Tack för att du besöker Nature.com. Webbläsarversionen du använder har begränsat CSS-stöd. För bästa möjliga upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer). Under tiden, för att säkerställa fortsatt stöd, kommer vi att rendera webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Marknadsandelen för adsorptionskylsystem och värmepumpar är fortfarande relativt liten jämfört med traditionella kompressorsystem. Trots den enorma fördelen med att använda billig värme (istället för dyrt elarbete) är implementeringen av system baserade på adsorptionsprinciper fortfarande begränsad till ett fåtal specifika tillämpningar. Den största nackdelen som behöver elimineras är minskningen av specifik effekt på grund av låg värmeledningsförmåga och låg stabilitet hos adsorbenten. Nuvarande kommersiella adsorptionskylsystem är baserade på adsorberare baserade på plattvärmeväxlare som är belagda för att optimera kylkapaciteten. Resultaten är välkända att en minskning av beläggningens tjocklek leder till en minskning av massöverföringsimpedansen, och att öka förhållandet mellan yta och volym hos de ledande strukturerna ökar effekten utan att kompromissa med effektiviteten. Metallfibrerna som används i detta arbete kan ge en specifik yta i intervallet 2500–50 000 m2/m3. Tre metoder för att erhålla mycket tunna men stabila beläggningar av salthydrater på metallytor, inklusive metallfibrer, för produktion av beläggningar demonstrerar för första gången en värmeväxlare med hög effektdensitet. Ytbehandlingen baserad på aluminiumanodisering väljs för att skapa en starkare bindning mellan beläggningen och substratet. Mikrostrukturen hos den resulterande ytan analyserades med svepelektronmikroskopi. Fouriertransform infrarödspektroskopi med reducerad totalreflektion och energidispersiv röntgenspektroskopi användes för att kontrollera närvaron av de önskade ämnena i analysen. Deras förmåga att bilda hydrater bekräftades genom kombinerad termogravimetrisk analys (TGA)/differentiell termogravimetrisk analys (DTG). Dålig kvalitet över 0,07 g (vatten)/g (komposit) hittades i MgSO4-beläggningen, vilket visade tecken på uttorkning vid cirka 60 °C och var reproducerbar efter rehydrering. Positiva resultat erhölls också med SrCl2 och ZnSO4 med en masskillnad på cirka 0,02 g/g under 100 °C. Hydroxietylcellulosa valdes som tillsats för att öka beläggningens stabilitet och vidhäftning. Produkternas adsorptiva egenskaper utvärderades med samtidig TGA-DTG och deras vidhäftning karakteriserades med en metod baserad på de tester som beskrivs i ISO2409. CaCl2-beläggningens konsistens och vidhäftning förbättrades avsevärt samtidigt som dess adsorptionskapacitet bibehölls med en viktskillnad på cirka 0,1 g/g vid temperaturer under 100 °C. Dessutom behåller MgSO4 förmågan att bilda hydrater, vilket visar en massskillnad på mer än 0,04 g/g vid temperaturer under 100 °C. Slutligen undersöks belagda metallfibrer. Resultaten visar att den effektiva värmeledningsförmågan hos fiberstrukturen belagd med Al2(SO4)3 kan vara 4,7 gånger högre jämfört med volymen av ren Al2(SO4)3. Beläggningen av de studerade beläggningarna undersöktes visuellt, och den interna strukturen utvärderades med hjälp av en mikroskopisk bild av tvärsnitten. En beläggning av Al2(SO4)3 med en tjocklek på cirka 50 µm erhölls, men den övergripande processen måste optimeras för att uppnå en mer enhetlig fördelning.
Adsorptionssystem har fått mycket uppmärksamhet under de senaste decennierna eftersom de erbjuder ett miljövänligt alternativ till traditionella kompressionsvärmepumpar eller kylsystem. Med stigande komfortstandarder och globala medeltemperaturer kan adsorptionssystem minska beroendet av fossila bränslen inom en snar framtid. Dessutom kan eventuella förbättringar av adsorptionskylning eller värmepumpar överföras till termisk energilagring, vilket innebär en ytterligare ökning av potentialen för effektiv användning av primärenergi. Den största fördelen med adsorptionvärmepumpar och kylsystem är att de kan arbeta med låg värmemassa. Detta gör dem lämpliga för lågtemperaturkällor som solenergi eller spillvärme. När det gäller energilagringstillämpningar har adsorption fördelen med högre energitäthet och mindre energiförlust jämfört med lagring av sensibel eller latent värme.
