Дякуємо, що відвідали Nature.com.Версія браузера, яку ви використовуєте, має обмежену підтримку CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Тим часом, щоб забезпечити постійну підтримку, ми відтворюємо сайт без стилів і JavaScript.
Частка ринку адсорбційних холодильних систем і теплових насосів все ще відносно невелика порівняно з традиційними компресорними системами.Незважаючи на величезну перевагу використання дешевого тепла (замість дорогих електромонтажних робіт), реалізація систем, заснованих на принципах адсорбції, все ще обмежена кількома конкретними застосуваннями.Основним недоліком, який необхідно усунути, є зниження питомої потужності через низьку теплопровідність і низьку стабільність адсорбенту.Сучасні комерційні адсорбційні холодильні системи засновані на адсорберах на основі пластинчастих теплообмінників з покриттям для оптимізації холодопродуктивності.Добре відомо, що зменшення товщини покриття призводить до зменшення опору масопередачі, а збільшення співвідношення площі поверхні до об’єму провідних структур збільшує потужність без шкоди для ефективності.Металеві волокна, які використовуються в цій роботі, можуть забезпечити питому поверхню в діапазоні 2500–50 000 м2/м3.Три методи отримання дуже тонких, але стабільних покриттів гідратів солі на металевих поверхнях, включаючи металеві волокна, для виробництва покриттів вперше демонструють теплообмінник з високою щільністю потужності.Обробка поверхні на основі анодування алюмінію обрана для створення більш міцного зв’язку між покриттям і підкладкою.Мікроструктуру отриманої поверхні аналізували за допомогою скануючої електронної мікроскопії.Інфрачервона спектроскопія з перетворенням Фур’є зі зниженим повним відображенням і рентгенівська спектроскопія з розсіюванням енергії використовувалися для перевірки присутності бажаних видів у аналізі.Їх здатність утворювати гідрати була підтверджена комбінованим термогравіметричним аналізом (TGA)/диференційним термогравіметричним аналізом (DTG).Погана якість понад 0,07 г (вода)/г (композит) була виявлена ​​в покритті MgSO4, демонструючи ознаки дегідратації приблизно при 60 °C і відтворювані після регідратації.Позитивні результати також були отримані з SrCl2 і ZnSO4 з різницею мас приблизно 0,02 г/г нижче 100 °C.Як добавку для підвищення стійкості та адгезії покриття було обрано гідроксиетилцелюлозу.Адсорбційні властивості продуктів оцінювали за допомогою одночасного TGA-DTG, а їхню адгезію характеризували методом, заснованим на тестах, описаних у ISO2409.Консистенція та адгезія покриття CaCl2 значно покращується при збереженні його адсорбційної здатності з різницею ваги приблизно 0,1 г/г при температурах нижче 100 °C.Крім того, MgSO4 зберігає здатність утворювати гідрати, показуючи різницю маси більше 0,04 г/г при температурах нижче 100 °C.Нарешті досліджуються металеві волокна з покриттям.Результати показують, що ефективна теплопровідність волокнистої структури, покритої Al2(SO4)3, може бути в 4,7 рази вищою порівняно з об’ємом чистого Al2(SO4)3.Покриття досліджуваних покриттів перевіряли візуально, а внутрішню структуру оцінювали за допомогою мікроскопічного зображення поперечних зрізів.Було отримано покриття Al2(SO4)3 товщиною приблизно 50 мкм, але загальний процес необхідно оптимізувати для досягнення більш рівномірного розподілу.
За останні кілька десятиліть адсорбційні системи привернули велику увагу, оскільки вони є екологічно чистою альтернативою традиційним компресійним тепловим насосам або системам охолодження.Зі зростанням стандартів комфорту та глобальних середніх температур адсорбційні системи можуть скоротити залежність від викопного палива в найближчому майбутньому.Крім того, будь-які вдосконалення в адсорбційних холодильних або теплових насосах можна перенести на зберігання теплової енергії, що представляє додаткове збільшення потенціалу для ефективного використання первинної енергії.Головною перевагою адсорбційних теплових насосів і холодильних систем є те, що вони можуть працювати з малою тепломасою.Це робить їх придатними для низькотемпературних джерел, таких як сонячна енергія або відпрацьоване тепло.З точки зору застосування накопичення енергії, адсорбція має перевагу у вищій щільності енергії та меншому розсіюванні енергії порівняно з накопиченням відчутного або прихованого тепла.
