Tack för att du besöker Nature.com.Webbläsarversionen du använder har begränsat CSS-stöd.För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer).Under tiden, för att säkerställa fortsatt support, 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 måste elimineras är minskningen av specifik effekt på grund av låg värmeledningsförmåga och låg stabilitet hos adsorbenten.Nuvarande toppmoderna kommersiella adsorptionskylsystem är baserade på adsorbatorer baserade på plattvärmeväxlare belagda för att optimera kylkapaciteten.Resultaten är välkända att en minskning av beläggningens tjocklek leder till en minskning av massöverföringsimpedansen, och en ökning av förhållandet mellan ytarea 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 framställning av beläggningar visar för första gången en värmeväxlare med hög effektdensitet.Ytbehandlingen baserad på aluminiumanodisering är vald för att skapa en starkare bindning mellan beläggningen och underlaget.Mikrostrukturen hos den resulterande ytan analyserades med användning av svepelektronmikroskopi.Minskad totalreflektion Fouriertransform infraröd spektroskopi och energidispergerande röntgenspektroskopi användes för att kontrollera förekomsten av den önskade arten 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, som visade tecken på uttorkning vid cirka 60 °C och reproducerbar efter rehydrering.Positiva resultat erhölls också med SrCl2 och ZnSO4 med en massaskillnad på cirka 0,02 g/g under 100 °C.Hydroxietylcellulosa valdes som tillsats för att öka stabiliteten och vidhäftningen av beläggningen.Produkternas adsorptionsegenskaper utvärderades med samtidig TGA-DTG och deras vidhäftning karakteriserades med en metod baserad på de tester som beskrivs i ISO2409.Konsistensen och vidhäftningen av CaCl2-beläggningen förbättras avsevärt samtidigt som dess adsorptionskapacitet bibehålls med en viktskillnad på cirka 0,1 g/g vid temperaturer under 100 °C.Dessutom behåller MgSO4 förmågan att bilda hydrater, vilket visar en massaskillnad 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 inre strukturen utvärderades med användning av en mikroskopisk bild av tvärsnitten.En beläggning av Al2(SO4)3 med en tjocklek av cirka 50 µm erhölls, men hela processen måste optimeras för att uppnå en mer enhetlig fördelning.
Adsorptionssystem har fått mycket uppmärksamhet under de senaste decennierna eftersom de utgör 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 adsorptionskyla eller värmepumpar överföras till värmeenergilagring, vilket innebär en ytterligare ökning av potentialen för effektiv användning av primärenergi.Den största fördelen med adsorptionsvärmepumpar och kylsystem är att de kan arbeta med låg värmemassa.Detta gör dem lämpliga för lågtemperaturkällor som solenergi eller spillvärme.När det gäller applikationer för energilagring har adsorption fördelen av högre energitäthet och mindre energiförlust jämfört med förnuftig eller latent värmelagring.
Adsorptionsvärmepumpar och kylsystem följer samma termodynamiska cykel som deras ångkompressionsmotsvarigheter.Den största skillnaden är ersättningen av kompressorkomponenter med adsorbatorer.Elementet kan adsorbera lågtrycksköldmedieånga vid måttliga temperaturer och avdunstar mer köldmedium även när vätskan är kall.Det är nödvändigt att säkerställa konstant kylning av adsorbatorn för att utesluta adsorptionsentalpin (exoterm).Adsorbatorn regenereras vid hög temperatur, vilket gör att köldmedieångan desorberas.Uppvärmning måste fortsätta att ge desorptionsentalpin (endotermisk).Eftersom adsorptionsprocesser kännetecknas av temperaturförändringar kräver hög effekttäthet hög värmeledningsförmåga.Emellertid är låg värmeledningsförmåga den absolut största nackdelen i de flesta tillämpningar.
Huvudproblemet 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 impregnerat expanderat grafitpulver med kalciumklorid för att producera en adsorbator med en specifik kylkapacitet (SCP) på upp till 306 W/kg och en prestandakoefficient (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 COP från 0,215 till 0,285 och SCP från 161,4 till 260,74 W/kg.
