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Dec 05, 2023

Novos métodos de preparação para trocadores de calor revestidos em aplicações de refrigeração por adsorção e bombas de calor

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 8004 (2022) Citar este artigo

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Os sistemas de refrigeração por adsorção e bombas de calor ainda possuem uma participação de mercado relativamente reduzida em comparação com os sistemas de compressão tradicionais. Apesar de ter a grande vantagem de ser alimentado por calor barato (em vez de trabalho elétrico caro), a implementação de sistemas baseados em princípios de adsorção permanece limitada a poucas aplicações específicas. A principal desvantagem que precisa ser resolvida é sua potência específica reduzida devido à baixa condutividade térmica e baixa estabilidade dos adsorventes. O estado da arte atual dos sistemas comerciais de resfriamento por adsorção depende de adsorvedores baseados em trocadores de calor aletados revestidos para otimizar a potência de resfriamento. É um resultado bem conhecido, que a redução da espessura do revestimento deriva em uma redução da impedância de transporte de massa, e que o incremento da relação superfície/volume de estruturas condutoras aumenta a potência sem reduzir a eficiência. As fibras metálicas usadas neste trabalho podem oferecer uma proporção de superfície específica na faixa de 2.500–50.000 m2/m3. Três métodos de preparação de revestimentos de hidrato de sal muito finos, mas estáveis, em superfícies metálicas, incluindo fibras metálicas, para a produção de revestimentos trocadores de calor com alta potência específica, são apresentados pela primeira vez. Um tratamento de superfície baseado em anodização de alumínio foi escolhido para criar uma ligação mais forte entre o revestimento e o substrato. A estrutura microscópica da superfície resultante foi analisada por Microscopia Eletrônica de Varredura. Para verificar a presença das espécies desejadas, utilizou-se espectroscopia de raios-X de espectroscopia de infravermelho por dispersão de energia e refletância total atenuada com transformada de Fourier. A capacidade de formação de hidratos foi verificada via Análise Termogravimétrica (TGA)/Termogravimetria Diferencial (DTG) simultânea. Foi detectada uma diferença de massa superior a 0,07 g(água)/g(compósito) no revestimento de MgSO4, que apresentou sinais de desidratação em temperaturas em torno de 60 °C, e repetibilidade após a reidratação. Também resultados positivos foram obtidos com SrCl2 e ZnSO4 com diferenças de massa em torno de 0,02 g/g abaixo de 100 °C. A Hidroxietilcelulose foi escolhida como aditivo para aumentar a estabilidade e aderência dos revestimentos. As propriedades de adsorção do produto foram avaliadas com TGA-DTG simultâneo, enquanto sua aderência foi caracterizada por meio de um procedimento baseado no teste descrito na ISO2409. Os revestimentos de CaCl2 apresentaram uma consistência e aderência muito melhoradas, mantendo sua capacidade de adsorção, apresentando diferenças de massa de cerca de 0,1 g/g em temperaturas abaixo de 100 °C. Também o MgSO4 retém a capacidade de formar hidratos, apresentando uma diferença de massa de mais de 0,04 g/g abaixo de 100 °C. Finalmente, fibras metálicas revestidas foram investigadas. Os resultados mostram que a condutividade térmica efetiva de uma estrutura de fibra revestida com Al2(SO4)3 pode ser até 4,7 vezes maior em comparação com um bloco de Al2(SO4)3 puro. A cobertura dos revestimentos buscados foi investigada visualmente e a estrutura interna foi avaliada por imagens microscópicas de seções transversais. Revestimentos de cerca de 50 µm de Al2(SO4)3 foram gerados, mas em geral o processo requer otimização para obter uma distribuição mais uniforme.

Os sistemas de adsorção têm atraído muita atenção nas últimas décadas porque representam uma alternativa ecológica às tradicionais bombas de calor de compressão ou sistemas de refrigeração. Com os padrões de conforto e as temperaturas médias globais aumentando, os sistemas de adsorção têm o potencial de reduzir a dependência de combustíveis fósseis em um futuro próximo. Além disso, qualquer melhoria nos domínios da refrigeração por adsorção ou das bombas de calor pode ser transferida para o domínio do armazenamento de energia térmica, o que constitui um incremento adicional na capacidade de utilização eficiente da energia primária. A principal vantagem das bombas de calor de adsorção e sistemas de refrigeração é que eles podem ser processados ​​por calor de baixa qualidade. Isso os torna adequados para fontes de baixa temperatura, como energia solar ou calor residual. Em relação às aplicações de armazenamento de energia, a adsorção possui as vantagens de sua maior densidade de energia e sua menor dissipação de energia para aplicações de longo prazo em comparação com o armazenamento de calor sensível ou latente.