Адсорбційні теплові насоси та холодильні системи дотримуються того самого термодинамічного циклу, що й їхні аналоги, що стискають пару.Основною відмінністю є заміна компонентів компресора на адсорбери.Елемент здатний адсорбувати пари холодоагенту низького тиску при помірних температурах, випаровуючи більше холодоагенту, навіть коли рідина холодна.Необхідно забезпечити постійне охолодження адсорбера, щоб виключити ентальпію адсорбції (екзотерму).Адсорбер регенерується при високій температурі, що призводить до десорбції парів холодоагенту.Нагрівання повинно продовжуватись, щоб забезпечити ентальпію десорбції (ендотермічну).Оскільки процеси адсорбції характеризуються змінами температури, висока питома потужність вимагає високої теплопровідності.Однак низька теплопровідність є головним недоліком у більшості застосувань.
Основною проблемою провідності є збільшення її середнього значення при збереженні транспортного шляху, який забезпечує потік адсорбційних/десорбційних парів.Для досягнення цього зазвичай використовуються два підходи: композитні теплообмінники та теплообмінники з покриттям.Найпопулярнішими і успішними композитними матеріалами є ті, в яких використовуються вуглецеві добавки, а саме спінений графіт, активоване вугілля або вуглецеві волокна.Олівейра та ін.2 просочення спіненого графітового порошку хлоридом кальцію для отримання адсорбера з питомою холодопродуктивністю (SCP) до 306 Вт/кг і коефіцієнтом продуктивності (COP) до 0,46.Заячковський та ін.3 запропонував комбінацію спіненого графіту, вуглецевого волокна та хлориду кальцію із загальною провідністю 15 Вт/мК.Цзянь та інші4 протестували композити з обробленим сірчаною кислотою спученим природним графітом (ENG-TSA) як підкладкою в двостадійному циклі адсорбційного охолодження.Модель передбачила COP від ​​0,215 до 0,285 і SCP від ​​161,4 до 260,74 Вт/кг.
На сьогоднішній день найбільш ефективним рішенням є теплообмінник з покриттям.Механізми покриття цих теплообмінників можна розділити на дві категорії: прямий синтез і клеї.Найбільш вдалим методом є прямий синтез, який передбачає формування адсорбуючих матеріалів безпосередньо на поверхні теплообмінників з відповідних реагентів.Sotech5 запатентувала метод синтезу цеоліту з покриттям для використання в серії охолоджувачів виробництва Fahrenheit GmbH.Шнабель та ін.6 перевірили ефективність двох цеолітів, покритих нержавіючої сталі.Однак цей метод працює лише з певними адсорбентами, що робить покриття клеєм цікавою альтернативою.Зв’язувальні речовини — це пасивні речовини, вибрані для підтримки адгезії сорбенту та/або масопереносу, але не відіграють жодної ролі в адсорбції чи підвищенні провідності.Френі та ін.7 алюмінієвих теплообмінників з покриттям з цеолітом AQSOA-Z02, стабілізованим сполучною речовиною на основі глини.Calabrese та ін.8 вивчали отримання цеолітових покриттів з полімерними зв'язуючими.Ammann та ін.9 запропонували спосіб отримання пористих цеолітових покриттів з магнітних сумішей полівінілового спирту.Глинозем (оксид алюмінію) також використовується як сполучна 10 в адсорбері.Наскільки нам відомо, целюлоза та гідроксиетилцелюлоза використовуються лише в комбінації з фізичними адсорбентами11,12.Іноді клей використовується не для фарби, а для самостійного складання конструкції 13.Комбінація альгінатних полімерних матриць із кількома гідратами солей утворює гнучкі композитні кулькові структури, які запобігають витоку під час сушіння та забезпечують адекватний масообмін.Такі глини, як бентоніт і атапульгіт, використовувалися як сполучні для приготування композитів15,16,17.Етилцелюлозу використовували для мікрокапсулювання хлориду кальцію18 або сульфіду натрію19.