Den överlägset mest lönsamma 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, som involverar bildandet av adsorberande material direkt på ytan av värmeväxlare från lämpliga reagenser.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 bara med specifika adsorbenter, vilket gör beläggning med lim till ett intressant alternativ.Bindemedel är passiva ämnen som är valda 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 framställning av porösa zeolitbeläggningar från magnetiska blandningar av polyvinylalkohol.Aluminiumoxid (aluminiumoxid) används också som bindemedel 10 i adsorbatorn.Såvitt vi vet används cellulosa och hydroxietylcellulosa endast i kombination med fysikaliska adsorbenter11,12.Ibland används limmet inte till färgen utan används för att bygga strukturen 13 på egen hand.Kombinationen av alginatpolymermatriser med flera salthydrater bildar flexibla kompositpärlstrukturer som förhindrar läckage under torkning och ger adekvat 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 porös metallstruktur kan delas in i additiv 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 den totala effektiviteten av kylcykeln.Lang et al.20 har förbättrat den totala konduktiviteten hos en zeolitadsorberare med en bikakestruktur av aluminium.Gillerminot et al.21 förbättrade värmeledningsförmågan hos NaX-zeolitskikt med koppar- och nickelskum.Även om kompositer används som fasförändringsmaterial (PCM), resultaten av Li et al.22 och Zhao et al.23 är 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 strukturer24.Van der Pal et al.har studerat metallsalter inbäddade i skum 25 .Alla tidigare exempel motsvarar täta skikt av partikelformiga adsorbenter.Metallporösa strukturer används praktiskt taget inte för att belägga adsorbatorer, vilket är en mer optimal lösning.Ett exempel på bindning till zeoliter kan hittas 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 adsorberande beläggningar 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 platta beläggningar och applicerades senare på metallfiberstrukturer.Tidigare har en preliminär analys av möjligheten till kemiska reaktioner med bildning av adsorberande beläggningar rapporterats.Tidigare erfarenheter överförs nu till beläggning av metallfiberstrukturer.Ytbehandlingen 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.Detta dokument presenterar en variant av detta tillvägagångssätt som gör att massa kan flyttas med hjälp av den ursprungliga processens adhesiva egenskaper.Så vitt vi vet har ingen av metoderna som beskrivs här tidigare studerats.De representerar en mycket intressant ny teknologi eftersom de tillåter bildandet av hydratiserade adsorberande beläggningar, som har ett antal fördelar jämfört med de ofta studerade fysikaliska adsorbenterna.
De stansade aluminiumplåtarna som användes som substrat för dessa experiment tillhandahålls 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 är valda 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 mätts systematiskt och befunnits vara lämpliga för tillämpningar inom områdena adsorptionskylning, värmepumpar och energilagring.Torrt magnesiumsulfat CAS-nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Tyskland) användes.
Kalciumklorid (CaCl2) (H319) är ett annat väl studerat salt eftersom dess hydrat har intressanta termodynamiska egenskaper41,42,43,44.Kalciumkloridhexahydrat CAS-nr.7774-34-7 97 % använd (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Tyskland).
Zinksulfat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) och dess hydrater har termodynamiska egenskaper som är 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 adsorptionsvärmepumpar eller energilagringsforskning.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 finns i den professionella litteraturen, 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 för lagring av värme50,51.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 är gjorda av korta trådar som är sammanbundna genom kompression och sintring, en process som kallas degelsmältextraktion (CME)52.Detta betyder 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 fördelas i en viss riktning under produktionen, vilket gör att värmeledningsförmågan i tvärriktningen blir mycket lägre.
Vattenabsorptionsegenskaperna undersöktes med användning av simultan termogravimetrisk analys (TGA)/differentiell termogravimetrisk analys (DTG) i en vakuumförpackning (Netzsch TG 209 F1 Libra).Mätningarna utfördes i en strömmande kvävgasatmosfär med en flödeshastighet av 10 ml/min och ett temperaturområde 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 områdesbestämning felaktig.Dessa värden kan endast extrapoleras till ett större område om man tar hänsyn till stora avvikelser.
Försvagad totalreflektion Fouriertransform infraröd (ATR-FTIR)-spektra förvärvades på en Bruker Vertex 80 v FTIR-spektrometer (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Tyskland) med användning 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 användning av en spektral upplösning på 2 cm-1 och ett genomsnittligt antal skanningar på 32. Vågnummer varierar från 8000 till 500 cm-1.Spektralanalys utfördes med användning av OPUS-programmet.
SEM-analys utfördes med användning av en DSM 982 Gemini från Zeiss vid accelererande spänningar på 2 och 5 kV.Energidispersiv röntgenspektroskopi (EDX) utfördes med användning av ett Thermo Fischer System 7 med en Peltier-kyld kiseldriftdetektor (SSD).
