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La part de marché des systèmes de réfrigération par adsorption et des pompes à chaleur reste relativement faible par rapport aux systèmes à compresseur traditionnels. Malgré l'énorme avantage d'utiliser une chaleur bon marché (au lieu de travaux électriques coûteux), la mise en œuvre de systèmes basés sur les principes de l'adsorption reste limitée à quelques applications spécifiques. Le principal inconvénient à éliminer est la diminution de la puissance spécifique due à la faible conductivité thermique et à la faible stabilité de l'adsorbant. Les systèmes de réfrigération par adsorption commerciaux actuels reposent sur des adsorbeurs à plaques échangeurs de chaleur revêtues pour optimiser la capacité de refroidissement. Il est bien connu que la réduction de l'épaisseur du revêtement entraîne une diminution de l'impédance de transfert de masse, tandis qu'une augmentation du rapport surface/volume des structures conductrices augmente la puissance sans compromettre l'efficacité. Les fibres métalliques utilisées dans ce travail peuvent fournir une surface spécifique comprise entre 2 500 et 50 000 m²/m³. Trois méthodes permettant d'obtenir des revêtements très fins mais stables d'hydrates de sel sur des surfaces métalliques, y compris des fibres métalliques, pour la production de revêtements, démontrent pour la première fois un échangeur de chaleur à haute densité de puissance. Le traitement de surface par anodisation de l'aluminium a été choisi pour renforcer l'adhérence entre le revêtement et le substrat. La microstructure de la surface obtenue a été analysée par microscopie électronique à balayage. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier à réflexion totale réduite et la spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie ont été utilisées pour vérifier la présence des espèces souhaitées dans l'essai. Leur capacité à former des hydrates a été confirmée par analyse thermogravimétrique (ATG) et analyse thermogravimétrique différentielle (DTG) combinées. Une qualité médiocre supérieure à 0,07 g (eau)/g (composite) a été constatée dans le revêtement de MgSO4, présentant des signes de déshydratation à environ 60 °C et reproductibles après réhydratation. Des résultats positifs ont également été obtenus avec SrCl2 et ZnSO4, avec une différence de masse d'environ 0,02 g/g en dessous de 100 °C. L'hydroxyéthylcellulose a été choisie comme additif pour augmenter la stabilité et l'adhérence du revêtement. Les propriétés d'adsorption des produits ont été évaluées par TGA-DTG simultanée et leur adhérence a été caractérisée par une méthode basée sur les tests décrits dans la norme ISO2409. La consistance et l'adhérence du revêtement de CaCl2 sont significativement améliorées tout en conservant sa capacité d'adsorption avec une différence de poids d'environ 0,1 g/g à des températures inférieures à 100 °C. De plus, le MgSO4 conserve la capacité de former des hydrates, affichant une différence de masse de plus de 0,04 g/g à des températures inférieures à 100 °C. Enfin, les fibres métalliques revêtues sont examinées. Les résultats montrent que la conductivité thermique effective de la structure fibreuse revêtue d'Al2(SO4)3 peut être 4,7 fois supérieure à celle du volume d'Al2(SO4)3 pur. Le revêtement des revêtements étudiés a été examiné visuellement et la structure interne a été évaluée à l'aide d'une image microscopique des sections transversales. Un revêtement d'Al2(SO4)3 d'une épaisseur d'environ 50 µm a été obtenu, mais le processus global doit être optimisé pour obtenir une distribution plus uniforme.
Les systèmes d'adsorption ont suscité un vif intérêt ces dernières décennies, car ils offrent une alternative écologique aux pompes à chaleur à compression et aux systèmes de réfrigération traditionnels. Avec l'amélioration des normes de confort et des températures moyennes mondiales, les systèmes d'adsorption pourraient réduire la dépendance aux combustibles fossiles dans un avenir proche. De plus, toute amélioration apportée à la réfrigération ou aux pompes à chaleur par adsorption peut être transférée au stockage d'énergie thermique, ce qui représente une augmentation supplémentaire du potentiel d'utilisation efficace de l'énergie primaire. Le principal avantage des pompes à chaleur et des systèmes de réfrigération par adsorption est leur faible masse calorifique. Ils sont donc adaptés aux sources basse température telles que l'énergie solaire ou la chaleur résiduelle. En termes d'applications de stockage d'énergie, l'adsorption présente l'avantage d'une densité énergétique plus élevée et d'une dissipation énergétique moindre par rapport au stockage de chaleur sensible ou latente.
