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A participação de mercado de sistemas de refrigeração por adsorção e bombas de calor ainda é relativamente pequena em comparação com os sistemas de compressores tradicionais.Apesar da enorme vantagem de usar calor barato (em vez de trabalho elétrico caro), a implementação de sistemas baseados em princípios de adsorção ainda é limitada a algumas aplicações específicas.A principal desvantagem que precisa ser eliminada é a diminuição da potência específica devido à baixa condutividade térmica e baixa estabilidade do adsorvente.Os atuais sistemas de refrigeração por adsorção comercial de última geração são baseados em adsorvedores baseados em trocadores de calor de placas revestidos para otimizar a capacidade de resfriamento.Os resultados são bem conhecidos de que diminuir a espessura do revestimento leva a uma diminuição na impedância de transferência de massa, e aumentar a área de superfície em relação ao volume das estruturas condutoras aumenta a potência sem comprometer a eficiência.As fibras metálicas usadas neste trabalho podem fornecer uma área superficial específica na faixa de 2500 a 50.000 m2/m3.Três métodos para a obtenção de revestimentos muito finos, mas estáveis, de hidratos de sal em superfícies metálicas, incluindo fibras metálicas, para a produção de revestimentos demonstram pela primeira vez um trocador de calor de alta densidade de potência.O tratamento de superfície à base de anodização de alumínio é escolhido para criar uma ligação mais forte entre o revestimento e o substrato.A microestrutura da superfície resultante foi analisada por microscopia eletrônica de varredura.A espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier reduzida de reflexão total e a espectroscopia de energia dispersiva de raios X foram usadas para verificar a presença da espécie desejada no ensaio.Sua capacidade de formar hidratos foi confirmada por análise termogravimétrica combinada (TGA)/análise termogravimétrica diferencial (DTG).Má qualidade acima de 0,07 g (água)/g (compósito) foi encontrada no revestimento de MgSO4, mostrando sinais de desidratação em cerca de 60 °C e reproduzíveis após reidratação.Resultados positivos também foram obtidos com SrCl2 e ZnSO4 com uma diferença de massa de cerca de 0,02 g/g abaixo de 100 °C.A hidroxietilcelulose foi escolhida como aditivo para aumentar a estabilidade e adesão do revestimento.As propriedades adsortivas dos produtos foram avaliadas por TGA-DTG simultâneo e sua adesão foi caracterizada por um método baseado nos testes descritos na ISO2409.A consistência e adesão do revestimento de CaCl2 é significativamente melhorada, mantendo sua capacidade de adsorção com uma diferença de peso de cerca de 0,1 g/g em temperaturas abaixo de 100 °C.Além disso, o MgSO4 retém a capacidade de formar hidratos, apresentando uma diferença de massa superior a 0,04 g/g em temperaturas abaixo de 100 °C.Finalmente, as fibras de metal revestidas são examinadas.Os resultados mostram que a condutividade térmica efetiva da estrutura da fibra revestida com Al2(SO4)3 pode ser 4,7 vezes maior em comparação com o volume de Al2(SO4)3 puro.O revestimento dos revestimentos estudados foi examinado visualmente, e a estrutura interna foi avaliada usando uma imagem microscópica das seções transversais.Foi obtido um revestimento de Al2(SO4)3 com uma espessura de cerca de 50 µm, mas o processo geral deve ser otimizado para obter uma distribuição mais uniforme.
Os sistemas de adsorção ganharam muita atenção nas últimas décadas, pois fornecem uma alternativa ecológica às tradicionais bombas de calor de compressão ou sistemas de refrigeração.Com o aumento dos padrões de conforto e das temperaturas médias globais, os sistemas de adsorção podem reduzir a dependência de combustíveis fósseis em um futuro próximo.Além disso, quaisquer melhorias na refrigeração por adsorção ou nas bombas de calor podem ser transferidas para o armazenamento de energia térmica, o que representa um aumento adicional no potencial de uso eficiente da energia primária.A principal vantagem das bombas de calor de adsorção e sistemas de refrigeração é que elas podem operar com baixa massa de calor.Isso os torna adequados para fontes de baixa temperatura, como energia solar ou calor residual.Em termos de aplicações de armazenamento de energia, a adsorção tem a vantagem de maior densidade de energia e menor dissipação de energia em comparação com o armazenamento de calor sensível ou latente.
