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A participação de mercado de sistemas de refrigeração por adsorção e bombas de calor ainda é relativamente pequena em comparação com os sistemas de compressores tradicionais. Apesar da enorme vantagem de utilizar calor barato (em vez de custos com energia elétrica), a implementação de sistemas baseados em princípios de adsorção ainda se limita a algumas aplicações específicas. A principal desvantagem que precisa ser eliminada é a diminuição da potência específica devido à baixa condutividade térmica e à baixa estabilidade do adsorvente. Os sistemas comerciais de refrigeração por adsorção de última geração baseiam-se em adsorventes baseados em trocadores de calor de placas revestidos para otimizar a capacidade de resfriamento. Os resultados são bem conhecidos: a redução da espessura do revestimento leva a uma diminuição da impedância de transferência de massa, e o aumento da relação entre a área superficial e o volume das estruturas condutoras aumenta a potência sem comprometer a eficiência. As fibras metálicas utilizadas neste trabalho podem fornecer uma área superficial específica na faixa de 2.500 a 50.000 m²/m³. Três métodos para a obtenção de revestimentos muito finos, porém estáveis, de hidratos de sal em superfícies metálicas, incluindo fibras metálicas, para a produção de revestimentos, demonstram pela primeira vez um trocador de calor de alta densidade de potência. O tratamento de superfície baseado na anodização de alumínio é escolhido para criar uma ligação mais forte entre o revestimento e o substrato. A microestrutura da superfície resultante foi analisada usando microscopia eletrônica de varredura. Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier de reflexão total reduzida e espectroscopia de raios X por dispersão de energia foram usadas para verificar a presença das espécies desejadas no ensaio. Sua capacidade de formar hidratos foi confirmada por análise termogravimétrica combinada (TGA)/análise termogravimétrica diferencial (DTG). Baixa qualidade acima de 0,07 g (água)/g (compósito) foi encontrada no revestimento de MgSO4, mostrando sinais de desidratação a cerca de 60 °C e reprodutível após reidratação. Resultados positivos também foram obtidos com SrCl2 e ZnSO4 com uma diferença de massa de cerca de 0,02 g/g abaixo de 100 °C. Hidroxietilcelulose foi escolhida como um aditivo para aumentar a estabilidade e a adesão do revestimento. As propriedades adsortivas dos produtos foram avaliadas por TGA-DTG simultâneo e sua adesão foi caracterizada por um método baseado nos testes descritos na norma ISO 2409. A consistência e a adesão do revestimento de CaCl2 foram significativamente melhoradas, mantendo sua capacidade de adsorção com uma diferença de massa de cerca de 0,1 g/g em temperaturas abaixo de 100 °C. Além disso, o MgSO4 retém a capacidade de formar hidratos, apresentando uma diferença de massa de mais de 0,04 g/g em temperaturas abaixo de 100 °C. Finalmente, as fibras metálicas revestidas foram examinadas. Os resultados mostram que a condutividade térmica efetiva da estrutura da fibra revestida com Al2(SO4)3 pode ser 4,7 vezes maior em comparação com o volume de Al2(SO4)3 puro. O revestimento dos revestimentos estudados foi examinado visualmente e a estrutura interna foi avaliada usando uma imagem microscópica das seções transversais. Um revestimento de Al2(SO4)3 com uma espessura de cerca de 50 µm foi obtido, mas o processo geral deve ser otimizado para alcançar uma distribuição mais uniforme.
Os sistemas de adsorção ganharam muita atenção nas últimas décadas, pois fornecem uma alternativa ambientalmente correta às bombas de calor por compressão ou sistemas de refrigeração tradicionais. Com o aumento dos padrões de conforto e das temperaturas médias globais, os sistemas de adsorção podem reduzir a dependência de combustíveis fósseis em um futuro próximo. Além disso, quaisquer melhorias na refrigeração por adsorção ou nas bombas de calor podem ser transferidas para o armazenamento de energia térmica, o que representa um aumento adicional no potencial de uso eficiente da energia primária. A principal vantagem das bombas de calor por adsorção e dos sistemas de refrigeração é que eles podem operar com baixa massa de calor. Isso os torna adequados para fontes de baixa temperatura, como energia solar ou calor residual. Em termos de aplicações de armazenamento de energia, a adsorção tem a vantagem de maior densidade de energia e menor dissipação de energia em comparação com o armazenamento de calor sensível ou latente.