Les pompes à chaleur et les systèmes de réfrigération à adsorption suivent le même cycle thermodynamique que leurs homologues à compression de vapeur. La principale différence réside dans le remplacement des composants du compresseur par des adsorbeurs. L'élément est capable d'adsorber la vapeur de réfrigérant basse pression à température modérée, évaporant davantage de réfrigérant même lorsque le liquide est froid. Un refroidissement constant de l'adsorbeur est nécessaire afin d'éliminer l'enthalpie d'adsorption (exothermie). L'adsorbeur est régénéré à haute température, ce qui provoque la désorption de la vapeur de réfrigérant. Le chauffage doit se poursuivre pour fournir l'enthalpie de désorption (endothermie). Les processus d'adsorption étant caractérisés par des variations de température, une densité de puissance élevée nécessite une conductivité thermique élevée. Cependant, une faible conductivité thermique constitue de loin le principal inconvénient dans la plupart des applications.
Français Le principal problème de la conductivité est d'augmenter sa valeur moyenne tout en maintenant le chemin de transport qui assure le flux des vapeurs d'adsorption/désorption. Deux approches sont couramment utilisées pour y parvenir : les échangeurs de chaleur composites et les échangeurs de chaleur revêtus. Les matériaux composites les plus populaires et les plus performants sont ceux qui utilisent des additifs à base de carbone, à savoir le graphite expansé, le charbon actif ou les fibres de carbone. Oliveira et al. 2 ont imprégné de la poudre de graphite expansé avec du chlorure de calcium pour produire un adsorbeur avec une capacité de refroidissement spécifique (SCP) allant jusqu'à 306 W/kg et un coefficient de performance (COP) allant jusqu'à 0,46. Zajaczkowski et al. 3 ont proposé une combinaison de graphite expansé, de fibres de carbone et de chlorure de calcium avec une conductivité totale de 15 W/mK. Jian et al. 4 ont testé des composites avec du graphite naturel expansé traité à l'acide sulfurique (ENG-TSA) comme substrat dans un cycle de refroidissement par adsorption en deux étapes. Le modèle a prédit un COP de 0,215 à 0,285 et un SCP de 161,4 à 260,74 W/kg.
La solution la plus viable est de loin l'échangeur de chaleur revêtu. Les mécanismes de revêtement de ces échangeurs peuvent être divisés en deux catégories : la synthèse directe et les adhésifs. La méthode la plus efficace est la synthèse directe, qui implique la formation de matériaux adsorbants directement à la surface des échangeurs de chaleur à partir de réactifs appropriés. Sotech5 a breveté une méthode de synthèse de zéolite revêtue destinée à être utilisée dans une série de refroidisseurs fabriqués par Fahrenheit GmbH. Schnabel et al.6 ont testé les performances de deux zéolites revêtues sur de l'acier inoxydable. Cependant, cette méthode ne fonctionne qu'avec des adsorbants spécifiques, ce qui fait du revêtement adhésif une alternative intéressante. Les liants sont des substances passives choisies pour favoriser l'adhérence du sorbant et/ou le transfert de masse, mais ne jouent aucun rôle dans l'adsorption ou l'amélioration de la conductivité. Freni et al.7 ont étudié des échangeurs de chaleur en aluminium revêtus de zéolite AQSOA-Z02 stabilisée par un liant à base d'argile. Calabrese et al.8 ont étudié la préparation de revêtements zéolitiques avec des liants polymères. Ammann et al.9 ont proposé une méthode de préparation de revêtements zéolithiques poreux à partir de mélanges magnétiques d'alcool polyvinylique. L'alumine (alumine) est également utilisée comme liant 10 dans l'adsorbeur. À notre connaissance, la cellulose et l'hydroxyéthylcellulose ne sont utilisées qu'en combinaison avec des adsorbants physiques11,12. Parfois, la colle n'est pas utilisée pour la peinture, mais sert à construire la structure 13 seule. La combinaison de matrices polymères d'alginate avec de multiples hydrates de sel forme des structures de billes composites flexibles qui empêchent les fuites pendant le séchage et assurent un transfert de masse adéquat. Des argiles telles que la bentonite et l'attapulgite ont été utilisées comme liants pour la préparation de composites15,16,17. L'éthylcellulose a été utilisée pour microencapsuler du chlorure de calcium18 ou du sulfure de sodium19.