Bombas de calor de adsorção e sistemas de refrigeração seguem o mesmo ciclo termodinâmico que suas contrapartes de compressão de vapor.A principal diferença é a substituição dos componentes do compressor por adsorvedores.O elemento é capaz de adsorver vapor refrigerante de baixa pressão em temperaturas moderadas, evaporando mais refrigerante mesmo quando o líquido está frio.É necessário garantir o resfriamento constante do adsorvedor para excluir a entalpia de adsorção (exotérmica).O adsorvedor é regenerado em alta temperatura, fazendo com que o vapor do refrigerante seja dessorvido.O aquecimento deve continuar a fornecer a entalpia de dessorção (endotérmica).Como os processos de adsorção são caracterizados por mudanças de temperatura, a alta densidade de potência requer alta condutividade térmica.No entanto, a baixa condutividade térmica é de longe a principal desvantagem na maioria das aplicações.
O principal problema da condutividade é aumentar seu valor médio mantendo o caminho de transporte que proporciona o fluxo de vapores de adsorção/dessorção.Duas abordagens são comumente usadas para conseguir isso: trocadores de calor compostos e trocadores de calor revestidos.Os materiais compósitos mais populares e bem-sucedidos são aqueles que usam aditivos à base de carbono, como grafite expandido, carvão ativado ou fibras de carbono.Oliveira e cols.2 impregnado com pó de grafite expandido com cloreto de cálcio para produzir um adsorvente com capacidade específica de resfriamento (SCP) de até 306 W/kg e coeficiente de desempenho (COP) de até 0,46.Zajaczkowski et ai.3 propuseram uma combinação de grafite expandido, fibra de carbono e cloreto de cálcio com condutividade total de 15 W/mK.Jian et al4 testaram compósitos com grafite natural expandido tratado com ácido sulfúrico (ENG-TSA) como substrato em um ciclo de resfriamento por adsorção de dois estágios.O modelo previu COP de 0,215 a 0,285 e SCP de 161,4 a 260,74 W/kg.
De longe, a solução mais viável é o trocador de calor revestido.Os mecanismos de revestimento desses trocadores de calor podem ser divididos em duas categorias: síntese direta e adesivos.O método mais bem-sucedido é a síntese direta, que envolve a formação de materiais adsorventes diretamente na superfície dos trocadores de calor a partir dos reagentes apropriados.A Sotech5 patenteou um método para sintetizar zeólita revestida para uso em uma série de resfriadores fabricados pela Fahrenheit GmbH.Schnabel et al6 testaram o desempenho de duas zeólitas revestidas em aço inoxidável.No entanto, esse método só funciona com adsorventes específicos, o que torna o revestimento com adesivos uma alternativa interessante.Os aglutinantes são substâncias passivas escolhidas para suportar a adesão do sorvente e/ou transferência de massa, mas não desempenham nenhum papel na adsorção ou aumento da condutividade.Freni et ai.7 trocadores de calor de alumínio revestido com zeólito AQSOA-Z02 estabilizado com um aglutinante à base de argila.Calabrese et al.8 estudaram a preparação de revestimentos de zeólita com ligantes poliméricos.Ammann et al.9 propuseram um método para preparar revestimentos porosos de zeólita a partir de misturas magnéticas de álcool polivinílico.A alumina (alumina) também é usada como aglutinante 10 no adsorvedor.Até onde sabemos, a celulose e a hidroxietilcelulose são usadas apenas em combinação com adsorventes físicos11,12.Às vezes, a cola não é usada para a tinta, mas é usada para construir a estrutura 13 por conta própria.A combinação de matrizes poliméricas de alginato com vários hidratos de sal forma estruturas de esferas compostas flexíveis que evitam vazamentos durante a secagem e fornecem transferência de massa adequada.Argilas como bentonita e atapulgita têm sido utilizadas como ligantes para a preparação de compósitos15,16,17.A etilcelulose tem sido usada para microencapsular cloreto de cálcio18 ou sulfeto de sódio19.
