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Dec 05, 2023

Neue Aufbereitungsmethoden für beschichtete Wärmetauscher in Adsorptionskälte- und Wärmepumpenanwendungen

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 8004 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Adsorptionskälteanlagen und Wärmepumpen haben im Vergleich zu herkömmlichen Kompressionssystemen immer noch einen relativ geringen Marktanteil. Obwohl sie den großen Vorteil haben, mit kostengünstiger Wärme betrieben zu werden (anstelle teurer elektrischer Arbeit), bleibt die Implementierung von Systemen, die auf Adsorptionsprinzipien basieren, auf wenige spezifische Anwendungen beschränkt. Der Hauptnachteil, der gelöst werden muss, ist ihre verringerte spezifische Leistung aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit und geringen Stabilität der Adsorptionsmittel. Der aktuelle Stand der Technik kommerzieller Adsorptionskühlsysteme basiert auf Adsorbern, die auf beschichteten Lamellenwärmetauschern basieren, um die Kühlleistung zu optimieren. Es ist ein bekanntes Ergebnis, dass die Verringerung der Beschichtungsdicke zu einer Verringerung der Massentransportimpedanz führt und dass die Erhöhung des Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen leitfähiger Strukturen die Leistung erhöht, ohne den Wirkungsgrad zu verringern. Die in dieser Arbeit verwendeten Metallfasern können ein spezifisches Oberflächenverhältnis im Bereich von 2500–50.000 m2/m3 bieten. Drei Methoden zur Herstellung sehr dünner, aber stabiler Salzhydratbeschichtungen auf Metalloberflächen, einschließlich Metallfasern, zur Herstellung beschichteter Erstmals werden Wärmetauscher mit hoher spezifischer Leistung vorgestellt. Um eine stärkere Verbindung zwischen Beschichtung und Untergrund zu schaffen, wurde eine Oberflächenbehandlung auf Basis der Aluminiumeloxierung gewählt. Die mikroskopische Struktur der resultierenden Oberfläche wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie analysiert. Um das Vorhandensein der gewünschten Spezies zu überprüfen, wurden bei der Analyse abgeschwächte Totalreflexions-Fourier-transformierte Infrarot- und energiedispersive Röntgenspektroskopie eingesetzt. Ihre Fähigkeit, Hydrate zu bilden, wurde durch simultane thermogravimetrische Analyse (TGA)/differentielle Thermogravimetrie (DTG) verifiziert. In der Beschichtung aus MgSO4 wurde ein Massenunterschied von 0,07 g (Wasser)/g (Komposit) festgestellt, der bei Temperaturen um 60 °C Anzeichen einer Dehydrierung und nach der Rehydratisierung eine Wiederholbarkeit zeigte. Auch mit SrCl2 und ZnSO4 wurden positive Ergebnisse mit Massenunterschieden um 0,02 g/g unter 100 °C erzielt. Als Zusatzstoff wurde Hydroxyethylcellulose gewählt, um die Stabilität und Haftung der Beschichtungen zu erhöhen. Die Adsorptionseigenschaften des Produkts wurden mit gleichzeitiger TGA-DTG bewertet, während ihre Haftung mithilfe eines Verfahrens charakterisiert wurde, das auf dem in ISO2409 beschriebenen Test basiert. Beschichtungen aus CaCl2 zeigten eine deutlich verbesserte Konsistenz und Haftung bei gleichzeitiger Beibehaltung ihrer Adsorptionsfähigkeit und zeigten Massenunterschiede von etwa 0,1 g/g bei Temperaturen unter 100 °C. Auch MgSO4 behält die Fähigkeit zur Hydratbildung und weist unter 100 °C einen Massenunterschied von mehr als 0,04 g/g auf. Abschließend wurden beschichtete Metallfasern untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die effektive Wärmeleitfähigkeit einer mit Al2(SO4)3 beschichteten Faserstruktur im Vergleich zu einem Block aus reinem Al2(SO4)3 bis zu 4,7-mal höher sein kann. Die Bedeckung der angestrebten Beschichtungen wurde visuell untersucht und die innere Struktur durch mikroskopische Abbildung von Querschnitten beurteilt. Es wurden Beschichtungen von etwa 50 µm Al2(SO4)3 erzeugt, aber im Allgemeinen muss der Prozess optimiert werden, um eine gleichmäßigere Verteilung zu erreichen.

Adsorptionssysteme haben in den letzten Jahrzehnten große Aufmerksamkeit erregt, da sie eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Kompressionswärmepumpen oder Kühlsystemen darstellen. Da Komfortstandards und durchschnittliche globale Temperaturen steigen, haben Adsorptionssysteme das Potenzial, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen in naher Zukunft zu verringern. Darüber hinaus lassen sich Verbesserungen in den Bereichen Adsorptionskälte oder Wärmepumpen auf den Bereich der thermischen Energiespeicherung übertragen, was eine zusätzliche Steigerung der Fähigkeit zur effizienten Nutzung von Primärenergie darstellt. Der Hauptvorteil von Adsorptionswärmepumpen und Kälteanlagen besteht darin, dass sie mit minderwertiger Wärme verarbeitet werden können. Dadurch eignen sie sich für Niedertemperaturquellen wie Solarenergie oder Abwärme. Bei Energiespeicheranwendungen bietet die Adsorption im Vergleich zur sensiblen oder latenten Wärmespeicherung die Vorteile einer höheren Energiedichte und einer geringeren Energiedissipation für Langzeitanwendungen.

Adsorptionswärmepumpen und Kühlsysteme folgen ähnlichen thermodynamischen Kreisläufen wie ihre Gegenstücke zur Dampfkompression1. Der Hauptunterschied besteht darin, dass der Kompressorteil durch einen Adsorber ersetzt wird. Wenn dieses Element auf mittlerer Temperatur gehalten wird, ist es in der Lage, dampfförmige Kältemittel mit niedrigem Druck zu adsorbieren, was die Verdampfung größerer Kältemittelmengen ermöglicht, selbst wenn die Flüssigkeit niedrige Temperaturen hat. Zur Abfuhr der Adsorptionsenthalpie (Exothermie) ist auf eine kontinuierliche Kühlung des Adsorbers zu achten. Der Adsorber wird bei hoher Temperatur regeneriert, wodurch die Desorption des dampfförmigen Kältemittels erzwungen wird. Zur Bereitstellung der Desorptionsenthalpie muss kontinuierlich Wärme zugeführt werden (endotherm). Da Adsorptionsvorgänge durch Temperaturänderungen gekennzeichnet sind, ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit erforderlich, um hohe spezifische Leistungen zu erzielen. Allerdings ist die geringe Wärmeleitfähigkeit bisher in den meisten Anwendungen ein großer Nachteil.