Adsorptionsvärmepumpar och kylsystem följer samma termodynamiska cykel som sina motsvarigheter för ångkompression. Den största skillnaden är att kompressorkomponenter ersätts med adsorberare. Elementet kan adsorbera lågtryckskylmedelsånga vid måttliga temperaturer och avdunsta mer kylmedel även när vätskan är kall. Det är nödvändigt att säkerställa konstant kylning av adsorberaren för att utesluta adsorptionsentalpin (exoterm). Adsorberaren regenereras vid hög temperatur, vilket gör att kylmedelsångan desorberar. Uppvärmning måste fortsätta att tillhandahålla desorptionsentalpin (endoterm). Eftersom adsorptionsprocesser kännetecknas av temperaturförändringar kräver hög effekttäthet hög värmeledningsförmåga. Låg värmeledningsförmåga är dock den absolut största nackdelen i de flesta tillämpningar.
Det största problemet med konduktivitet är att öka dess medelvärde samtidigt som transportvägen som tillhandahåller flödet av adsorptions-/desorptionsångor bibehålls. Två metoder används vanligtvis för att uppnå detta: kompositvärmeväxlare och belagda värmeväxlare. De mest populära och framgångsrika kompositmaterialen är de som använder kolbaserade tillsatser, nämligen expanderad grafit, aktivt kol eller kolfibrer. Oliveira et al. 2 impregnerade expanderat grafitpulver med kalciumklorid för att producera en adsorber med en specifik kylkapacitet (SCP) på upp till 306 W/kg och en värmefaktor (COP) på upp till 0,46. Zajaczkowski et al. 3 föreslog en kombination av expanderad grafit, kolfiber och kalciumklorid med en total konduktivitet på 15 W/mK. Jian et al4 testade kompositer med svavelsyrabehandlad expanderad naturlig grafit (ENG-TSA) som substrat i en tvåstegs adsorptionskylningscykel. Modellen förutspådde en COP från 0,215 till 0,285 och en SCP från 161,4 till 260,74 W/kg.
Den absolut mest gångbara lösningen är den belagda värmeväxlaren. Beläggningsmekanismerna för dessa värmeväxlare kan delas in i två kategorier: direkt syntes och lim. Den mest framgångsrika metoden är direkt syntes, vilket innebär att adsorberande material bildas direkt på ytan av värmeväxlare från lämpliga reagens. Sotech5 har patenterat en metod för att syntetisera belagd zeolit ​​för användning i en serie kylare tillverkade av Fahrenheit GmbH. Schnabel et al6 testade prestandan hos två zeoliter belagda på rostfritt stål. Denna metod fungerar dock endast med specifika adsorbenter, vilket gör beläggning med lim till ett intressant alternativ. Bindemedel är passiva ämnen som valts för att stödja sorbentvidhäftning och/eller massöverföring, men spelar ingen roll i adsorption eller konduktivitetsförbättring. Freni et al.7 belagda aluminiumvärmeväxlare med AQSOA-Z02-zeolit ​​stabiliserad med ett lerbaserat bindemedel. Calabrese et al.8 studerade framställningen av zeolitbeläggningar med polymera bindemedel. Ammann et al.9 föreslog en metod för att framställa porösa zeolitbeläggningar från magnetiska blandningar av polyvinylalkohol. Aluminiumoxid (aluminiumoxid) används också som bindemedel 10 i adsorberaren. Såvitt vi vet används cellulosa och hydroxietylcellulosa endast i kombination med fysikaliska adsorbenter11,12. Ibland används inte limmet till färgen, utan används för att bygga strukturen 13 på egen hand. Kombinationen av alginatpolymermatriser med flera salthydrater bildar flexibla kompositkulstrukturer som förhindrar läckage under torkning och ger tillräcklig massöverföring. Leror som bentonit och attapulgit har använts som bindemedel för framställning av kompositer15,16,17. Etylcellulosa har använts för att mikroinkapsla kalciumklorid18 eller natriumsulfid19.