Compósitos com estrutura metálica porosa podem ser divididos em trocadores de calor aditivos e trocadores de calor revestidos.A vantagem dessas estruturas é a alta área de superfície específica.Isso resulta em uma maior superfície de contato entre o adsorvente e o metal sem a adição de uma massa inerte, o que reduz a eficiência geral do ciclo de refrigeração.Lang e outros.20 melhoraram a condutividade geral de um adsorvedor de zeólita com uma estrutura de favo de mel de alumínio.Gillerminot et ai.21 melhorou a condutividade térmica das camadas de zeólita NaX com espuma de cobre e níquel.Embora os compósitos sejam usados ​​como materiais de mudança de fase (PCMs), os achados de Li et al.22 e Zhao et al.23 também são de interesse para a quimissorção.Eles compararam o desempenho do grafite expandido e da espuma metálica e concluíram que o último era preferível apenas se a corrosão não fosse um problema.Palomba et ai.recentemente compararam outras estruturas metálicas porosas24.Van der Pal et ai.estudaram sais metálicos embutidos em espumas 25 .Todos os exemplos anteriores correspondem a camadas densas de adsorventes particulados.Estruturas porosas de metal praticamente não são usadas para revestir adsorventes, o que é uma solução mais ideal.Um exemplo de ligação a zeólitos pode ser encontrado em Wittstadt et al.26 mas nenhuma tentativa foi feita para ligar hidratos de sal apesar de sua maior densidade de energia 27 .
Assim, três métodos para preparar revestimentos adsorventes serão explorados neste artigo: (1) revestimento de ligante, (2) reação direta e (3) tratamento de superfície.A hidroxietilcelulose foi o aglutinante escolhido neste trabalho devido à estabilidade relatada anteriormente e boa adesão do revestimento em combinação com adsorventes físicos.Este método foi inicialmente investigado para revestimentos planos e posteriormente aplicado a estruturas de fibras metálicas.Anteriormente, foi relatada uma análise preliminar da possibilidade de reações químicas com a formação de revestimentos adsorventes.A experiência anterior agora está sendo transferida para o revestimento de estruturas de fibra metálica.O tratamento de superfície escolhido para este trabalho é um método baseado na anodização do alumínio.A anodização de alumínio tem sido combinada com sucesso com sais metálicos para fins estéticos29.Nestes casos, podem ser obtidos revestimentos muito estáveis ​​e resistentes à corrosão.No entanto, eles não podem realizar nenhum processo de adsorção ou dessorção.Este artigo apresenta uma variante dessa abordagem que permite que a massa seja movida usando as propriedades adesivas do processo original.Até onde sabemos, nenhum dos métodos descritos aqui foi estudado anteriormente.Eles representam uma nova tecnologia muito interessante porque permitem a formação de revestimentos adsorventes hidratados, que apresentam uma série de vantagens sobre os adsorventes físicos frequentemente estudados.
As placas de alumínio estampadas usadas como substratos para esses experimentos foram fornecidas pela ALINVEST Břidličná, República Tcheca.Eles contêm 98,11% de alumínio, 1,3622% de ferro, 0,3618% de manganês e traços de cobre, magnésio, silício, titânio, zinco, cromo e níquel.
Os materiais escolhidos para o fabrico dos compósitos são selecionados de acordo com as suas propriedades termodinâmicas, nomeadamente, em função da quantidade de água que podem adsorver/dessorver a temperaturas inferiores a 120°C.
O sulfato de magnésio (MgSO4) é um dos sais hidratados mais interessantes e estudados30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.As propriedades termodinâmicas foram sistematicamente medidas e consideradas adequadas para aplicações nas áreas de refrigeração por adsorção, bombas de calor e armazenamento de energia.Sulfato de magnésio seco CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Alemanha) foi usado.
O cloreto de cálcio (CaCl2) (H319) é outro sal bem estudado, pois seu hidrato possui propriedades termodinâmicas interessantes41,42,43,44.Hexa-hidrato de cloreto de cálcio CAS-No.7774-34-7 97% usado (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Alemanha).
O sulfato de zinco (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) e seus hidratos possuem propriedades termodinâmicas adequadas para processos de adsorção em baixa temperatura45,46.Sulfato de zinco hepta-hidratado CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Alemanha) foi usado.
O cloreto de estrôncio (SrCl2) (H318) também possui propriedades termodinâmicas interessantes4,45,47, embora seja frequentemente combinado com amônia em bombas de calor de adsorção ou pesquisas de armazenamento de energia.Cloreto de estrôncio hexa-hidratado CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, EUA) foi usado para a síntese.
O sulfato de cobre (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) não está entre os hidratos frequentemente encontrados na literatura profissional, embora suas propriedades termodinâmicas sejam interessantes para aplicações em baixas temperaturas48,49.Sulfato de cobre CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, EUA) foi usado para a síntese.
