Благодарим вас за посещение Nature.com.Используемая вами версия браузера имеет ограниченную поддержку CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Тем временем, чтобы обеспечить постоянную поддержку, мы будем отображать сайт без стилей и JavaScript.
Доля рынка адсорбционных холодильных систем и тепловых насосов по-прежнему относительно мала по сравнению с традиционными компрессорными системами.Несмотря на огромное преимущество использования дешевого тепла (вместо дорогостоящих электромонтажных работ), внедрение систем, основанных на принципах адсорбции, пока ограничено несколькими конкретными приложениями.Основным недостатком, который необходимо устранить, является снижение удельной мощности из-за низкой теплопроводности и низкой стабильности адсорбента.Современные коммерческие адсорбционные холодильные системы основаны на адсорберах на основе пластинчатых теплообменников с покрытием для оптимизации холодопроизводительности.Хорошо известны результаты, что уменьшение толщины покрытия приводит к уменьшению импеданса массопереноса, а увеличение отношения площади поверхности к объему проводящих структур увеличивает мощность без ущерба для эффективности.Металлические волокна, использованные в данной работе, могут обеспечить удельную поверхность в диапазоне 2500–50 000 м2/м3.Три метода получения очень тонких, но устойчивых покрытий гидратов солей на металлических поверхностях, включая металлические волокна, для производства покрытий впервые демонстрируют теплообменник с высокой удельной мощностью.Обработка поверхности на основе анодирования алюминия выбрана для создания более прочной связи между покрытием и подложкой.Микроструктуру полученной поверхности анализировали с помощью сканирующей электронной микроскопии.Инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье с уменьшенным полным отражением и энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию использовали для проверки присутствия желаемых частиц в анализе.Их способность образовывать гидраты была подтверждена комбинированным термогравиметрическим анализом (ТГА)/дифференциальным термогравиметрическим анализом (ДТГ).Низкое качество более 0,07 г (воды)/г (композита) было обнаружено в покрытии MgSO4 с признаками обезвоживания при температуре около 60 °C, воспроизводимыми после повторной гидратации.Положительные результаты были также получены с SrCl2 и ZnSO4 с разницей масс около 0,02 г/г при температуре ниже 100 °C.В качестве добавки для повышения стабильности и адгезии покрытия была выбрана гидроксиэтилцеллюлоза.Адсорбционные свойства продуктов оценивали с помощью одновременной ТГА-ДТГ, а их адгезию характеризовали методом, основанным на тестах, описанных в ISO2409.Консистенция и адгезия покрытия CaCl2 значительно улучшаются при сохранении его адсорбционной способности с разницей в весе около 0,1 г/г при температуре ниже 100 °С.Кроме того, MgSO4 сохраняет способность образовывать гидраты, показывая разницу в массе более 0,04 г/г при температуре ниже 100 °C.Наконец, исследуются металлические волокна с покрытием.Результаты показывают, что эффективная теплопроводность волокнистой структуры, покрытой Al2(SO4)3, может быть в 4,7 раза выше по сравнению с объемом чистого Al2(SO4)3.Покрытие исследуемых покрытий исследовали визуально, а внутреннюю структуру оценивали по микроскопическому изображению поперечных сечений.Было получено покрытие из Al2(SO4)3 толщиной около 50 мкм, но общий процесс необходимо оптимизировать для достижения более равномерного распределения.
Адсорбционные системы привлекли большое внимание за последние несколько десятилетий, поскольку они представляют собой экологически чистую альтернативу традиционным компрессионным тепловым насосам или системам охлаждения.В связи с растущими стандартами комфорта и средними глобальными температурами адсорбционные системы могут снизить зависимость от ископаемого топлива в ближайшем будущем.Кроме того, любые улучшения в адсорбционном охлаждении или тепловых насосах могут быть перенесены на аккумулирование тепловой энергии, что представляет собой дополнительное увеличение потенциала эффективного использования первичной энергии.Основное преимущество адсорбционных тепловых насосов и холодильных систем заключается в том, что они могут работать с малой тепловой массой.Это делает их подходящими для низкотемпературных источников, таких как солнечная энергия или отработанное тепло.С точки зрения приложений для хранения энергии, адсорбция имеет преимущество более высокой плотности энергии и меньшего рассеивания энергии по сравнению с хранением явного или скрытого тепла.