Kompositer med en porös metallstruktur kan delas in i additiva värmeväxlare och belagda värmeväxlare. Fördelen med dessa strukturer är den höga specifika ytan. Detta resulterar i en större kontaktyta mellan adsorbent och metall utan tillsats av en inert massa, vilket minskar kylcykelns totala effektivitet. Lang et al. 20 har förbättrat den totala konduktiviteten hos en zeolitadsorber med en aluminiumbikakestruktur. Gillerminot et al. 21 förbättrade värmeledningsförmågan hos NaX-zeolitlager med koppar- och nickelskum. Även om kompositer används som fasförändringsmaterial (PCM), är resultaten från Li et al. 22 och Zhao et al. 23 också av intresse för kemisorption. De jämförde prestandan hos expanderad grafit och metallskum och drog slutsatsen att det senare var att föredra endast om korrosion inte var ett problem. Palomba et al. har nyligen jämfört andra metalliska porösa strukturer 24. Van der Pal et al. har studerat metallsalter inbäddade i skum 25. Alla tidigare exempel motsvarar täta lager av partikelformiga adsorbenter. Porösa metallstrukturer används praktiskt taget inte för att belägga adsorbenter, vilket är en mer optimal lösning. Ett exempel på bindning till zeoliter finns i Wittstadt et al. 26 men inga försök har gjorts att binda salthydrater trots deras högre energitäthet 27.
Således kommer tre metoder för att framställa adsorbentbeläggningar att utforskas i denna artikel: (1) bindemedelsbeläggning, (2) direkt reaktion och (3) ytbehandling. Hydroxietylcellulosa var det valda bindemedlet i detta arbete på grund av tidigare rapporterad stabilitet och god beläggningsvidhäftning i kombination med fysikaliska adsorbenter. Denna metod undersöktes initialt för matta beläggningar och tillämpades senare på metallfiberstrukturer. Tidigare rapporterades en preliminär analys av möjligheten till kemiska reaktioner med bildandet av adsorbentbeläggningar. Tidigare erfarenheter överförs nu till beläggning av metallfiberstrukturer. Den ytbehandling som valts för detta arbete är en metod baserad på aluminiumanodisering. Aluminiumanodisering har framgångsrikt kombinerats med metallsalter för estetiska ändamål29. I dessa fall kan mycket stabila och korrosionsbeständiga beläggningar erhållas. De kan dock inte utföra någon adsorptions- eller desorptionsprocess. Denna artikel presenterar en variant av denna metod som gör att massa kan flyttas med hjälp av den ursprungliga processens vidhäftningsegenskaper. Så vitt vi vet har ingen av de metoder som beskrivs här studerats tidigare. De representerar en mycket intressant ny teknik eftersom de möjliggör bildandet av hydratiserade adsorbentbeläggningar, vilka har ett antal fördelar jämfört med de ofta studerade fysikaliska adsorbenterna.
De stansade aluminiumplattorna som användes som substrat för dessa experiment tillhandahölls av ALINVEST Břidličná, Tjeckien. De innehåller 98,11 % aluminium, 1,3622 % järn, 0,3618 % mangan och spår av koppar, magnesium, kisel, titan, zink, krom och nickel.
Materialen som väljs för tillverkning av kompositer väljs ut i enlighet med deras termodynamiska egenskaper, nämligen beroende på mängden vatten som de kan adsorbera/desorbera vid temperaturer under 120 °C.
Magnesiumsulfat (MgSO4) är ett av de mest intressanta och studerade hydratiserade salterna30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. De termodynamiska egenskaperna har systematiskt mätts och visat sig vara lämpliga för tillämpningar inom adsorptionskylning, värmepumpar och energilagring. Torrt magnesiumsulfat CAS-nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Tyskland) användes.
Kalciumklorid (CaCl2) (H319) är ett annat välstuderat salt eftersom dess hydrat har intressanta termodynamiska egenskaper41,42,43,44. Kalciumkloridhexahydrat CAS-nr 7774-34-7 97 % använt (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Tyskland).
Zinksulfat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) och dess hydrater har termodynamiska egenskaper lämpliga för adsorptionsprocesser vid låg temperatur45,46. Zinksulfatheptahydrat CAS-nr.7733-02-0 99,5 % (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Tyskland) användes.
Strontiumklorid (SrCl2) (H318) har också intressanta termodynamiska egenskaper4,45,47 även om det ofta kombineras med ammoniak i forskning om adsorptionsvärmepumpar eller energilagring. Strontiumkloridhexahydrat CAS-nr.10.476-85-4 99,0–102,0 % (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA) användes för syntesen.
Kopparsulfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) är inte bland de hydrater som ofta förekommer i facklitteraturen, även om dess termodynamiska egenskaper är av intresse för lågtemperaturtillämpningar48,49. Kopparsulfat CAS-nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA) användes för syntesen.