Les composites à structure métallique poreuse peuvent être divisés en échangeurs de chaleur additifs et échangeurs de chaleur revêtus. L'avantage de ces structures est leur surface spécifique élevée. Cela se traduit par une plus grande surface de contact entre l'adsorbant et le métal sans ajout de masse inerte, ce qui réduit l'efficacité globale du cycle de réfrigération. Lang et al. 20 ont amélioré la conductivité globale d'un adsorbeur en zéolite avec une structure en nid d'abeille en aluminium. Gillerminot et al. 21 ont amélioré la conductivité thermique de couches de zéolite NaX avec de la mousse de cuivre et de nickel. Bien que les composites soient utilisés comme matériaux à changement de phase (PCM), les résultats de Li et al. 22 et Zhao et al. 23 sont également intéressants pour la chimisorption. Ils ont comparé les performances du graphite expansé et de la mousse métallique et ont conclu que cette dernière n'était préférable que si la corrosion n'était pas un problème. Palomba et al. ont récemment comparé d'autres structures métalliques poreuses24. Van der Pal et al. ont étudié les sels métalliques incorporés dans les mousses25. Tous les exemples précédents correspondent à des couches denses d'adsorbants particulaires. Les structures poreuses métalliques ne sont pratiquement pas utilisées pour revêtir les adsorbants, ce qui constitue une solution plus optimale. Un exemple de liaison aux zéolites peut être trouvé dans Wittstadt et al. 26, mais aucune tentative n'a été faite pour lier les hydrates de sel malgré leur densité énergétique plus élevée 27 .
Ainsi, trois méthodes de préparation de revêtements adsorbants seront explorées dans cet article : (1) l'enduction par liant, (2) la réaction directe et (3) le traitement de surface. L'hydroxyéthylcellulose a été le liant de choix dans ce travail en raison de sa stabilité et de sa bonne adhérence, déjà signalées, en combinaison avec des adsorbants physiques. Cette méthode a d'abord été étudiée pour les revêtements plats, puis appliquée aux structures en fibres métalliques. Une analyse préliminaire de la possibilité de réactions chimiques avec formation de revêtements adsorbants a été précédemment rapportée. L'expérience antérieure est actuellement transférée au revêtement de structures en fibres métalliques. Le traitement de surface choisi pour ce travail est une méthode basée sur l'anodisation de l'aluminium. L'anodisation de l'aluminium a été combinée avec succès à des sels métalliques à des fins esthétiques29. Dans ces cas, des revêtements très stables et résistants à la corrosion peuvent être obtenus. Cependant, ils ne peuvent réaliser aucun processus d'adsorption ou de désorption. Cet article présente une variante de cette approche qui permet de déplacer de la masse en utilisant les propriétés adhésives du procédé original. À notre connaissance, aucune des méthodes décrites ici n'a été étudiée auparavant. Ils représentent une nouvelle technologie très intéressante car ils permettent la formation de revêtements adsorbants hydratés, qui présentent un certain nombre d'avantages par rapport aux adsorbants physiques fréquemment étudiés.
Les plaques d'aluminium estampées utilisées comme substrats pour ces expériences ont été fournies par ALINVEST Břidličná, République tchèque. Elles contiennent 98,11 % d'aluminium, 1,3622 % de fer, 0,3618 % de manganèse et des traces de cuivre, de magnésium, de silicium, de titane, de zinc, de chrome et de nickel.
Les matériaux choisis pour la fabrication des composites sont sélectionnés en fonction de leurs propriétés thermodynamiques, c'est-à-dire en fonction de la quantité d'eau qu'ils peuvent adsorber/désorber à des températures inférieures à 120°C.
Le sulfate de magnésium (MgSO4) est l'un des sels hydratés les plus intéressants et les plus étudiés30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Ses propriétés thermodynamiques ont été systématiquement mesurées et se sont révélées adaptées aux applications dans les domaines de la réfrigération par adsorption, des pompes à chaleur et du stockage d'énergie. Du sulfate de magnésium sec (n° CAS 7487-88-9 99 %) (Grüssing GmbH, Filsum, Basse-Saxe, Allemagne) a été utilisé.
Le chlorure de calcium (CaCl2) (H319) est un autre sel bien étudié car son hydrate possède des propriétés thermodynamiques intéressantes41,42,43,44. Chlorure de calcium hexahydraté CAS-No. 7774-34-7 97% utilisé (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Allemagne).
Le sulfate de zinc (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) et ses hydrates ont des propriétés thermodynamiques adaptées aux processus d'adsorption à basse température45,46. Le sulfate de zinc heptahydraté CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Allemagne) a été utilisé.
Le chlorure de strontium (SrCl2) (H318) possède également des propriétés thermodynamiques intéressantes4,45,47, bien qu'il soit souvent combiné à l'ammoniac dans les recherches sur les pompes à chaleur à adsorption ou le stockage d'énergie. Le chlorure de strontium hexahydraté CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0 % (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, États-Unis) a été utilisé pour la synthèse.
Le sulfate de cuivre (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) ne fait pas partie des hydrates fréquemment rencontrés dans la littérature professionnelle, bien que ses propriétés thermodynamiques soient intéressantes pour les applications à basse température48,49. Le sulfate de cuivre CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA) a été utilisé pour la synthèse.