O cloreto de magnésio (MgCl2) é um dos sais hidratados que recentemente recebeu mais atenção no campo do armazenamento de energia térmica50,51.Cloreto de magnésio hexa-hidratado CAS-Nr.7791-18-6 grau farmacêutico puro (Applichem GmbH., Darmstadt, Alemanha) foi usado para os experimentos.
Conforme mencionado acima, a hidroxietilcelulose foi escolhida devido aos resultados positivos em aplicações semelhantes.O material usado em nossa síntese é hidroxietilcelulose CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, EUA).
As fibras metálicas são feitas de fios curtos unidos por compressão e sinterização, um processo conhecido como extração por fusão por cadinho (CME)52.Isso significa que sua condutividade térmica depende não apenas da condutividade bruta dos metais utilizados na fabricação e da porosidade da estrutura final, mas também da qualidade das ligações entre os fios.As fibras não são isotrópicas e tendem a se distribuir em uma determinada direção durante a produção, o que torna a condutividade térmica na direção transversal muito menor.
As propriedades de absorção de água foram investigadas usando análise termogravimétrica simultânea (TGA)/análise termogravimétrica diferencial (DTG) em uma embalagem a vácuo (Netzsch TG 209 F1 Libra).As medições foram realizadas em uma atmosfera de nitrogênio fluindo a uma taxa de fluxo de 10 ml/min e uma faixa de temperatura de 25 a 150°C em cadinhos de óxido de alumínio.A taxa de aquecimento foi de 1 °C/min, o peso da amostra variou de 10 a 20 mg, a resolução foi de 0,1 μg.Neste trabalho, deve-se notar que a diferença de massa por unidade de superfície possui uma grande incerteza.As amostras utilizadas no TGA-DTG são muito pequenas e cortadas de forma irregular, o que torna sua determinação de área imprecisa.Esses valores só podem ser extrapolados para uma área maior se grandes desvios forem levados em consideração.
Os espectros infravermelhos de transformada de Fourier de reflexão total atenuada (ATR-FTIR) foram adquiridos em um espectrômetro Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Alemanha) usando um acessório de platina ATR (Bruker Optik GmbH, Alemanha).Os espectros de cristais de diamante secos puros foram medidos diretamente no vácuo antes de usar as amostras como pano de fundo para medições experimentais.As amostras foram medidas no vácuo usando uma resolução espectral de 2 cm-1 e um número médio de varreduras de 32. O número de onda varia de 8000 a 500 cm-1.A análise espectral foi realizada usando o programa OPUS.
A análise SEM foi realizada usando um DSM 982 Gemini da Zeiss em tensões de aceleração de 2 e 5 kV.A espectroscopia de raios-X de energia dispersiva (EDX) foi realizada usando um Thermo Fischer System 7 com um detector de desvio de silício resfriado por Peltier (SSD).
A preparação das placas metálicas foi realizada de acordo com o procedimento descrito em 53. Primeiro, imergir a placa em ácido sulfúrico a 50%.15 minutos.Em seguida, foram introduzidos em solução de hidróxido de sódio 1 M por cerca de 10 segundos.Em seguida, as amostras foram lavadas com grande quantidade de água destilada e, em seguida, embebidas em água destilada por 30 minutos.Após o tratamento superficial preliminar, as amostras foram imersas em uma solução saturada a 3%.HEC e sal alvo.Finalmente, retire-os e seque-os a 60°C.
O método de anodização melhora e fortalece a camada de óxido natural no metal passivo.Os painéis de alumínio foram anodizados com ácido sulfúrico em estado endurecido e depois selados em água quente.A anodização seguiu uma corrosão inicial com NaOH 1 mol/l (600 s) seguida de neutralização em 1 mol/l HNO3 (60 s).A solução eletrolítica é uma mistura de 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 e 1 M MgSO4 + 7H2O.A anodização foi realizada a (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 por 1200 segundos.O processo de vedação foi realizado em várias soluções de salmoura conforme descrito nos materiais (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).A amostra é fervida por 1800 segundos.
Três métodos diferentes para a produção de compósitos foram investigados: revestimento adesivo, reação direta e tratamento de superfície.As vantagens e desvantagens de cada método de treinamento são sistematicamente analisadas e discutidas.Observação direta, nanoimagem e análise química/elementar foram usadas para avaliar os resultados.