Die größte Herausforderung in Bezug auf die Leitfähigkeit besteht darin, ihren Durchschnittswert zu erhöhen und gleichzeitig die Aufrechterhaltung von Transportwegen sicherzustellen, die den Fluss des adsorbierten/desorbierten Dampfes ermöglichen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden üblicherweise zwei Ansätze gewählt: Verbundwerkstoffe und beschichtete Wärmetauscher. Die beliebtesten und erfolgreichsten Verbundwerkstoffe sind solche, die Zusätze auf Kohlenstoffbasis verwenden, also expandierten Graphit, Aktivkohle oder Kohlenstofffasern. Oliveira et al.2 imprägnierten Calciumchlorid in expandiertem Graphitpulver, um einen Adsorber mit einer spezifischen Kühlleistung (SCP) von bis zu 306 W/kg und einem Leistungskoeffizienten (COP) von bis zu 0,46 herzustellen. Zajaczkowski et al.3 schlugen eine Kombination aus expandiertem Graphit, Kohlenstofffasern und Calciumchlorid mit einer Gesamtleitfähigkeit von 15 W/mK vor. Jian et al.4 testeten Verbundwerkstoffe mit mit Schwefelsäure behandeltem expandiertem Naturgraphit (ENG-TSA) als Substrat in zweistufigen Adsorptionskühlzyklen. Modelle sagten COPs zwischen 0,215 und 0,285 mit SCPs zwischen 161,4 und 260,74 W/kg voraus.

Der bisher praktikabelste Lösungsansatz sind beschichtete Wärmetauscher. Die Mechanismen zur Beschichtung dieser Wärmetauscher können in zwei Kategorien unterteilt werden: Direktsynthese und Bindemittel. Die erfolgreichste Methode ist die Direktsynthese, bei der das Adsorptionsmaterial aus den entsprechenden Reaktanten direkt auf der Oberfläche des Wärmetauschers gebildet wird. Sortech5 hat ein Syntheseverfahren für beschichtetes Zeolith patentieren lassen, das in einer der von der Firma Fahrenheit GmbH vertriebenen Kältemaschinenlinien eingesetzt wird. Schnabel et al.6 testeten die Leistung von zwei auf Edelstahl beschichteten Zeolithen. Allerdings funktioniert diese Methode nur mit bestimmten Adsorbentien, was die Beschichtung mit Bindemitteln zu einer interessanten Alternative macht. Bindemittel sind passive Spezies, die ausgewählt werden, um die Haftung und/oder den Massentransport des Adsorptionsmittels aufrechtzuerhalten, spielen jedoch keine Rolle beim Adsorptionsprozess oder der Erhöhung der Leitfähigkeit. Freni et al.7 beschichteten einen Aluminiumwärmetauscher mit Zeolith AQSOA-Z02, stabilisiert durch ein tonbasiertes Bindemittel. Calabrese et al.8 haben die Herstellung von Zeolithbeschichtungen mit einem polymeren Bindemittel untersucht. Ammann et al.9 präsentierten eine Methode zur Herstellung einer porösen Zeolithbeschichtung mit einer magnetischen Mischung aus Polyvinylalkohol. Aluminiumoxid (Aluminiumoxid) wird auch als Bindemittel in Adsorbern10 verwendet. Nach unserem Kenntnisstand wurden Cellulose und Hydroxyethylcellulose nur in Kombination mit physikalischen Adsorbern11,12 verwendet. Manchmal werden Bindemittel nicht in Beschichtungen verwendet, sondern um selbst eine Struktur zu schaffen13. Eine aus Alginat gewonnene Polymermatrix wurde mit mehreren Salzhydraten kombiniert, um eine flexible Struktur aus Verbundkügelchen zu schaffen, die ein Auslaufen während des Zerfließens verhindert und einen ausreichenden Massentransport ermöglicht14. Tone wie Bentonit und Attapulgit wurden als Bindemittel für die Herstellung von Verbundwerkstoffen eingesetzt15,16,17. Ethylcellulose wurde zur Mikroverkapselung von Calciumchlorid18 oder Natriumsulfid19 verwendet.

Verbundwerkstoffe mit porösen Metallstrukturen könnten in der Mitte zwischen Additiven und beschichteten Wärmetauschern eingeordnet werden. Von Vorteil sind die für diese Strukturen charakteristischen hohen Verhältnisse von Oberfläche zu Volumen. Dies führt zu größeren Kontaktflächen zwischen Adsorptionsmittel und Metall, ohne dass die inerte Masse zunimmt, was die Gesamteffizienz des Kühlkreislaufs verringern würde. Lang et al.20 erhöhten die Gesamtleitfähigkeit eines Zeolithadsorbers mit einer Aluminiumwabenstruktur. Gillerminot et al.21 intensivierten die Wärmeleitfähigkeit eines NaX-Zeolithbetts mit Kupfer- und Nickelschäumen. Obwohl die Verbundstoffe als Phasenwechselmaterialien (PCMs) verwendet wurden, sind die Schlussfolgerungen von Li et al.22 und Zhao et al.23 auch für die chemische Adsorption von Interesse. Sie verglichen die Leistung von expandiertem Graphit und Metallschäumen und kamen zu dem Schluss, dass letztere nur in den Fällen bevorzugt werden, in denen Korrosion kein Problem darstellt. Andere metallische poröse Strukturen wurden kürzlich von Palomba et al.24 verglichen. In Metallschäumen eingebettete Metallsalze wurden von van der Pal et al.25 untersucht. Alle vorherigen Beispiele entsprechen kompakten Betten aus Granulat-Adsorbens. Metallische poröse Strukturen wurden bisher kaum in beschichteten Adsorbern eingesetzt, was eine optimiertere Lösung darstellt. Ein Beispiel findet sich in der Veröffentlichung von Wittstadt et al.26 in Kombination mit Zeolithen, allerdings konnten trotz der höheren Energiedichte27 keine Versuche in Kombination mit Salzhydraten gefunden werden.

Daher werden in dieser Arbeit drei Methoden zur Herstellung adsorbierender Beschichtungen untersucht: (1) eine Beschichtung mit Bindemittel, (2) eine direkte Reaktion und (3) eine Oberflächenbehandlung. Aufgrund der zuvor berichteten Stabilität und guten Haftung der Beschichtungen in Kombination mit physikalischen Adsorbentien wurde in dieser Arbeit Hydroxyethylcellulose als Bindemittel ausgewählt. Dieses Verfahren wird zunächst für Beschichtungen flacher Oberflächen untersucht und dann auf Metallfaserstrukturen angewendet. Über eine vorläufige Analyse der Möglichkeiten chemischer Reaktionen zur Erzeugung adsorbierender Beschichtungen wurde bereits berichtet28. Diese bisherigen Erfahrungen werden nun auf Beschichtungen metallischer Faserstrukturen übertragen. Die für diese Arbeit gewählte Oberflächenbehandlung ist eine Methode, die auf der Eloxierung von Aluminium basiert. Das Eloxieren von Aluminium wurde in Kombination mit Metallsalzen aus ästhetischen Gründen bereits erfolgreich eingesetzt29. In diesen Fällen können sehr stabile und widerstandsfähige Beschichtungen erzeugt werden. Sie sind jedoch nicht in der Lage, Adsorptions- oder Desorptionsprozesse durchzuführen. In dieser Arbeit wird eine Variation dieser Methode vorgestellt, die den Massentransport ermöglicht und gleichzeitig von den Adhäsionseigenschaften des ursprünglichen Prozesses profitiert. Nach unserem besten Wissen wurde keine der hier beschriebenen Methoden zuvor untersucht. Sie stellen neuartige Techniken von großem Interesse dar, da sie die Bildung adsorbierender Beschichtungen mit Salzhydraten ermöglichen, die im Vergleich zu den häufig untersuchten physikalischen Adsorbentien mehrere Vorteile bieten.