Le chlorure de magnésium (MgCl2) est l'un des sels hydratés qui a récemment reçu plus d'attention dans le domaine du stockage d'énergie thermique50,51. Le chlorure de magnésium hexahydraté CAS-Nr.7791-18-6 de qualité pharmaceutique pure (Applichem GmbH., Darmstadt, Allemagne) a été utilisé pour les expériences.
Comme mentionné précédemment, l'hydroxyéthylcellulose a été choisie en raison de ses résultats positifs dans des applications similaires. Le matériau utilisé dans notre synthèse est l'hydroxyéthylcellulose (n° CAS 9004-62-0) (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, États-Unis).
Les fibres métalliques sont constituées de fils courts assemblés par compression et frittage, un procédé appelé extraction à chaud au creuset (CME)52. Cela signifie que leur conductivité thermique dépend non seulement de la conductivité volumique des métaux utilisés dans la fabrication et de la porosité de la structure finale, mais aussi de la qualité des liaisons entre les fils. Les fibres ne sont pas isotropes et ont tendance à se répartir dans une certaine direction lors de la production, ce qui rend la conductivité thermique transversale beaucoup plus faible.
Les propriétés d'absorption d'eau ont été étudiées par analyse thermogravimétrique (ATG)/analyse thermogravimétrique différentielle (DTG) simultanée dans un boîtier sous vide (Netzsch TG 209 F1 Libra). Les mesures ont été réalisées sous atmosphère d'azote à un débit de 10 ml/min et à une température comprise entre 25 et 150 °C dans des creusets en oxyde d'aluminium. La vitesse de chauffage était de 1 °C/min, le poids de l'échantillon variait de 10 à 20 mg et la résolution était de 0,1 μg. Dans ce travail, il convient de noter que la différence de masse par unité de surface présente une grande incertitude. Les échantillons utilisés en ATG-DTG sont très petits et irrégulièrement découpés, ce qui rend leur détermination de surface imprécise. Ces valeurs ne peuvent être extrapolées à une zone plus large que si des écarts importants sont pris en compte.
Les spectres infrarouges à transformée de Fourier à réflexion totale atténuée (ATR-FTIR) ont été acquis sur un spectromètre FTIR Bruker Vertex 80 v (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Allemagne) à l'aide d'un accessoire ATR en platine (Bruker Optik GmbH, Allemagne). Les spectres de cristaux de diamant purs et secs ont été mesurés directement sous vide avant d'utiliser les échantillons comme fond de mesure pour les mesures expérimentales. Les échantillons ont été mesurés sous vide avec une résolution spectrale de 2 cm-1 et un nombre moyen de balayages de 32. La plage de nombres d'ondes s'étend de 8 000 à 500 cm-1. L'analyse spectrale a été réalisée à l'aide du logiciel OPUS.
L'analyse SEM a été réalisée à l'aide d'un DSM 982 Gemini de Zeiss, à des tensions d'accélération de 2 et 5 kV. La spectroscopie X dispersive en énergie (EDX) a été réalisée à l'aide d'un Thermo Fischer System 7 équipé d'un détecteur à dérive de silicium (SSD) refroidi par effet Peltier.
La préparation des plaques métalliques a été réalisée selon une procédure similaire à celle décrite en 53. La plaque a d'abord été immergée dans de l'acide sulfurique à 50 % pendant 15 minutes. Elle a ensuite été plongée dans une solution d'hydroxyde de sodium 1 M pendant environ 10 secondes. Les échantillons ont ensuite été lavés à grande eau distillée, puis trempés dans cette solution pendant 30 minutes. Après un traitement de surface préliminaire, les échantillons ont été immergés dans une solution saturée à 3 % d'HEC et de sel cible. Enfin, ils ont été retirés et séchés à 60 °C.
La méthode d'anodisation améliore et renforce la couche d'oxyde naturelle du métal passif. Les panneaux d'aluminium ont été anodisés à l'acide sulfurique à l'état durci, puis scellés à l'eau chaude. L'anodisation a suivi une attaque initiale avec de la NaOH 1 mol/l (600 s), suivie d'une neutralisation dans de l'HNO3 1 mol/l (60 s). La solution électrolytique est un mélange de 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 et 1 M MgSO4 + 7H2O. L'anodisation a été réalisée à (40 ± 1) °C, 30 mA/cm2 pendant 1 200 secondes. Le processus de scellement a été réalisé dans différentes solutions de saumure, comme décrit dans les matériaux (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). L'échantillon y a été porté à ébullition pendant 1 800 secondes.