Адсорбционные тепловые насосы и холодильные системы следуют тому же термодинамическому циклу, что и их парокомпрессионные аналоги.Основное отличие заключается в замене компонентов компрессора на адсорберы.Элемент способен адсорбировать пары хладагента низкого давления при умеренных температурах, испаряя больше хладагента, даже когда жидкость холодная.Необходимо обеспечить постоянное охлаждение адсорбера, чтобы исключить энтальпию адсорбции (экзотерму).Адсорбер регенерируется при высокой температуре, что приводит к десорбции паров хладагента.Нагрев должен продолжаться для обеспечения энтальпии десорбции (эндотермической).Поскольку процессы адсорбции характеризуются изменением температуры, высокая удельная мощность требует высокой теплопроводности.Тем не менее, низкая теплопроводность на сегодняшний день является основным недостатком в большинстве приложений.
Основная проблема проводимости заключается в повышении ее среднего значения при сохранении транспортного пути, обеспечивающего протекание адсорбционно-десорбционных паров.Для достижения этого обычно используются два подхода: композитные теплообменники и теплообменники с покрытием.Наиболее популярными и успешными композитными материалами являются те, в которых используются добавки на основе углерода, а именно расширенный графит, активированный уголь или углеродные волокна.Оливейра и др.2 порошка расширенного графита, пропитанного хлористым кальцием, для получения адсорбера с удельной холодопроизводительностью (УХН) до 306 Вт/кг и коэффициентом полезного действия (КПД) до 0,46.Заячковский и др.3 предложена комбинация расширенного графита, углеродного волокна и хлорида кальция с общей проводимостью 15 Вт/мК.Jian et al4 протестировали композиты с обработанным серной кислотой расширенным природным графитом (ENG-TSA) в качестве подложки в двухступенчатом цикле адсорбционного охлаждения.Модель предсказала COP от 0,215 до 0,285 и SCP от 161,4 до 260,74 Вт/кг.
На сегодняшний день наиболее жизнеспособным решением является теплообменник с покрытием.Механизмы покрытия этих теплообменников можно разделить на две категории: прямой синтез и клеи.Наиболее успешным методом является прямой синтез, который заключается в формировании адсорбирующих материалов непосредственно на поверхности теплообменников из соответствующих реагентов.Компания Sotech5 запатентовала метод синтеза цеолита с покрытием для использования в охладителях серии Fahrenheit GmbH.Schnabel et al6 проверили эффективность двух цеолитов, нанесенных на нержавеющую сталь.Однако этот метод работает только со специфическими адсорбентами, что делает покрытие клеями интересной альтернативой.Связующие – это пассивные вещества, выбранные для обеспечения адгезии сорбента и/или массопереноса, но не играющие никакой роли в повышении адсорбции или проводимости.Френи и др.7 алюминиевых теплообменников с покрытием из цеолита AQSOA-Z02, стабилизированного связующим на основе глины.Калабрезе и др.8 изучали приготовление цеолитных покрытий с полимерными связующими.Амманн и др.9 предложили метод получения пористых цеолитных покрытий из магнитных смесей поливинилового спирта.Глинозем (глинозем) также используется в качестве связующего 10 в адсорбере.Насколько нам известно, целлюлоза и гидроксиэтилцеллюлоза используются только в сочетании с физическими адсорбентами11,12.Иногда клей не используется для покраски, а используется для сборки конструкции 13 самостоятельно.Комбинация альгинатных полимерных матриц с несколькими гидратами солей образует гибкие композитные шариковые структуры, которые предотвращают утечку во время сушки и обеспечивают адекватный массоперенос.Глины, такие как бентонит и аттапульгит, использовались в качестве связующих для приготовления композитов15,16,17.Этилцеллюлоза использовалась для микрокапсулирования хлорида кальция18 или сульфида натрия19.