Die als Substrat für diese Experimente verwendeten gestanzten Aluminiumplatten wurden von ALINVEST Břidličná, Tschechische Republik, bereitgestellt. Sie enthalten 98,11 % Al, 1,3622 % Fe, 0,3618 % Mn und Spuren von Cu, Mg, Si, Ti, Zn, Cr und Ni.

Die für die Herstellung der Verbundwerkstoffe ausgewählten Materialien wurden nach ihren thermodynamischen Eigenschaften ausgewählt, genauer gesagt nach der Menge an Wasser, die sie bei Temperaturen unter 120 °C adsorbieren/desorbieren können.

Magnesiumsulfat (MgSO4) ist eines der interessantesten und am besten untersuchten Salzhydrate30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Seine thermodynamischen Eigenschaften wurden systematisch gemessen und belegen seine Eignung für Anwendungen in den Bereichen Adsorptionskühlung, Wärmepumpen und Energiespeicherung. Magnesiumsulfat trocken CAS-Nr. 7487-88-9 99 % waren beschäftigt (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Deutschland).

Calciumchlorid (CaCl2) (H319) ist aufgrund der interessanten thermodynamischen Eigenschaften seiner Hydrate ein weiteres eingehend untersuchtes Salz41,42,43,44. Calciumchlorid-Hexahydrat CAS-Nr. 7774-34-7 97 % waren beschäftigt (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Deutschland).

Zinksulfat (ZnSO4) (H302, H318, H410) und seine Hydrate besitzen thermodynamische Eigenschaften, die für Adsorptionsprozesse bei niedrigen Temperaturen geeignet sind45,46. Zinksulfat-Heptahydrat CAS-Nr. 7733-02-0 99,5 % waren beschäftigt (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Deutschland).

Strontiumchlorid (SrCl2) (H318) hat ebenfalls interessante thermodynamische Eigenschaften4,45,47, obwohl es häufig in Kombination mit Ammoniak für den Einsatz in Adsorptionswärmepumpen oder Energiespeichern untersucht wurde. Strontiumchlorid-Hexahydrat CAS-Nr. 10.476-85-4 99,0–102,0 % wurde in der Synthese eingesetzt (Sigma Aldrich, Saint Louis, MO, USA).

Kupfersulfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) gehört nicht zu den in der Fachliteratur häufig vorkommenden Hydraten, obwohl seine thermodynamischen Eigenschaften für die Anwendung bei niedrigen Temperaturen interessant sind48,49. Kupfersulfat CAS-Nr. 7758-99-8 99 % wurde in der Synthese eingesetzt (Sigma Aldrich, Saint Louis, MO, USA).

Magnesiumchlorid (MgCl2) ist eines der Salzhydrate, das in letzter Zeit im Bereich der thermischen Energiespeicherung mehr Beachtung gefunden hat50,51. Magnesiumchlorid-Hexahydrat CAS-Nr. In den Experimenten wurde 7791-18-6 rein, Pharmaqualität verwendet (Applichem GmbH., Darmstadt, Deutschland).

Wie oben erwähnt, wurde Hydroxyethylcellulose aufgrund der positiven Ergebnisse bei ähnlichen Anwendungen ausgewählt. Das in unserer Synthese verwendete Material ist Hydroxyethylcellulose CAS-Nr. 9004-62-0 (Sigma Aldrich, Saint Louis, MO, USA).

Metallfasern werden aus kurzen Metallfäden hergestellt, die durch Komprimieren und Sintern in einem Prozess namens Tiegelschmelzextraktion (CME)52 verbunden werden. Das bedeutet, dass ihre Wärmeleitfähigkeit nicht nur von der Gesamtleitfähigkeit des bei der Herstellung verwendeten Metalls und der Porosität der endgültigen Struktur bestimmt wird, sondern auch von der Qualität der Bindungen zwischen den Filamenten. Die Fasern sind nicht isotrop, bei der Herstellung neigen die Fasern dazu, sich in eine bestimmte Richtung zu verteilen, wodurch die Wärmeleitfähigkeit in Querrichtung deutlich geringer wird.

Zur Untersuchung der Wassersorptionseigenschaften wurde ein vakuumdichtes Gerät (Netzsch TG 209 F1 Libra) mit simultaner Thermogravimetrie (TGA)/Differentialthermogravimetrie (DTG) verwendet. Die Messungen wurden in einer fließenden Stickstoffatmosphäre mit einer Durchflussrate von 10 ml/min und einer Temperatur im Bereich von 25 bis 150 °C in einem Aluminiumoxidtiegel durchgeführt. Die Heizrate betrug 1 °C/min, wobei die Probenmasse zwischen 10 und 20 mg mit einer Auflösung von 0,1 µg variierte. Bei dieser Arbeit muss beachtet werden, dass die Werte der Massenunterschiede pro Flächeneinheit mit großer Unsicherheit behaftet sind. Die im TGA-DTG verwendeten Proben sind sehr klein und ungleichmäßig geschnitten, was die Bestimmung ihrer Fläche ungenau macht. Die Extrapolation dieser Werte auf größere Gebiete ist nur unter der Vorsichtsmaßnahme möglich, große Abweichungen zu berücksichtigen.

Abgeschwächte Totalreflexions-Fourier-transformierte Infrarotspektren (ATR-FTIR) wurden unter Verwendung eines Platin-ATR-Zubehörs (Bruker Optik GmbH, Deutschland) in einem Bruker Vertex 80 v FTIR-Spektrometer (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Deutschland) erhalten. Spektren des sauberen, trockenen Diamantkristalls im Vakuum, die direkt vor den Proben gemessen wurden, wurden als Hintergrund für die experimentellen Messungen verwendet. Die Proben wurden im Vakuum gemessen, die verwendete spektrale Auflösung betrug 2 cm −1 und die Anzahl der gemittelten Scans betrug 32. Der Wellenzahlbereich reichte von 8000 bis 500 cm−1. Die Analyse der Spektren erfolgte mit der OPUS-Software.

Die REM-Analyse wurde mit einem DSM 982, Gemini von Zeiss mit einer Beschleunigungsspannung von 2 und 5 kV durchgeführt. Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) wurde mit Hilfe eines Thermo Fischer Systems 7 mit einem Peltier-gekühlten Silizium-Drift-Detektor (SSD) durchgeführt.