Magnesiumklorid (MgCl2) är ett av de hydratiserade salter som nyligen har fått mer uppmärksamhet inom området termisk energilagring50,51. Magnesiumkloridhexahydrat CAS-nr.7791-18-6 ren farmaceutisk kvalitet (Applichem GmbH., Darmstadt, Tyskland) användes för experimenten.
Som nämnts ovan valdes hydroxietylcellulosa på grund av de positiva resultaten i liknande tillämpningar. Materialet som används i vår syntes är hydroxietylcellulosa CAS-nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Metallfibrer tillverkas av korta trådar som binds samman genom kompression och sintring, en process som kallas smältextraktion i degel (CME)52. Detta innebär att deras värmeledningsförmåga inte bara beror på bulkledningsförmågan hos de metaller som används vid tillverkningen och porositeten hos den slutliga strukturen, utan också på kvaliteten på bindningarna mellan trådarna. Fibrerna är inte isotropa och tenderar att vara fördelade i en viss riktning under produktionen, vilket gör värmeledningsförmågan i tvärriktningen mycket lägre.
Vattenabsorptionsegenskaperna undersöktes med hjälp av simultan termogravimetrisk analys (TGA)/differentiell termogravimetrisk analys (DTG) i en vakuumförpackning (Netzsch TG 209 F1 Libra). Mätningarna utfördes i en flödande kvävgasatmosfär med en flödeshastighet på 10 ml/min och ett temperaturintervall från 25 till 150°C i aluminiumoxiddeglar. Uppvärmningshastigheten var 1 °C/min, provvikten varierade från 10 till 20 mg, upplösningen var 0,1 μg. I detta arbete bör det noteras att massskillnaden per ytenhet har en stor osäkerhet. Proverna som används i TGA-DTG är mycket små och oregelbundet skurna, vilket gör deras areabestämning felaktig. Dessa värden kan endast extrapoleras till en större area om stora avvikelser beaktas.
Försvagade totalreflektions-Fouriertransform-infraröda (ATR-FTIR) spektra erhölls på en Bruker Vertex 80 v FTIR-spektrometer (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Tyskland) med hjälp av ett ATR-platinatillbehör (Bruker Optik GmbH, Tyskland). Spektra för rena torra diamantkristaller mättes direkt i vakuum innan proverna användes som bakgrund för experimentella mätningar. Proverna mättes i vakuum med en spektral upplösning på 2 cm⁻¹ och ett genomsnittligt antal skanningar på 32. Vågnummerintervallet är från 8000 till 500 cm⁻¹. Spektralanalys utfördes med OPUS-programmet.
SEM-analys utfördes med en DSM 982 Gemini från Zeiss vid accelerationsspänningar på 2 och 5 kV. Energidispersiv röntgenspektroskopi (EDX) utfördes med ett Thermo Fischer System 7 med en Peltier-kyld kiseldriftdetektor (SSD).
Framställningen av metallplattorna utfördes enligt en procedur liknande den som beskrivs i 53. Först doppades plattan i 50 % svavelsyra i 15 minuter. Därefter introducerades de i 1 M natriumhydroxidlösning i cirka 10 sekunder. Därefter tvättades proverna med en stor mängd destillerat vatten och blötlades sedan i destillerat vatten i 30 minuter. Efter preliminär ytbehandling doppades proverna i en 3 % mättad lösning av HEC och målsalt. Slutligen togs de ut och torkades vid 60 °C.
Anodiseringsmetoden förstärker och förstärker det naturliga oxidskiktet på den passiva metallen. Aluminiumpanelerna anodiserades med svavelsyra i härdat tillstånd och förseglades sedan i varmt vatten. Anodiseringen följde en initial etsning med 1 mol/l NaOH (600 s) följt av neutralisering i 1 mol/l HNO3 (60 s). Elektrolytlösningen är en blandning av 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 och 1 M MgSO4 + 7H2O. Anodiseringen utfördes vid (40 ± 1) °C, 30 mA/cm2 i 1200 sekunder. Förseglingsprocessen utfördes i olika saltlösningar enligt beskrivningen i materialen (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Provet kokades i den i 1800 sekunder.
Tre olika metoder för att producera kompositer har undersökts: adhesiv beläggning, direkt reaktion och ytbehandling. För- och nackdelarna med varje träningsmetod analyseras och diskuteras systematiskt. Direkt observation, nanoavbildning och kemisk/elementaranalys användes för att utvärdera resultaten.
