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La part de marché des systèmes de réfrigération à adsorption et des pompes à chaleur est encore relativement faible par rapport aux systèmes de compresseurs traditionnels.Malgré l'énorme avantage d'utiliser de la chaleur bon marché (au lieu de travaux électriques coûteux), la mise en œuvre de systèmes basés sur des principes d'adsorption est encore 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 à adsorption commerciaux de pointe actuels sont basés sur des adsorbeurs basés sur des échangeurs de chaleur à plaques revêtus pour optimiser la capacité de refroidissement.Les résultats sont bien connus : la diminution de l'épaisseur du revêtement entraîne une diminution de l'impédance de transfert de masse, et l'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 de l'ordre de 2 500 à 50 000 m2/m3.Trois méthodes pour obtenir des revêtements très minces 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 à base d'anodisation de l'aluminium est choisi pour créer une liaison plus forte entre le revêtement et le substrat.La microstructure de la surface résultante a été analysée par microscopie électronique à balayage.La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier à réflexion totale réduite et la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie ont été utilisées pour vérifier la présence de l'espèce souhaitée dans le dosage.Leur capacité à former des hydrates a été confirmée par analyse combinée thermogravimétrique (TGA)/analyse thermogravimétrique différentielle (DTG).Une mauvaise qualité supérieure à 0,07 g (eau)/g (composite) a été trouvée dans le revêtement de MgSO4, montrant 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 adsorbantes des produits ont été évaluées par TGA-DTG simultanées et leur adhésion 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 considérablement améliorées tout en maintenant sa capacité d'adsorption avec une différence de poids d'environ 0,1 g/g à des températures inférieures à 100 °C.De plus, MgSO4 conserve la capacité de former des hydrates, montrant une différence de masse de plus de 0,04 g/g à des températures inférieures à 100 °C.Enfin, les fibres métalliques enrobées sont examinées.Les résultats montrent que la conductivité thermique effective de la structure fibreuse revêtue d'Al2(SO4)3 peut être 4,7 fois plus élevée par rapport au 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 coupes 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 attiré beaucoup d'attention au cours des dernières décennies car ils offrent une alternative écologique aux pompes à chaleur à compression traditionnelles ou aux systèmes de réfrigération.Avec l'augmentation des normes de confort et des températures moyennes mondiales, les systèmes d'adsorption pourraient réduire la dépendance aux combustibles fossiles dans un proche avenir.De plus, toute amélioration de la réfrigération par adsorption ou des pompes à chaleur peut être transférée au stockage de l'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 à adsorption est qu'ils peuvent fonctionner avec une faible masse calorifique.Cela les rend adaptés aux sources à 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 d'énergie plus élevée et d'une moindre dissipation d'énergie par rapport au stockage de chaleur sensible ou latente.
Les pompes à chaleur à adsorption et les systèmes de réfrigération suivent le même cycle thermodynamique que leurs homologues à compression de vapeur.La principale différence est le remplacement des composants du compresseur par des adsorbeurs.L'élément est capable d'adsorber la vapeur de réfrigérant à basse pression à des températures modérées, évaporant plus de réfrigérant même lorsque le liquide est froid.Il est nécessaire d'assurer un refroidissement constant de l'adsorbeur afin d'exclure l'enthalpie d'adsorption (exotherme).L'adsorbeur est régénéré à haute température, provoquant la désorption de la vapeur de fluide frigorigène.Le chauffage doit continuer à fournir l'enthalpie de désorption (endothermique).Étant donné que les processus d'adsorption sont caractérisés par des changements de température, une densité de puissance élevée nécessite une conductivité thermique élevée.Cependant, une faible conductivité thermique est de loin le principal inconvénient dans la plupart des applications.