Композити з пористою металевою структурою можна розділити на адитивні теплообмінники та теплообмінники з покриттям.Перевагою цих структур є висока питома поверхня.Це призводить до більшої поверхні контакту між адсорбентом і металом без додавання інертної маси, що знижує загальну ефективність циклу охолодження.Ланг та ін.20 покращили загальну провідність цеолітового адсорбера з алюмінієвою стільниковою структурою.Gillerminot та ін.21 покращив теплопровідність шарів цеоліту NaX з піною з міді та нікелю.Незважаючи на те, що композити використовуються як матеріали з фазовою зміною (PCM), висновки Лі та ін.22 та Zhao et al.23 також представляють інтерес для хемосорбції.Вони порівняли продуктивність спіненого графіту та металевої піни та дійшли висновку, що остання краща, лише якщо корозія не є проблемою.Паломба та ін.нещодавно порівнювали інші металеві пористі структури24.Ван дер Пал та ін.досліджували солі металів, вбудовані в піни 25 .Усі попередні приклади відповідають щільним шарам дисперсних адсорбентів.Металеві пористі структури практично не використовуються для покриття адсорберів, що є більш оптимальним рішенням.Приклад зв'язування з цеолітами можна знайти у Wittstadt et al.26, але не було зроблено жодних спроб зв’язати гідрати солі, незважаючи на їхню вищу щільність енергії 27.
Таким чином, у цій статті буде досліджено три методи приготування адсорбентних покриттів: (1) сполучне покриття, (2) пряма реакція та (3) обробка поверхні.Гідроксиетилцелюлоза була обраним зв’язуючим речовиною в цій роботі завдяки раніше повідомленій стабільності та хорошій адгезії покриття в поєднанні з фізичними адсорбентами.Цей метод спочатку досліджувався для плоских покриттів, а пізніше застосовувався до металоволокнистих конструкцій.Раніше повідомлялося про попередній аналіз можливості хімічних реакцій з утворенням адсорбуючих покриттів.Попередній досвід зараз переноситься на покриття металоволокнистих конструкцій.Обробка поверхні, обрана для цієї роботи, є методом, заснованим на анодуванні алюмінію.Анодування алюмінію успішно поєднується з солями металів для естетичних цілей29.У цих випадках можна отримати дуже стійкі та стійкі до корозії покриття.Однак вони не можуть здійснювати жодних процесів адсорбції чи десорбції.У цій статті представлено варіант цього підходу, який дозволяє переміщувати масу за допомогою адгезійних властивостей оригінального процесу.Наскільки нам відомо, жоден із описаних тут методів раніше не вивчався.Вони являють собою дуже цікаву нову технологію, оскільки вони дозволяють утворювати покриття з гідратованих адсорбентів, які мають низку переваг перед часто досліджуваними фізичними адсорбентами.
Штамповані алюмінієві пластини, використані як підкладки для цих експериментів, були надані ALINVEST Břidličná, Чеська Республіка.Вони містять 98,11% алюмінію, 1,3622% заліза, 0,3618% марганцю та сліди міді, магнію, кремнію, титану, цинку, хрому та нікелю.
Матеріали, обрані для виготовлення композитів, вибираються відповідно до їхніх термодинамічних властивостей, а саме, залежно від кількості води, яку вони можуть адсорбувати/десорбувати при температурах нижче 120°C.
Сульфат магнію (MgSO4) є однією з найбільш цікавих і вивчених гідратованих солей30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.Термодинамічні властивості були систематично виміряні та визнані придатними для застосування в областях адсорбційного охолодження, теплових насосів та зберігання енергії.Використовували сухий сульфат магнію CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Німеччина).
Хлорид кальцію (CaCl2) (H319) є ще однією добре вивченою сіллю, оскільки його гідрат має цікаві термодинамічні властивості41,42,43,44.Кальцію хлорид гексагідрат CAS-№.7774-34-7 97% використано (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Німеччина).
Сульфат цинку (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) та його гідрати мають термодинамічні властивості, придатні для процесів низькотемпературної адсорбції45,46.Використовували гептагідрат сульфату цинку CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Німеччина).
Хлорид стронцію (SrCl2) (H318) також має цікаві термодинамічні властивості4,45,47, хоча його часто поєднують з аміаком у дослідженнях адсорбційного теплового насоса або накопичення енергії.Для синтезу використовували гексагідрат хлориду стронцію CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA).