Anodisering valdes som en omvandlingsmetod för ytbehandling för att öka vidhäftningen av salthydrater. Denna ytbehandling skapar en porös struktur av aluminiumoxid (aluminiumoxid) direkt på aluminiumytan. Traditionellt består denna metod av två steg: det första steget skapar en porös struktur av aluminiumoxid, och det andra steget skapar en beläggning av aluminiumhydroxid som stänger porerna. Följande är två metoder för att blockera salt utan att blockera åtkomst till gasfasen. Den första består av ett bikakesystem med små aluminiumoxidrör (Al2O3) som erhålls i det första steget för att hålla adsorbentkristallerna och öka dess vidhäftning till metallytor. De resulterande bikakorna har en diameter på cirka 50 nm och en längd på 200 nm (Fig. 1a). Som tidigare nämnts stängs dessa hålrum vanligtvis i ett andra steg med ett tunt lager av Al2O(OH)2-böhmit som stöds av kokprocessen med aluminiumoxidrör. I den andra metoden modifieras denna förseglingsprocess på ett sådant sätt att saltkristallerna fångas i ett jämnt täckande lager av böhmit (Al2O(OH)), vilket inte används för försegling i detta fall. Det andra steget utförs i en mättad lösning av motsvarande salt. De beskrivna mönstren har storlekar i intervallet 50–100 nm och ser ut som stänkdroppar (Fig. 1b). Ytan som erhålls som ett resultat av förseglingsprocessen har en uttalad rumslig struktur med en ökad kontaktyta. Detta ytmönster, tillsammans med deras många bindningskonfigurationer, är idealiskt för att bära och hålla saltkristaller. Båda beskrivna strukturer verkar vara verkligt porösa och har små håligheter som verkar vara väl lämpade för att hålla kvar salthydrater och adsorbera ångor till saltet under adsorberns drift. Elementaranalys av dessa ytor med hjälp av EDX kan dock detektera spårmängder av magnesium och svavel på ytan av böhmit, vilka inte detekteras vid en aluminiumoxidyta.
ATR-FTIR-analys av provet bekräftade att grundämnet var magnesiumsulfat (se figur 2b). Spektrumet visar karakteristiska sulfatjontoppar vid 610–680 och 1080–1130 cm⁻¹ och karakteristiska gittervattentoppar vid 1600–1700 cm⁻¹ och 3200–3800 cm⁻¹ (se figur 2a, c). Närvaron av magnesiumjoner förändrar nästan inte spektrumet54.
(a) EDX av en böhmitbelagd MgSO4-aluminiumplatta, (b) ATR-FTIR-spektra av böhmit- och MgSO4-beläggningar, (c) ATR-FTIR-spektra av ren MgSO4.
Bibehållen adsorptionseffektivitet bekräftades med TGA. Fig. 3b visar en desorptionstopp på ca 60 °C. Denna topp motsvarar inte temperaturen hos de två topparna som observerats i TGA av rent salt (Fig. 3a). Repeterbarheten för adsorption-desorptionscykeln utvärderades, och samma kurva observerades efter att proverna placerats i en fuktig atmosfär (Fig. 3c). Skillnaderna som observerades i det andra desorptionssteget kan bero på uttorkning i en flödande atmosfär, eftersom detta ofta leder till ofullständig uttorkning. Dessa värden motsvarar cirka 17,9 g/m2 vid den första avvattningen och 10,3 g/m2 vid den andra avvattningen.
Jämförelse av TGA-analys av böhmit och MgSO4: TGA-analys av ren MgSO4 (a), blandning (b) och efter rehydrering (c).
Samma metod utfördes med kalciumklorid som adsorbent. Resultaten presenteras i figur 4. Visuell inspektion av ytan avslöjade mindre förändringar i den metalliska glöden. Pälsen är knappt synlig. SEM bekräftade närvaron av små kristaller jämnt fördelade över ytan. TGA visade dock ingen uttorkning under 150 °C. Detta kan bero på att andelen salt är för liten jämfört med substratets totala massa för detektion med TGA.
Resultaten av ytbehandlingen av kopparsulfatbeläggningen med anodiseringsmetoden visas i figur 5. I detta fall inträffade inte den förväntade inkorporeringen av CuSO4 i Al-oxidstrukturen. Istället observeras lösa nålar, vilket vanligtvis används för kopparhydroxid, Cu(OH)2, som används med typiska turkosfärger.