Композиты с пористой металлической структурой можно разделить на аддитивные теплообменники и теплообменники с покрытием.Преимуществом этих структур является высокая удельная поверхность.Это приводит к большей поверхности контакта между адсорбентом и металлом без добавления инертной массы, что снижает общую эффективность холодильного цикла.Ланг и др.20 улучшили общую проводимость цеолитового адсорбера с алюминиевой сотовой структурой.Гиллермино и др.21 улучшил теплопроводность слоев цеолита NaX с пенопластом меди и никеля.Хотя композиты используются в качестве материалов с фазовым переходом (PCM), выводы Li et al.22 и Чжао и др.23 также представляют интерес для хемосорбции.Они сравнили характеристики расширенного графита и металлической пены и пришли к выводу, что последний предпочтительнее, только если коррозия не является проблемой.Паломба и др.недавно сравнили другие металлические пористые структуры24.Ван дер Пал и др.изучали соли металлов, внедренные в пены 25 .Все предыдущие примеры соответствуют плотным слоям дисперсных адсорбентов.Металлопористые структуры для покрытия адсорберов практически не используются, что является более оптимальным решением.Пример связывания с цеолитами можно найти у Wittstadt et al.26 , но не было предпринято никаких попыток связать гидраты солей , несмотря на их более высокую плотность энергии 27 .
Таким образом, в этой статье будут рассмотрены три метода приготовления адсорбирующих покрытий: (1) покрытие связующим, (2) прямая реакция и (3) обработка поверхности.Гидроксиэтилцеллюлоза была предпочтительным связующим в этой работе из-за ранее сообщавшейся стабильности и хорошей адгезии покрытия в сочетании с физическими адсорбентами.Первоначально этот метод был исследован для плоских покрытий, а затем применен к структурам из металлических волокон.Ранее сообщалось о предварительном анализе возможности химических реакций с образованием адсорбирующих покрытий.Предыдущий опыт теперь переносится на покрытие конструкций из металлического волокна.Обработка поверхности, выбранная для данной работы, представляет собой метод, основанный на анодировании алюминия.Анодирование алюминия успешно сочетается с солями металлов в эстетических целях29.В этих случаях можно получить очень стабильные и устойчивые к коррозии покрытия.Однако они не могут осуществлять какой-либо процесс адсорбции или десорбции.В этой статье представлен вариант этого подхода, который позволяет перемещать массу, используя клейкие свойства оригинального процесса.Насколько нам известно, ни один из описанных здесь методов ранее не изучался.Они представляют собой очень интересную новую технологию, поскольку позволяют формировать гидратированные покрытия адсорбентов, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с часто изучаемыми физическими адсорбентами.
Штампованные алюминиевые пластины, используемые в качестве подложек для этих экспериментов, были предоставлены ALINVEST Břidličná, Чехия.Они содержат 98,11% алюминия, 1,3622% железа, 0,3618% марганца и следы меди, магния, кремния, титана, цинка, хрома и никеля.
Материалы для изготовления композитов выбирают в соответствии с их термодинамическими свойствами, а именно в зависимости от количества воды, которое они могут адсорбировать/десорбировать при температурах ниже 120°С.
Сульфат магния (MgSO4) является одной из наиболее интересных и изученных гидратированных солей30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.Термодинамические свойства были систематически измерены и признаны подходящими для применения в областях адсорбционного охлаждения, тепловых насосов и аккумулирования энергии.Использовали сухой сульфат магния CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germany).
Хлорид кальция (CaCl2) (H319) — еще одна хорошо изученная соль, поскольку ее гидрат обладает интересными термодинамическими свойствами41,42,43,44.Гексагидрат хлорида кальция CAS-No.7774-34-7 97% использовано (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Германия).
Сульфат цинка (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) и его гидраты обладают термодинамическими свойствами, подходящими для процессов низкотемпературной адсорбции45,46.Использовали гептагидрат сульфата цинка CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germany).
Хлорид стронция (SrCl2) (H318) также обладает интересными термодинамическими свойствами4,45,47, хотя его часто комбинируют с аммиаком в исследованиях адсорбционных тепловых насосов или накопителей энергии.Для синтеза использовали гексагидрат хлорида стронция CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США).
Сульфат меди (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) не входит в число гидратов, часто встречающихся в профессиональной литературе, хотя его термодинамические свойства представляют интерес для применения при низких температурах48,49.Для синтеза использовали сульфат меди CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США).