Сульфат міді (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) не є серед гідратів, які часто зустрічаються у професійній літературі, хоча його термодинамічні властивості становлять інтерес для застосування при низьких температурах48,49.Для синтезу використовували сульфат міді CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Хлорид магнію (MgCl2) є однією з гідратованих солей, якій останнім часом приділяється більше уваги в області зберігання теплової енергії50,51.Для експериментів використовували гексагідрат магнію хлориду CAS-Nr.7791-18-6 чистого фармацевтичного класу (Applichem GmbH., Дармштадт, Німеччина).
Як згадувалося вище, гідроксиетилцелюлоза була обрана через позитивні результати в аналогічних застосуваннях.Матеріалом, використаним у нашому синтезі, є гідроксиетилцелюлоза CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Металеві волокна виготовляються з коротких дротів, з’єднаних разом шляхом стиснення та спікання, процес, відомий як екстракція розплаву в тиглі (CME)52.Це означає, що їх теплопровідність залежить не тільки від об’ємної провідності металів, які використовуються при виготовленні, і пористості кінцевої структури, а й від якості зв’язків між нитками.Волокна не є ізотропними і мають тенденцію розподілятися в певному напрямку під час виробництва, що робить теплопровідність у поперечному напрямку значно нижчою.
Властивості поглинання води досліджували за допомогою одночасного термогравіметричного аналізу (TGA)/диференційного термогравіметричного аналізу (DTG) у вакуумній упаковці (Netzsch TG 209 F1 Libra).Вимірювання проводили в проточній атмосфері азоту при швидкості потоку 10 мл/хв і температурному діапазоні від 25 до 150°С в тиглях з оксиду алюмінію.Швидкість нагрівання становила 1 °С/хв, маса зразка змінювалася від 10 до 20 мг, роздільна здатність 0,1 мкг.У цій роботі слід зазначити, що різниця мас на одиницю поверхні має велику невизначеність.Зразки, які використовуються в TGA-DTG, дуже маленькі та нерівномірно вирізані, що робить визначення їх площі неточним.Ці значення можна екстраполювати на більшу область лише за умови врахування великих відхилень.
Інфрачервоні спектри Фур’є з ослабленим повним відображенням (ATR-FTIR) були отримані на спектрометрі Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH, Лейпциг, Німеччина) з використанням платинового аксесуара ATR (Bruker Optik GmbH, Німеччина).Спектри чистих сухих кристалів алмазу вимірювали безпосередньо у вакуумі перед використанням зразків як фону для експериментальних вимірювань.Зразки вимірювали у вакуумі з використанням спектральної роздільної здатності 2 см-1 і середньої кількості сканувань 32. Діапазон хвильових чисел від 8000 до 500 см-1.Спектральний аналіз проводили за програмою OPUS.
Аналіз SEM проводили за допомогою DSM 982 Gemini від Zeiss при прискорювальних напругах 2 і 5 кВ.Енергодисперсійна рентгенівська спектроскопія (EDX) була виконана з використанням Thermo Fischer System 7 з охолоджуваним кремнієвим дрейфовим детектором Пельтьє (SSD).
Підготовку металевих пластин проводили за методикою, подібною до описаної в 53. Спочатку пластину занурюють у 50 % сірчану кислоту.15 хвилин.Потім їх вводили в 1 М розчин гідроксиду натрію приблизно на 10 секунд.Потім зразки промивали великою кількістю дистильованої води, а потім замочували в дистильованій воді на 30 хвилин.Після попередньої обробки поверхні зразки занурювали в 3% насичений розчин.ГЕК і цільова сіль.Нарешті вийміть їх і висушіть при 60°C.
Метод анодування покращує та зміцнює природний оксидний шар на пасивному металі.Алюмінієві панелі були анодовані сірчаною кислотою в затверділому стані, а потім запечатані в гарячій воді.Анодування супроводжувалося початковим травленням 1 моль/л NaOH (600 с) з подальшою нейтралізацією 1 моль/л HNO3 (60 с).Розчин електроліту являє собою суміш 2,3 М H2SO4, 0,01 М Al2(SO4)3 і 1 М MgSO4 + 7H2O.Анодування проводили при (40 ± 1)°C, 30 мА/см2 протягом 1200 секунд.Процес ущільнення проводився в різних сольових розчинах, як описано в матеріалах (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).Зразок кип'ятять у ньому протягом 1800 секунд.