Die Herstellung der Metallplatten erfolgte nach einem ähnlichen Verfahren wie in 53 beschrieben. Die Platten wurden zunächst in 50-prozentige Schwefelsäure getaucht. für 15 Min. Dann wurden sie etwa 10 Sekunden lang in 1 M Natriumhydroxid eingelegt. Die Proben wurden dann mit reichlich destilliertem Wasser gewaschen, gefolgt von einem 30-minütigen Bad in destilliertem Wasser. Nach der Oberflächenvorbehandlung wurden die Proben in eine gesättigte Lösung mit 3 Gew.-% Wasser getaucht. HEC und das Zielsalz. Abschließend wurden sie herausgenommen und bei 60 °C getrocknet.

Das Verfahren der anodischen Oxidation intensiviert und verstärkt die natürlicherweise auf passivierenden Metallen entstehende Oxidschicht. Unter intensivierten Bedingungen wurde eine anodische Schwefelsäureoxidation von Aluminiumplatten durchgeführt und anschließend ein Versiegelungsprozess in heißem Wasser durchgeführt. Der Anodisierung folgte eine anfängliche Ätzbehandlung mit 1 mol/l NaOH (600 s) mit anschließender Neutralisierung in 1 mol/l HNO3 (60 s). Die Elektrolytlösung war eine Mischung aus 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 und 1 M MgSO4 + 7H2O. Die Anodisierung wurde bei (40 ± 1) °C, 30 mA/cm2 für 1200 s durchgeführt. Der Versiegelungsprozess wurde in verschiedenen gesättigten Salzlösungen durchgeführt, wie unter Materialien beschrieben (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Die Exemplare wurden darin 1800 lang gekocht.

Es werden drei unterschiedliche Methoden zur Herstellung der Verbundwerkstoffe untersucht: eine Beschichtung mit Bindemittel, eine Direktreaktion und eine Oberflächenbehandlung. Die Vor- und Nachteile jeder Zubereitungsmethode werden systematisch analysiert und angegangen. Zur Beurteilung der Ergebnisse werden direkte Beobachtung, nanoskopische Bildgebung und chemische/Elementaranalyse eingesetzt.

Um die Haftung der Salzhydrate zu erhöhen, wurde die anodische Oxidation als Methode der Oberflächenkonversionsbehandlung gewählt. Diese Oberflächenbehandlung erzeugt eine poröse Struktur aus Aluminiumoxid (Tonerde) direkt auf der Oberfläche einer Aluminiumoberfläche. Traditionell besteht diese Methode aus zwei Schritten: Im ersten Schritt wird eine poröse Aluminiumoxidstruktur erzeugt, während im zweiten Schritt eine Beschichtung aus Aluminiumhydroxid erzeugt wird, die die Poren versiegelt. Im Folgenden werden zwei Ansätze vorgestellt, um das Salz einzuschließen, ohne den Zugang zur Dampfphase zu blockieren. Die erste besteht in der Verwendung des im ersten Schritt erzeugten Wabensystems aus kleinen Aluminiumoxidröhren (Al2O3), um die Adsorptionsmittelkristalle zurückzuhalten und ihre Haftung an der Metalloberfläche zu erhöhen. Die erzeugten Waben weisen einen Durchmesser von etwa 50 nm und eine Länge von 200 nm auf (Abb. 1a). Wie bereits erwähnt, werden diese Hohlräume normalerweise im zweiten Schritt durch eine dünne Schicht Böhmit, AlO(OH), verschlossen, die durch einen Siedeprozess der Aluminiumoxidrohre aufrechterhalten wird. Beim zweiten Ansatz wird dieser Versiegelungsprozess so modifiziert, dass die Salzkristalle in einer gleichmäßig übereinanderliegenden Schicht aus Böhmit (AlO(OH)) eingefangen werden, die in diesem Fall nicht zur Versiegelung vorgesehen ist. Der zweite Schritt wurde in einer gesättigten Lösung des entsprechenden Salzes durchgeführt. Die beschriebenen Muster weisen Abmessungen im Bereich von 50–100 nm auf und erscheinen als gespritzte Tropfen (Abb. 1b). Die durch den Versiegelungsprozess entstandene Oberfläche weist eine deutliche räumliche Struktur mit vergrößerter Kontaktfläche auf. Dieses Oberflächenmuster sowie die Vielzahl ihrer Bindungsverhältnisse eignen sich hervorragend zur Aufnahme und zum Festhalten von Salzkristallen. Beide beschriebenen Strukturen erscheinen tatsächlich porös und weisen kleine Hohlräume auf, die gut geeignet zu sein scheinen, die Retention von Salzhydrat und die Adsorption von Dampf durch das Salz während des Betriebs des Adsorbers zu ermöglichen. Die EDX-Elementanalyse dieser Oberflächen konnte jedoch Spuren von Magnesium und Schwefel auf der Oberfläche von Böhmit nachweisen, während dies im Fall der Aluminiumoxidoberfläche nicht erkennbar war.

Anodische Oxidation: (a) Aluminiumoxid Al2O3, (b) Böhmit AlO(OH).

ATR-FTIR der Probe bestätigte, dass es sich bei dem Element um Magnesiumsulfat handelt (siehe Abb. 2b). Im Spektrum sind die für das Sulfat-Ion charakteristischen Peaks bei 610–680 und 1080–1130 cm−1 sowie die für Gitterwasser charakteristischen Peaks bei 1600–1700 cm−1 und 3200–3800 cm−1 sichtbar (siehe Abb. 2a). ,C). Das Vorhandensein des Magnesiumions verändert das Spektrum kaum54.

(a) EDX einer mit Böhmit bedeckten Aluminiumplatte, beladen mit MgSO4, (b) ATR-FTIR von Böhmit und MgSO4-Beschichtung, (c) ATR-FTIR-Spektrum von reinem MgSO4.

Die Aufrechterhaltung der Adsorptionseigenschaften wurde durch TGA überprüft. Abbildung 3b zeigt einen Desorptionspeak bei ca. 60 °C. Dieser Peak entspricht nicht den Temperaturen der beiden Peaks, die im TGA des reinen Salzes beobachtet wurden (Abb. 3a). Die Wiederholbarkeit des Adsorptions-Desorptions-Zyklus wurde bewertet, wobei dieselbe Kurve beobachtet wurde, nachdem die Probe einer feuchten Atmosphäre ausgesetzt wurde (Abb. 3c). Der beim zweiten Desorptionsschritt beobachtete Unterschied kann auf die Dehydratisierung unter fließender Atmosphäre zurückzuführen sein, da diese häufig zu einer unvollständigen Dehydratisierung führt. Die Werte entsprechen etwa 17,9 g/m2 bei der ersten Entwässerung und 10,3 g/m2 bei der zweiten Entwässerung.

Vergleich der TGA-Analyse von Böhmit und MgSO4: TGA-Analyse von reinem MgSO4 (a), Mischung (b) und nach Rehydratisierung (c).