Framställningen av metallplattor utfördes i enlighet med proceduren liknande den som beskrivs i 53. Först doppa plattan i 50 % svavelsyra.15 minuter.Sedan infördes de i 1 M natriumhydroxidlösning under cirka 10 sekunder.Därefter tvättades proverna med en stor mängd destillerat vatten och blötlades sedan i destillerat vatten i 30 minuter.Efter preliminär ytbehandling nedsänktes proverna i en 3% mättad lösning.HEC och målsalt.Ta till sist ut dem och torka dem i 60°C.
Anodiseringsmetoden förstärker och stärker det naturliga oxidskiktet på den passiva metallen.Aluminiumpanelerna anodiserades med svavelsyra i härdat tillstånd och förseglades sedan i varmt vatten.Anodisering 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.Anodisering utfördes vid (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 under 1200 sekunder.Förseglingsprocessen utfördes i olika saltlösningar som beskrivs i materialen (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).Provet kokas i det i 1800 sekunder.
Tre olika metoder för att framställa kompositer har undersökts: limbeläggning, direktreaktion och ytbehandling.För- och nackdelar med varje träningsmetod analyseras och diskuteras systematiskt.Direkt observation, nanoimaging 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 tillgången till gasfasen.Det första består av ett bikakesystem som använder små aluminiumoxidrör (Al2O3) erhållna i det första steget för att hålla de adsorberande kristallerna och öka dess vidhäftning till metallytor.De resulterande bikakorna har en diameter av cirka 50 nm och en längd av 200 nm (Fig. la).Som nämnts tidigare stängs dessa kaviteter vanligtvis i ett andra steg med ett tunt lager av Al2O(OH)2-böhmit som stöds av kokningsprocessen av aluminiumoxidrör.I den andra metoden modifieras denna förseglingsprocess på ett sådant sätt att saltkristallerna fångas upp i ett likformigt täckande skikt av böhmit (Al2O(OH)), som inte används för försegling i detta fall.Det andra steget utförs i en mättad lösning av motsvarande salt.De beskrivna mönstren har storlekar inom intervallet 50–100 nm och ser ut som stänkta droppar (Fig. 1b).Ytan som erhålls som ett resultat av tätningsprocessen 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 strukturerna som beskrivs verkar vara riktigt porösa och har små håligheter som verkar vara väl lämpade för att kvarhålla salthydrater och adsorbera ångor till saltet under drift av adsorbatorn.Emellertid kan elementaranalys av dessa ytor med EDX detektera spårmängder av magnesium och svavel på ytan av böhmit, som inte detekteras i fallet med en aluminiumoxidyta.
ATR-FTIR för 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 fig. 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.
Upprätthållande av adsorptionseffektivitet bekräftades av TGA.På fig.3b visar en desorptionstopp på ca.60°C.Denna topp motsvarar inte temperaturen för de två topparna som observerats i TGA av rent salt (Fig. 3a).Repeterbarheten av adsorptions-desorptionscykeln utvärderades, och samma kurva observerades efter att proverna placerats i en fuktig atmosfär (Fig. 3c).Skillnaderna som observeras i det andra steget av desorption kan vara resultatet av uttorkning i en strömmande 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 syns knappt.SEM bekräftade närvaron av små kristaller jämnt fördelade över ytan.Emellertid visade TGA ingen uttorkning under 150°C.Detta kan bero på att andelen salt är för liten jämfört med den totala massan av substratet för detektering med TGA.
Resultaten av ytbehandling av kopparsulfatbeläggningen med anodiseringsmetoden visas i fig.5. I detta fall inträffade inte det förväntade införlivandet av CuSO4 i Al-oxidstrukturen.Istället observeras lösa nålar eftersom de vanligtvis används för kopparhydroxid Cu(OH)2 som används med typiska turkosfärger.
Den anodiserade ytbehandlingen testades även 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 fig. 6b) visar lite strontium och mycket aluminium.Detta indikerar en låg halt av strontium i den uppmätta zonen, vilket i sin tur indikerar en låg täckning av strontiumklorid.Omvänt har vita områden en hög halt av strontium och en låg halt av aluminium (punkterna 2–6 i fig. 6b).EDX-analys av det vita området visar mörkare prickar (punkterna 2 och 4 i fig. 6b), låg halt av klor och hög halt av svavel.Detta kan indikera bildandet av strontiumsulfat.Ljusare prickar återspeglar högt klorinnehåll och lågt svavelinnehåll (punkterna 3, 5 och 6 i fig. 6b).Detta kan förklaras av att huvuddelen av den vita beläggningen består av den förväntade strontiumkloriden.TGA för provet bekräftade tolkningen av analysen med en topp vid den karakteristiska temperaturen för ren strontiumklorid (fig. 6c).Deras låga värde kan motiveras av en liten del salt i jämförelse med metallstödets massa.Desorptionsmassan bestämd i experimenten motsvarar mängden 7,3 g/m2 som avges per ytenhet av adsorbatorn vid en temperatur av 150°C.