Хлорид магния (MgCl2) — одна из гидратированных солей, которой в последнее время уделяется больше внимания в области хранения тепловой энергии50,51.Для экспериментов использовали гексагидрат хлорида магния CAS-Nr.7791-18-6 чистой фармацевтической чистоты (Applichem GmbH., Дармштадт, Германия).
Как упоминалось выше, гидроксиэтилцеллюлоза была выбрана из-за положительных результатов в аналогичных применениях.Материал, используемый в нашем синтезе, представляет собой гидроксиэтилцеллюлозу CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США).
Металлические волокна изготавливаются из коротких проволок, соединенных вместе путем сжатия и спекания, процесса, известного как экстракция расплава в тигле (CME)52.Это означает, что их теплопроводность зависит не только от объемной проводимости используемых при изготовлении металлов и пористости конечной структуры, но и от качества связей между нитями.Волокна не изотропны и имеют тенденцию распределяться в определенном направлении при производстве, что делает теплопроводность в поперечном направлении значительно ниже.
Водопоглощающие свойства исследовали с помощью синхронного термогравиметрического анализа (ТГА)/дифференциального термогравиметрического анализа (ДТГ) в вакуумной упаковке (Netzsch TG 209 F1 Libra).Измерения проводились в проточной атмосфере азота при скорости потока 10 мл/мин и диапазоне температур от 25 до 150°С в тиглях из оксида алюминия.Скорость нагрева составляла 1 °С/мин, масса образца варьировала от 10 до 20 мг, разрешение 0,1 мкг.В данной работе следует отметить, что разница масс, приходящаяся на единицу поверхности, имеет большую неопределенность.Образцы, используемые в ТГА-ДТГ, очень маленькие и имеют неравномерную нарезку, что делает определение их площади неточным.Эти значения можно экстраполировать на большую площадь только при учете больших отклонений.
Инфракрасные спектры с преобразованием Фурье с ослабленным полным отражением (ATR-FTIR) были получены на спектрометре Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH, Лейпциг, Германия) с использованием платиновой приставки ATR (Bruker Optik GmbH, Германия).Спектры чистых сухих кристаллов алмаза измерялись непосредственно в вакууме перед использованием образцов в качестве фона для экспериментальных измерений.Образцы измеряли в вакууме с использованием спектрального разрешения 2 см-1 и среднего числа сканирований 32. Диапазон волновых чисел от 8000 до 500 см-1.Спектральный анализ проводили с помощью программы OPUS.
СЭМ-анализ проводили с использованием DSM 982 Gemini от Zeiss при ускоряющих напряжениях 2 и 5 кВ.Энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию (EDX) выполняли с использованием системы Thermo Fischer System 7 с кремниевым дрейфовым детектором (SSD), охлаждаемым Пельтье.
Подготовку металлических пластин проводили по методике, аналогичной описанной в 53. Сначала пластину погружают в 50%-ную серную кислоту.15 минут.Затем их вводили в 1 М раствор гидроксида натрия примерно на 10 секунд.Затем образцы промывали большим количеством дистиллированной воды, а затем замачивали в дистиллированной воде в течение 30 минут.После предварительной обработки поверхности образцы погружались в 3%-ный насыщенный раствор.ГЭЦ и целевая соль.Наконец, выньте их и высушите при температуре 60°C.
Метод анодирования улучшает и укрепляет естественный оксидный слой на пассивном металле.Алюминиевые панели анодировали серной кислотой в закаленном состоянии, а затем запаивали в горячей воде.За анодированием последовало начальное травление 1 моль/л NaOH (600 с) с последующей нейтрализацией в 1 моль/л HNO3 (60 с).Раствор электролита представляет собой смесь 2,3 М H2SO4, 0,01 М Al2(SO4)3 и 1 М MgSO4 + 7H2O.Анодирование проводили при (40 ± 1)°С, 30 мА/см2 в течение 1200 секунд.Процесс герметизации проводился в различных солевых растворах, как описано в материалах (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).Образец кипятится в ней в течение 1800 секунд.