Bombas de calor por adsorção e sistemas de refrigeração seguem o mesmo ciclo termodinâmico que seus equivalentes de compressão de vapor. A principal diferença é a substituição dos componentes do compressor por adsorventes. O elemento é capaz de adsorver vapor refrigerante de baixa pressão a temperaturas moderadas, evaporando mais refrigerante mesmo quando o líquido está frio. É necessário garantir o resfriamento constante do adsorvente para excluir a entalpia de adsorção (exotérmica). O adsorvente é regenerado em alta temperatura, causando a dessorção do vapor refrigerante. O aquecimento deve continuar a fornecer a entalpia de dessorção (endotérmica). Como os processos de adsorção são caracterizados por mudanças de temperatura, a alta densidade de potência requer alta condutividade térmica. No entanto, a baixa condutividade térmica é de longe a principal desvantagem na maioria das aplicações.
O principal problema da condutividade é aumentar seu valor médio, mantendo o caminho de transporte que fornece o fluxo de vapores de adsorção/dessorção. Duas abordagens são comumente usadas para atingir isso: trocadores de calor compostos e trocadores de calor revestidos. Os materiais compósitos mais populares e bem-sucedidos são aqueles que usam aditivos à base de carbono, ou seja, grafite expandido, carvão ativado ou fibras de carbono. Oliveira et al. 2 impregnaram pó de grafite expandido com cloreto de cálcio para produzir um adsorvente com capacidade de resfriamento específica (SCP) de até 306 W/kg e um coeficiente de desempenho (COP) de até 0,46. Zajaczkowski et al. 3 propuseram uma combinação de grafite expandido, fibra de carbono e cloreto de cálcio com uma condutividade total de 15 W/mK. Jian et al4 testaram compósitos com grafite natural expandido tratado com ácido sulfúrico (ENG-TSA) como substrato em um ciclo de resfriamento por adsorção de dois estágios. O modelo previu COP de 0,215 a 0,285 e SCP de 161,4 a 260,74 W/kg.
De longe, a solução mais viável é o trocador de calor revestido. Os mecanismos de revestimento desses trocadores de calor podem ser divididos em duas categorias: síntese direta e adesivos. O método mais bem-sucedido é a síntese direta, que envolve a formação de materiais adsorventes diretamente na superfície dos trocadores de calor a partir dos reagentes apropriados. A Sotech patenteou um método para sintetizar zeólita revestida para uso em uma série de resfriadores fabricados pela Fahrenheit GmbH. Schnabel et al. testaram o desempenho de duas zeólitas revestidas em aço inoxidável. No entanto, esse método funciona apenas com adsorventes específicos, o que torna o revestimento com adesivos uma alternativa interessante. Ligantes são substâncias passivas escolhidas para auxiliar na adesão do sorvente e/ou na transferência de massa, mas não desempenham nenhum papel na adsorção ou no aumento da condutividade. Freni et al. 7 trocadores de calor de alumínio revestidos com zeólita AQSOA-Z02 estabilizada com um ligante à base de argila. Calabrese et al. 8 estudaram a preparação de revestimentos de zeólita com ligantes poliméricos. Ammann et al.9 propuseram um método para preparar revestimentos de zeólita porosa a partir de misturas magnéticas de álcool polivinílico. Alumina (alumina) também é usada como ligante 10 no adsorvente. Até onde sabemos, celulose e hidroxietilcelulose são usadas apenas em combinação com adsorventes físicos11,12. Às vezes, a cola não é usada para a tinta, mas sim para construir a estrutura 13 por si só. A combinação de matrizes de polímero de alginato com múltiplos hidratos de sal forma estruturas de esferas compostas flexíveis que evitam vazamentos durante a secagem e proporcionam transferência de massa adequada. Argilas como bentonita e atapulgita têm sido usadas como ligantes para a preparação de compósitos15,16,17. A etilcelulose tem sido usada para microencapsular cloreto de cálcio18 ou sulfeto de sódio19.