Eloxal-behandlade zinksulfatbeläggningar testades också.Makroskopiskt är beläggningen ett mycket tunt och enhetligt skikt (fig. 7a).Emellertid avslöjade SEM en yta täckt med små kristaller åtskilda av tomma områden (Fig. 7b).TGA för beläggningen och substratet jämfördes med den för rent salt (Figur 7c).Rent salt har en asymmetrisk topp vid 59,1°C.Det belagda aluminiumet visade 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.
Liksom i den tidigare ansökan53 användes hydroxietylcellulosa som bindemedel för att förbättra vidhäftningen och stabiliteten hos den sorberande beläggningen.Materialkompatibilitet och effekt på adsorptionsprestanda utvärderades av TGA.Analysen görs i förhållande till den totala massan, dvs provet innehåller en metallplatta som används som beläggningssubstrat.Vidhäftningen testas genom ett test baserat på korsskårningstestet definierat i ISO2409-specifikationen (kan inte uppfylla specifikationen för skåravskiljning 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 tvärsnittstestet.Jämfört med resultaten för ren CaCl2 visar TGA (Fig. 8b) två karakteristiska toppar förskjutna mot lägre temperaturer på 40 respektive 20°C.Tvärsnittstestet tillåter inte en objektiv jämförelse eftersom det rena CaCl2-provet (provet till höger i fig. 8c) är en pulverformig fällning, som tar bort 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 adsorbatorn vid en temperatur på 150°C.
Positiva resultat i termer av vidhäftning och enhetlighet erhölls även med magnesiumsulfat (MgSO4) (se fig. 9).Analys av desorptionsprocessen för beläggningen visade närvaron av en topp på ca.60°C.Denna temperatur motsvarar det huvudsakliga desorptionssteget som ses vid dehydratiseringen av rena salter, vilket representerar ytterligare ett steg vid 44°C.Det motsvarar övergången från hexahydrat till pentahydrat och observeras inte vid beläggningar med bindemedel.Tvärsnittstester visar förbättrad fördelning och vidhäftning jämfört med beläggningar gjorda med rent salt.Massskillnaden som observeras i TGA-DTC motsvarar 18,4 g/m2 per ytenhet av adsorbatorn vid en temperatur på 150°C.
På grund av ytojämnheter har strontiumklorid (SrCl2) en ojämn beläggning på fenorna (fig. 10a).Resultaten av tvärsnittstestet visade emellertid enhetlig fördelning med signifikant förbättrad vidhäftning (fig. 10c).TGA-analys visade en mycket liten skillnad i vikt, vilket måste bero på den lägre salthalten jämfört med metallsubstratet.Emellertid visar stegen på kurvan 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 observerade i Fig.10b hittades också vid analys av rent salt.Det huvudsakliga dehydratiseringssteget som observerades i rent salt vid 50°C återspeglades emellertid inte i kurvorna med användning av 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 massaskillnaden 7,2 g/m2 per ytenhet av adsorbatorn.
Kombinationen av HEC och zinksulfat (ZnSO4) gav inte acceptabla resultat (Figur 11).TGA-analys av den belagda metallen avslöjade inga dehydratiseringsprocesser.Även om fördelningen och vidhäftningen av beläggningen har förbättrats, är dess egenskaper fortfarande långt ifrån optimala.
Det enklaste sättet att belägga metallfibrer med ett tunt och likformigt skikt är våtimpregnering (fig. 12a), vilket inkluderar beredning av målsaltet och impregnering av metallfibrer med en vattenlösning.
När man förbereder för våtimpregnering stöter man på två huvudproblem.Å ena sidan förhindrar ytspänningen av saltlösningen korrekt inkorporering av vätskan i den porösa strukturen.Kristallisation på den yttre ytan (fig. 12d) och luftbubblor som fångas inuti strukturen (fig. 12c) kan endast minskas genom att sänka ytspänningen och förväta provet med destillerat vatten.Påtvingad upplösning i provet genom att evakuera luften i 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 avlägsnandet av filmen från en del av saltet (se fig. 12b).Detta fenomen kännetecknas av bildandet av en torr beläggning på upplösningsytan, som 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 torktid, vilket ökar risken för bubblor inuti provet.Detta problem löses genom att införa en alternativ metod för kristallisation baserad inte på koncentrationsförändring (avdunstning), utan på temperaturförändring (som i exemplet med MgSO4 i fig. 13).