Были исследованы три различных метода получения композитов: адгезионное покрытие, прямая реакция и обработка поверхности.Систематически анализируются и обсуждаются преимущества и недостатки каждого метода обучения.Для оценки результатов использовались прямое наблюдение, нановизуализация и химический/элементный анализ.
Анодирование было выбрано в качестве конверсионного метода обработки поверхности для повышения адгезии гидратов солей.Такая обработка поверхности создает пористую структуру глинозема (глинозема) непосредственно на алюминиевой поверхности.Традиционно этот метод состоит из двух этапов: на первом этапе создается пористая структура оксида алюминия, а на втором этапе создается покрытие из гидроксида алюминия, закрывающее поры.Ниже приведены два метода блокировки соли без блокировки доступа к газовой фазе.Первый состоит из сотовой системы с использованием небольших трубок из оксида алюминия (Al2O3), полученных на первом этапе, для удержания кристаллов адсорбента и повышения его адгезии к металлическим поверхностям.Полученные соты имеют диаметр около 50 нм и длину 200 нм (рис. 1а).Как упоминалось ранее, эти полости обычно закрываются на втором этапе тонким слоем бемита Al2O(OH)2, поддерживаемого процессом кипячения глиноземной трубки.Во втором методе этот процесс герметизации видоизменен таким образом, что кристаллы соли захватываются равномерно покрывающим слоем бемита (Al2O(OH)), который в данном случае не используется для герметизации.Второй этап проводят в насыщенном растворе соответствующей соли.Описанные узоры имеют размеры в диапазоне 50–100 нм и выглядят как разбрызганные капли (рис. 1б).Поверхность, полученная в результате процесса герметизации, имеет выраженную пространственную структуру с увеличенной площадью контакта.Этот рисунок поверхности, наряду с их многочисленными конфигурациями скрепления, идеально подходит для переноски и удержания кристаллов соли.Обе описанные структуры кажутся действительно пористыми и имеют небольшие полости, которые, по-видимому, хорошо подходят для удержания гидратов соли и адсорбции паров соли во время работы адсорбера.Однако элементный анализ этих поверхностей с использованием EDX может обнаружить следовые количества магния и серы на поверхности бемита, которые не обнаруживаются в случае поверхности оксида алюминия.
ATR-FTIR образца подтвердил, что элементом был сульфат магния (см. рис. 2b).В спектре наблюдаются характерные пики сульфат-иона при 610–680 и 1080–1130 см–1 и характерные пики решеточной воды при 1600–1700 см–1 и 3200–3800 см–1 (см. рис. 2а, в).).Присутствие ионов магния почти не меняет спектр54.
(a) EDX алюминиевой пластины MgSO4, покрытой бемитом, (b) ATR-FTIR-спектры покрытий бемита и MgSO4, (c) ATR-FTIR-спектры чистого MgSO4.
Сохранение эффективности адсорбции было подтверждено ТГА.На рис.3b показывает пик десорбции прибл.60°С.Этот пик не соответствует температуре двух пиков, наблюдаемых при ТГА чистой соли (рис. 3а).Оценивалась повторяемость цикла адсорбция-десорбция, такая же кривая наблюдалась после помещения образцов во влажную атмосферу (рис. 3в).Различия, наблюдаемые на второй стадии десорбции, могут быть результатом обезвоживания в проточной атмосфере, так как это часто приводит к неполному обезвоживанию.Эти значения соответствуют примерно 17,9 г/м2 при первом обезвоживании и 10,3 г/м2 при втором обезвоживании.
Сравнение ТГА-анализа бемита и MgSO4: ТГА-анализ чистого MgSO4 (а), смеси (б) и после регидратации (в).
Тот же метод был осуществлен с хлоридом кальция в качестве адсорбента.Результаты представлены на рис. 4. Визуальный осмотр поверхности выявил незначительные изменения металлического свечения.Шерсть едва видна.СЭМ подтвердил наличие мелких кристаллов, равномерно распределенных по поверхности.Однако ТГА не показал дегидратации ниже 150°С.Это может быть связано с тем, что доля соли слишком мала по сравнению с общей массой субстрата для обнаружения методом ТГА.