Trois méthodes différentes de production de composites ont été étudiées : le revêtement adhésif, la réaction directe et le traitement de surface. Les avantages et les inconvénients de chaque méthode d'apprentissage sont systématiquement analysés et discutés. L'observation directe, la nano-imagerie et l'analyse chimique/élémentaire ont été utilisées pour évaluer les résultats.
L'anodisation a été choisie comme méthode de traitement de surface de conversion pour augmenter l'adhérence des hydrates de sel. Ce traitement de surface crée une structure poreuse d'alumine (alumine) directement sur la surface de l'aluminium. Traditionnellement, cette méthode se déroule en deux étapes : la première étape crée une structure poreuse d'oxyde d'aluminium, et la seconde étape crée un revêtement d'hydroxyde d'aluminium qui ferme les pores. Voici deux méthodes permettant de bloquer le sel sans bloquer l'accès à la phase gazeuse. La première consiste en un système en nid d'abeille utilisant de petits tubes d'oxyde d'aluminium (Al₂O₃) obtenus lors de la première étape pour retenir les cristaux d'adsorbant et augmenter son adhérence aux surfaces métalliques. Les nids d'abeilles obtenus ont un diamètre d'environ 50 nm et une longueur de 200 nm (Fig. 1a). Comme mentionné précédemment, ces cavités sont généralement fermées lors d'une deuxième étape par une fine couche de boehmite Al₂O(OH)₂, maintenue par ébullition dans des tubes d'alumine. Dans la deuxième méthode, ce processus de scellement est modifié de manière à ce que les cristaux de sel soient capturés dans une couche de boehmite (Al₂O(OH)) uniformément recouvrante, qui n'est pas utilisée pour le scellement dans ce cas. La deuxième étape est réalisée dans une solution saturée du sel correspondant. Les motifs décrits ont des tailles comprises entre 50 et 100 nm et ressemblent à des gouttes éclaboussées (Fig. 1b). La surface obtenue grâce au processus de scellement présente une structure spatiale prononcée avec une surface de contact accrue. Ce motif de surface, associé à ses nombreuses configurations de liaison, est idéal pour le transport et la rétention des cristaux de sel. Les deux structures décrites semblent être véritablement poreuses et présentent de petites cavités qui semblent bien adaptées à la rétention des hydrates de sel et à l'adsorption des vapeurs sur le sel pendant le fonctionnement de l'adsorbeur. Cependant, l'analyse élémentaire de ces surfaces par EDX permet de détecter des traces de magnésium et de soufre à la surface de la boehmite, qui ne sont pas détectées dans le cas d'une surface d'alumine.
Français L'ATR-FTIR de l'échantillon a confirmé que l'élément était du sulfate de magnésium (voir Figure 2b). Le spectre montre des pics caractéristiques d'ions sulfate à 610–680 et 1080–1130 cm–1 et des pics caractéristiques d'eau de réseau à 1600–1700 cm–1 et 3200–3800 cm–1 (voir Fig. 2a, c). ). La présence d'ions magnésium ne modifie pratiquement pas le spectre54.
(a) EDX d'une plaque d'aluminium MgSO4 revêtue de boehmite, (b) Spectres ATR-FTIR des revêtements de boehmite et de MgSO4, (c) Spectres ATR-FTIR du MgSO4 pur.
Le maintien de l'efficacité d'adsorption a été confirmé par TGA. La figure 3b montre un pic de désorption d'environ 60 °C. Ce pic ne correspond pas à la température des deux pics observés en TGA du sel pur (figure 3a). La répétabilité du cycle adsorption-désorption a été évaluée et la même courbe a été observée après avoir placé les échantillons en atmosphère humide (figure 3c). Les différences observées lors de la deuxième étape de désorption peuvent être le résultat d'une déshydratation en atmosphère fluide, car cela conduit souvent à une déshydratation incomplète. Ces valeurs correspondent à environ 17,9 g/m² lors de la première déshydratation et 10,3 g/m² lors de la deuxième déshydratation.
Comparaison de l'analyse TGA de la boehmite et du MgSO4 : analyse TGA du MgSO4 pur (a), du mélange (b) et après réhydratation (c).
La même méthode a été appliquée avec du chlorure de calcium comme adsorbant. Les résultats sont présentés à la figure 4. L'inspection visuelle de la surface a révélé des modifications mineures de la brillance métallique. La fourrure est à peine visible. Le MEB a confirmé la présence de petits cristaux uniformément répartis sur la surface. Cependant, l'ATG n'a montré aucune déshydratation en dessous de 150 °C. Cela pourrait être dû au fait que la proportion de sel est trop faible par rapport à la masse totale du substrat pour être détectée par ATG.