Le principal problème de la conductivité est d'augmenter sa valeur moyenne tout en maintenant le chemin de transport qui assure le flux de 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 poudre de graphite expansé imprégnée de chlorure de calcium pour produire un adsorbeur avec une capacité de refroidissement spécifique (SCP) jusqu'à 306 W/kg et un coefficient de performance (COP) jusqu'à 0,46.Zajaczkowski et al.3 ont proposé une combinaison de graphite expansé, de fibre de carbone et de chlorure de calcium avec une conductivité totale de 15 W/mK.Jian et al4 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 de loin la plus viable est l'échangeur de chaleur revêtu.Les mécanismes de revêtement de ces échangeurs de chaleur peuvent être divisés en deux catégories : la synthèse directe et les adhésifs.La méthode la plus réussie est la synthèse directe, qui implique la formation de matériaux adsorbants directement sur la surface des échangeurs de chaleur à partir des réactifs appropriés.Sotech5 a breveté une méthode de synthèse de zéolite enrobée pour une utilisation dans une série de refroidisseurs fabriqués par Fahrenheit GmbH.Schnabel et al6 ont testé les performances de deux zéolithes déposées sur de l'acier inoxydable.Cependant, cette méthode ne fonctionne qu'avec des adsorbants spécifiques, ce qui fait du revêtement avec des adhésifs 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 échangeurs de chaleur en aluminium revêtus de zéolithe AQSOA-Z02 stabilisée avec un liant à base d'argile.Calabrese et al.8 ont étudié la préparation de revêtements de zéolithe avec des liants polymères.Ammann et al.9 ont proposé une méthode de préparation de revêtements zéolitiques 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 plusieurs hydrates de sel forme des structures de perles 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 le chlorure de calcium18 ou le sulfure de sodium19.
Les composites à structure métallique poreuse peuvent être divisés en échangeurs de chaleur additifs et en échangeurs de chaleur revêtus.L'avantage de ces structures est la surface spécifique élevée.Il en résulte 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 zéolithique à structure alvéolaire en aluminium.Gillerminot et al.21 a amélioré la conductivité thermique des couches de zéolithe NaX avec une mousse de cuivre et de nickel.Bien que les composites soient utilisés comme matériaux à changement de phase (PCM), les découvertes de Li et al.22 et Zhao et al.23 présentent également un intérêt 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 poreuses métalliques24.Van der Pal et al.ont étudié les sels métalliques noyés dans les mousses 25 .Tous les exemples précédents correspondent à des couches denses d'adsorbants particulaires.Les structures poreuses métalliques ne sont pratiquement pas utilisées pour revêtir les adsorbeurs, ce qui est une solution plus optimale.Un exemple de liaison aux zéolithes peut être trouvé dans Wittstadt et al.26 mais aucune tentative n'a été faite pour lier les hydrates de sel malgré leur densité d'énergie plus élevée 27 .
Ainsi, trois méthodes de préparation de revêtements adsorbants seront explorées dans cet article : (1) revêtement de liant, (2) réaction directe et (3) traitement de surface.L'hydroxyéthylcellulose était le liant de choix dans ce travail en raison de la stabilité rapportée précédemment et de la bonne adhérence du revêtement en combinaison avec des adsorbants physiques.Cette méthode a d'abord été étudiée pour les revêtements plats et plus tard appliquée aux structures en fibres métalliques.Auparavant, une analyse préliminaire de la possibilité de réactions chimiques avec la formation de revêtements adsorbants a été rapportée.L'expérience antérieure est maintenant transférée au revêtement des 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 associée 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 effectuer aucun processus d'adsorption ou de désorption.Cet article présente une variante de cette approche qui permet de déplacer la masse en utilisant les propriétés adhésives du procédé original.A 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 embouties utilisées comme substrats pour ces expériences ont été fournies par ALINVEST Břidličná, République tchèque.Ils 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 choisis 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.Les propriétés thermodynamiques ont été systématiquement mesurées et se sont avérées 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 CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, 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 Utilisé à 97 % (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.Du 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 associé 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, USA) a été utilisé pour la synthèse.
Le sulfate de cuivre (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) ne fait pas partie des hydrates fréquemment retrouvés 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 fait l'objet de plus d'attention dans le domaine du stockage de l'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 ci-dessus, l'hydroxyéthylcellulose a été choisie en raison des résultats positifs dans des applications similaires.Le matériau utilisé dans notre synthèse est l'hydroxyéthylcellulose CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Les fibres métalliques sont fabriquées à partir de fils courts liés ensemble par compression et frittage, un processus connu sous le nom d'extraction par fusion en 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 dans le sens transversal beaucoup plus faible.