Den anodiserade ytbehandlingen testades också i kombination med strontiumklorid. Resultaten visade ojämn täckning (se figur 6a). För att avgöra om saltet täckte hela ytan utfördes en EDX-analys. Kurvan för en punkt i det grå området (punkt 1 i figur 6b) visar lite strontium och mycket aluminium. Detta indikerar en låg halt strontium i den uppmätta zonen, vilket i sin tur indikerar en låg täckning av strontiumklorid. Omvänt har vita områden en hög halt strontium och en låg halt aluminium (punkterna 2–6 i figur 6b). EDX-analys av det vita området visar mörkare prickar (punkterna 2 och 4 i figur 6b), låg klorhalt och hög svavelhalt. Detta kan indikera bildandet av strontiumsulfat. Ljusare prickar återspeglar hög klorhalt och låg svavelhalt (punkterna 3, 5 och 6 i figur 6b). Detta kan förklaras av att huvuddelen av den vita beläggningen består av den förväntade strontiumkloriden. TGA-analys av provet bekräftade analysens tolkning med en topp vid den karakteristiska temperaturen för ren strontiumklorid (Fig. 6c). Deras lilla värde kan motiveras av en liten andel salt i jämförelse med metallbärarens massa. Desorptionsmassan som bestämdes i experimenten motsvarar mängden 7,3 g/m2 som avges per ytenhet av adsorberaren vid en temperatur av 150°C.
Eloxalbehandlade zinksulfatbeläggningar testades också. Makroskopiskt är beläggningen ett mycket tunt och enhetligt lager (Fig. 7a). SEM visade dock en yta täckt med små kristaller separerade av tomma områden (Fig. 7b). TGA för beläggningen och substratet jämfördes med rent salt (Figur 7c). Rent salt har en asymmetrisk topp vid 59,1 °C. Det belagda aluminiumet uppvisade två små toppar vid 55,5 °C och 61,3 °C, vilket indikerar närvaron av zinksulfathydrat. Massskillnaden som avslöjades i experimentet motsvarar 10,9 g/m2 vid en dehydreringstemperatur på 150 °C.
Precis som i den tidigare ansökan53 användes hydroxietylcellulosa som bindemedel för att förbättra vidhäftningen och stabiliteten hos sorbentbeläggningen. Materialkompatibilitet och effekt på adsorptionsprestanda bedömdes med TGA. Analysen utförs i förhållande till den totala massan, dvs. provet inkluderar en metallplatta som används som beläggningssubstrat. Vidhäftningen testas med ett test baserat på korsskårstestet som definieras i ISO2409-specifikationen (kan inte uppfylla skårseparationsspecifikationen beroende på specifikationens tjocklek och bredd).
Beläggning av panelerna med kalciumklorid (CaCl2) (se Fig. 8a) resulterade i ojämn fördelning, vilket inte observerades i den rena aluminiumbeläggningen som användes för det tvärgående skårtestet. Jämfört med resultaten för ren CaCl2 visar TGA (Fig. 8b) två karakteristiska toppar förskjutna mot lägre temperaturer på 40 respektive 20 °C. Tvärsnittstestet möjliggör inte en objektiv jämförelse eftersom det rena CaCl2-provet (provet till höger i Fig. 8c) är en pulverformig fällning, som avlägsnar de översta partiklarna. HEC-resultaten visade en mycket tunn och enhetlig beläggning med tillfredsställande vidhäftning. Massskillnaden som visas i Fig. 8b motsvarar 51,3 g/m2 per ytenhet av adsorbern vid en temperatur på 150 °C.
Positiva resultat vad gäller vidhäftning och enhetlighet erhölls även med magnesiumsulfat (MgSO4) (se Fig. 9). Analys av beläggningens desorptionsprocessen visade närvaron av en topp på cirka 60 °C. Denna temperatur motsvarar det huvudsakliga desorptionssteget som ses vid dehydrering av rena salter, vilket representerar ett annat steg vid 44 °C. Det motsvarar övergången från hexahydrat till pentahydrat och observeras inte vid beläggningar med bindemedel. Tvärsnittstester visar förbättrad distribution och vidhäftning jämfört med beläggningar gjorda med rent salt. Den observerade massskillnaden i TGA-DTC motsvarar 18,4 g/m2 per ytenhet av adsorberaren vid en temperatur på 150 °C.