Було досліджено три різні методи виробництва композитів: адгезивне покриття, пряма реакція та обробка поверхні.Переваги та недоліки кожного методу навчання систематично аналізуються та обговорюються.Для оцінки результатів використовували пряме спостереження, нановізуалізацію та хімічний/елементний аналіз.
Анодування було обрано як метод конверсійної обробки поверхні для підвищення адгезії гідратів солі.Така обробка поверхні створює пористу структуру оксиду алюмінію (глинозему) безпосередньо на поверхні алюмінію.Традиційно цей метод складається з двох етапів: на першому етапі створюється пориста структура з оксиду алюмінію, а на другому етапі створюється покриття з гідроксиду алюмінію, яке закриває пори.Нижче наведено два способи блокування солі без блокування доступу до газової фази.Перший складається з стільникової системи, в якій використовуються маленькі трубки з оксиду алюмінію (Al2O3), отримані на першому етапі, для утримання кристалів адсорбенту та підвищення його адгезії до металевих поверхонь.Отримані стільники мають діаметр близько 50 нм і довжину 200 нм (рис. 1а).Як згадувалося раніше, ці порожнини зазвичай закриваються на другому етапі тонким шаром беміту Al2O(OH)2, який підтримується процесом кип’ятіння в трубці з оксиду алюмінію.У другому методі цей процес герметизації модифікується таким чином, що кристали солі захоплюються рівномірно покриваючим шаром беміту (Al2O(OH)), який у цьому випадку не використовується для герметизації.Другу стадію проводять у насиченому розчині відповідної солі.Описані візерунки мають розміри в діапазоні 50–100 нм і виглядають як розбризкані краплі (рис. 1б).Отримана в результаті процесу герметизації поверхня має виражену просторову структуру зі збільшеною площею контакту.Цей малюнок поверхні разом із багатьма конфігураціями з’єднання ідеально підходить для перенесення та утримання кристалів солі.Обидві описані структури виявляються справді пористими та мають невеликі порожнини, які, здається, добре підходять для утримання гідратів солі та адсорбування парів солі під час роботи адсорбера.Проте елементний аналіз цих поверхонь за допомогою EDX може виявити сліди магнію та сірки на поверхні беміту, які не виявляються у випадку поверхні оксиду алюмінію.
ATR-FTIR зразка підтвердив, що елемент був сульфатом магнію (див. Малюнок 2b).Спектр показує характерні піки сульфат-іонів при 610–680 і 1080–1130 см–1 і характерні піки ґратчастої води при 1600–1700 см–1 і 3200–3800 см–1 (див. рис. 2a, c).).Присутність іонів магнію майже не змінює спектр54.
(a) EDX алюмінієвої пластини MgSO4, покритої бемітом, (b) спектри ATR-FTIR покриттів бемітом і MgSO4, (c) спектри ATR-FTIR чистого MgSO4.
Збереження ефективності адсорбції підтверджено TGA.На рис.3b показує пік десорбції прибл.60°C.Цей пік не відповідає температурі двох піків, що спостерігаються в ТГА чистої солі (рис. 3а).Було оцінено повторюваність циклу адсорбції–десорбції, і така ж крива спостерігалася після розміщення зразків у вологій атмосфері (рис. 3c).Відмінності, що спостерігаються на другій стадії десорбції, можуть бути результатом дегідратації в проточній атмосфері, оскільки це часто призводить до неповної дегідратації.Ці значення відповідають приблизно 17,9 г/м2 при першому зневодненні і 10,3 г/м2 при другому зневодненні.
Порівняння TGA-аналізу беміту та MgSO4: TGA-аналіз чистого MgSO4 (a), суміші (b) і після регідратації (c).
Такий же спосіб проводили з хлоридом кальцію як адсорбентом.Результати представлені на малюнку 4. Візуальний огляд поверхні виявив незначні зміни в металевому світінні.Хутро ледве видно.СЕМ підтвердила наявність дрібних кристалів, рівномірно розподілених по поверхні.Однак TGA не виявив дегідратації при температурі нижче 150°C.Це може бути пов’язано з тим, що частка солі є занадто малою порівняно із загальною масою субстрату для виявлення методом ТГА.