Les résultats du traitement de surface du revêtement de sulfate de cuivre par anodisation sont présentés à la figure 5. Dans ce cas, l'incorporation attendue de CuSO4 dans la structure de l'oxyde d'aluminium ne s'est pas produite. On observe plutôt des aiguilles libres, comme celles couramment utilisées pour l'hydroxyde de cuivre Cu(OH)2 utilisé avec les colorants turquoise classiques.
Le traitement de surface anodisé a également été testé en association avec du chlorure de strontium. Les résultats ont montré une couverture inégale (voir figure 6a). Afin de déterminer si le sel recouvrait toute la surface, une analyse EDX a été réalisée. La courbe d'un point de la zone grise (point 1 de la figure 6b) présente une faible teneur en strontium et une forte teneur en aluminium. Cela indique une faible teneur en strontium dans la zone mesurée, ce qui, à son tour, indique une faible couverture en chlorure de strontium. À l'inverse, les zones blanches présentent une teneur élevée en strontium et une faible teneur en aluminium (points 2 à 6 de la figure 6b). L'analyse EDX de la zone blanche montre des points plus foncés (points 2 et 4 de la figure 6b), pauvres en chlore et riches en soufre. Cela pourrait indiquer la formation de sulfate de strontium. Les points plus clairs reflètent une teneur élevée en chlore et une faible teneur en soufre (points 3, 5 et 6 de la figure 6b). Cela peut s'expliquer par le fait que la majeure partie du revêtement blanc est constituée du chlorure de strontium attendu. L'analyse TGA de l'échantillon a confirmé l'interprétation de l'analyse avec un pic à la température caractéristique du chlorure de strontium pur (Fig. 6c). Leur faible valeur peut être justifiée par une faible fraction de sel par rapport à la masse du support métallique. La masse de désorption déterminée lors des expériences correspond à une quantité de 7,3 g/m² libérée par unité de surface de l'adsorbeur à une température de 150 °C.
Des revêtements de sulfate de zinc traités à l'éloxal ont également été testés. Macroscopiquement, le revêtement est une couche très fine et uniforme (Fig. 7a). Cependant, le MEB a révélé une surface couverte de petits cristaux séparés par des zones vides (Fig. 7b). L'ATG du revêtement et du substrat a été comparée à celle du sel pur (Figure 7c). Le sel pur présente un pic asymétrique à 59,1 °C. L'aluminium revêtu présente deux petits pics à 55,5 °C et 61,3 °C, indiquant la présence d'hydrate de sulfate de zinc. La différence de masse révélée lors de l'expérience correspond à 10,9 g/m² à une température de déshydratation de 150 °C.
Comme dans l'application précédente53, l'hydroxyéthylcellulose a été utilisée comme liant pour améliorer l'adhérence et la stabilité du revêtement absorbant. La compatibilité du matériau et son effet sur les performances d'adsorption ont été évalués par TGA. L'analyse est effectuée par rapport à la masse totale, c'est-à-dire que l'échantillon comprend une plaque métallique utilisée comme substrat de revêtement. L'adhérence est testée par un test basé sur le test d'entaille croisée défini dans la spécification ISO2409 (ne peut pas satisfaire à la spécification de séparation des entailles selon l'épaisseur et la largeur spécifiées).
Le revêtement des panneaux avec du chlorure de calcium (CaCl2) (voir Fig. 8a) a entraîné une distribution inégale, ce qui n'a pas été observé dans le revêtement d'aluminium pur utilisé pour l'essai d'entaille transversale. Comparé aux résultats pour le CaCl2 pur, l'ATG (Fig. 8b) montre deux pics caractéristiques décalés vers des températures plus basses de 40 et 20 °C, respectivement. L'essai en coupe transversale ne permet pas une comparaison objective car l'échantillon de CaCl2 pur (échantillon de droite sur la Fig. 8c) est un précipité poudreux, qui élimine les particules les plus superficielles. Les résultats HEC ont montré un revêtement très fin et uniforme avec une adhérence satisfaisante. La différence de masse illustrée sur la Fig. 8b correspond à 51,3 g/m2 par unité de surface de l'adsorbeur à une température de 150 °C.
Français Des résultats positifs en termes d'adhérence et d'uniformité ont également été obtenus avec le sulfate de magnésium (MgSO4) (voir Fig. 9). L'analyse du processus de désorption du revêtement a montré la présence d'un pic d'environ 60 °C. Cette température correspond à l'étape principale de désorption observée lors de la déshydratation des sels purs, représentant une autre étape à 44 °C. Elle correspond à la transition de l'hexahydrate au pentahydrate et n'est pas observée dans le cas des revêtements avec liants. Les tests en coupe transversale montrent une distribution et une adhérence améliorées par rapport aux revêtements fabriqués à partir de sel pur. La différence de masse observée en TGA-DTC correspond à 18,4 g/m² par unité de surface de l'adsorbeur à une température de 150 °C.