A anodização foi escolhida como um método de tratamento de superfície de conversão para aumentar a adesão de hidratos de sal.Este tratamento de superfície cria uma estrutura porosa de alumina (alumina) diretamente na superfície de alumínio.Tradicionalmente, esse método consiste em duas etapas: a primeira cria uma estrutura porosa de óxido de alumínio e a segunda cria uma camada de hidróxido de alumínio que fecha os poros.A seguir estão dois métodos de bloqueio de sal sem bloquear o acesso à fase gasosa.A primeira consiste em um sistema de favo de mel usando pequenos tubos de óxido de alumínio (Al2O3) obtidos na primeira etapa para reter os cristais adsorventes e aumentar sua adesão às superfícies metálicas.Os favos de mel resultantes têm um diâmetro de cerca de 50 nm e um comprimento de 200 nm (Fig. 1a).Como mencionado anteriormente, essas cavidades são geralmente fechadas em uma segunda etapa com uma fina camada de Al2O(OH)2 boemita suportada pelo processo de ebulição do tubo de alumina.No segundo método, esse processo de vedação é modificado de forma que os cristais de sal sejam capturados em uma camada de cobertura uniforme de boemita (Al2O(OH)), que não é utilizada para vedação neste caso.A segunda etapa é realizada em uma solução saturada do sal correspondente.Os padrões descritos têm tamanhos na faixa de 50 a 100 nm e parecem gotas espirradas (Fig. 1b).A superfície obtida como resultado do processo de vedação possui uma estrutura espacial pronunciada com uma área de contato aumentada.Esse padrão de superfície, juntamente com suas muitas configurações de ligação, é ideal para transportar e manter cristais de sal.Ambas as estruturas descritas parecem ser verdadeiramente porosas e têm pequenas cavidades que parecem ser bem adequadas para reter hidratos de sal e adsorver vapores ao sal durante a operação do adsorvedor.No entanto, a análise elementar dessas superfícies usando EDX pode detectar vestígios de magnésio e enxofre na superfície da boemita, que não são detectados no caso de uma superfície de alumina.
O ATR-FTIR da amostra confirmou que o elemento era sulfato de magnésio (ver Figura 2b).O espectro mostra picos característicos de íons sulfato em 610–680 e 1080–1130 cm–1 e picos característicos de água da rede em 1600–1700 cm–1 e 3200–3800 cm–1 (ver Fig. 2a, c).).A presença de íons de magnésio quase não altera o espectro54.
(a) EDX de uma placa de alumínio MgSO4 revestida com boemita, (b) espectros ATR-FTIR de revestimentos de boemita e MgSO4, (c) espectros ATR-FTIR de MgSO4 puro.
A manutenção da eficiência de adsorção foi confirmada por TGA.Na fig.3b mostra um pico de dessorção de aprox.60°C.Este pico não corresponde à temperatura dos dois picos observados na TGA de sal puro (Fig. 3a).A repetibilidade do ciclo de adsorção-dessorção foi avaliada, e a mesma curva foi observada após a colocação das amostras em atmosfera úmida (Fig. 3c).As diferenças observadas no segundo estágio de dessorção podem ser o resultado da desidratação em uma atmosfera fluida, pois isso geralmente leva à desidratação incompleta.Estes valores correspondem a aproximadamente 17,9 g/m2 na primeira desidratação e 10,3 g/m2 na segunda desidratação.
Comparação da análise TGA de boemita e MgSO4: análise TGA de MgSO4 puro (a), mistura (b) e após reidratação (c).
O mesmo método foi realizado com cloreto de cálcio como adsorvente.Os resultados são apresentados na Figura 4. A inspeção visual da superfície revelou pequenas alterações no brilho metálico.A pele é pouco visível.SEM confirmou a presença de pequenos cristais distribuídos uniformemente sobre a superfície.No entanto, TGA não apresentou desidratação abaixo de 150°C.Isso pode ser devido ao fato de que a proporção de sal é muito pequena em comparação com a massa total do substrato para detecção por TGA.
Os resultados do tratamento de superfície do revestimento de sulfato de cobre pelo método de anodização são mostrados na fig.5. Neste caso, a esperada incorporação de CuSO4 na estrutura do óxido de Al não ocorreu.Em vez disso, agulhas soltas são observadas, pois são comumente usadas para hidróxido de cobre Cu(OH)2 usado com corantes turquesa típicos.