På grund av ojämnheter i ytan har strontiumklorid (SrCl2) en ojämn beläggning på fenorna (Fig. 10a). Resultaten av det tvärgående skårtestet visade dock en jämn fördelning med signifikant förbättrad vidhäftning (Fig. 10c). TGA-analys visade en mycket liten viktskillnad, vilket måste bero på den lägre salthalten jämfört med metallsubstratet. Stegen på kurvan visar dock närvaron av en dehydreringsprocess, även om toppen är associerad med den temperatur som erhålls vid karakterisering av rent salt. Topparna vid 110 °C och 70,2 °C som observerats i Fig. 10b hittades också vid analys av rent salt. Det huvudsakliga dehydreringssteget som observerades i rent salt vid 50 °C återspeglades dock inte i kurvorna med bindemedlet. Däremot visade bindemedelsblandningen två toppar vid 20,2 °C och 94,1 °C, vilka inte mättes för det rena saltet (Fig. 10b). Vid en temperatur på 150 °C motsvarar den observerade massskillnaden 7,2 g/m2 per ytenhet av adsorbern.
Kombinationen av HEC och zinksulfat (ZnSO4) gav inte acceptabla resultat (Figur 11). TGA-analys av den belagda metallen visade inga uttorkningsprocesser. Även om beläggningens distribution och vidhäftning har förbättrats är dess egenskaper fortfarande långt ifrån optimala.
Det enklaste sättet att belägga metallfibrer med ett tunt och jämnt lager är våtimpregnering (Fig. 12a), vilket innefattar beredning av målsaltet och impregnering av metallfibrer med en vattenlösning.
Vid förberedelser inför våtimpregnering uppstår två huvudproblem. Å ena sidan förhindrar saltlösningens ytspänning att vätskan korrekt införlivas i den porösa strukturen. Kristallisering på den yttre ytan (Fig. 12d) och luftbubblor som fångats inuti strukturen (Fig. 12c) kan endast minskas genom att sänka ytspänningen och förväta provet med destillerat vatten. Tvingad upplösning i provet genom att evakuera luften inuti eller genom att skapa ett lösningsflöde i strukturen är andra effektiva sätt att säkerställa fullständig fyllning av strukturen.
Det andra problemet som uppstod under beredningen var borttagningen av filmen från en del av saltet (se figur 12b). Detta fenomen kännetecknas av bildandet av en torr beläggning på upplösningsytan, vilket stoppar den konvektivt stimulerade torkningen och startar den diffusionsstimulerade processen. Den andra mekanismen är mycket långsammare än den första. Som ett resultat krävs en hög temperatur för en rimlig torkningstid, vilket ökar risken för att bubblor bildas inuti provet. Detta problem löses genom att införa en alternativ kristallisationsmetod som inte baseras på koncentrationsförändring (avdunstning), utan på temperaturförändring (som i exemplet med MgSO4 i figur 13).
Schematisk representation av kristallisationsprocessen under kylning och separation av fasta och flytande faser med användning av MgSO4.
Mättade saltlösningar kan framställas vid eller över rumstemperatur (HT) med hjälp av denna metod. I det första fallet forcerades kristallisationen genom att sänka temperaturen till under rumstemperatur. I det andra fallet inträffade kristallisationen när provet kyldes till rumstemperatur (RT). Resultatet är en blandning av kristaller (B) och lösta kristaller (A), vars flytande del avlägsnas med tryckluft. Denna metod undviker inte bara bildandet av en film på dessa hydrater, utan minskar också den tid som krävs för framställning av andra kompositer. Avlägsnandet av vätska med tryckluft leder dock till ytterligare kristallisation av saltet, vilket resulterar i en tjockare beläggning.
En annan metod som kan användas för att belägga metallytor involverar direkt produktion av målsalter genom kemiska reaktioner. Belagda värmeväxlare tillverkade genom reaktion av syror på metallytor av flänsar och rör har ett antal fördelar, vilket rapporterats i vår tidigare studie. Tillämpningen av denna metod på fibrer ledde till mycket dåliga resultat på grund av bildandet av gaser under reaktionen. Trycket i vätgasbubblorna byggs upp inuti sonden och förändras när produkten stöts ut (Fig. 14a).
