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Heat and mass transfer in hygroscopic hydrogels

自愈水凝胶 材料科学 解吸 传质 热导率 水蒸气 化学工程 吸附 热扩散率 传热 热力学 复合材料 吸附 高分子化学 化学 有机化学 物理 工程类
作者
Carlos D. Díaz‐Marín,Lenan Zhang,Bachir El Fil,Zhengmao Lu,Mohammed Alshrah,Jeffrey C. Grossman,Evelyn N. Wang
出处
期刊:International Journal of Heat and Mass Transfer [Elsevier BV]
卷期号:195: 123103-123103 被引量:34
标识
DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123103
摘要

Sorption and desorption with hygroscopic hydrogels hold significant promise for thermal management, passive cooling, thermal energy storage, and atmospheric water harvesting. However, a comprehensive understanding of the energy and mass transport mechanisms in hygroscopic hydrogels remains missing, impeding accurate modeling and optimization. In this work, we develop a model for the simultaneous vapor, water, and heat transfer in hygroscopic hydrogels during sorption and desorption processes. We show that by considering vapor diffusion in the hydrogel micropores, water diffusion in the polymer mesh, and heat transfer in the porous hydrogel, we can accurately capture experimentally observed thermally-driven desorption rates in these hydrogels. Furthermore, we consider three typical operating configurations of hydrogels and elucidate the differences in the transport mechanisms depending on the configuration. Finally, for each of these configurations, we identify key design parameters, including hydrogel thickness, hydrogel shear modulus, heat transfer coefficient, and thermal conductivity, and we parametrically show that by varying these parameters, a hygroscopic hydrogel can desorb up to 128.5%, 14.9%, 69.7%, and 9.6% more water, respectively, relative to the initial water content. This work provides a generic framework to model sorption and desorption processes in hygroscopic hydrogels which can guide the design and optimization in applications of thermal management, passive cooling, thermal energy storage, and atmospheric water harvesting with hydrogels.
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