O tratamento de superfície anodizado também foi testado em combinação com cloreto de estrôncio.Os resultados mostraram cobertura irregular (ver Figura 6a).Para determinar se o sal cobria toda a superfície, foi realizada uma análise EDX.A curva para um ponto na área cinza (ponto 1 na Fig. 6b) mostra pouco estrôncio e muito alumínio.Isso indica um baixo teor de estrôncio na zona medida, o que, por sua vez, indica uma baixa cobertura de cloreto de estrôncio.Por outro lado, as áreas brancas têm alto teor de estrôncio e baixo teor de alumínio (pontos 2–6 na Fig. 6b).A análise EDX da área branca mostra pontos mais escuros (pontos 2 e 4 na Fig. 6b), com baixo teor de cloro e alto teor de enxofre.Isso pode indicar a formação de sulfato de estrôncio.Pontos mais brilhantes refletem alto teor de cloro e baixo teor de enxofre (pontos 3, 5 e 6 na Fig. 6b).Isso pode ser explicado pelo fato de que a parte principal do revestimento branco consiste no cloreto de estrôncio esperado.A TGA da amostra confirmou a interpretação da análise com pico na temperatura característica do cloreto de estrôncio puro (Fig. 6c).Seu pequeno valor pode ser justificado por uma pequena fração de sal em comparação com a massa do suporte metálico.A massa de dessorção determinada nos experimentos corresponde à quantidade de 7,3 g/m2 liberada por unidade de área do adsorvedor a uma temperatura de 150°C.
Revestimentos de sulfato de zinco tratados com eloxal também foram testados.Macroscopicamente, o revestimento é uma camada muito fina e uniforme (Fig. 7a).No entanto, SEM revelou uma área de superfície coberta com pequenos cristais separados por áreas vazias (Fig. 7b).O TGA do revestimento e do substrato foi comparado ao do sal puro (Figura 7c).O sal puro tem um pico assimétrico a 59,1°C.O alumínio revestido apresentou dois pequenos picos a 55,5°C e 61,3°C, indicando a presença de sulfato de zinco hidratado.A diferença de massa revelada no experimento corresponde a 10,9 g/m2 a uma temperatura de desidratação de 150°C.
Como no pedido anterior53, hidroxietilcelulose foi usada como aglutinante para melhorar a adesão e estabilidade do revestimento sorvente.A compatibilidade do material e o efeito no desempenho de adsorção foram avaliados por TGA.A análise é feita em relação à massa total, ou seja, a amostra inclui uma placa metálica utilizada como substrato de revestimento.A adesão é testada por um teste baseado no teste de entalhe cruzado definido na especificação ISO2409 (não pode atender a especificação de separação de entalhe dependendo da espessura e largura da especificação).
O revestimento dos painéis com cloreto de cálcio (CaCl2) (ver Fig. 8a) resultou em distribuição desigual, o que não foi observado no revestimento de alumínio puro usado para o teste de entalhe transversal.Comparado com os resultados para CaCl2 puro, TGA (Fig. 8b) mostra dois picos característicos deslocados para temperaturas mais baixas de 40 e 20°C, respectivamente.O teste de seção transversal não permite uma comparação objetiva porque a amostra de CaCl2 puro (amostra à direita na Fig. 8c) é um precipitado pulverulento, que remove as partículas superiores.Os resultados de HEC mostraram um revestimento muito fino e uniforme com adesão satisfatória.A diferença de massa mostrada na fig.8b corresponde a 51,3 g/m2 por unidade de área do adsorvedor a uma temperatura de 150°C.
Resultados positivos em termos de adesão e uniformidade também foram obtidos com sulfato de magnésio (MgSO4) (ver Fig. 9).A análise do processo de dessorção do revestimento mostrou a presença de um pico de aprox.60°C.Esta temperatura corresponde à principal etapa de dessorção observada na desidratação de sais puros, representando outra etapa a 44°C.Corresponde à transição de hexa-hidrato para penta-hidrato e não é observada no caso de revestimentos com ligantes.Testes de seção transversal mostram melhor distribuição e adesão em comparação com revestimentos feitos com sal puro.A diferença de massa observada no TGA-DTC corresponde a 18,4 g/m2 por unidade de área do adsorvedor na temperatura de 150°C.