Les propriétés d'absorption d'eau ont été étudiées à l'aide d'une analyse thermogravimétrique simultanée (TGA)/analyse thermogravimétrique différentielle (DTG) dans un emballage sous vide (Netzsch TG 209 F1 Libra).Les mesures ont été effectuées dans une atmosphère d'azote en circulation à un débit de 10 ml/min et une plage de température de 25 à 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, la résolution était de 0,1 μg.Dans ce travail, il convient de noter que la différence de masse par unité de surface a une grande incertitude.Les échantillons utilisés dans TGA-DTG sont très petits et coupés de manière irrégulière, ce qui rend leur détermination de surface imprécise.Ces valeurs ne peuvent être extrapolées à une zone plus grande que si de grands écarts 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 en platine ATR (Bruker Optik GmbH, Allemagne).Les spectres de cristaux de diamant secs purs ont été mesurés directement sous vide avant d'utiliser les échantillons comme arrière-plan pour des mesures expérimentales.Les échantillons ont été mesurés dans le vide en utilisant une résolution spectrale de 2 cm-1 et un nombre moyen de balayages de 32. Le nombre d'onde varie de 8000 à 500 cm-1.L'analyse spectrale a été effectuée à l'aide du programme 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 de rayons X à dispersion d'énergie (EDX) a été réalisée à l'aide d'un Thermo Fischer System 7 avec un détecteur à dérive de silicium refroidi par effet Peltier (SSD).
La préparation des plaques métalliques a été réalisée selon un mode opératoire similaire à celui décrit en 53. Dans un premier temps, plonger la plaque dans de l'acide sulfurique à 50 %.15 minutes.Ensuite, ils ont été introduits dans une solution d'hydroxyde de sodium 1 M pendant environ 10 secondes.Ensuite, les échantillons ont été lavés avec une grande quantité d'eau distillée, puis trempés dans de l'eau distillée pendant 30 minutes.Après un traitement de surface préliminaire, les échantillons ont été immergés dans une solution saturée à 3 %.HEC et sel cible.Enfin, sortez-les et séchez-les à 60°C.
La méthode d'anodisation améliore et renforce la couche d'oxyde naturelle sur le métal passif.Les panneaux d'aluminium ont été anodisés avec de l'acide sulfurique à l'état durci puis scellés dans de l'eau chaude.L'anodisation a suivi une attaque initiale avec 1 mol/l NaOH (600 s) suivie d'une neutralisation dans 1 mol/l HNO3 (60 s).La solution d'électrolyte 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 1200 secondes.Le processus de scellement a été effectué dans diverses solutions de saumure comme décrit dans les matériaux (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).L'échantillon y est bouilli pendant 1800 secondes.
Trois méthodes différentes de production de composites ont été étudiées : revêtement adhésif, réaction directe et traitement de surface.Les avantages et les inconvénients de chaque méthode de formation sont systématiquement analysés et discutés.L'observation directe, la nanoimagerie et l'analyse chimique/élémentaire ont été utilisées pour évaluer les résultats.
L'anodisation a été choisie comme méthode de traitement de surface par 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 compose de deux étapes : la première étape crée une structure poreuse d'oxyde d'aluminium, et la deuxième étape crée un revêtement d'hydroxyde d'aluminium qui ferme les pores.Voici deux méthodes de blocage du sel sans bloquer l'accès à la phase gazeuse.Le premier consiste en un système en nid d'abeille utilisant de petits tubes d'oxyde d'aluminium (Al2O3) obtenus lors de la première étape pour maintenir les cristaux d'adsorbant et augmenter son adhérence aux surfaces métalliques.Les nids d'abeilles résultants ont un diamètre d'environ 50 nm et une longueur de 200 nm (Fig. 1a).Comme mentionné précédemment, ces cavités sont généralement fermées dans une deuxième étape avec une fine couche de boehmite Al2O(OH)2 supportée par le procédé d'ébullition du tube d'alumine.Dans la deuxième méthode, ce processus de scellement est modifié de telle manière que les cristaux de sel sont capturés dans une couche uniformément couvrante de boehmite (Al2O(OH)), 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 à la suite du processus de scellement a une structure spatiale prononcée avec une surface de contact accrue.Ce motif de surface, ainsi que leurs nombreuses configurations de liaison, est idéal pour transporter et maintenir des cristaux de sel.Les deux structures décrites semblent être vraiment poreuses et ont de petites cavités qui semblent être bien adaptées pour retenir les hydrates de sel et adsorber les vapeurs sur le sel pendant le fonctionnement de l'adsorbeur.Cependant, l'analyse élémentaire de ces surfaces à l'aide de l'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.