Compósitos com estrutura metálica porosa podem ser divididos em trocadores de calor aditivos e trocadores de calor revestidos. A vantagem dessas estruturas é a alta área de superfície específica. Isso resulta em uma maior superfície de contato entre o adsorvente e o metal sem a adição de uma massa inerte, o que reduz a eficiência geral do ciclo de refrigeração. Lang et al. 20 melhoraram a condutividade geral de um adsorvente de zeólita com uma estrutura de favo de mel de alumínio. Gillerminot et al. 21 melhoraram a condutividade térmica de camadas de zeólita NaX com espuma de cobre e níquel. Embora os compósitos sejam usados ​​como materiais de mudança de fase (PCMs), as descobertas de Li et al. 22 e Zhao et al. 23 também são de interesse para quimissorção. Eles compararam o desempenho de grafite expandido e espuma metálica e concluíram que esta última era preferível apenas se a corrosão não fosse um problema. compararam recentemente outras estruturas porosas metálicas 24. Van der Pal et al. estudaram sais metálicos incorporados em espumas 25 . Todos os exemplos anteriores correspondem a camadas densas de adsorventes particulados. Estruturas metálicas porosas praticamente não são utilizadas para revestir adsorventes, o que representa uma solução mais otimizada. Um exemplo de ligação a zeólitas pode ser encontrado em Wittstadt et al. 26, mas nenhuma tentativa foi feita para ligar hidratos de sal, apesar de sua maior densidade energética 27 .
Assim, três métodos para a preparação de revestimentos adsorventes serão explorados neste artigo: (1) revestimento com ligante, (2) reação direta e (3) tratamento de superfície. A hidroxietilcelulose foi o ligante escolhido neste trabalho devido à estabilidade previamente relatada e à boa adesão do revestimento em combinação com adsorventes físicos. Este método foi inicialmente investigado para revestimentos planos e posteriormente aplicado a estruturas de fibras metálicas. Anteriormente, uma análise preliminar da possibilidade de reações químicas com a formação de revestimentos adsorventes foi relatada. A experiência anterior está agora sendo transferida para o revestimento de estruturas de fibras metálicas. O tratamento de superfície escolhido para este trabalho é um método baseado na anodização do alumínio. A anodização do alumínio tem sido combinada com sucesso com sais metálicos para fins estéticos29. Nestes casos, revestimentos muito estáveis ​​e resistentes à corrosão podem ser obtidos. No entanto, eles não podem realizar nenhum processo de adsorção ou dessorção. Este artigo apresenta uma variante desta abordagem que permite que a massa seja movida usando as propriedades adesivas do processo original. Até onde sabemos, nenhum dos métodos descritos aqui foi estudado anteriormente. Elas representam uma nova tecnologia muito interessante porque permitem a formação de revestimentos adsorventes hidratados, que apresentam uma série de vantagens sobre os adsorventes físicos frequentemente estudados.
As placas de alumínio estampadas usadas como substratos para esses experimentos foram fornecidas pela ALINVEST Břidličná, República Tcheca. Elas contêm 98,11% de alumínio, 1,3622% de ferro, 0,3618% de manganês e traços de cobre, magnésio, silício, titânio, zinco, cromo e níquel.
Os materiais escolhidos para a fabricação dos compósitos são selecionados de acordo com suas propriedades termodinâmicas, ou seja, dependendo da quantidade de água que eles podem adsorver/dessorver em temperaturas abaixo de 120°C.
O sulfato de magnésio (MgSO4) é um dos sais hidratados mais interessantes e estudados30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Suas propriedades termodinâmicas foram sistematicamente medidas e consideradas adequadas para aplicações nas áreas de refrigeração por adsorção, bombas de calor e armazenamento de energia. Utilizou-se sulfato de magnésio seco CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Alemanha).
Cloreto de cálcio (CaCl2) (H319) é outro sal bem estudado porque seu hidrato possui propriedades termodinâmicas interessantes41,42,43,44. Cloreto de cálcio hexahidratado CAS-No. 7774-34-7 97% utilizado (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Alemanha).
Sulfato de zinco (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) e seus hidratos têm propriedades termodinâmicas adequadas para processos de adsorção em baixa temperatura45,46. Foi utilizado sulfato de zinco heptahidratado CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Alemanha).
O cloreto de estrôncio (SrCl2) (H318) também possui propriedades termodinâmicas interessantes4,45,47, embora seja frequentemente combinado com amônia em pesquisas sobre bombas de calor por adsorção ou armazenamento de energia. O cloreto de estrôncio hexahidratado CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, EUA) foi utilizado para a síntese.
O sulfato de cobre (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) não está entre os hidratos frequentemente encontrados na literatura profissional, embora suas propriedades termodinâmicas sejam de interesse para aplicações em baixas temperaturas48,49. O sulfato de cobre CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, EUA) foi utilizado para a síntese.