Результати обробки поверхні мідно-сульфатного покриття методом анодування наведено на рис.5. У цьому випадку очікуваного включення CuSO4 в структуру оксиду Al не відбулося.Натомість спостерігаються нещільні голки, оскільки вони зазвичай використовуються для гідроксиду міді Cu(OH)2, який використовується з типовими бірюзовими барвниками.
Анодована обробка поверхні також була протестована в поєднанні з хлоридом стронцію.Результати показали нерівномірне покриття (див. Малюнок 6а).Щоб визначити, чи покриває сіль всю поверхню, було проведено аналіз EDX.Крива для точки в сірій зоні (точка 1 на рис. 6b) показує мало стронцію та багато алюмінію.Це свідчить про низький вміст стронцію в вимірюваній зоні, що, у свою чергу, свідчить про низьке покриття хлоридом стронцію.І навпаки, білі ділянки мають високий вміст стронцію та низький вміст алюмінію (точки 2–6 на рис. 6б).Аналіз EDX білої області показує темніші точки (точки 2 і 4 на рис. 6b), з низьким вмістом хлору та високим вмістом сірки.Це може свідчити про утворення сульфату стронцію.Більш яскраві точки відображають високий вміст хлору та низький вміст сірки (точки 3, 5 та 6 на рис. 6b).Це можна пояснити тим, що основна частина білого нальоту складається з очікуваного хлориду стронцію.TGA зразка підтвердила інтерпретацію аналізу з піком при характерній температурі чистого хлориду стронцію (рис. 6c).Їх малу вартість можна виправдати малою часткою солі в порівнянні з масою металевої опори.Визначена в дослідах десорбційна маса відповідає кількості 7,3 г/м2, що виділяється з одиниці площі адсорбера при температурі 150°С.
Також було протестовано покриття, оброблені сульфатом цинку Eloxal.Макроскопічно покриття являє собою дуже тонкий однорідний шар (рис. 7а).Проте SEM виявив поверхню, вкриту маленькими кристалами, розділеними порожніми ділянками (рис. 7b).TGA покриття та підкладки порівнювали з показником чистої солі (рис. 7c).Чиста сіль має один асиметричний пік при 59,1°C.Алюміній з покриттям показав два невеликих піки при 55,5°C і 61,3°C, що вказує на присутність гідрату сульфату цинку.Виявлена ​​в досліді різниця мас становить 10,9 г/м2 при температурі дегідратації 150°С.
Як і в попередній заявці53, для покращення адгезії та стабільності покриття сорбенту використовували гідроксиетилцелюлозу як сполучну.Сумісність матеріалів і вплив на ефективність адсорбції оцінювали за допомогою TGA.Аналіз проводиться по відношенню до загальної маси, тобто зразок містить металеву пластину, яка використовується як підкладка покриття.Адгезію перевіряють за допомогою випробування, заснованого на випробуванні на перехресні надрізи, визначені в специфікації ISO2409 (не відповідає специфікаціям поділу надрізів залежно від товщини та ширини специфікації).
Покриття панелей хлоридом кальцію (CaCl2) (див. рис. 8a) призвело до нерівномірного розподілу, чого не спостерігалося в покритті з чистого алюмінію, використаному для тесту на поперечний надріз.Порівняно з результатами для чистого CaCl2, TGA (рис. 8b) показує два характерних піки, зміщені в бік нижчих температур 40 і 20 °C відповідно.Випробування поперечного перерізу не дозволяє провести об’єктивне порівняння, оскільки чистий зразок CaCl2 (зразок праворуч на рис. 8c) є порошкоподібним осадом, який видаляє найвищі частинки.Результати HEC показали дуже тонке і рівномірне покриття із задовільною адгезією.Різниця мас, показана на рис.8б відповідає 51,3 г/м2 на одиницю площі адсорбера при температурі 150°С.
Позитивні результати щодо адгезії та однорідності також були отримані з сульфатом магнію (MgSO4) (див. рис. 9).Аналіз процесу десорбції покриття показав наявність одного піку прибл.60°C.Ця температура відповідає основній стадії десорбції, яка спостерігається при дегідратації чистих солей, що представляє іншу стадію при 44°C.Він відповідає переходу від гексагідрату до пентагідрату і не спостерігається у випадку покриттів зі зв'язуючими.Випробування поперечного перерізу показують покращений розподіл і адгезію порівняно з покриттями, зробленими з використанням чистої солі.Різниця мас, що спостерігається в TGA-DTC, відповідає 18,4 г/м2 на одиницю площі адсорбера при температурі 150°C.