Die gleiche Methode wurde mit Calciumchlorid als Adsorbens durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Abb. 4 zusammengefasst. Die visuelle Inspektion der Oberfläche zeigt eine leichte Variation des metallischen Glanzes. Das Fell ist kaum wahrnehmbar. SEM bestätigte das Vorhandensein kleiner Kristalle, die gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt waren. Allerdings zeigt die TGA keine Austrocknung unterhalb von 150 °C. Dies kann daran liegen, dass der Salzanteil im Vergleich zur Gesamtmasse des Substrats so gering ist, dass er von der TGA nicht erfasst werden kann.

Eloxal mit CaCl2: Realansicht (a), SEM (b) und TGA (c).

Die Ergebnisse der Beschichtung mit Kupfersulfat mittels Anodisierung zur Oberflächenbehandlung sind in Abb. 5 zu finden. In diesem Fall kam es nicht zu der beabsichtigten Einlagerung von CuSO4 in die Oxidstruktur von Aluminium. Stattdessen sind schlaffe Nadeln zu beobachten, wie sie typisch für Kupferhydroxid Cu(OH)2 sind, das mit dem typischen türkisfarbenen Farbstoff einhergeht.

Eloxal mit CuSO4: Realansicht (a), SEM (b) und TGA (c).

Die Oberflächenbehandlung durch Eloxieren wurde auch in Kombination mit Strontiumchlorid getestet. Die Ergebnisse zeigten eine heterogene Beschichtung (siehe Abb. 6a). Um festzustellen, ob das Salz die gesamte Oberfläche bedeckte, wurde eine EDX-Analyse durchgeführt. Die Kurve für einen Punkt in den grauen Bereichen (Punkt 1 in Abb. 6b) zeigte wenige Zählungen für Strontium und viele Zählungen für Aluminium. Dies ist ein Hinweis auf ein geringes Vorkommen von Strontium im gemessenen Bereich, was wiederum ein Hinweis auf eine geringe Bedeckung mit Strontiumchlorid ist. Im Gegenteil, die weißen Bereiche ergaben hohe Werte für Strontium und wenige Werte für Aluminium (Punkte 2–6 in Abb. 6b). Die EDX-Analyse der weißen Bereiche zeigt dunklere Flecken (Punkte 2 und 4 in Abb. 6b) mit niedrigen Chlorwerten und hohen Schwefelwerten. Dies könnte die Bildung von Strontiumsulfat bedeuten. Die helleren Punkte ergaben hohe Chlorwerte und niedrige Schwefelwerte (Punkte 3, 5 und 6 in Abb. 6b). Daraus lässt sich schließen, dass der Hauptanteil der weißen Beschichtung aus dem erwarteten Strontiumchlorid besteht. Die TGA der Probe bestätigt diese Interpretation der Analyse und zeigt Peaks bei den charakteristischen Temperaturen von reinem Strontiumchlorid (Abb. 6c). Ihre geringe Größe kann durch den geringen Salzanteil im Vergleich zur Masse des metallischen Trägers begründet werden. Die in den Versuchen ermittelte desorbierte Masse entspräche einer Menge von 7,3 g/m2 pro Flächeneinheit Adsorber bei einer Temperatur von 150 °C.

Eloxal mit SrCl2: Realansicht (a), SEM (b) und TGA (c).

Getestet wurden auch Beschichtungen aus Zinksulfat mit einer Eloxalbehandlung. Das makroskopische Erscheinungsbild der Beschichtung ist das einer sehr dünnen und homogenen Schicht (Abb. 7a). Das REM zeigt jedoch Bereiche der Oberfläche, die mit kleinen Kristallen bedeckt sind und durch leere Bereiche getrennt sind (Abb. 7b). Der TGA der Beschichtung und des Substrats wurde mit dem TGA des reinen Salzes verglichen (Abb. 7c). Das reine Salz zeigt einen einzelnen asymmetrischen Peak bei 59,1 °C. Das beschichtete behandelte Aluminium zeigt zwei kleine Peaks bei 55,5 °C und 61,3 °C, was auf das Vorhandensein von Zinksulfathydraten hinweist. Der in den Versuchen ermittelte Massenunterschied entspricht 10,9 g/m2 bei einer Dehydratisierungstemperatur von 150 °C.

Eloxal mit ZnSO4: Realansicht (a), SEM (b) und TGA (c).

Wie in früheren Anwendungen53 wurde Hydroxyethylcellulose als Bindemittel verwendet, um die Haftung und Stabilität der Adsorptionsbeschichtungen zu erhöhen. Die Materialkompatibilität und der Einfluss auf die Adsorptionseigenschaften wurden von TGA bewertet. Diese Analyse erfolgte bezogen auf die Gesamtmasse, dh die Probe umfasste die Metallplatte, die als Substrat für die Beschichtung diente. Die Haftung wurde mit einem Test getestet, der auf dem in der Norm ISO2409 definierten Gitterschnitttest basiert (der normierte Abstand zwischen den Schnitten als Funktion der Dicke und der normierten Breite des Bandes konnte nicht eingehalten werden).

Die Beschichtung der Platten mit Calciumchlorid (CaCl2) (siehe Abb. 8a) führte zu einer heterogenen Verteilung, die bei der Beschichtung des für den Gitterschnitttest verwendeten Reinaluminiums nicht beobachtet wurde. Die TGA (Abb. 8b) zeigt im Vergleich zu den Ergebnissen mit reinem CaCl2 eine Verschiebung der beiden charakteristischen Peaks zu niedrigeren Temperaturen von 40 bzw. 20 °C. Der Gitterschnitttest erlaubte keinen fairen Vergleich, da es sich bei der Probe mit reinem CaCl2 (Probe auf der rechten Seite in Abb. 8c) um eine pulverförmige Ablagerung handelte, die zur Entfernung der obersten Partikelschicht führte. Die Ergebnisse mit HEC zeigten eine sehr dünne und gleichmäßige Beschichtung mit zufriedenstellender Haftung. Der in Abb. 8b dargestellte Massenunterschied entspricht 51,3 g/m2 pro Adsorberfläche bei einer Temperatur von 150 °C.

CaCl2-Beschichtung mit HEC: (a) Finne, (b) TGA, (c) Gitterschnitttest ohne (links) und mit HEC (rechts).

Positive Ergebnisse hinsichtlich Haftung und Gleichmäßigkeit wurden auch mit Magnesiumsulfat (MgSO4) erzielt (siehe Abb. 9). Die Analyse des Desorptionsprozesses der Beschichtung zeigt einen einzelnen Peak bei ca. 60 °C. Diese Temperatur entspricht dem Hauptdesorptionsschritt, der bei der Dehydratisierung des reinen Salzes beobachtet wird und einen weiteren Schritt bei 44 °C darstellt. Sie entspricht dem Übergang vom Hexahydrat zum Pentahydrat und wird bei der Beschichtung mit Bindemittel nicht beobachtet. Der Gitterschnitttest zeigte eine Verbesserung der Verteilung und Haftung im Vergleich zu den mit reinem Salz erhaltenen Beschichtungen. Der im TGA-DTC beobachtete Massenunterschied entspricht 18,4 g/m2 pro Flächeneinheit Adsorber bei einer Temperatur von 150 °C.