O cloreto de magnésio (MgCl2) é um dos sais hidratados que recentemente recebeu mais atenção na área de armazenamento de energia térmica50,51. Cloreto de magnésio hexahidratado CAS-Nr.7791-18-6 puro de grau farmacêutico (Applichem GmbH., Darmstadt, Alemanha) foi utilizado nos experimentos.
Como mencionado acima, a hidroxietilcelulose foi escolhida devido aos resultados positivos em aplicações semelhantes. O material utilizado em nossa síntese é a hidroxietilcelulose CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, EUA).
As fibras metálicas são feitas de fios curtos unidos por compressão e sinterização, um processo conhecido como extração por fusão em cadinho (CME)52. Isso significa que sua condutividade térmica depende não apenas da condutividade volumétrica dos metais utilizados na fabricação e da porosidade da estrutura final, mas também da qualidade das ligações entre os fios. As fibras não são isotrópicas e tendem a se distribuir em uma determinada direção durante a produção, o que torna a condutividade térmica na direção transversal muito menor.
As propriedades de absorção de água foram investigadas usando análise termogravimétrica simultânea (TGA)/análise termogravimétrica diferencial (DTG) em um pacote a vácuo (Netzsch TG 209 F1 Libra). As medições foram realizadas em uma atmosfera de nitrogênio fluindo a uma vazão de 10 ml/min e uma faixa de temperatura de 25 a 150 °C em cadinhos de óxido de alumínio. A taxa de aquecimento foi de 1 °C/min, o peso da amostra variou de 10 a 20 mg, a resolução foi de 0,1 μg. Neste trabalho, deve-se notar que a diferença de massa por unidade de superfície tem uma grande incerteza. As amostras usadas em TGA-DTG são muito pequenas e cortadas irregularmente, o que torna sua determinação de área imprecisa. Esses valores só podem ser extrapolados para uma área maior se grandes desvios forem levados em consideração.
Espectros de infravermelho com transformada de Fourier de reflexão total atenuada (ATR-FTIR) foram adquiridos em um espectrômetro FTIR Bruker Vertex 80 v (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Alemanha) utilizando um acessório de platina ATR (Bruker Optik GmbH, Alemanha). Os espectros de cristais de diamante puro seco foram medidos diretamente no vácuo antes de as amostras serem utilizadas como base para as medições experimentais. As amostras foram medidas no vácuo utilizando uma resolução espectral de 2 cm-1 e um número médio de varreduras de 32. A faixa de números de onda foi de 8000 a 500 cm-1. A análise espectral foi realizada utilizando o programa OPUS.
A análise SEM foi realizada usando um DSM 982 Gemini da Zeiss em tensões de aceleração de 2 e 5 kV. A espectroscopia de raios X dispersiva de energia (EDX) foi realizada usando um Thermo Fischer System 7 com um detector de deriva de silício resfriado por Peltier (SSD).
A preparação das placas metálicas foi realizada de acordo com um procedimento semelhante ao descrito em 53. Primeiramente, a placa foi imersa em ácido sulfúrico a 50% por 15 minutos. Em seguida, foram introduzidas em solução de hidróxido de sódio 1 M por aproximadamente 10 segundos. Em seguida, as amostras foram lavadas com grande quantidade de água destilada e, em seguida, imersas em água destilada por 30 minutos. Após o tratamento superficial preliminar, as amostras foram imersas em uma solução saturada de HEC a 3% e sal alvo. Por fim, foram removidas e secas a 60 °C.
O método de anodização aprimora e fortalece a camada de óxido natural no metal passivo. Os painéis de alumínio foram anodizados com ácido sulfúrico em um estado endurecido e, em seguida, selados em água quente. A anodização seguiu um ataque químico inicial com NaOH 1 mol/l (600 s), seguido por neutralização em HNO3 1 mol/l (60 s). A solução eletrolítica é uma mistura de H2SO4 2,3 M, Al2(SO4)3 0,01 M e MgSO4 + 7H2O 1 M. A anodização foi realizada a (40 ± 1) °C, 30 mA/cm2 por 1200 segundos. O processo de selagem foi realizado em várias soluções de salmoura, conforme descrito nos materiais (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). A amostra é fervida nela por 1800 segundos.
Três métodos diferentes para a produção de compósitos foram investigados: revestimento adesivo, reação direta e tratamento de superfície. As vantagens e desvantagens de cada método de treinamento são sistematicamente analisadas e discutidas. Observação direta, nanoimagem e análise química/elementar foram utilizadas para avaliar os resultados.