Devido às irregularidades da superfície, o cloreto de estrôncio (SrCl2) tem um revestimento irregular nas aletas (Fig. 10a).No entanto, os resultados do teste de entalhe transversal mostraram distribuição uniforme com adesão significativamente melhorada (Fig. 10c).A análise TGA mostrou uma diferença muito pequena no peso, o que deve ser devido ao menor teor de sal em comparação com o substrato metálico.No entanto, as etapas da curva mostram a presença de um processo de desidratação, embora o pico esteja associado à temperatura obtida na caracterização do sal puro.Os picos a 110°C e 70,2°C observados nas Figs.10b também foram encontrados ao analisar sal puro.No entanto, a principal etapa de desidratação observada no sal puro a 50°C não foi refletida nas curvas usando o aglutinante.Em contraste, a mistura aglutinante apresentou dois picos a 20,2°C e 94,1°C, que não foram medidos para o sal puro (Fig. 10b).A uma temperatura de 150 °C, a diferença de massa observada corresponde a 7,2 g/m2 por unidade de área do adsorvedor.
A combinação de HEC e sulfato de zinco (ZnSO4) não deu resultados aceitáveis ​​(Figura 11).A análise TGA do metal revestido não revelou nenhum processo de desidratação.Embora a distribuição e a adesão do revestimento tenham melhorado, suas propriedades ainda estão longe do ideal.
A maneira mais simples de revestir as fibras metálicas com uma camada fina e uniforme é a impregnação úmida (Fig. 12a), que inclui a preparação do sal alvo e a impregnação das fibras metálicas com uma solução aquosa.
Ao se preparar para impregnação úmida, dois problemas principais são encontrados.Por um lado, a tensão superficial da solução salina impede a correta incorporação do líquido na estrutura porosa.A cristalização na superfície externa (Fig. 12d) e as bolhas de ar presas dentro da estrutura (Fig. 12c) só podem ser reduzidas diminuindo a tensão superficial e pré-molhando a amostra com água destilada.A dissolução forçada na amostra pela evacuação do ar interno ou pela criação de um fluxo de solução na estrutura são outras formas eficazes de garantir o preenchimento completo da estrutura.
O segundo problema encontrado durante a preparação foi a remoção do filme de parte do sal (ver Fig. 12b).Este fenômeno é caracterizado pela formação de um revestimento seco na superfície de dissolução, que interrompe a secagem estimulada por convecção e inicia o processo estimulado por difusão.O segundo mecanismo é muito mais lento que o primeiro.Como resultado, é necessária uma temperatura elevada para um tempo de secagem razoável, o que aumenta o risco de formação de bolhas no interior da amostra.Este problema é resolvido introduzindo um método alternativo de cristalização baseado não na mudança de concentração (evaporação), mas na mudança de temperatura (como no exemplo com MgSO4 na Fig. 13).
Representação esquemática do processo de cristalização durante o resfriamento e separação das fases sólida e líquida usando MgSO4.
As soluções salinas saturadas podem ser preparadas à temperatura ambiente (HT) ou acima dela usando este método.No primeiro caso, a cristalização foi forçada baixando a temperatura abaixo da temperatura ambiente.No segundo caso, a cristalização ocorreu quando a amostra foi resfriada à temperatura ambiente (RT).O resultado é uma mistura de cristais (B) e dissolvidos (A), cuja parte líquida é removida por ar comprimido.Essa abordagem não apenas evita a formação de um filme sobre esses hidratos, mas também reduz o tempo necessário para a preparação de outros compósitos.No entanto, a remoção do líquido por ar comprimido leva à cristalização adicional do sal, resultando em um revestimento mais espesso.
Outro método que pode ser usado para revestir superfícies metálicas envolve a produção direta de sais alvo por meio de reações químicas.Trocadores de calor revestidos feitos pela reação de ácidos nas superfícies metálicas de aletas e tubos apresentam uma série de vantagens, conforme relatado em nosso estudo anterior.A aplicação deste método a fibras levou a resultados muito ruins devido à formação de gases durante a reação.A pressão das bolhas de gás hidrogênio aumenta dentro da sonda e muda conforme o produto é ejetado (Fig. 14a).