MgSO4-Beschichtung mit HEC: (a) Finne, (b) TGA, (c) Gitterschnitttest ohne (links) und mit HEC (rechts).

Strontiumchlorid (SrCl2) bildete aufgrund der Unregelmäßigkeiten seiner Oberfläche eine heterogene Beschichtung auf der Flosse (Abb. 10a). Die Ergebnisse beim Gitterschnitttest ergaben jedoch eine gleichmäßige Verteilung mit stark verbesserter Haftung (Abb. 10c). Die TGA-Analyse zeigt einen sehr geringen Massenunterschied, der sicherlich auf den geringen Salzanteil im Vergleich zum metallischen Träger zurückzuführen ist. Die Stufen in der Kurve belegen jedoch das Vorhandensein von Dehydratisierungsprozessen, auch wenn die Peaks im Hinblick auf die bei der Charakterisierung des reinen Salzes erhaltenen Temperaturen abweichen. Die in Abb. 10b beobachteten Peaks bei 110 °C und 70,2 °C werden auch in der Analyse des reinen Salzes nachgewiesen. Der bei 50 °C im reinen Salz beobachtete Hauptentwässerungsschritt spiegelt sich jedoch nicht in den Kurven mit Bindemittel wider. Im Gegensatz dazu zeigt die Mischung mit Bindemittel zwei Peaks bei 20,2 °C und 94,1 °C, die mit reinem Salz nicht gemessen werden (Abb. 10b). Der beobachtete Massenunterschied entspricht 7,2 g/m2 pro Flächeneinheit des Adsorbers bei einer Temperatur von 150 °C.

SrCl2-Beschichtung mit HEC: (a) Finne, (b) TGA, (c) Gitterschnitttest ohne (links) und mit HEC (rechts).

Die Kombination von HEC und Zinksulfat (ZnSO4) lieferte keine akzeptablen Ergebnisse (Abb. 11). Die TGA-Analyse des beschichteten Metalls zeigte keinen Dehydratisierungsprozess. Obwohl sich die Verteilung und Haftung der Beschichtung verbesserte, waren ihre Eigenschaften noch lange nicht optimal.

ZnSO4-Beschichtung mit HEC: (a) Finne, (b) TGA, (c) Gitterschnitttest ohne (links) und mit HEC (rechts).

Die einfachste Methode, Metallfasern mit einer dünnen und gleichmäßigen Schicht zu beschichten, ist die Nassimprägnierung (Abb. 12a), die aus der Herstellung des Zielsalzes in einer wässrigen Lösung und der Imprägnierung der Metallfasern besteht.

Aluminiumfasern beschichtet mit (a) Al2(SO4)3, (b) und (c) MgSO4 und (d) SS-316L mit FeCl2.

Bei der Vorbereitung durch die Nassimprägnierung gab es zwei wesentliche Herausforderungen. Einerseits verhinderte die Oberflächenspannung der Salzlösung ein ordnungsgemäßes Einbringen der Flüssigkeit in die poröse Struktur. Die Kristallisation auf der Außenseite (Abb. 12d) und die in der Struktur eingeschlossenen Blasen (Abb. 12c) wurden nur durch Reduzierung der Oberflächenspannung und Vorbenetzung der Probe mit destilliertem Wasser reduziert. Das Erzwingen der Auflösung in der Probe, entweder durch Evakuieren der Luft im Inneren oder durch Erzeugen eines Lösungsstroms durch die Struktur, sind weitere wirksame Methoden, um eine vollständige Füllung der Struktur sicherzustellen55.

Die zweite Herausforderung bei der Zubereitung war die „Hautbildung“ einiger Salze (siehe Abb. 12b). Dieses Phänomen ist durch die Bildung einer Trockenschicht auf der Oberfläche der Lösung gekennzeichnet, die die konvektionsgetriebene Trocknung stoppt und einen diffusionsgetriebenen Prozess in Gang setzt. Dieser zweite Mechanismus ist viel langsamer als der erstere. Dies hat zur Folge, dass für eine angemessene Trocknungsdauer hohe Temperaturen erforderlich sind, was das Risiko einer Blasenbildung im Inneren der Probe erhöht. Dieses Problem wurde durch die Implementierung einer anderen Kristallisationsmethode gelöst, die nicht auf einer Änderung der Konzentration (Verdampfung), sondern auf einer Änderung der Temperatur basiert (beispielhaft in Abb. 13 für MgSO4 dargestellt).

Schematische Darstellung der Kristallisationsmethode durch Abkühlung und Trennung von fester und flüssiger Phase mit MgSO4.

Mit dieser Methode wurde eine gesättigte Lösung des Salzes entweder bei Raumtemperatur oder bei höherer Temperatur (HT) hergestellt. Im ersten Fall wurde die Kristallisation durch Absenken der Temperatur unter Raumtemperatur erzwungen. Im zweiten Fall erfolgte die Kristallisation durch Abkühlen der Probe auf Raumtemperatur (LT). Es entstand eine Mischung aus Kristallen (B) und Lösung (A), deren flüssiger Teil mit Druckluft entfernt wurde. Diese Methode verhinderte nicht nur die Hautbildung in den betroffenen Hydraten, sondern verkürzte auch die Zeit, die für die Herstellung anderer Kompositmaterialien erforderlich war. Das Entfernen der Flüssigkeit mit Druckluft trug jedoch zur Kristallisation von zusätzlichem Salz bei, was zur Bildung dickerer Beschichtungen führte.

Eine alternative Methode zur Beschichtung metallischer Oberflächen besteht darin, das Zielsalz direkt durch chemische Reaktion zu erzeugen. Beschichtete Wärmetauscher, die durch die Reaktion einer Säure auf der Metalloberfläche der Rippen und Rohre hergestellt werden, hatten mehrere Vorteile, wie in unserer vorherigen Studie28 berichtet wurde. Die Übertragung dieser Methode auf die Fasern führte aufgrund der bei der Reaktion entstehenden Gase zu sehr schlechten Ergebnissen. Der Druck der Wasserstoffblasen baute sich im Inneren der Sonde auf und verdrängte die Produkte auf ihrem Weg nach draußen (Abb. 14a).

Al2(SO4)3 aus Säurelösung (a), Syntheseanlage (b) und Ergebnis der Dampfreaktion (c).