Результаты обработки поверхности медносульфатного покрытия методом анодирования представлены на рис.5. В этом случае ожидаемого встраивания CuSO4 в структуру оксида Al не произошло.Вместо этого наблюдаются свободные иглы, поскольку они обычно используются для гидроксида меди Cu(OH)2, используемого с типичными бирюзовыми красителями.
Обработка анодированной поверхности также была испытана в сочетании с хлоридом стронция.Результаты показали неравномерное покрытие (см. Рисунок 6a).Чтобы определить, покрыла ли соль всю поверхность, был проведен анализ EDX.Кривая для точки в серой области (точка 1 на рис. 6б) показывает мало стронция и много алюминия.Это свидетельствует о низком содержании стронция в измеряемой зоне, что, в свою очередь, указывает на низкое покрытие хлоридом стронция.Наоборот, белые области имеют высокое содержание стронция и низкое содержание алюминия (точки 2–6 на рис. 6б).EDX-анализ белой области показывает более темные точки (точки 2 и 4 на рис. 6b), с низким содержанием хлора и высоким содержанием серы.Это может свидетельствовать об образовании сульфата стронция.Более яркие точки отражают высокое содержание хлора и низкое содержание серы (точки 3, 5 и 6 на рис. 6б).Это можно объяснить тем, что основная часть белого покрытия состоит из ожидаемого хлорида стронция.ТГА образца подтвердила интерпретацию анализа с пиком при характерной температуре чистого хлорида стронция (рис. 6в).Их малая величина может быть оправдана малой долей соли по сравнению с массой металлического носителя.Масса десорбции, определенная в опытах, соответствует количеству 7,3 г/м2, выделяемому с единицы площади адсорбера при температуре 150°С.
Также были испытаны покрытия из сульфата цинка, обработанные элоксалем.Макроскопически покрытие представляет собой очень тонкий и равномерный слой (рис. 7а).Однако СЭМ выявил участок поверхности, покрытый мелкими кристаллами, разделенными пустыми участками (рис. 7б).ТГА покрытия и подложки сравнивали с таковой чистой соли (рис. 7в).Чистая соль имеет один асимметричный пик при 59,1°С.Алюминий с покрытием показал два небольших пика при 55,5°С и 61,3°С, что указывает на присутствие гидрата сульфата цинка.Выявленная в эксперименте разница масс соответствует 10,9 г/м2 при температуре обезвоживания 150°С.
Как и в предыдущей заявке53, гидроксиэтилцеллюлоза использовалась в качестве связующего для улучшения адгезии и стабильности покрытия сорбента.Совместимость материалов и влияние на характеристики адсорбции оценивали с помощью ТГА.Анализ проводят по отношению к общей массе, т.е. образец включает металлическую пластину, используемую в качестве подложки покрытия.Адгезия проверяется тестом, основанным на тесте на поперечные надрезы, определенные в спецификации ISO2409 (не может соответствовать спецификации разделения надрезов в зависимости от толщины и ширины спецификации).
Покрытие панелей хлоридом кальция (CaCl2) (см. рис. 8а) привело к неравномерному распределению, чего не наблюдалось в чистом алюминиевом покрытии, используемом для испытания на поперечный надрез.По сравнению с результатами для чистого CaCl2, ТГА (рис. 8б) показывает два характерных пика, сдвинутых в сторону более низких температур 40 и 20°С соответственно.Тест поперечного сечения не позволяет провести объективное сравнение, поскольку чистый образец CaCl2 (образец справа на рис. 8c) представляет собой порошкообразный осадок, удаляющий самые верхние частицы.Результаты HEC показали очень тонкое и однородное покрытие с удовлетворительной адгезией.Разница масс, показанная на рис.8б соответствует 51,3 г/м2 на единицу площади адсорбера при температуре 150°С.
Положительные результаты в отношении адгезии и однородности были также получены с сульфатом магния (MgSO4) (см. рис. 9).Анализ процесса десорбции покрытия показал наличие одного пика величиной ок.60°С.Эта температура соответствует основной стадии десорбции при дегидратации чистых солей, представляющей собой еще одну стадию при 44°C.Он соответствует переходу от гексагидрата к пентагидрату и не наблюдается в случае покрытий со связующими.Тесты поперечного сечения показывают улучшенное распределение и адгезию по сравнению с покрытиями, изготовленными с использованием чистой соли.Разница масс, наблюдаемая в ТГА-ДТК, соответствует 18,4 г/м2 на единицу площади адсорбера при температуре 150°С.
