低相變溫度硝酸鹽傳熱儲熱材料制備、改性及蓄放熱性能研究.pdf

1、儲熱材料與儲熱技術在太陽能熱利用、余熱回收等方面具有廣闊的應用前景。Solar Salt是太陽能熱發(fā)電站中使用最多的傳熱儲熱材料，由NaNO3和KNO3組成，熔點為220℃，具有儲熱密度大、成本低的優(yōu)點。由于熔點較高，易堵塞管道和閥門，為了降低熔點，本文對 NaNO3-KNO3相變材料進行高溫處理，深入研究了降低相變溫度的高溫處理方法及反應機理。
　　將NaNO3和KNO3以6:4的質量比制備了Solar Salt，并通過硝酸鹽在

2、高溫下自身的分解反應來改變原有的成分組成，達到了在一定溫度范圍內降低相變溫度的目的。在高溫處理的過程中，探討了不同溫度和保溫時間對相變溫度的影響。選取的溫度分別為600℃、750℃和800℃，保溫時間分別為30分鐘、60分鐘、90分鐘、120分鐘、150分鐘和180分鐘。通過差示掃描量熱法測試了高溫處理前后樣品熔化和凝固過程的吸放熱曲線，并在此基礎上總結了高溫處理對硝酸鹽相變溫度的影響規(guī)律。通過 X射線光電子能譜儀、X射線衍射儀、紅外分

3、析儀等多種測試手段研究了高溫處理過程中的元素化合價和物相組成的變化，確認了硝酸鹽分解反應的具體過程，討論了高溫條件對相變溫度產生影響的原因。隨后將所得材料置于不同的模擬工況下，測試了高溫處理后樣品的穩(wěn)定性。結果表明，Solar Salt的相變溫度可以通過一定的熱處理方法降低；硝酸鹽在不同溫度下的分解速率不同，且分解產生的亞硝酸鹽是導致相變溫度降低的主要因素。
　　為了提高多元硝酸鹽相變儲熱材料的最高使用溫度，需要研究這種材料在高溫

4、下的反應機理。Solar Salt熔化后，內部存在有KNO3-KNO3、NaNO3-NaNO3和 NaNO3-KNO3三種微區(qū)體系，本文以這三種體系為研究對象，通過密度泛函理論研究了亞硝酸鹽與氧氣反應的歷程。研究中使用的主要工具為 Gaussian軟件，計算方法選擇B3LYP泛函，計算基組選擇6-31+G*。通過對每個體系中的亞硝酸鹽、硝酸鹽和氧氣進行構型優(yōu)化得到反應物或產物。通過TS方法，尋找反應的過渡態(tài)結構。在同樣的計算條件下，對所

5、有結構進行頻率計算，以確定某一結構是否為過渡態(tài)或穩(wěn)定結構。為了驗證過渡態(tài)結構的正確性，對該結構進行了內稟坐標反應路徑計算（ IRC）。研究發(fā)現(xiàn)， KNO3-KNO3體系和NaNO3-NaNO3體系均只有一條反應路徑；NaNO3-KNO3體系由于含有兩種不同的金屬陽離子而存在兩條反應路徑，其中一條為主路徑；硝酸鹽發(fā)生分解反應所對應的溫度要高于亞硝酸鹽氧化的反應溫度。
　　提高無機鹽的比熱可以提高材料的顯熱儲熱量。本研究將多元硝酸鹽溶

6、于去離子水中，把納米顆粒添加到溶液中，經過一定時間的超聲分散后，將溶液蒸干制備了改性硝酸鹽傳熱儲熱材料。研究了納米顆粒種類、粒徑和添加量對其比熱的影響，其中納米顆粒主要是納米SiO2和納米MgO，粒徑主要是30nm和50nm，添加量在0.5wt.％至2wt.%之間。通過差示掃描量熱儀和掃描電鏡研究了改性硝酸鹽傳熱儲熱材料的比熱和微觀結構的變化。研究表明，納米顆?？梢栽谝欢ǔ潭壬咸岣卟牧瞎虘B(tài)和液態(tài)的比熱；納米SiO2和納米MgO會在硝酸鹽

7、中形成球形或針狀的微觀結構。
　　為了了解改性硝酸鹽相變儲熱材料的蓄放熱性能，設計并搭建了蓄熱性能評價系統(tǒng)，并采用熱效率作為評價標準。改性材料是將質量分數(shù)為1%的納米SiO2添加到硝酸鹽中制備的。通過蓄熱單元內多個測溫點的數(shù)據(jù)計算出代表整個體系的溫度-時間曲線，再以溫度值為判定依據(jù)確定體系的起始狀態(tài)和終止狀態(tài)，最后在這兩個狀態(tài)區(qū)間內計算蓄放熱的熱量并計算熱效率。結果表明，蓄熱單元內換熱管的表面積會影響熱傳遞的速度；提高傳熱介質流速