Через нерівності поверхні хлорид стронцію (SrCl2) має нерівномірне покриття на ребрах (рис. 10а).Однак результати тесту на поперечний надріз показали рівномірний розподіл зі значно покращеною адгезією (рис. 10c).Аналіз TGA показав дуже невелику різницю у вазі, що повинно бути пов’язано з меншим вмістом солі порівняно з металевою підкладкою.Однак сходинки на кривій показують наявність процесу дегідратації, хоча пік пов'язаний з температурою, отриманою при характеристиці чистої солі.Піки при 110°C і 70,2°C, які спостерігаються на рис.10б також були виявлені при аналізі чистої солі.Однак основна стадія дегідратації, що спостерігається в чистій солі при 50°C, не була відображена на кривих з використанням сполучного.Навпаки, сполучна суміш показала два піки при 20,2°C і 94,1°C, які не були виміряні для чистої солі (рис. 10b).При температурі 150 °C спостережувана різниця мас відповідає 7,2 г/м2 на одиницю площі адсорбера.
Комбінація ГЕК і сульфату цинку (ZnSO4) не дала прийнятних результатів (рис. 11).ТГА-аналіз металу з покриттям не виявив процесів дегідратації.Хоча розподіл і адгезія покриття покращилися, його властивості все ще далекі від оптимальних.
Найпростішим способом покриття металевих волокон тонким рівномірним шаром є мокре просочення (рис. 12а), яке включає приготування цільової солі та просочування металевих волокон водним розчином.
При підготовці до мокрого просочення стикаються з двома основними проблемами.З одного боку, поверхневий натяг сольового розчину перешкоджає правильному введенню рідини в пористу структуру.Кристалізацію на зовнішній поверхні (рис. 12d) і бульбашки повітря, захоплені всередині структури (рис. 12c), можна зменшити лише шляхом зниження поверхневого натягу та попереднього змочування зразка дистильованою водою.Примусове розчинення в зразку шляхом видалення повітря всередині або шляхом створення потоку розчину в структурі є іншими ефективними способами забезпечення повного заповнення структури.
Другою проблемою, яка виникла під час приготування, було видалення плівки з частини солі (див. рис. 12b).Це явище характеризується утворенням сухого покриття на поверхні розчинення, яке зупиняє конвективно стимульоване сушіння та запускає процес, стимульований дифузією.Другий механізм набагато повільніше першого.Як наслідок, для розумного часу висихання потрібна висока температура, що збільшує ризик утворення бульбашок усередині зразка.Ця проблема вирішується шляхом впровадження альтернативного методу кристалізації, заснованого не на зміні концентрації (випаровування), а на зміні температури (як у прикладі з MgSO4 на рис. 13).
Схематичне зображення процесу кристалізації при охолодженні та розділенні твердої та рідкої фаз за допомогою MgSO4.
За допомогою цього методу насичені розчини солей можна приготувати при кімнатній температурі або вище.У першому випадку кристалізацію форсували шляхом зниження температури нижче кімнатної.У другому випадку кристалізація відбулася при охолодженні зразка до кімнатної температури (КТ).У результаті утворюється суміш кристалів (В) і розчиненого (А), рідка частина якої видаляється стисненим повітрям.Такий підхід не тільки дозволяє уникнути утворення плівки на цих гідратах, але й скорочує час, необхідний для приготування інших композитів.Однак видалення рідини стисненим повітрям призводить до додаткової кристалізації солі, що призводить до більш товстого покриття.
Інший метод, який можна використовувати для покриття металевих поверхонь, включає пряме виробництво цільових солей за допомогою хімічних реакцій.Як повідомлялося в нашому попередньому дослідженні, теплообмінники з покриттям, виготовлені шляхом взаємодії кислот на металевих поверхнях ребер і трубок, мають ряд переваг.Застосування цього методу до волокон призвело до дуже поганих результатів через утворення газів під час реакції.Тиск бульбашок водню зростає всередині зонда та змінюється, коли продукт викидається (рис. 14a).
