CN111607363A - 一种传热蓄热介质及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于物理传热储能技术领域,具体涉及一种传热蓄热介质及其制备方法和应用。该传热蓄热介质包括40‑50%的硝酸钙、38‑45%的硝酸钾和9‑13%的碳酸钠。这三种组分可以形成共晶混合熔盐,能够提高传热蓄热介质的热分解温度,热分解温度高达650.2℃,提高了传热蓄热介质的最高使用温度,同时该介质还能在较宽的运行温度范围内使用,确保共晶相和组分的稳定、均匀,具有较好的热物理性能。

Description

一种传热蓄热介质及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于物理传热储能技术领域,具体涉及一种传热蓄热介质及其制备方法和应用。
背景技术
能源是国民经济发展最为重要的基础,而常规化石能源的大规模开发利用导致了能源的日趋枯竭,作为世界上第二大能源生产与消费大国,我国的能源危机尤为严重。目前,我国煤炭和水力资源人均拥有量仅相当于世界水平的50%,石油、天然气人均资源拥有量仅为世界平均水平的1/15左右。能源资源赋存不均衡,开发难度大,能源利用技术落后,利用地下等原因使得我国能源的消耗速度比其他国家更快。日益增长的能源需要迫使我们不得不寻找能源危机的突围之路。因此,开发和利用可再生能源是缓解我国能源紧张的必然选择。
太阳能热发电是利用聚光器将太阳辐射能聚集在一起,通过对蓄热介质的加热将太阳辐射能转化为热能,再利用传热介质带动发电系统产生电能。太阳能热发电技术与低成本大规模蓄热技术相结合,可以在容量缓冲、调度性和时间平移、年利用率的提高、电力输出稳定程度以及高效满负荷运行等方面更加具有优势。目前,显热蓄热技术因其原理简单、技术成熟、材料来源广泛和成本低廉等成为应用最为广泛的蓄热技术。蓄热材料,特别是高温蓄热材料选择,对提高太阳能热发电效率,优化系统管道的设计和降低成本具有重要的意义。
近些年来,熔融盐受到人们的广泛关注,其具有使用温度宽,蒸气压力低,热容量大,粘度低,良好的稳定性等诸多特性。使用熔融盐作为传热工质可以提高太阳能热发电效率和可靠性、同时大幅度降低成本,是太阳能热发电发展的主要技术发展趋势;而采用熔融盐作为蓄热工质则可以实现低成本大规模储能,保证太阳能热发电输出高品质电能。因此,熔融盐传热蓄热是太阳能热发电技术发展的主要途径。
中国专利文献CN104479646A,公开了一种五元熔盐传热蓄热介质,包括30-70wt%硝酸钾、5-15wt%硝酸钙、1-10wt%碳酸钠、20-50wt%硝酸钠和1-20wt%磷酸氢二钠,该熔盐具有良好的热力学性能,高温下热稳定性好,能长时间使用后熔盐不易劣化分解,但是高温稳定性仍不能满足实际生产要求,其使用温度范围最高为550℃。
发明内容
因此,本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的熔盐的最高使用温度有待进一步提高等缺陷,从而提供一种传热蓄热介质及其制备方法和应用。
本发明提供了一种传热蓄热介质,以质量分数计,包括40-50%的硝酸钙、38-45%的硝酸钾和9-13%的碳酸钠。
所述传热蓄热介质包括45-50%的硝酸钙、41-45%的硝酸钾和9-11%的碳酸钠。
所述传热蓄热介质包括48.18%的硝酸钙、42.72%的硝酸钾和9.1%的碳酸钠。
本发明还提供了一种上述传热蓄热介质的制备方法,包括以下步骤,
各原料混匀后得到混合物,依次经第一加热、第二加热和第三加热,冷却至室温后得到所述传热蓄热介质。
所述第一加热的温度为70-90℃,时间为47-49h;第一加热过程可以使混合物中的水分溢出。
所述第二加热的温度为145-155℃,时间为47-49h;第二加热过程可以使结晶水充分溢出。
所述第三加热的温度为380-420℃,时间为11-13h;第三加热过程可以使混合物完全熔融,保证充分混匀。
本发明还提供了上述传热蓄热介质或者上述制备方法制备得到的传热蓄热介质在工业蓄能领域或太阳能光热发电领域中的应用。