Beläggningen har modifierats genom en kemisk reaktion för att bättre kontrollera beläggningens tjocklek och fördelning. Denna metod innebär att en syradimma leds genom provet (Figur 14b). Detta förväntas resultera i en jämn beläggning genom reaktion med substratmetallen. Resultaten var tillfredsställande, men processen var för långsam för att betraktas som en effektiv metod (Fig. 14c). Kortare reaktionstider kan uppnås genom lokal uppvärmning.
För att övervinna nackdelarna med ovanstående metoder har en beläggningsmetod baserad på användning av lim studerats. HEC valdes baserat på resultaten som presenterades i föregående avsnitt. Alla prover framställdes med 3 viktprocent svavelsyra. Bindemedlet blandas med salt. Fibrerna förbehandlades enligt samma procedur som för ribborna, dvs. blötlades i 50 vol.% svavelsyra inom 15 minuter, blötlades sedan i natriumhydroxid i 20 sekunder, tvättades i destillerat vatten och blötlades slutligen i destillerat vatten i 30 minuter. I detta fall tillkom ett ytterligare steg före impregneringen. Sänk ner provet kort i en utspädd saltlösning och torka vid cirka 60 °C. Processen är utformad för att modifiera metallens yta och skapa kärnbildningsställen som förbättrar beläggningens fördelning i slutskedet. Den fiberartade strukturen har en sida där filamenten är tunnare och tätt packade, och den motsatta sidan där filamenten är tjockare och mindre fördelade. Detta är resultatet av 52 tillverkningsprocesser.
Resultaten för kalciumklorid (CaCl2) sammanfattas och illustreras med bilder i tabell 1. God täckning efter inokulering. Även de trådar utan synliga kristaller på ytan hade minskade metalliska reflektioner, vilket indikerar en förändring i finishen. Efter att proverna impregnerats med en vattenhaltig blandning av CaCl2 och HEC och torkats vid en temperatur på cirka 60 °C koncentrerades dock beläggningarna vid strukturernas skärningspunkter. Detta är en effekt som orsakas av lösningens ytspänning. Efter blötläggningen stannar vätskan kvar inuti provet på grund av dess ytspänning. I grund och botten sker detta vid strukturernas skärningspunkt. Provets bästa sida har flera hål fyllda med salt. Vikten ökade med 0,06 g/cm3 efter beläggning.
Beläggning med magnesiumsulfat (MgSO4) producerade mer salt per volymenhet (tabell 2). I detta fall är den uppmätta ökningen 0,09 g/cm3. Såddprocessen resulterade i omfattande provtäckning. Efter beläggningsprocessen blockerar saltet stora områden av provets tunna sida. Dessutom blockeras vissa områden av skärstenen, men en viss porositet bibehålls. I detta fall observeras saltbildning lätt vid skärningspunkten mellan strukturerna, vilket bekräftar att beläggningsprocessen huvudsakligen beror på vätskans ytspänning och inte interaktionen mellan saltet och metallsubstratet.
Resultaten för kombinationen av strontiumklorid (SrCl2) och HEC visade liknande egenskaper som i de tidigare exemplen (tabell 3). I detta fall är den tunnare sidan av provet nästan helt täckt. Endast enskilda porer är synliga, vilka bildats under torkningen som ett resultat av att ånga frigörs från provet. Mönstret som observeras på den matta sidan är mycket likt det föregående fallet, området är blockerat med salt och fibrerna är inte helt täckta.
För att utvärdera den positiva effekten av fiberstrukturen på värmeväxlarens termiska prestanda bestämdes den effektiva värmeledningsförmågan hos den belagda fiberstrukturen och jämfördes med det rena beläggningsmaterialet. Värmeledningsförmågan mättes enligt ASTM D 5470-2017 med hjälp av den platta panelenheten som visas i figur 15a med ett referensmaterial med känd värmeledningsförmåga. Jämfört med andra transienta mätmetoder är denna princip fördelaktig för porösa material som används i den aktuella studien, eftersom mätningarna utförs i ett stationärt tillstånd och med en tillräcklig provstorlek (basarea 30 × 30 mm2, höjd cirka 15 mm). Prover av det rena beläggningsmaterialet (referens) och den belagda fiberstrukturen förbereddes för mätningar i fiberns riktning och vinkelrätt mot fiberns riktning för att utvärdera effekten av anisotrop värmeledningsförmåga. Proverna slipades på ytan (P320-kornstorlek) för att minimera effekten av ytjämnhet på grund av provberedning, vilket inte återspeglar strukturen inuti provet.