Nuovi metodi di preparazione per scambiatori di calore rivestiti in applicazioni di refrigerazione ad adsorbimento e pompe di calore

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8004 (2022) Citare questo articolo

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I sistemi di refrigerazione ad adsorbimento e le pompe di calore detengono ancora una quota di mercato relativamente ridotta rispetto ai tradizionali sistemi di compressione. Nonostante abbiano il grande vantaggio di essere alimentati da calore a basso costo (invece che da costosi lavori elettrici), l’implementazione di sistemi basati sui principi di adsorbimento rimane limitata a poche applicazioni specifiche. Il principale inconveniente da risolvere è il loro ridotto potere specifico dovuto alla bassa conduttività termica e alla bassa stabilità degli adsorbenti. L'attuale stato dell'arte dei sistemi di raffreddamento ad adsorbimento commerciali si basa su adsorbitori basati su scambiatori di calore alettati rivestiti per ottimizzare la potenza di raffreddamento. È un risultato ben noto che la riduzione dello spessore del rivestimento deriva da una riduzione dell'impedenza di trasporto di massa, e che l'incremento del rapporto superficie/volume delle strutture conduttrici aumenta la potenza senza ridurre l'efficienza. Le fibre metalliche utilizzate in questo lavoro possono offrire un rapporto di superficie specifica compreso tra 2500 e 50.000 m2/m3. Tre metodi per preparare rivestimenti di sale idrato molto sottili ma stabili su superfici metalliche, comprese le fibre metalliche, per la produzione di rivestimenti rivestiti vengono presentati per la prima volta scambiatori di calore ad elevata potenza specifica. È stato scelto un trattamento superficiale basato sull'anodizzazione dell'alluminio per creare un legame più forte tra rivestimento e substrato. La struttura microscopica della superficie risultante è stata analizzata mediante microscopia elettronica a scansione. Per verificare la presenza delle specie desiderate, nell'analisi sono state impiegate la spettroscopia a raggi X trasformata di Fourier a riflettanza totale attenuata e la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia. La loro capacità di formare idrati è stata verificata mediante analisi termogravimetrica simultanea (TGA)/termogravimetria differenziale (DTG). Nel rivestimento di MgSO4 è stata rilevata una differenza di massa di oltre 0,07 g(acqua)/g(composito), che ha mostrato segni di disidratazione a temperature intorno a 60 °C e ripetibilità dopo la reidratazione. Sono stati ottenuti risultati positivi anche con SrCl2 e ZnSO4 con differenze di massa di circa 0,02 g/g al di sotto di 100 °C. Come additivo è stata scelta l'idrossietilcellulosa per aumentare la stabilità e l'aderenza dei rivestimenti. Le proprietà di adsorbimento del prodotto sono state valutate con TGA-DTG simultaneo, mentre la loro aderenza è stata caratterizzata mediante una procedura basata sul test descritto nella norma ISO2409. I rivestimenti di CaCl2 hanno mostrato consistenza e aderenza molto migliorate, pur mantenendo la capacità di adsorbimento, mostrando differenze di massa di circa 0,1 g/g a temperature inferiori a 100 °C. Anche MgSO4 conserva la capacità di formare idrati, mostrando una differenza di massa superiore a 0,04 g/g al di sotto di 100 °C. Infine, sono state studiate le fibre metalliche rivestite. I risultati mostrano che l'effettiva conducibilità termica di una struttura in fibra rivestita con Al2(SO4)3 può essere fino a 4,7 volte superiore rispetto a un blocco di Al2(SO4)3 puro. La copertura dei rivestimenti ricercati è stata esaminata visivamente e la struttura interna è stata valutata mediante imaging microscopico di sezioni trasversali. Sono stati generati rivestimenti di circa 50 µm di Al2(SO4)3, ma in generale il processo richiede un'ottimizzazione per ottenere una distribuzione più uniforme.

I sistemi ad assorbimento hanno attirato molta attenzione negli ultimi decenni perché rappresentano un'alternativa ecologica alle tradizionali pompe di calore a compressione o ai sistemi di refrigerazione. Con l’aumento degli standard di comfort e della temperatura media globale, i sistemi di adsorbimento hanno il potenziale per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili nel prossimo futuro. Inoltre, qualsiasi miglioramento nel campo della refrigerazione ad assorbimento o delle pompe di calore può essere trasferito al campo dell'accumulo di energia termica, il che costituisce un ulteriore incremento nella capacità di fare un uso efficiente dell'energia primaria. Il vantaggio principale delle pompe di calore ad adsorbimento e dei sistemi di refrigerazione è che possono essere trattati con calore di bassa qualità. Ciò li rende adatti a fonti a bassa temperatura come l'energia solare o il calore di scarto. Per quanto riguarda le applicazioni di accumulo di energia, l'adsorbimento presenta i vantaggi di una maggiore densità di energia e di una minore dissipazione di energia per applicazioni a lungo termine rispetto all'accumulo di calore sensibile o latente.