本发明技术方案,具有如下优点:
1.本发明提供的传热蓄热介质,以质量分数计,包括40-50%的硝酸钙、38-45%的硝酸钾和9-13%的碳酸钠。这三种组分可以形成共晶混合熔盐,同时还能确保共晶相和组分的稳定、均匀,使传热蓄热介质具有较好的热物理性能;共晶混合熔盐还能够提高传热蓄热介质的热分解温度,热分解温度高达650.2℃,提高了传热蓄热介质的最高使用温度,与现有的传热蓄热介质材料相比,熔点略有下降,可以使该介质能在较宽的运行温度范围内使用。
该传热蓄热介质中的水分含量极少,在后期应用时不会出现冻堵的问题。
该传热蓄热介质通过控制原料的种类和用量能显著减少成本,适合应用于大规模生产。
2.本发明提供的传热蓄热介质的制备方法,通过原料的第一加热温度和时间进行控制可以使混合物中的水分溢出,对第二加热温度和时间进行控制可以使混合物中的结晶水充分溢出,保证第三加热时,使混合物形成共晶相,保证传热蓄热介质的分解温度。
3.本发明提供的传热蓄热介质在工业蓄能领域或太阳能光热发电领域中的应用,本发明提供的传热蓄热介质在太阳能热发电系统时,可以大大简化初始运行程序,不需要特殊的加热设备防止熔盐的冻堵,增加了整个系统的安全稳定性的同时降低整个传热蓄热系统的运行成本;该传热蓄热介质的热分解温度高,还可以提高发电效率;该传热蓄热介质的成本相对较低,还可以提高后期应用的经济性,大规模应用的前景十分乐观。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中的传热蓄热介质样品的DSC曲线;
图2是本发明实施例1中的传热蓄热介质样品的TG曲线;
图3是本发明实施例2中的传热蓄热介质样品的DSC曲线;
图4是本发明实施例2中的传热蓄热介质样品的TG曲线;
图5是本发明对比例1中的传热蓄热介质样品的DSC曲线;
图6是本发明对比例1中的传热蓄热介质样品的TG曲线;
图7是本发明对比例2中的传热蓄热介质样品的DSC曲线;
图8是本发明对比例2中的传热蓄热介质样品的TG曲线。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明,并不局限于所述最佳实施方式,不对本发明的内容和保护范围构成限制,任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品,均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者,按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供了一种传热蓄热介质,包括4.818kg硝酸钙、4.272kg硝酸钾和0.91kg碳酸钠;
上述传热蓄热介质的制备方法,包括以下步骤,
采用高精度分析天平称量好上述三种组分,放置在80℃的干燥箱中进行恒温干燥,时间为48小时,使混合物中水分溢出;再温度升高到150℃后加热48h,使结晶水充分溢出;取出放置于400℃的马弗炉中加热,时间为12h,使混合物完全融化并混合均匀;自然冷却至室温后取出,得到坚硬的固态结晶盐,即得。
实施例2
本实施例提供了一种传热蓄热介质,包括4.92kg硝酸钙、4.13kg硝酸钾和0.95kg碳酸钠;
上述传热蓄热介质的制备方法,包括以下步骤,
采用高精度分析天平称量好上述三种组分,放置在80℃的干燥箱中进行恒温干燥,时间为48小时,使混合物中水分溢出;再温度升高到150℃后加热48h,使结晶水充分溢出;取出放置于400℃的马弗炉中加热,时间为12h,使混合物完全融化并混合均匀;自然冷却至室温后取出,得到坚硬的固态结晶盐,即得。
实施例3
本实施例提供了一种传热蓄热介质,包括4.818kg硝酸钙、4.272kg硝酸钾和0.91kg碳酸钠;
上述传热蓄热介质的制备方法,包括以下步骤,
采用高精度分析天平称量好上述三种组分,放置在85℃的干燥箱中进行恒温干燥,时间为48小时,使混合物中水分溢出;再温度升高到148℃后加热49h,使结晶水充分溢出;取出放置于420℃的马弗炉中加热,时间为11h,使混合物完全融化并混合均匀;自然冷却至室温后取出,得到坚硬的固态结晶盐,即得。