En raison d'irrégularités de surface, le chlorure de strontium (SrCl2) présente un revêtement irrégulier sur les ailettes (Fig. 10a). Cependant, les résultats du test d'entaille transversale ont montré une distribution uniforme avec une adhérence significativement améliorée (Fig. 10c). L'analyse TGA a montré une très faible différence de poids, ce qui doit être dû à la teneur en sel plus faible par rapport au substrat métallique. Cependant, les paliers sur la courbe indiquent la présence d'un processus de déshydratation, bien que le pic soit associé à la température obtenue lors de la caractérisation du sel pur. Les pics à 110 °C et 70,2 °C observés sur les figures 10b ont également été retrouvés lors de l'analyse du sel pur. Cependant, la principale étape de déshydratation observée dans le sel pur à 50 °C n'était pas reflétée dans les courbes utilisant le liant. En revanche, le mélange de liant présentait deux pics à 20,2 °C et 94,1 °C, qui n'ont pas été mesurés pour le sel pur (Fig. 10b). A une température de 150 °C, la différence de masse observée correspond à 7,2 g/m2 par unité de surface de l'adsorbeur.
L'association de HEC et de sulfate de zinc (ZnSO4) n'a pas donné de résultats acceptables (figure 11). L'analyse TGA du métal revêtu n'a révélé aucun processus de déshydratation. Bien que la distribution et l'adhérence du revêtement se soient améliorées, ses propriétés sont encore loin d'être optimales.
Le moyen le plus simple de revêtir les fibres métalliques d'une couche fine et uniforme est l'imprégnation humide (Fig. 12a), qui comprend la préparation du sel cible et l'imprégnation des fibres métalliques avec une solution aqueuse.
Lors de la préparation de l'imprégnation humide, deux problèmes principaux se posent. D'une part, la tension superficielle de la solution saline empêche l'incorporation correcte du liquide dans la structure poreuse. La cristallisation à la surface externe (Fig. 12d) et les bulles d'air emprisonnées à l'intérieur de la structure (Fig. 12c) ne peuvent être réduites qu'en abaissant la tension superficielle et en préhumidifiant l'échantillon avec de l'eau distillée. La dissolution forcée dans l'échantillon par évacuation de l'air ou par création d'un flux de solution dans la structure sont d'autres moyens efficaces pour assurer un remplissage complet de la structure.
Le deuxième problème rencontré lors de la préparation était l'élimination du film d'une partie du sel (voir Fig. 12b). Ce phénomène se caractérise par la formation d'un revêtement sec à la surface de dissolution, ce qui interrompt le séchage stimulé par convection et déclenche le processus stimulé par diffusion. Ce deuxième mécanisme est beaucoup plus lent que le premier. Par conséquent, une température élevée est nécessaire pour un temps de séchage raisonnable, ce qui augmente le risque de formation de bulles à l'intérieur de l'échantillon. Ce problème est résolu par l'introduction d'une méthode alternative de cristallisation basée non pas sur la variation de concentration (évaporation), mais sur la variation de température (comme dans l'exemple du MgSO4 de la Fig. 13).
Représentation schématique du processus de cristallisation lors du refroidissement et de la séparation des phases solide et liquide à l'aide de MgSO4.
Des solutions salines saturées peuvent être préparées à température ambiante (HT) ou au-dessus grâce à cette méthode. Dans le premier cas, la cristallisation a été forcée en abaissant la température en dessous de la température ambiante. Dans le second cas, la cristallisation s'est produite lorsque l'échantillon a été refroidi à température ambiante (TA). On obtient ainsi un mélange de cristaux (B) et de solution (A), dont la partie liquide est éliminée par air comprimé. Cette approche permet non seulement d'éviter la formation d'un film sur ces hydrates, mais aussi de réduire le temps nécessaire à la préparation d'autres composites. Cependant, l'élimination du liquide par air comprimé entraîne une cristallisation supplémentaire du sel, ce qui produit un revêtement plus épais.
Une autre méthode de revêtement des surfaces métalliques consiste à produire directement des sels cibles par réactions chimiques. Les échangeurs de chaleur revêtus, fabriqués par réaction d'acides sur les surfaces métalliques des ailettes et des tubes, présentent de nombreux avantages, comme indiqué dans notre étude précédente. L'application de cette méthode aux fibres a donné de très mauvais résultats en raison de la formation de gaz pendant la réaction. La pression des bulles d'hydrogène s'accumule à l'intérieur de la sonde et varie lors de l'éjection du produit (Fig. 14a).