L'ATR-FTIR de l'échantillon a confirmé que l'élément était du sulfate de magnésium (voir la figure 2b).Le spectre montre des pics d'ions sulfate caractéristiques à 610–680 et 1080–1130 cm–1 et des pics d'eau de réseau caractéristiques à 1600–1700 cm–1 et 3200–3800 cm–1 (voir Fig. 2a, c).).La présence d'ions magnésium ne modifie quasiment pas le spectre54.
( a ) EDX d'une plaque d'aluminium MgSO4 revêtue de boehmite, ( b ) spectres ATR-FTIR de revêtements boehmite et MgSO4, ( c ) spectres ATR-FTIR de MgSO4 pur.
Le maintien de l'efficacité d'adsorption a été confirmé par TGA.Sur la fig.3b montre un pic de désorption d'env.60°C.Ce pic ne correspond pas à la température des deux pics observés en TGA de sel pur (Fig. 3a).La répétabilité du cycle d'adsorption-désorption a été évaluée et la même courbe a été observée après avoir placé les échantillons dans une atmosphère humide (Fig. 3c).Les différences observées dans la deuxième étape de désorption peuvent être le résultat d'une déshydratation dans une atmosphère fluide, car cela conduit souvent à une déshydratation incomplète.Ces valeurs correspondent à environ 17,9 g/m2 lors du premier essorage et 10,3 g/m2 lors du second essorage.
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 réalisée avec du chlorure de calcium comme adsorbant.Les résultats sont présentés sur la figure 4. L'inspection visuelle de la surface a révélé des changements mineurs dans la lueur métallique.La fourrure est à peine visible.Le MEB a confirmé la présence de petits cristaux uniformément répartis sur la surface.Cependant, TGA n'a montré aucune déshydratation en dessous de 150°C.Ceci peut être dû au fait que la proportion de sel est trop faible par rapport à la masse totale du substrat pour une détection par TGA.
Les résultats du traitement de surface du revêtement de sulfate de cuivre par la méthode d'anodisation sont illustrés à la fig.5. Dans ce cas, l'incorporation attendue de CuSO4 dans la structure d'oxyde d'Al ne s'est pas produite.Au lieu de cela, des aiguilles lâches sont observées car elles sont couramment utilisées pour l'hydroxyde de cuivre Cu (OH) 2 utilisé avec des colorants turquoise typiques.
Le traitement de surface anodisé a également été testé en combinaison avec du chlorure de strontium.Les résultats ont montré une couverture inégale (voir Figure 6a).Pour déterminer si le sel couvrait toute la surface, une analyse EDX a été effectuée.La courbe pour un point dans la zone grise (point 1 sur la Fig. 6b) montre peu de strontium et beaucoup d'aluminium.Cela indique une faible teneur en strontium dans la zone mesurée, ce qui, à son tour, indique une faible couverture de chlorure de strontium.A l'inverse, les zones blanches ont une forte teneur en strontium et une faible teneur en aluminium (points 2 à 6 sur la Fig. 6b).L'analyse EDX de la zone blanche montre des points plus foncés (points 2 et 4 sur la figure 6b), pauvres en chlore et riches en soufre.Cela peut 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 sur 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'ATG 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 dans les expériences correspond à la quantité de 7,3 g/m2 dégagée par unité de surface de l'adsorbeur à une température de 150°C.
Des revêtements de sulfate de zinc traités à l'Eloxal 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).Le TGA du revêtement et du substrat a été comparé à celui du sel pur (Figure 7c).Le sel pur a un pic asymétrique à 59,1°C.L'aluminium revêtu présentait deux petits pics à 55,5°C et 61,3°C, indiquant la présence de sulfate de zinc hydraté.La différence de masse révélée dans l'expérience correspond à 10,9 g/m2 à une température de déshydratation de 150°C.