Из-за неровностей поверхности хлорид стронция (SrCl2) имеет неравномерное покрытие на ребрах (рис. 10а).Однако результаты теста с поперечным надрезом показали равномерное распределение со значительно улучшенной адгезией (рис. 10с).ТГА-анализ показал очень небольшую разницу в массе, что должно быть связано с более низким содержанием соли по сравнению с металлической подложкой.Однако ступени на кривой показывают наличие процесса дегидратации, хотя пик связан с температурой, полученной при характеристике чистой соли.Пики при 110°С и 70,2°С, наблюдаемые на рис.10б также были обнаружены при анализе чистой соли.Однако основная стадия дегидратации, наблюдаемая в чистой соли при 50°С, не отражалась на кривых с использованием связующего.Напротив, связующая смесь показала два пика при 20,2°С и 94,1°С, которые не были измерены для чистой соли (рис. 10б).При температуре 150 °С наблюдаемая разница масс соответствует 7,2 г/м2 на единицу площади адсорбера.
Комбинация ГЭЦ и сульфата цинка (ZnSO4) не дала приемлемых результатов (рис. 11).ТГА-анализ металла с покрытием не выявил каких-либо процессов дегидратации.Хотя распределение и адгезия покрытия улучшились, его свойства все еще далеки от оптимальных.
Наиболее простым способом покрытия металлических волокон тонким и равномерным слоем является влажная пропитка (рис. 12а), включающая приготовление целевой соли и пропитку металлических волокон водным раствором.
При подготовке к влажной пропитке встречаются две основные проблемы.С одной стороны, поверхностное натяжение солевого раствора препятствует правильному включению жидкости в пористую структуру.Кристаллизация на внешней поверхности (рис. 12г) и пузырьки воздуха, захваченные внутри структуры (рис. 12в), могут быть уменьшены только снижением поверхностного натяжения и предварительным смачиванием образца дистиллированной водой.Принудительное растворение в образце путем откачки воздуха внутри или путем создания потока раствора в структуре являются другими эффективными способами обеспечения полного заполнения структуры.
Второй проблемой, возникшей при приготовлении, было удаление пленки с части соли (см. рис. 12б).Это явление характеризуется образованием на поверхности растворения сухого налета, который останавливает конвективно-стимулированную сушку и запускает диффузионно-стимулированный процесс.Второй механизм намного медленнее первого.В результате для разумного времени сушки требуется высокая температура, что увеличивает риск образования пузырьков внутри образца.Эта проблема решается введением альтернативного метода кристаллизации, основанного не на изменении концентрации (испарении), а на изменении температуры (как в примере с MgSO4 на рис. 13).
Схематическое изображение процесса кристаллизации при охлаждении и разделении твердой и жидкой фаз с помощью MgSO4.
С помощью этого метода можно приготовить насыщенные растворы солей при комнатной температуре (HT) или выше.В первом случае кристаллизацию форсировали понижением температуры ниже комнатной.Во втором случае кристаллизация происходила при охлаждении образца до комнатной температуры (КТ).В результате получается смесь кристаллов (Б) и растворенных (А), жидкая часть которой удаляется сжатым воздухом.Такой подход позволяет не только избежать образования пленки на этих гидратах, но и сократить время приготовления других композитов.Однако удаление жидкости сжатым воздухом приводит к дополнительной кристаллизации соли, в результате чего покрытие становится более толстым.
Другой метод, который можно использовать для покрытия металлических поверхностей, включает прямое получение целевых солей посредством химических реакций.Теплообменники с покрытием, изготовленные реакцией кислот на металлических поверхностях ребер и труб, имеют ряд преимуществ, как сообщалось в нашем предыдущем исследовании.Применение этого метода к волокнам привело к очень плохим результатам из-за образования газов во время реакции.Давление пузырьков газообразного водорода нарастает внутри зонда и изменяется по мере выброса продукта (рис. 14а).
