吸着冷凍およびヒートポンプ用途におけるコーティング熱交換器の新しい製造方法

Scientific Reports volume 12、記事番号: 8004 (2022) この記事を引用

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吸着式冷凍システムとヒートポンプは、従来の圧縮システムに比べて市場シェアが依然として相対的に低いです。 （高価な電気工事の代わりに）安価な熱を利用できるという大きな利点があるにもかかわらず、吸着原理に基づくシステムの実装は依然として少数の特定の用途に限定されています。 解決すべき主な欠点は、吸着剤の熱伝導率と安定性が低いために比出力が低下することです。 現在の最先端の商業用吸着冷却システムは、冷却力を最適化するために、コーティングされたフィン付き熱交換器をベースとした吸着器に依存しています。 コーティングの厚さが減少すると物質輸送インピーダンスが減少し、導電性構造の表面積と体積の比率が増加すると、効率を低下させることなく出力が増加することはよく知られています。 この研究で使用される金属繊維は、2500 ～ 50,000 m2/m3 の範囲の比表面積を提供できます。コーティングされた製品を製造するために、金属繊維を含む金属表面上に非常に薄いが安定した塩水コーティングを調製する 3 つの方法高比出力の熱交換器が初めて発表されました。 コーティングと基材の結合を強化するために、アルミニウム陽極酸化処理をベースとした表面処理が選択されました。 得られた表面の微細構造を走査電子顕微鏡で分析しました。 所望の種の存在を確認するために、減衰全反射率フーリエ変換赤外分光法およびエネルギー分散型 X 線分光法が分析に使用されました。 水和物を形成するそれらの能力は、同時熱重量分析 (TGA)/示差熱重量分析 (DTG) によって検証されました。 MgSO4 のコーティングでは 0.07 g(水)/g(複合材料) の質量差が検出され、約 60 °C の温度で脱水の兆候が見られ、再水和後の再現性が示されました。 また、SrCl2 と ZnSO4 では、100 °C 未満で約 0.02 g/g の質量差で肯定的な結果が得られました。 コーティングの安定性と密着性を高めるための添加剤としてヒドロキシエチル セルロースが選択されました。 製品の吸着特性は同時 TGA-DTG で評価され、その粘着性は ISO2409 に記載された試験に基づく手順で特性評価されました。 CaCl2 のコーティングは、吸着能力を維持しながら、一貫性と付着性が大幅に向上し、100 °C 未満の温度で約 0.1 g/g の質量差を示しました。 また、MgSO4 は水和物を形成する能力を保持しており、100 °C 未満で 0.04 g/g を超える質量差を示します。 最後に、コーティングされた金属繊維を調査しました。 結果は、Al2(SO4)3 でコーティングされた繊維構造の有効熱伝導率が、純粋な Al2(SO4)3 のブロックと比較して最大 4.7 倍高くなる可能性があることを示しています。 追求されたコーティングの被覆率は視覚的に調査され、内部構造は断面の顕微鏡画像によって評価されました。 約 50 μm の Al2(SO4)3 コーティングが生成されましたが、一般に、より均一な分布を達成するにはプロセスを最適化する必要があります。

吸着システムは、従来の圧縮ヒートポンプや冷凍システムに代わる環境に優しい代替手段であるため、ここ数十年にわたって多くの注目を集めてきました。 快適さの基準と地球の平均気温が上昇する中、吸着システムは近い将来、化石燃料への依存を減らす可能性があります。 さらに、吸着冷凍やヒートポンプの分野での改善は熱エネルギー貯蔵の分野にも応用でき、一次エネルギーを効率的に利用する能力がさらに高まります。 吸着式ヒートポンプと冷凍システムの主な利点は、低品質の熱で処理できることです。 そのため、太陽エネルギーや廃熱などの低温源に適しています。 エネルギー貯蔵用途に関して、吸着には、顕熱または潜熱貯蔵と比較して、長期用途においてエネルギー密度が高く、エネルギー散逸が低いという利点があります。