A anodização foi escolhida como um método de tratamento de superfície de conversão para aumentar a adesão de hidratos de sal. Este tratamento de superfície cria uma estrutura porosa de alumina (alumina) diretamente sobre a superfície de alumínio. Tradicionalmente, este método consiste em duas etapas: a primeira etapa cria uma estrutura porosa de óxido de alumínio, e a segunda etapa cria um revestimento de hidróxido de alumínio que fecha os poros. A seguir estão dois métodos para bloquear o sal sem bloquear o acesso à fase gasosa. O primeiro consiste em um sistema de favo de mel usando pequenos tubos de óxido de alumínio (Al2O3) obtidos na primeira etapa para segurar os cristais adsorventes e aumentar sua adesão às superfícies metálicas. Os favos de mel resultantes têm um diâmetro de cerca de 50 nm e um comprimento de 200 nm (Fig. 1a). Como mencionado anteriormente, essas cavidades são geralmente fechadas em uma segunda etapa com uma fina camada de boemita Al2O(OH)2 suportada pelo processo de ebulição do tubo de alumina. No segundo método, este processo de selagem é modificado de tal forma que os cristais de sal são capturados em uma camada de cobertura uniforme de boemita (Al2O(OH)), que não é usada para selagem neste caso. A segunda etapa é realizada em uma solução saturada do sal correspondente. Os padrões descritos têm tamanhos na faixa de 50 a 100 nm e se parecem com gotas salpicadas (Fig. 1b). A superfície obtida como resultado do processo de selagem tem uma estrutura espacial pronunciada com uma área de contato aumentada. Este padrão de superfície, juntamente com suas muitas configurações de ligação, é ideal para transportar e reter cristais de sal. Ambas as estruturas descritas parecem ser verdadeiramente porosas e têm pequenas cavidades que parecem ser bem adequadas para reter hidratos de sal e adsorver vapores ao sal durante a operação do adsorvedor. No entanto, a análise elementar dessas superfícies usando EDX pode detectar traços de magnésio e enxofre na superfície da boemita, que não são detectados no caso de uma superfície de alumina.
O ATR-FTIR da amostra confirmou que o elemento era sulfato de magnésio (ver Figura 2b). O espectro mostra picos característicos de íons sulfato em 610-680 e 1080-1130 cm–1, e picos característicos de água reticular em 1600-1700 cm–1 e 3200-3800 cm–1 (ver Figuras 2a e c). A presença de íons magnésio praticamente não altera o espectro54.
(a) EDX de uma placa de alumínio MgSO4 revestida com boemita, (b) espectros ATR-FTIR de revestimentos de boemita e MgSO4, (c) espectros ATR-FTIR de MgSO4 puro.
A manutenção da eficiência da adsorção foi confirmada por TGA. A Figura 3b mostra um pico de dessorção de aproximadamente 60 °C. Este pico não corresponde à temperatura dos dois picos observados na TGA do sal puro (Figura 3a). A repetibilidade do ciclo adsorção-dessorção foi avaliada, e a mesma curva foi observada após a colocação das amostras em atmosfera úmida (Figura 3c). As diferenças observadas no segundo estágio da dessorção podem ser resultado da desidratação em atmosfera fluida, pois isso frequentemente leva à desidratação incompleta. Esses valores correspondem a aproximadamente 17,9 g/m² na primeira desidratação e 10,3 g/m² na segunda desidratação.
Comparação da análise TGA de boemita e MgSO4: análise TGA de MgSO4 puro (a), mistura (b) e após reidratação (c).
O mesmo método foi realizado com cloreto de cálcio como adsorvente. Os resultados são apresentados na Figura 4. A inspeção visual da superfície revelou pequenas alterações no brilho metálico. A camada de pelos é quase invisível. A MEV confirmou a presença de pequenos cristais uniformemente distribuídos pela superfície. No entanto, a TGA não apresentou desidratação abaixo de 150 °C. Isso pode ser devido ao fato de a proporção de sal ser muito pequena em comparação com a massa total do substrato para detecção por TGA.
Os resultados do tratamento de superfície do revestimento de sulfato de cobre pelo método de anodização são mostrados na Fig. 5. Neste caso, a incorporação esperada de CuSO4 na estrutura do óxido de Al não ocorreu. Em vez disso, observam-se agulhas soltas, comuns no hidróxido de cobre Cu(OH)2, utilizado com corantes turquesa típicos.
