlar mejor el espesor y la distribución del recubrimiento.Este método implica pasar una corriente de niebla ácida a través de la muestra (Figura 14b).Se espera que esto dé como resultado un revestimiento uniforme por reacción con el sustrato metálico.Los resultados fueron satisfactorios, pero el proceso fue demasiado lento para ser considerado un método efectivo (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.HEC fue seleccionado en base a 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 según el mismo procedimiento que para las nervaduras, es decir, se empaparon en 50% vol.dentro de 15 minutos.ácido sulfúrico, luego remojado en hidróxido de sodio durante 20 segundos, lavado en agua destilada y finalmente remojado en agua destilada durante 30 minutos.En este caso, se añadió un paso adicional antes de la impregnación.Sumerja la muestra brevemente en una solución salina objetivo diluida y séquela 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 en el que los filamentos son más delgados y están muy apretados, y el lado opuesto en el que los filamentos son más gruesos y 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 tenían reflejos metálicos reducidos, lo que indica un cambio en el acabado.Sin embargo, después de que las muestras se impregnaron con una mezcla acuosa de CaCl2 y HEC y se secaron 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 del remojo, el líquido permanece dentro de la muestra debido a su tensión superficial.Básicamente ocurre en la intersección de estructuras.El mejor lado del espécimen 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 es de 0,09 g/cm3.El proceso de siembra resultó en una amplia cobertura de muestra.Después del proceso de recubrimiento, la sal bloquea grandes áreas del lado delgado de la muestra.Además, se bloquean algunas áreas del mate, pero se retiene algo de porosidad.En este caso, la formación de sal se observa fácilmente en la intersección de las estructuras, lo que confirma que el proceso de 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 los ejemplos anteriores (Tabla 3).En este caso, el lado más delgado de la muestra está casi completamente cubierto.Solo son visibles los poros individuales, formados durante el secado como resultado de la liberación de vapor de la muestra.El patrón observado en el lado mate es muy similar al caso anterior, la zona está bloqueada con sal y las fibras no están completamente cubiertas.
Para evaluar el efecto positivo de la estructura fibrosa sobre el rendimiento térmico del intercambiador de calor, se determinó la conductividad térmica efectiva de la estructura fibrosa revestida y se comparó con el material de revestimiento puro.La conductividad térmica se midió de acuerdo con la norma ASTM D 5470-2017 usando el dispositivo de panel plano que se muestra en la Figura 15a usando un material de referencia con conductividad térmica conocida.En comparación con otros métodos de medición transitorios, este principio es ventajoso para los materiales porosos utilizados en el estudio actual, ya que las mediciones se realizan en estado estable y con un tamaño de muestra suficiente (área base 30 × 30 mm2, altura aproximadamente 15 mm).Se prepararon muestras del material de recubrimiento puro (referencia) y la estructura de fibra recubierta para mediciones en la dirección de la fibra y perpendiculares a la dirección de la fibra para evaluar el efecto de la conductividad térmica anisotrópica.Las muestras se rectificaron en la superficie (grano P320) para minimizar el efecto de la rugosidad de la superficie debido a la preparación de la muestra, que no refleja la estructura dentro de la muestra.