O revestimento foi modificado por meio de uma reação química para controlar melhor a espessura e a distribuição do revestimento.Este método envolve a passagem de um fluxo de névoa ácida através da amostra (Figura 14b).Espera-se que isso resulte em um revestimento uniforme por reação com o metal do substrato.Os resultados foram satisfatórios, mas o processo era muito lento para ser considerado um método eficaz (Fig. 14c).Tempos de reação mais curtos podem ser alcançados por aquecimento localizado.
Para superar as desvantagens dos métodos acima, foi estudado um método de revestimento baseado no uso de adesivos.O HEC foi selecionado com base nos resultados apresentados na seção anterior.Todas as amostras foram preparadas a 3% em peso.O aglutinante é misturado com sal.As fibras foram pré-tratadas de acordo com o mesmo procedimento das nervuras, ou seja, embebidas em 50% vol.dentro de 15 minutos.ácido sulfúrico, em seguida, embebido em hidróxido de sódio por 20 segundos, lavado em água destilada e finalmente embebido em água destilada por 30 minutos.Neste caso, uma etapa adicional foi adicionada antes da impregnação.Mergulhe a amostra brevemente em uma solução salina alvo diluída e seque a aproximadamente 60°C.O processo visa modificar a superfície do metal, criando sítios de nucleação que melhoram a distribuição do revestimento na etapa final.A estrutura fibrosa tem um lado onde os filamentos são mais finos e bem compactados, e o lado oposto onde os filamentos são mais grossos e menos distribuídos.Este é o resultado de 52 processos de fabricação.
Os resultados para cloreto de cálcio (CaCl2) são resumidos e ilustrados com fotos na Tabela 1. Boa cobertura após a inoculação.Mesmo aqueles fios sem cristais visíveis na superfície tiveram reflexos metálicos reduzidos, indicando uma mudança no acabamento.No entanto, depois que as amostras foram impregnadas com uma mistura aquosa de CaCl2 e HEC e secas a uma temperatura de cerca de 60°C, os revestimentos foram concentrados nas interseções das estruturas.Este é um efeito causado pela tensão superficial da solução.Após a imersão, o líquido permanece dentro da amostra devido à sua tensão superficial.Basicamente ocorre na intersecção de estruturas.O melhor lado do espécime tem vários orifícios preenchidos com sal.O peso aumentou em 0,06 g/cm3 após o revestimento.
O revestimento com sulfato de magnésio (MgSO4) produziu mais sal por unidade de volume (Tabela 2).Neste caso, o incremento medido é de 0,09 g/cm3.O processo de semeadura resultou em extensa cobertura amostral.Após o processo de revestimento, o sal bloqueia grandes áreas do lado fino da amostra.Além disso, algumas áreas do fosco são bloqueadas, mas alguma porosidade é mantida.Neste caso, a formação de sais é facilmente observada na interseção das estruturas, confirmando que o processo de revestimento se deve principalmente à tensão superficial do líquido, e não à interação entre o sal e o substrato metálico.
Os resultados da combinação de cloreto de estrôncio (SrCl2) e HEC mostraram propriedades semelhantes aos exemplos anteriores (Tabela 3).Nesse caso, o lado mais fino da amostra fica quase totalmente coberto.Apenas poros individuais são visíveis, formados durante a secagem como resultado da liberação de vapor da amostra.O padrão observado no lado fosco é muito semelhante ao caso anterior, a área é bloqueada com sal e as fibras não são totalmente cobertas.
Para avaliar o efeito positivo da estrutura fibrosa no desempenho térmico do trocador de calor, a condutividade térmica efetiva da estrutura fibrosa revestida foi determinada e comparada com o material de revestimento puro.A condutividade térmica foi medida de acordo com ASTM D 5470-2017 usando o dispositivo de painel plano mostrado na Figura 15a usando um material de referência com condutividade térmica conhecida.Comparado a outros métodos de medição transiente, este princípio é vantajoso para materiais porosos usados ​​no estudo atual, uma vez que as medições são realizadas em estado estacionário e com tamanho de amostra suficiente (área de base 30 × 30 mm2, altura de aproximadamente 15 mm).Amostras do material de revestimento puro (referência) e da estrutura da fibra revestida foram preparadas para medições na direção da fibra e perpendicular à direção da fibra para avaliar o efeito da condutividade térmica anisotrópica.Os espécimes foram retificados na superfície (granulação P320) para minimizar o efeito da rugosidade da superfície devido à preparação do espécime, que não reflete a estrutura dentro do espécime.