O tratamento de superfície anodizado também foi testado em combinação com cloreto de estrôncio. Os resultados mostraram cobertura irregular (ver Figura 6a). Para determinar se o sal cobria toda a superfície, foi realizada uma análise de EDX. A curva para um ponto na área cinza (ponto 1 na Fig. 6b) mostra pouco estrôncio e muito alumínio. Isso indica um baixo teor de estrôncio na zona medida, o que, por sua vez, indica uma baixa cobertura de cloreto de estrôncio. Por outro lado, as áreas brancas apresentam alto teor de estrôncio e baixo teor de alumínio (pontos 2 a 6 na Fig. 6b). A análise de EDX da área branca mostra pontos mais escuros (pontos 2 e 4 na Fig. 6b), com baixo teor de cloro e alto teor de enxofre. Isso pode indicar a formação de sulfato de estrôncio. Pontos mais brilhantes refletem alto teor de cloro e baixo teor de enxofre (pontos 3, 5 e 6 na Fig. 6b). Isso pode ser explicado pelo fato de a maior parte do revestimento branco consistir no cloreto de estrôncio esperado. A TGA da amostra confirmou a interpretação da análise com um pico na temperatura característica do cloreto de estrôncio puro (Fig. 6c). Seu pequeno valor pode ser justificado por uma pequena fração de sal em comparação com a massa do suporte metálico. A massa de dessorção determinada nos experimentos corresponde à quantidade de 7,3 g/m² liberada por unidade de área do adsorvente a uma temperatura de 150 °C.
Revestimentos de sulfato de zinco tratados com eloxal também foram testados. Macroscopicamente, o revestimento é uma camada muito fina e uniforme (Fig. 7a). No entanto, a MEV revelou uma área superficial coberta por pequenos cristais separados por áreas vazias (Fig. 7b). A TGA do revestimento e do substrato foi comparada à do sal puro (Figura 7c). O sal puro apresentou um pico assimétrico a 59,1 °C. O alumínio revestido apresentou dois pequenos picos a 55,5 °C e 61,3 °C, indicando a presença de hidrato de sulfato de zinco. A diferença de massa revelada no experimento corresponde a 10,9 g/m² a uma temperatura de desidratação de 150 °C.
Assim como no pedido anterior53, a hidroxietilcelulose foi utilizada como ligante para melhorar a adesão e a estabilidade do revestimento sorvente. A compatibilidade do material e o efeito no desempenho de adsorção foram avaliados por TGA. A análise é realizada em relação à massa total, ou seja, a amostra inclui uma placa metálica usada como substrato de revestimento. A adesão é testada por um teste baseado no teste de entalhe cruzado definido na especificação ISO 2409 (a especificação de separação por entalhe não pode ser atendida dependendo da espessura e largura especificadas).
O revestimento dos painéis com cloreto de cálcio (CaCl2) (ver Fig. 8a) resultou em uma distribuição desigual, o que não foi observado no revestimento de alumínio puro usado para o teste de entalhe transversal. Comparado aos resultados para CaCl2 puro, o TGA (Fig. 8b) mostra dois picos característicos deslocados para temperaturas mais baixas de 40 e 20 °C, respectivamente. O teste de seção transversal não permite uma comparação objetiva porque a amostra de CaCl2 puro (amostra à direita na Fig. 8c) é um precipitado pulverulento, que remove as partículas mais superficiais. Os resultados de HEC mostraram um revestimento muito fino e uniforme com adesão satisfatória. A diferença de massa mostrada na Fig. 8b corresponde a 51,3 g/m2 por unidade de área do adsorvente a uma temperatura de 150 °C.
Resultados positivos em termos de adesão e uniformidade também foram obtidos com sulfato de magnésio (MgSO4) (ver Fig. 9). A análise do processo de dessorção do revestimento mostrou a presença de um pico de aproximadamente 60 °C. Esta temperatura corresponde à principal etapa de dessorção observada na desidratação de sais puros, representando outra etapa a 44 °C. Corresponde à transição de hexahidrato para pentahidrato e não é observada no caso de revestimentos com ligantes. Testes de seção transversal mostram distribuição e adesão melhoradas em comparação com revestimentos feitos usando sal puro. A diferença de massa observada em TGA-DTC corresponde a 18,4 g/m2 por unidade de área do adsorvente a uma temperatura de 150 °C.