Покрытие было модифицировано посредством химической реакции, чтобы лучше контролировать толщину и распределение покрытия.Этот метод включает пропускание потока кислотного тумана через образец (рис. 14b).Ожидается, что это приведет к однородному покрытию в результате реакции с металлом подложки.Результаты были удовлетворительными, но процесс был слишком медленным, чтобы считаться эффективным методом (рис. 14в).Более короткое время реакции может быть достигнуто за счет локального нагрева.
Для преодоления недостатков вышеуказанных способов был изучен способ нанесения покрытия, основанный на использовании клеев.HEC был выбран на основании результатов, представленных в предыдущем разделе.Все образцы были приготовлены при 3% мас.Связующее смешивается с солью.Волокна предварительно обрабатывали по той же методике, что и ребра, т.е. пропитывали 50% об.в течение 15 минут.серной кислоты, затем замачивают в гидроксиде натрия на 20 секунд, промывают в дистиллированной воде и, наконец, замачивают в дистиллированной воде на 30 минут.В этом случае перед пропиткой добавлялся дополнительный этап.Ненадолго погрузите образец в разбавленный раствор целевой соли и высушите при температуре примерно 60°C.Процесс предназначен для модификации поверхности металла, создания центров зародышеобразования, которые улучшают распределение покрытия на заключительном этапе.Волокнистая структура имеет одну сторону, где нити тоньше и плотно упакованы, и противоположную сторону, где нити более толстые и менее распределены.Это результат 52 производственных процессов.
Результаты для хлорида кальция (CaCl2) суммированы и проиллюстрированы рисунками в Таблице 1. Хорошее покрытие после инокуляции.Даже те пряди, на поверхности которых не было видимых кристаллов, имели меньше металлических отражений, что указывало на изменение отделки.Однако после пропитки образцов водной смесью CaCl2 и ГЭЦ и сушки при температуре около 60°С покрытия концентрировались в местах пересечения структур.Это эффект, вызванный поверхностным натяжением раствора.После замачивания жидкость остается внутри образца за счет его поверхностного натяжения.В основном это происходит на пересечении конструкций.На лучшей стороне экземпляра имеется несколько отверстий, заполненных солью.Масса увеличилась на 0,06 г/см3 после нанесения покрытия.
Покрытие сульфатом магния (MgSO4) дает больше соли на единицу объема (табл. 2).В этом случае измеренное приращение составляет 0,09 г/см3.Процесс посева привел к обширному охвату выборки.После процесса покрытия соль блокирует большие площади тонкой стороны образца.Кроме того, некоторые участки штейна блокируются, но некоторая пористость сохраняется.В этом случае легко наблюдается солеобразование на пересечении структур, подтверждая, что процесс покрытия происходит в основном за счет поверхностного натяжения жидкости, а не взаимодействия соли с металлической подложкой.
Результаты для комбинации хлорида стронция (SrCl2) и ГЭЦ показали свойства, аналогичные предыдущим примерам (таблица 3).В этом случае более тонкая сторона образца почти полностью покрыта.Видны только отдельные поры, образовавшиеся при сушке в результате выделения пара из образца.Картина, наблюдаемая на матовой стороне, очень похожа на предыдущий случай, область заблокирована солью и волокна не полностью покрыты.
Чтобы оценить положительное влияние волокнистой структуры на тепловые характеристики теплообменника, определяли эффективную теплопроводность волокнистой структуры с покрытием и сравнивали с чистым материалом покрытия.Теплопроводность измеряли в соответствии со стандартом ASTM D 5470-2017 с использованием устройства с плоской панелью, показанного на рисунке 15а, с использованием эталонного материала с известной теплопроводностью.По сравнению с другими методами нестационарных измерений этот принцип имеет преимущество для пористых материалов, используемых в настоящем исследовании, поскольку измерения проводятся в стационарном режиме и при достаточном размере образца (площадь основания 30 × 30 мм2, высота примерно 15 мм).Образцы чистого материала покрытия (эталон) и структуры волокна с покрытием были приготовлены для измерений в направлении волокна и перпендикулярно направлению волокна для оценки влияния анизотропной теплопроводности.Образцы были отшлифованы на поверхности (зернистость Р320), чтобы свести к минимуму влияние шероховатости поверхности из-за подготовки образца, которая не отражает структуру внутри образца.