Comme dans la demande précédente53, l'hydroxyéthylcellulose a été utilisée comme liant pour améliorer l'adhérence et la stabilité du revêtement absorbant.La compatibilité des matériaux et l'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 répondre à la spécification de séparation d'entaille en fonction de l'épaisseur et de la largeur de la spécification).
Le revêtement des panneaux avec du chlorure de calcium (CaCl2) (voir Fig. 8a) a entraîné une distribution inégale, qui n'a pas été observée dans le revêtement en aluminium pur utilisé pour le test d'entaille transversale.Comparé aux résultats pour le CaCl2 pur, le TGA (Fig. 8b) montre deux pics caractéristiques décalés vers des températures plus basses de 40 et 20°C, respectivement.Le test de section transversale ne permet pas une comparaison objective car l'échantillon de CaCl2 pur (échantillon à droite sur la Fig. 8c) est un précipité pulvérulent, qui élimine les particules les plus hautes.Les résultats HEC ont montré un revêtement très mince et uniforme avec une adhérence satisfaisante.La différence de masse indiquée sur la fig.8b correspond à 51,3 g/m2 par unité de surface de l'adsorbeur à une température de 150°C.
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'env.60°C.Cette température correspond à l'étape principale de désorption observée dans la déshydratation des sels purs, représentant une autre étape à 44°C.Elle correspond au passage de l'hexahydraté au pentahydraté et n'est pas observée dans le cas des revêtements avec liants.Les tests de section transversale montrent une distribution et une adhérence améliorées par rapport aux revêtements fabriqués à l'aide 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 des 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, qui doit être due à la plus faible teneur en sel par rapport au substrat métallique.Cependant, les étapes sur la courbe montrent 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 Fig.10b ont également été trouvés lors de l'analyse du sel pur.Cependant, l'étape principale de déshydratation observée dans le sel pur à 50°C n'a pas été reflétée dans les courbes utilisant le liant.En revanche, le mélange de liant a montré 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.
La combinaison 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 répartition et l'adhérence du revêtement se soient améliorées, ses propriétés sont encore loin d'être optimales.
Le moyen le plus simple de revêtir des fibres métalliques d'une couche mince 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 sont rencontrés.D'une part, la tension superficielle de la solution saline empêche l'incorporation correcte du liquide dans la structure poreuse.La cristallisation sur la surface externe (Fig. 12d) et les bulles d'air piégées à l'intérieur de la structure (Fig. 12c) ne peuvent être réduites qu'en abaissant la tension superficielle et en pré-humidifiant l'échantillon avec de l'eau distillée.La dissolution forcée dans l'échantillon en évacuant l'air à l'intérieur ou en créant 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 a été le retrait du film d'une partie du sel (voir Fig. 12b).Ce phénomène est caractérisé par la formation d'un revêtement sec sur la surface de dissolution, qui arrête le séchage stimulé par convection et démarre le processus stimulé par diffusion.Le deuxième mécanisme est beaucoup plus lent que le premier.Par conséquent, une température élevée est requise 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 en introduisant une méthode alternative de cristallisation basée non pas sur le changement de concentration (évaporation), mais sur le changement de température (comme dans l'exemple avec MgSO4 sur la figure 13).
Représentation schématique du processus de cristallisation lors du refroidissement et de la séparation des phases solide et liquide à l'aide de MgSO4.
Les solutions salines saturées peuvent être préparées à ou au-dessus de la température ambiante (HT) en utilisant 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 (RT).Le résultat est un mélange de cristaux (B) et de dissous (A), dont la partie liquide est éliminée par de l'air comprimé.Cette approche évite non seulement la formation d'un film sur ces hydrates, mais réduit également le temps nécessaire à la préparation d'autres composites.Cependant, l'élimination du liquide par l'air comprimé conduit à une cristallisation supplémentaire du sel, résultant en un revêtement plus épais.