Le revêtement a été modifié par réaction chimique afin de mieux contrôler son épaisseur et sa répartition. Cette méthode consiste à faire passer un brouillard acide à travers l'échantillon (figure 14b). Cette réaction devrait produire un revêtement uniforme avec le métal du substrat. Les résultats sont satisfaisants, mais le processus est trop lent pour être considéré comme efficace (figure 14c). Un chauffage localisé permet d'obtenir des temps de réaction plus courts.
Pour pallier les inconvénients des méthodes ci-dessus, une méthode de revêtement basée sur l'utilisation d'adhésifs a été étudiée. Le HEC a été sélectionné sur la base des résultats présentés dans la section précédente. Tous les échantillons ont été préparés à 3 % en poids. Le liant est mélangé à du sel. Les fibres ont été prétraitées selon la même procédure que pour les nervures, c'est-à-dire trempées dans de l'acide sulfurique à 50 % vol. en 15 minutes, puis trempées dans de l'hydroxyde de sodium pendant 20 secondes, lavées à l'eau distillée et enfin trempées dans de l'eau distillée pendant 30 minutes. Dans ce cas, une étape supplémentaire a été ajoutée avant l'imprégnation. L'échantillon a été brièvement immergé dans une solution saline cible diluée et séché à environ 60 °C. Ce procédé vise à modifier la surface du métal, créant des sites de nucléation qui améliorent la distribution du revêtement lors de l'étape finale. La structure fibreuse présente un côté où les filaments sont plus fins et serrés, et l'autre côté où les filaments sont plus épais et moins répartis. C'est le résultat de 52 processus de fabrication.
Les résultats pour le chlorure de calcium (CaCl₂) sont résumés et illustrés par des images dans le tableau 1. Bonne couverture après inoculation. Même les brins sans cristaux visibles en surface présentaient des reflets métalliques réduits, indiquant un changement de finition. Cependant, après imprégnation des échantillons avec un mélange aqueux de CaCl₂ et de HEC et séchage à une température d'environ 60 °C, les revêtements se sont concentrés aux intersections des structures. Cet effet est dû à la tension superficielle de la solution. Après trempage, le liquide reste à l'intérieur de l'échantillon en raison de sa tension superficielle. Cela se produit essentiellement à l'intersection des structures. La meilleure face de l'échantillon présente plusieurs trous remplis de sel. Le poids a augmenté de 0,06 g/cm⁻³ après revêtement.
Le revêtement au sulfate de magnésium (MgSO4) a produit davantage de sel par unité de volume (tableau 2). Dans ce cas, l'incrément mesuré est de 0,09 g/cm3. Le processus d'ensemencement a permis une couverture étendue de l'échantillon. Après le revêtement, le sel bloque de larges zones du côté mince de l'échantillon. De plus, certaines zones de la matte sont bloquées, mais une certaine porosité est conservée. Dans ce cas, la formation de sel est facilement observable à l'intersection des structures, confirmant que le processus de revêtement est principalement dû à la tension superficielle du liquide, et non à l'interaction entre le sel et le substrat métallique.
Les résultats obtenus avec la combinaison de chlorure de strontium (SrCl₂) et de HEC ont montré des propriétés similaires à celles des exemples précédents (tableau 3). Dans ce cas, la face la plus fine de l'échantillon est presque entièrement recouverte. Seuls quelques pores individuels, formés lors du séchage par la vapeur dégagée par l'échantillon, sont visibles. Le motif observé sur la face mate est très similaire au cas précédent : la zone est obstruée par du sel et les fibres ne sont pas entièrement recouvertes.
Afin d'évaluer l'effet positif de la structure fibreuse sur les performances thermiques de l'échangeur de chaleur, la conductivité thermique effective de la structure fibreuse revêtue a été déterminée et comparée à celle du matériau de revêtement pur. La conductivité thermique a été mesurée conformément à la norme ASTM D 5470-2017 à l'aide du dispositif à écran plat illustré à la figure 15a, avec un matériau de référence dont la conductivité thermique est connue. Comparé à d'autres méthodes de mesure transitoire, ce principe est avantageux pour les matériaux poreux utilisés dans la présente étude, car les mesures sont effectuées en régime permanent et avec un échantillon de taille suffisante (surface de base 30 × 30 mm², hauteur environ 15 mm). Des échantillons du matériau de revêtement pur (référence) et de la structure fibreuse revêtue ont été préparés pour des mesures dans le sens de la fibre et perpendiculairement à celui-ci afin d'évaluer l'effet de la conductivité thermique anisotrope. Les échantillons ont été meulés en surface (grain P320) afin de minimiser l'effet de la rugosité de surface due à la préparation de l'échantillon, qui ne reflète pas la structure interne de l'échantillon.