Покриття було модифіковано за допомогою хімічної реакції для кращого контролю товщини та розподілу покриття.Цей метод передбачає пропускання потоку кислотного туману через зразок (рис. 14b).Очікується, що це призведе до однорідного покриття в результаті реакції з металом підкладки.Результати були задовільними, але процес був надто повільним, щоб вважатися ефективним методом (рис. 14c).Коротшого часу реакції можна досягти шляхом локального нагрівання.
Щоб подолати недоліки вищевказаних методів, був вивчений метод покриття, заснований на використанні клеїв.HEC було обрано на основі результатів, представлених у попередньому розділі.Усі зразки готували при 3% мас.Сполучна речовина змішується з сіллю.Волокна попередньо обробляли за тією ж процедурою, що й ребра, тобто замочували у 50% об.протягом 15 хвилин.сірчаної кислоти, потім замочують у гідроксиді натрію на 20 секунд, промивають у дистильованій воді і, нарешті, замочують у дистильованій воді на 30 хвилин.У цьому випадку перед просоченням було додано додатковий етап.Занурте зразок на короткий час у розбавлений розчин цільової солі та висушіть приблизно при 60°C.Процес призначений для модифікації поверхні металу, створення центрів зародження, які покращують розподіл покриття на кінцевій стадії.Волокниста структура має одну сторону, де нитки тонші та щільно упаковані, і протилежну сторону, де нитки товщі та менш розподілені.Це результат 52 виробничих процесів.
Результати для хлориду кальцію (CaCl2) узагальнені та проілюстровані малюнками в таблиці 1. Добре покриття після інокуляції.Навіть ті пасма без видимих ​​кристалів на поверхні мали менші металеві відблиски, що вказувало на зміну обробки.Однак після просочення зразків водною сумішшю CaCl2 і HEC і висушування при температурі близько 60°C покриття концентрувалися в місцях перетину структур.Це ефект, викликаний поверхневим натягом розчину.Після замочування рідина залишається всередині зразка завдяки своєму поверхневому натягу.В основному це відбувається на перетині конструкцій.Краща сторона екземпляра має кілька отворів, заповнених сіллю.Після нанесення покриття вага збільшилася на 0,06 г/см3.
Покриття сульфатом магнію (MgSO4) дало більше солі на одиницю об’єму (табл. 2).У цьому випадку виміряний приріст становить 0,09 г/см3.Процес посіву призвів до широкого охоплення вибірки.Після процесу покриття сіль блокує великі ділянки тонкої сторони зразка.Крім того, деякі ділянки матовості блокуються, але деяка пористість зберігається.У цьому випадку легко спостерігати утворення солі на перетині структур, підтверджуючи, що процес нанесення покриття відбувається в основному за рахунок поверхневого натягу рідини, а не взаємодії між сіллю та металевою підкладкою.
Результати для комбінації хлориду стронцію (SrCl2) і HEC показали властивості, подібні до попередніх прикладів (табл. 3).При цьому майже повністю покривається тонша сторона зразка.Видно лише окремі пори, що утворилися під час висихання в результаті виділення пари із зразка.Візерунок, який спостерігається на матовій стороні, дуже схожий на попередній випадок, область заблокована сіллю, а волокна покриті не повністю.
Щоб оцінити позитивний вплив волокнистої структури на теплові характеристики теплообмінника, було визначено ефективну теплопровідність волокнистої структури з покриттям і порівняно з чистим матеріалом покриття.Теплопровідність вимірювали згідно зі стандартом ASTM D 5470-2017 за допомогою пристрою з плоскою панеллю, показаного на малюнку 15a, з використанням еталонного матеріалу з відомою теплопровідністю.Порівняно з іншими методами вимірювання перехідних процесів, цей принцип є перевагою для пористих матеріалів, які використовуються в поточному дослідженні, оскільки вимірювання виконуються в стаціонарному стані та з достатнім розміром зразка (основна площа 30 × 30 мм2, висота приблизно 15 мм).Зразки чистого матеріалу покриття (еталону) і структуру волокна з покриттям готували для вимірювань у напрямку волокна та перпендикулярно до напрямку волокна, щоб оцінити вплив анізотропної теплопровідності.Зразки шліфували на поверхні (зернистість P320), щоб мінімізувати вплив шорсткості поверхні внаслідок підготовки зразка, яка не відображає структуру всередині зразка.