Um eine bessere Kontrolle der Schicht hinsichtlich Dicke und Verteilung zu erreichen, wurde eine Variation der Beschichtung durch chemische Reaktion implementiert. Die Methode bestand darin, einen Säurenebelstrom durch die Probe zu leiten (Abb. 14b). Dadurch sollte durch Reaktion mit dem Metall des Substrats eine gleichmäßige Beschichtung entstehen. Die Ergebnisse waren zufriedenstellend, aber der Prozess war zu langsam, um einen gültigen Ansatz darzustellen (Abb. 14c). Durch lokale Erwärmung könnten kürzere Reaktionszeiten erreicht werden.

Um die Nachteile der oben dargestellten Methoden zu überwinden, wurde ein Beschichtungsverfahren untersucht, das auf der Verwendung eines Bindemittels basiert. HEC wurde auf der Grundlage der im vorherigen Abschnitt dargestellten Ergebnisse ausgewählt. Alle Proben wurden mit einem Anteil von 3 Gew.-% hergestellt. Bindemittel mit dem Salz vermischt. Die Fasern wurden nach dem gleichen Verfahren wie die Flossen vorbehandelt, d. h. 15 Minuten lang in 50 % Vol. eingetaucht. Schwefelsäure, anschließend 20 s in Natriumhydroxid, mit destilliertem Wasser gewaschen und schließlich 30 min in destilliertem Wasser gebadet. In diesem Fall wurde vor der Imprägnierung ein zusätzlicher Schritt hinzugefügt. Die Proben wurden kurz in eine verdünnte Lösung des Zielsalzes getaucht und bei etwa 60 °C getrocknet. Ziel dieses Prozesses war es, die Oberfläche des Metalls zu modifizieren und Keimpunkte zu schaffen, die die Verteilung der Beschichtung im letzten Schritt verbessern würden. Die Faserstrukturen weisen eine Seite auf, auf der die Filamente feiner und dichter gepackt sind, und eine gegenüberliegende Seite, auf der die Filamente dicker und grober verteilt sind. Dies ist eine Folge des Herstellungsprozesses52.

Die Ergebnisse mit Calciumchlorid (CaCl2) sind in den Bildern in Tabelle 1 zusammengefasst und veranschaulicht. Nach dem Impfvorgang ist eine gute Abdeckung gegeben. Sogar die Filamente, die keine sichtbaren Kristalle auf der Oberfläche aufwiesen, hatten ihre metallische Reflexion verringert, was auf eine Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit schließen lässt. Nach der Imprägnierung der Probe mit der wässrigen Mischung aus CaCl2 und HEC und dem Trocknen bei etwa 60 °C konzentrierte sich die Beschichtung jedoch an den Kreuzungspunkten der Struktur. Dies ist ein Effekt, der durch die Oberflächenspannung der Lösung verursacht wird. Nach dem Eintauchen wird die Flüssigkeit aufgrund ihrer Oberflächenspannung in der Probe zurückgehalten. Dies geschieht vor allem an Kreuzungspunkten der Bauwerke. Auf der feinsten Seite der Probe waren einige Poren durch das Salz blockiert. Nach der Beschichtung ergibt sich ein Massenzuwachs von 0,06 g/cm3.

Die Beschichtung mit Magnesiumsulfat (MgSO4) ergab höhere Salzmengen pro Volumeneinheit (Tabelle 2). In diesem Fall wurde ein Zuwachs von 0,09 g/cm3 gemessen. Bereits der Aussaatprozess führte zur Abdeckung großer Flächen der Probe. Nach dem Beschichtungsprozess blockierte Salz große Bereiche der feinen Seite der Probe. Außerdem sind einige Bereiche der groben Seite blockiert, eine gewisse Porosität bleibt jedoch erhalten. Die Bildung von Salz an Kreuzungspunkten der Struktur ist in diesem Fall leicht zu beobachten, was bestätigt, dass der Beschichtungsprozess hauptsächlich durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit und nicht durch eine Wechselwirkung zwischen dem Salz und dem Metallsubstrat gesteuert wird.

Die Ergebnisse mit der Kombination von Strontiumchlorid (SrCl2) und HEC zeigten ähnliche Eigenschaften wie die vorherigen Beispiele (Tabelle 3). In diesem Fall war die feinere Seite der Probe fast vollständig blockiert. Es waren nur wenige Poren zu erkennen, die während des Trocknungsprozesses beim Ausströmen des Dampfes aus der Probe entstanden sind. Das auf der groben Seite beobachtete Muster ist dem in früheren Fällen erhaltenen Muster sehr ähnlich, wobei die Bereiche durch Salz blockiert sind und die Fasern völlig unbeschichtet sind.

Um den positiven Effekt der Faserstruktur auf die thermische Leistung eines Wärmetauschers zu bewerten, wurde die effektive Wärmeleitfähigkeit der beschichteten Faserstruktur ermittelt und mit dem reinen Beschichtungsmaterial verglichen. Die Wärmeleitfähigkeit wurde mit einem Plattengerät (siehe Abb. 15a) gemäß ASTM D 5470-2017 gemessen, wobei ein Referenzmaterial mit bekannter Wärmeleitfähigkeit verwendet wurde. Im Vergleich zu anderen transienten Messmethoden ist dieses Prinzip für poröse Materialien, wie sie in der aktuellen Studie angewendet werden, aufgrund der Messung im stationären Zustand und einer ausreichenden Probengröße (Grundfläche von 30 × 30 mm2, Höhe von ~ 15 mm) von Vorteil. Für die Messung in Faserrichtung und senkrecht zur Faserrichtung wurden Proben für das reine Beschichtungsmaterial (Referenz) und die beschichteten Faserstrukturen hergestellt, um den Einfluss der anisotropen Wärmeleitfähigkeitseigenschaften zu beurteilen. Die Proben wurden an der Oberfläche geschliffen (Körnung P320), um den Einfluss der rauen Oberfläche aufgrund der Probenvorbereitung zu minimieren, die für die Struktur im Inneren der Probe nicht repräsentativ ist.

Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit einer mit Al2(SO4)3 beschichteten Aluminiumfaserstruktur. (a) Versuchsaufbau Plattenapparatur und (b) Messergebnisse im Vergleich zu reinem Al2(SO4)3.

Die Messergebnisse für die Beschichtung einer AlSi1-Faserstruktur mit Al2(SO4)3 sind in Abb. 12b dargestellt. Die effektive Wärmeleitfähigkeit kann durch die poröse Faserstruktur auf einen bis zu 4,7-fach höheren Wert als die intrinsische Leitfähigkeit von Aluminiumsulfat gesteigert werden. Erwartungsgemäß ist der Anstieg bei einem Wärmefluss entlang der Faserrichtung deutlich größer. Bei einer nicht optimalen Faserorientierung beträgt die Steigerung jedoch nahezu den Faktor 2. Darüber hinaus muss berücksichtigt werden, dass es sich bei der Referenzprobe um eine nicht poröse Probe ohne Hohlräume im Probeninneren handelt, während die beschichteten Strukturen die Hohlräume bereits aufweisen ermöglichen einen Medienfluss in der Struktur. Die Ausgangsfaserstruktur weist eine Porosität von 81,1 % (Probe in Faserrichtung) und 77,4 % (Probe senkrecht zur Faserrichtung) auf. Bei Hohlräumen (z. B. einer losen Masse, wie sie bei Zeolithen angewendet wird) wäre die effektive Wärmeleitfähigkeit der Referenzprobe noch geringer, was den Faktor für die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit erhöhen würde. Dies belegt die Verbesserung der effektiven Wärmeleitfähigkeit durch die Faserstruktur. Der detaillierte Einfluss verschiedener Parameter wie Beschichtungsdicke, Beschichtungsverteilung der Fasern muss in zukünftigen Forschungen evaluiert werden.