Une autre méthode qui peut être utilisée pour revêtir des surfaces métalliques implique la production directe de sels cibles par des réactions chimiques.Les échangeurs de chaleur revêtus fabriqués par la réaction d'acides sur les surfaces métalliques des ailettes et des tubes présentent un certain nombre d'avantages, comme indiqué dans notre étude précédente.L'application de cette méthode aux fibres a conduit à de très mauvais résultats dus à la formation de gaz lors de la réaction.La pression des bulles d'hydrogène gazeux s'accumule à l'intérieur de la sonde et se déplace lorsque le produit est éjecté (Fig. 14a).
Le revêtement a été modifié par une réaction chimique pour mieux contrôler l'épaisseur et la distribution du revêtement.Cette méthode consiste à faire passer un courant de brouillard acide à travers l'échantillon (Figure 14b).On s'attend à ce qu'il en résulte un revêtement uniforme par réaction avec le métal du substrat.Les résultats étaient satisfaisants, mais le processus était trop lent pour être considéré comme une méthode efficace (Fig. 14c).Des temps de réaction plus courts peuvent être obtenus par un chauffage localisé.
Pour pallier les inconvénients des procédés ci-dessus, un procédé d'enduction basé sur l'utilisation d'adhésifs a été étudié.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 avec du sel.Les fibres ont été prétraitées selon le même mode opératoire que pour les côtes, c'est-à-dire trempées dans 50% vol.dans les 15 minutes.l'acide sulfurique, puis trempé dans de l'hydroxyde de sodium pendant 20 secondes, lavé à l'eau distillée et enfin trempé dans de l'eau distillée pendant 30 minutes.Dans ce cas, une étape supplémentaire a été ajoutée avant l'imprégnation.Immerger brièvement l'échantillon dans une solution saline cible diluée et sécher à environ 60°C.Le processus est conçu pour modifier la surface du métal, créant des sites de nucléation qui améliorent la distribution du revêtement à l'étape finale.La structure fibreuse a un côté où les filaments sont plus fins et serrés, et le côté opposé où les filaments sont plus épais et moins répartis.C'est le résultat de 52 procédés 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 à la surface avaient des reflets métalliques réduits, indiquant un changement de finition.Cependant, après que les échantillons ont été imprégnés d'un mélange aqueux de CaCl2 et de HEC et séchés à une température d'environ 60°C, les revêtements ont été concentrés aux intersections des structures.Il s'agit d'un effet causé par la tension superficielle de la solution.Après trempage, le liquide reste à l'intérieur de l'échantillon en raison de sa tension superficielle.Fondamentalement, il se produit à l'intersection des structures.Le meilleur côté du spécimen a plusieurs trous remplis de sel.Le poids a augmenté de 0,06 g/cm3 après revêtement.
Le revêtement avec du sulfate de magnésium (MgSO4) a produit plus 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 donné lieu à une vaste couverture de l'échantillon.Après le processus de revêtement, le sel bloque de grandes surfaces du côté mince de l'échantillon.De plus, certaines zones du mat sont bloquées, mais une certaine porosité est conservée.Dans ce cas, la formation de sel est facilement observée 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 pour la combinaison de chlorure de strontium (SrCl2) et de HEC ont montré des propriétés similaires aux exemples précédents (tableau 3).Dans ce cas, le côté le plus fin de l'échantillon est presque entièrement recouvert.Seuls les pores individuels sont visibles, formés lors du séchage à la suite de la libération de vapeur de l'échantillon.Le motif observé sur le côté mat est très similaire au cas précédent, la zone est bloquée par du sel et les fibres ne sont pas complètement 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 au matériau de revêtement pur.La conductivité thermique a été mesurée selon la norme ASTM D 5470-2017 à l'aide du dispositif à écran plat illustré à la figure 15a en utilisant un matériau de référence avec une conductivité thermique connue.Comparé à d'autres méthodes de mesure transitoires, ce principe est avantageux pour les matériaux poreux utilisés dans la présente étude, puisque les mesures sont effectuées en régime permanent et avec une taille d'échantillon 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 la direction de la fibre et perpendiculairement à la direction de la fibre pour évaluer l'effet de la conductivité thermique anisotrope.Les éprouvettes ont été meulées en surface (grain P320) pour minimiser l'effet de la rugosité de surface due à la préparation de l'éprouvette, qui ne reflète pas la structure à l'intérieur de l'éprouvette.