Schematisk representation av kristallisationsprocessen under kylning och separation av fasta och flytande faser med hjälp av MgSO4.
Mättade saltlösningar kan framställas vid eller över rumstemperatur (HT) med denna metod.I det första fallet framtvingades kristallisation genom att sänka temperaturen under rumstemperatur.I det andra fallet inträffade kristallisation när provet kyldes till rumstemperatur (RT).Resultatet är en blandning av kristaller (B) och lösta (A), vars flytande del avlägsnas med tryckluft.Detta tillvägagångssätt 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 kristallisering 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 gjorda av reaktionen av syror på metallytor av fenor och rör har ett antal fördelar, som 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 från vätgasbubblorna byggs upp inuti sonden och skiftar när produkten sprutas ut (fig. 14a).
Beläggningen har modifierats genom en kemisk reaktion för att bättre kontrollera tjockleken och fördelningen av beläggningen.Denna metod innebär att en sur dimma strömmar genom provet (Figur 14b).Detta förväntas resultera i en enhetlig beläggning genom reaktion med substratmetallen.Resultaten var tillfredsställande, men processen var för långsam för att anses vara 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 ut utifrån resultaten som presenterades i föregående avsnitt.Alla prover framställdes vid 3 viktprocent.Bindemedlet blandas med salt.Fibrerna förbehandlades enligt samma procedur som för revbenen, dvs blötlagda i 50 volymprocent.inom 15 minuter.svavelsyra, blötläggs sedan i natriumhydroxid i 20 sekunder, tvättas i destillerat vatten och blötläggs slutligen i destillerat vatten i 30 minuter.I detta fall tillsattes ett ytterligare steg före impregneringen.Sänk ner provet kort i en utspädd målsaltlösning och torka vid cirka 60°C.Processen är utformad för att modifiera ytan på metallen, skapa kärnbildningsställen som förbättrar fördelningen av beläggningen i slutskedet.Den fibrösa 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) är sammanfattade och illustrerade med bilder i Tabell 1. Bra täckning efter ympning.Även de trådar utan synliga kristaller på ytan hade minskade metalliska reflektioner, vilket tyder på en förändring i finish.Efter att proverna impregnerats med en vattenhaltig blandning av CaCl2 och HEC och torkats vid en temperatur av cirka 60°C, koncentrerades beläggningarna vid skärningspunkterna mellan strukturerna.Detta är en effekt som orsakas av lösningens ytspänning.Efter blötläggning stannar vätskan kvar inuti provet på grund av dess ytspänning.I grund och botten sker det i skärningspunkten mellan strukturer.Den bästa sidan av provet har flera hål fyllda med salt.Vikten ökade med 0,06 g/cm3 efter beläggning.
Beläggning med magnesiumsulfat (MgSO4) gav 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 på den tunna sidan av provet.Dessutom är vissa områden av matten blockerade, men viss porositet behålls.I detta fall observeras lätt saltbildning vid skärningspunkten mellan strukturerna, vilket bekräftar att beläggningsprocessen huvudsakligen beror på vätskans ytspänning och inte på interaktionen mellan saltet och metallsubstratet.
Resultaten för kombinationen av strontiumklorid (SrCl2) och HEC visade egenskaper liknande de tidigare exemplen (tabell 3).I detta fall är den tunnare sidan av provet nästan helt täckt.Endast enskilda porer är synliga, bildade under torkning som ett resultat av att ånga släpps ut från provet.Mönstret som observeras på den matta sidan är mycket likt det tidigare fallet, området är blockerat med salt och fibrerna är inte helt täckta.
För att utvärdera den positiva effekten av den fibrösa strukturen på värmeväxlarens termiska prestanda, bestämdes den effektiva värmeledningsförmågan hos den belagda fibrösa strukturen och jämfördes med det rena beläggningsmaterialet.Värmeledningsförmågan mättes enligt ASTM D 5470-2017 med användning av den platta enheten som visas i figur 15a med användning av 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 stabilt tillstånd och med tillräcklig provstorlek (basarea 30 × 30 mm2, höjd ca 15 mm).Prover av det rena beläggningsmaterialet (referens) och den belagda fiberstrukturen preparerades för mätningar i fiberns riktning och vinkelrätt mot fiberns riktning för att utvärdera effekten av anisotrop värmeledningsförmåga.Proverna maldes på ytan (P320-korn) för att minimera effekten av ytjämnhet på grund av provberedning, vilket inte reflekterar strukturen i provet.