Nouvelles méthodes de préparation des échangeurs de chaleur à revêtement dans les applications de réfrigération par adsorption et de pompes à chaleur

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 8004 (2022) Citer cet article

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Les systèmes de réfrigération par adsorption et les pompes à chaleur possèdent encore une part de marché relativement réduite par rapport aux systèmes à compression traditionnels. Malgré le grand avantage d’être alimentés par de la chaleur bon marché (au lieu de travaux électriques coûteux), la mise en œuvre de systèmes basés sur les principes d’adsorption reste limitée à quelques applications spécifiques. Le principal inconvénient à résoudre est leur pouvoir spécifique réduit en raison de la faible conductivité thermique et de la faible stabilité des adsorbants. L’état actuel de la technique des systèmes de refroidissement par adsorption commerciaux repose sur des adsorbeurs basés sur des échangeurs de chaleur à ailettes revêtues pour optimiser la puissance de refroidissement. C'est un résultat bien connu que la réduction de l'épaisseur du revêtement entraîne une réduction de l'impédance de transport de masse, et que l'augmentation du rapport surface/volume des structures conductrices augmente la puissance sans réduire l'efficacité. Les fibres métalliques utilisées dans ce travail peuvent offrir un rapport de surface spécifique compris entre 2 500 et 50 000 m2/m3. Trois méthodes de préparation de revêtements d'hydrate de sel très fins mais stables sur des surfaces métalliques, y compris des fibres métalliques, pour la production de revêtements des échangeurs de chaleur à puissance spécifique élevée, sont présentés pour la première fois. Un traitement de surface à base d'anodisation de l'aluminium a été choisi pour créer une liaison plus forte entre la couche et le substrat. La structure microscopique de la surface résultante a été analysée par microscopie électronique à balayage. Pour vérifier la présence des espèces souhaitées, la spectroscopie infrarouge à transformation de Fourier à réflectance totale atténuée et la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie ont été utilisées dans l'analyse. Leur capacité à former des hydrates a été vérifiée par analyse thermogravimétrique (ATG)/thermogravimétrie différentielle (DTG) simultanées. Une différence de masse de 0,07 g (eau)/g (composite) a été détectée dans le revêtement de MgSO4, qui a montré des signes de déshydratation à des températures autour de 60 °C et une répétabilité après réhydratation. Des résultats positifs ont également été obtenus avec SrCl2 et ZnSO4 avec des différences de masse d'environ 0,02 g/g en dessous de 100 °C. L'hydroxyéthylcellulose a été choisie comme additif pour augmenter la stabilité et l'adhérence des revêtements. Les propriétés d'adsorption du produit ont été évaluées avec TGA-DTG simultané, tandis que leur adhérence a été caractérisée au moyen d'une procédure basée sur le test décrit dans la norme ISO2409. Les revêtements de CaCl2 présentaient une consistance et une adhérence bien améliorées, tout en conservant sa capacité d'adsorption, montrant des différences de masse d'environ 0,1 g/g à des températures inférieures à 100 °C. Le MgSO4 conserve également la capacité de former des hydrates, montrant une différence de masse de plus de 0,04 g/g en dessous de 100 °C. Enfin, les fibres métalliques enduites ont été étudiées. Les résultats montrent que la conductivité thermique effective d'une structure fibreuse recouverte d'Al2(SO4)3 peut être jusqu'à 4,7 fois supérieure à celle d'un bloc d'Al2(SO4)3 pur. La couverture des revêtements recherchés a été étudiée visuellement et la structure interne a été évaluée par imagerie microscopique de sections transversales. Des revêtements d'environ 50 µm d'Al2(SO4)3 ont été générés, mais en général, le processus nécessite une optimisation pour obtenir une distribution plus uniforme.

Les systèmes à adsorption ont attiré beaucoup d’attention au cours des dernières décennies car ils représentent une alternative écologique aux pompes à chaleur à compression ou aux systèmes de réfrigération traditionnels. Avec l’augmentation des normes de confort et l’augmentation des températures moyennes mondiales, les systèmes d’adsorption ont le potentiel de réduire la dépendance aux combustibles fossiles dans un avenir proche. En outre, toute amélioration dans les domaines de la réfrigération par adsorption ou des pompes à chaleur peut être transférée au domaine du stockage de l'énergie thermique, ce qui constitue un accroissement supplémentaire dans la capacité d'utiliser efficacement l'énergie primaire. Le principal avantage des pompes à chaleur à adsorption et des systèmes de réfrigération est qu’ils peuvent être traités avec une chaleur de faible qualité. Cela les rend adaptés aux sources à basse température comme l’énergie solaire ou la chaleur perdue. Concernant les applications de stockage d'énergie, l'adsorption possède les avantages de sa densité énergétique plus élevée et de sa plus faible dissipation d'énergie pour les applications à long terme par rapport au stockage de chaleur sensible ou latente.