对比例1
本对比例提供了一种传热蓄热介质,包括4.818kg硝酸钙和5.182kg硝酸钾;
上述传热蓄热介质的制备方法,包括以下步骤,
采用高精度分析天平称量好上述两种组分,放置在80℃的干燥箱中进行恒温干燥,时间为48小时,使混合物中水分溢出;再温度升高到150℃后加热48h,使结晶水充分溢出;取出放置于400℃的马弗炉中加热,时间为12h,使混合物完全融化并混合均匀;自然冷却至室温后取出,得到坚硬的固态结晶盐,即得。
对比例2
本对比例提供了一种传热蓄热介质,包括5.125kg硝酸钙、3.962kg硝酸钾和0.913kg碳酸钠;
上述传热蓄热介质的制备方法,包括以下步骤,
采用高精度分析天平称量好上述三种组分,放置在80℃的干燥箱中进行恒温干燥,时间为48小时,使混合物中水分溢出;再温度升高到150℃后加热48h,使结晶水充分溢出;取出放置于400℃的马弗炉中加热,时间为12h,使混合物完全融化并混合均匀;自然冷却至室温后取出,得到坚硬的固态结晶盐,即得。
试验例
本试验例提供了实施例1-2和对比例1-2制备得到的传热蓄热介质的性能测试方法及测试结果,测试方法如下,
传热蓄热介质的熔点采用差式扫描量热技术进行测试;
传热蓄热介质的分解温度采用热重分析测试介质进行测试。
图1为实施例1传热蓄热介质样品的DSC曲线,从图1中可知,该传热蓄热介质的熔点为163.3℃;图2为实施例1传热蓄热介质样品的TG曲线,从图中可以得到传热蓄热介质样品的分解温度为650.2℃。
图3为实施例2传热蓄热介质样品的DSC曲线,从图3可知,该传热蓄热介质的熔点为171.9℃;图4为实施例1传热蓄热介质样品的TG曲线,从图中可以得到传热蓄热介质样品的分解温度为627.1℃。
图5为对比例1传热蓄热介质样品的DSC曲线,从图5可知,该传热蓄热介质的熔点为181.7℃;图6为对比例1传热蓄热介质样品的TG曲线,从图中可以得到传热蓄热介质样品的分解温度为563.7℃。
图7为对比例2传热蓄热介质样品的DSC曲线,从图7可知,该传热蓄热介质的熔点为194.8℃;图8为对比例1传热蓄热介质样品的TG曲线,从图中可以得到传热蓄热介质样品的分解温度为594.1℃。
综上所述,本发明提供的传热蓄热介质形成共晶混合熔盐,能够提高传热蓄热介质的热分解温度,热分解温度高达650.2℃,提高了传热蓄热介质的最高使用温度;同时本发明提供的传热蓄热介质的熔点比对比例1、2的熔点要低,说明本发明提供的传热蓄热介质的使用温度范围更宽。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种传热蓄热介质,其特征在于,以质量分数计,包括40-50%的硝酸钙、38-45%的硝酸钾和9-13%的碳酸钠。
2.根据权利要求1所述的传热蓄热介质,其特征在于,包括45-50%的硝酸钙、41-45%的硝酸钾和9-11%的碳酸钠。
3.根据权利要求1或2所述的传热蓄热介质,其特征在于,包括48.18%的硝酸钙、42.72%的硝酸钾和9.1%的碳酸钠。
4.权利要求1-3任一项所述的传热蓄热介质的制备方法,其特征在于,包括以下步骤,
各原料混匀后得到混合物,依次经第一加热、第二加热和第三加热,冷却至室温后得到所述传热蓄热介质。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述第一加热的温度为70-90℃,时间为47-49h。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法,其特征在于,所述第二加热的温度为145-155℃,时间为47-49h。
7.根据权利要求4-6任一项所述的制备方法,其特征在于,所述第三加热的温度为380-420℃,时间为11-13h。
8.权利要求1-3任一项所述的传热蓄热介质或者权利要求4-7任一项所述的制备方法制备得到的传热蓄热介质在工业蓄能领域或太阳能光热发电领域中的应用。
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