Devido às irregularidades da superfície, o cloreto de estrôncio (SrCl₂) apresenta um revestimento irregular nas aletas (Fig. 10a). No entanto, os resultados do teste de entalhe transversal mostraram uma distribuição uniforme com adesão significativamente melhorada (Fig. 10c). A análise de TGA mostrou uma diferença muito pequena no peso, que deve ser devido ao menor teor de sal em comparação com o substrato metálico. No entanto, os degraus na curva mostram a presença de um processo de desidratação, embora o pico esteja associado à temperatura obtida na caracterização do sal puro. Os picos a 110 °C e 70,2 °C observados nas Figs. 10b também foram encontrados na análise do sal puro. No entanto, a principal etapa de desidratação observada no sal puro a 50 °C não foi refletida nas curvas usando o ligante. Em contraste, a mistura de ligantes apresentou dois picos a 20,2 °C e 94,1 °C, que não foram medidos para o sal puro (Fig. 10b). A uma temperatura de 150 °C, a diferença de massa observada corresponde a 7,2 g/m2 por unidade de área do adsorvente.
A combinação de HEC e sulfato de zinco (ZnSO4) não produziu resultados aceitáveis ​​(Figura 11). A análise de TGA do metal revestido não revelou nenhum processo de desidratação. Embora a distribuição e a adesão do revestimento tenham melhorado, suas propriedades ainda estão longe do ideal.
A maneira mais simples de revestir fibras metálicas com uma camada fina e uniforme é a impregnação úmida (Fig. 12a), que inclui a preparação do sal alvo e a impregnação das fibras metálicas com uma solução aquosa.
Ao preparar a impregnação úmida, dois problemas principais são encontrados. Por um lado, a tensão superficial da solução salina impede a incorporação correta do líquido na estrutura porosa. A cristalização na superfície externa (Fig. 12d) e as bolhas de ar presas no interior da estrutura (Fig. 12c) só podem ser reduzidas reduzindo a tensão superficial e pré-molhando a amostra com água destilada. A dissolução forçada na amostra, evacuando o ar interno ou criando um fluxo de solução na estrutura, são outras maneiras eficazes de garantir o preenchimento completo da estrutura.
O segundo problema encontrado durante a preparação foi a remoção do filme de parte do sal (ver Fig. 12b). Esse fenômeno é caracterizado pela formação de um revestimento seco na superfície de dissolução, que interrompe a secagem estimulada por convecção e inicia o processo estimulado por difusão. O segundo mecanismo é muito mais lento que o primeiro. Como resultado, uma temperatura elevada é necessária para um tempo de secagem razoável, o que aumenta o risco de formação de bolhas no interior da amostra. Esse problema é resolvido pela introdução de um método alternativo de cristalização baseado não na mudança de concentração (evaporação), mas na mudança de temperatura (como no exemplo com MgSO4 na Fig. 13).
Representação esquemática do processo de cristalização durante o resfriamento e separação das fases sólida e líquida usando MgSO4.
Soluções saturadas de sais podem ser preparadas à temperatura ambiente (TA) ou acima dela usando este método. No primeiro caso, a cristalização foi forçada pela redução da temperatura abaixo da temperatura ambiente. No segundo caso, a cristalização ocorreu quando a amostra foi resfriada à temperatura ambiente (TA). O resultado é uma mistura de cristais (B) e dissolvidos (A), cuja parte líquida é removida por ar comprimido. Essa abordagem não apenas evita a formação de um filme sobre esses hidratos, como também reduz o tempo necessário para a preparação de outros compósitos. No entanto, a remoção do líquido por ar comprimido leva à cristalização adicional do sal, resultando em um revestimento mais espesso.
Outro método que pode ser usado para revestir superfícies metálicas envolve a produção direta de sais-alvo por meio de reações químicas. Trocadores de calor revestidos, produzidos pela reação de ácidos nas superfícies metálicas de aletas e tubos, apresentam uma série de vantagens, conforme relatado em nosso estudo anterior. A aplicação desse método em fibras levou a resultados muito ruins devido à formação de gases durante a reação. A pressão das bolhas de hidrogênio se acumula dentro da sonda e se desloca à medida que o produto é ejetado (Fig. 14a).