In dieser Arbeit wurde ein Ansatz zur Überwindung der geringen Wärmeleitfähigkeit von Salzhydraten für deren Verwendung in chemischen Adsorbern untersucht. Zur Herstellung hochleitfähiger Verbundwerkstoffe wurden drei Methoden im Detail untersucht: Beschichtung mit HEC als Bindemittel, Beschichtungen durch Direktreaktion und Beschichtung mit Oberflächenbehandlung des Aluminiumsubstrats durch anodische Oxidation.

Unter den in dieser Arbeit analysierten Methoden ist die Beschichtung in Kombination mit der Oberflächenbehandlung durch Anodisierung der Oberfläche der vielversprechendste Ansatz. Die Ergebnisse zeigen die Bildung sehr dünner Adsorbensschichten mit sehr starker Haftung. Die TGA der Beschichtungen zeigen die Adsorptionsfähigkeiten dieser Methode und zeigen nur im Fall von Calciumchlorid einen negativen Einfluss auf die Hydratbildung. Eine Optimierung der Methode ist erforderlich, um den prozentualen Massenunterschied des Verbundwerkstoffs zu erhöhen. Aus unserer Sicht sollte die Verbesserung der Beschichtung mit einer Erhöhung der Porosität beginnen, die durch den Eloxalprozess entsteht. Frühere Ergebnisse zeigen, dass die Bedingungen und Additive der Reaktion geändert werden können, um die Größe der Poren zu verdoppeln und Porositäten von bis zu 65 % zu erreichen56.

Eine Beschichtung mit HEC als Bindemittel weist im Vergleich zu Beschichtungen mit reinem Hydrat eine verbesserte Haftung auf. Diese Methode kann potenziell bei jeder Verbindung angewendet werden, allerdings kann das Bindemittel die Adsorptionseigenschaften des aktiven Materials blockieren, wie es im Fall von Zinksulfat beobachtet wird. Dieser Beschichtungsansatz stellt eine Verbesserung im Vergleich zur vorherigen in der Literatur gefundenen Einkapselung dar18,19, da der direkte Kontakt mit der Oberfläche des Wärmetauschers die Gesamtwärmeleitfähigkeit erhöht und die spezifische Leistung des Adsorbers verbessert. Die Übertragung dieser Technik auf metallische Fasern durch Eintauchen und anschließendes Trocknen durch Erhitzen führte aufgrund des Einflusses der Oberflächenspannung der Lösung zu heterogenen Verteilungen der Beschichtung. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse stellen eine Erweiterung des Spektrums an Spezies dar, die in beschichteten metallischen porösen Strukturen eingesetzt werden können, da der aktuelle Stand der Technik auf Zeolithe oder Partikelbetten beschränkt war. Dies erhöht die Auswahl an Arten, die in Adsorptionsprozessen verwendet werden können, und verbessert den Anwendungstemperaturbereich. Beschichtungen durch Nassimprägnierung oder direkte Reaktion in Fasern erwiesen sich als schwer kontrollierbar. Andererseits bietet die Säurereaktion mit Gasen das Potenzial, die Dicke und Verteilung der Beschichtung besser zu kontrollieren. Parameter wie Temperatur, Durchflussrate und Konzentration können fein abgestimmt werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen. In zukünftigen Schritten wird lokales Erhitzen bereitgestellt, um die Reaktion zu beschleunigen und eine lokale Kontrolle der Dicke zu erreichen.

Der auf die Metallfasern aufgetragene Beschichtungsprozess, entweder mit oder ohne Bindemittel, könnte durch eine Modifikation der Imprägnierungs- und Kristallisationsprozesse verbessert werden. Der Kristallisationsprozess sollte innerhalb der Lösung stattfinden, um den Einfluss der Oberflächenspannung der Flüssigkeit zu vermeiden. Das Problem bei diesem Ansatz besteht darin, dass der Kristallisationsprozess von der Konzentration der Lösung abhängt (die Schichtbildung beginnt, wenn die Lösung gesättigt ist), was häufig zu sehr dicken Schichten führt. Um zu ermöglichen, dass der Beschichtungsprozess dünnere Schichten ergibt, sollte die Konzentration der Lösung, bei der sie gesättigt ist, durch die Verwendung niedrigerer Temperaturen verringert werden. In diesem Fall muss die Verdampfung des Lösungsmittels durch die Reduzierung des Drucks erzwungen werden. Die Charakterisierung der Wärmeleitfähigkeit der beschichteten Fasern zeigt einen deutlichen Anstieg im Vergleich zum Rohadsorbens. Dieses Merkmal in Kombination mit der charakteristischen Porosität dieser Strukturen beweist die Fähigkeit von Metallfasern, die Kinetik und Effizienz von Adsorbern zu steigern.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Fördernummer 03ET1451A und 03ET1451C, gefördert. Darüber hinaus danken die Autoren Katja Galle und Silvia Mühle (alle TU Dresden) für umfangreiche technische Unterstützung.

Open-Access-Förderung ermöglicht und organisiert durch Projekt DEAL.

Lehrstuhl für Technische Thermodynamik, Fakultät für Maschinenbau, Institut für Energietechnik, Technische Universität Dresden, 01069, Dresden, Deutschland

Oscar Banos, Maja Glorius, Sven Ohmann & Cornelia Breitkopf

Lehrstuhl für Biomaterialien, Fakultät für Maschinenbau, Institut für Materialwissenschaften, Technische Universität Dresden, 01069, Dresden, Deutschland

Raus Bergmann

Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung, 25389, Dresden, Deutschland

Torsten Seidel

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OB, SO und CB haben das Konzept entwickelt. OB, SO und UB haben die Methodik entworfen und ausgeführt; OB, MG und UB charakterisierten die aufgetragene Schicht. OB, MG und UB analysierten die Daten. OB hat den ersten Entwurf geschrieben. OB, UB und CB haben das Manuskript überarbeitet. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt. CB leitete die Forschung.

Korrespondenz mit Oscar Banos oder Cornelia Breitkopf.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Banos, O., Bergmann, U., Glorius, M. et al. Neue Aufbereitungsmethoden für beschichtete Wärmetauscher in Adsorptionskälte- und Wärmepumpenanwendungen. Sci Rep 12, 8004 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11548-3

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Eingegangen: 18. September 2021

Angenommen: 19. April 2022

Veröffentlicht: 14. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11548-3

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