O revestimento foi modificado por meio de uma reação química para controlar melhor sua espessura e distribuição. Este método envolve a passagem de um fluxo de névoa ácida pela amostra (Figura 14b). Espera-se que isso resulte em um revestimento uniforme por reação com o metal do substrato. Os resultados foram satisfatórios, mas o processo foi lento demais para ser considerado um método eficaz (Fig. 14c). Tempos de reação mais curtos podem ser obtidos por aquecimento localizado.
Para superar as desvantagens dos métodos acima, foi estudado um método de revestimento baseado no uso de adesivos. O HEC foi selecionado com base nos resultados apresentados na seção anterior. Todas as amostras foram preparadas a 3% em peso. O ligante foi misturado com sal. As fibras foram pré-tratadas de acordo com o mesmo procedimento das nervuras, ou seja, embebidas em ácido sulfúrico a 50% em volume por 15 minutos, em seguida, embebidas em hidróxido de sódio por 20 segundos, lavadas em água destilada e, finalmente, embebidas em água destilada por 30 minutos. Neste caso, uma etapa adicional foi adicionada antes da impregnação. A amostra foi imersa brevemente em uma solução salina alvo diluída e seca a aproximadamente 60 °C. O processo foi projetado para modificar a superfície do metal, criando sítios de nucleação que melhoram a distribuição do revestimento na fase final. A estrutura fibrosa tem um lado onde os filamentos são mais finos e compactados, e o lado oposto onde os filamentos são mais espessos e menos distribuídos. Este é o resultado de 52 processos de fabricação.
Os resultados para cloreto de cálcio (CaCl2) são resumidos e ilustrados com imagens na Tabela 1. Boa cobertura após a inoculação. Mesmo aqueles fios sem cristais visíveis na superfície tiveram reflexões metálicas reduzidas, indicando uma mudança no acabamento. No entanto, após as amostras serem impregnadas com uma mistura aquosa de CaCl2 e HEC e secas a uma temperatura de cerca de 60 °C, os revestimentos foram concentrados nas interseções das estruturas. Este é um efeito causado pela tensão superficial da solução. Após a imersão, o líquido permanece dentro da amostra devido à sua tensão superficial. Basicamente, ocorre na interseção das estruturas. O melhor lado da amostra tem vários buracos preenchidos com sal. O peso aumentou em 0,06 g/cm3 após o revestimento.
O revestimento com sulfato de magnésio (MgSO4) produziu mais sal por unidade de volume (Tabela 2). Neste caso, o incremento medido foi de 0,09 g/cm3. O processo de semeadura resultou em ampla cobertura da amostra. Após o processo de revestimento, o sal bloqueia grandes áreas da parte fina da amostra. Além disso, algumas áreas do fosco são bloqueadas, mas alguma porosidade é retida. Neste caso, a formação de sal é facilmente observada na intersecção das estruturas, confirmando que o processo de revestimento se deve principalmente à tensão superficial do líquido, e não à interação entre o sal e o substrato metálico.
Os resultados da combinação de cloreto de estrôncio (SrCl2) e HEC apresentaram propriedades semelhantes às dos exemplos anteriores (Tabela 3). Neste caso, o lado mais fino da amostra está quase completamente coberto. Apenas poros individuais são visíveis, formados durante a secagem como resultado da liberação de vapor da amostra. O padrão observado no lado fosco é muito semelhante ao do caso anterior: a área está bloqueada com sal e as fibras não estão completamente cobertas.
Para avaliar o efeito positivo da estrutura fibrosa no desempenho térmico do trocador de calor, a condutividade térmica efetiva da estrutura fibrosa revestida foi determinada e comparada com o material de revestimento puro. A condutividade térmica foi medida de acordo com a norma ASTM D 5470-2017 usando o dispositivo de painel plano mostrado na Figura 15a usando um material de referência com condutividade térmica conhecida. Comparado a outros métodos de medição transiente, este princípio é vantajoso para materiais porosos usados ​​no estudo atual, uma vez que as medições são realizadas em um estado estacionário e com um tamanho de amostra suficiente (área da base 30 × 30 mm², altura aproximadamente 15 mm). Amostras do material de revestimento puro (referência) e da estrutura de fibra revestida foram preparadas para medições na direção da fibra e perpendiculares à direção da fibra para avaliar o efeito da condutividade térmica anisotrópica. Os espécimes foram retificados na superfície (grão P320) para minimizar o efeito da rugosidade da superfície devido à preparação do espécime, que não reflete a estrutura dentro do espécime.