CN111944488A - 基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质及制备方法 - Google Patents

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刘钰
邓占峰
徐桂芝
张高群
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Abstract

本发明涉及一种基于固‑固相变纳米粒子的熔盐储热介质及制备方法。通过在低温熔盐中，加入具有固‑固相变特征的纳米粒子，抑制纳米粒子在高温的团聚，同时实现熔盐的热物性优化。和传统的纳米流体相比较，本发明的熔盐储热介质导热能力可以提高20～30％，同时可以通过纳米粒子的固‑固相变，弥补由于纳米粒子的加入所导致的比热熔减低，稳定熔盐的储热容量。本发明的低温熔盐储热介质制备方法包括超声振荡法和熔融混合法。根据选择的熔盐可以实现熔点可调，低温熔盐储热介质可以实现熔点低于80℃，同时整个制备过程方法简单，成本低廉，易于推广。

Description

基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质及制备方法
技术领域
本发明属于储热节能新材料技术领域，特别涉及一种基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质和制备方法。
背景技术
熔盐因其可使用温度范围宽、系统压力低、单位成本低等诸多优点成为颇具潜力的传热蓄热介质，但其热导和比热容较低，限制了系统的传热效率和蓄热能力，影响热交换系统的稳定性，其热物性能亟待优化。
纳米流体技术主要指在熔盐中加入纳米粒子，制备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质。目前的文献表明：传统在熔盐中加入的纳米粒子主要是二氧化硅、二氧化钛、三氧化二铝、二氧化镁等，这些纳米粒子在熔盐服役过程中通常不具有相变功能，仅仅单纯通过纳米粒子的布朗运动等优化熔盐的热传导性能。纳米粒子的加入可以实现一定程度的热导率提高，但同时也会牺牲蓄热传热介质的比热容，也就是储热容量。
固体相变是指在一定的温度、压强(有时也在一定的电场或磁场)作用下，固体由一个相到另一个相的转变。固-固相变过程中，可以实现热量的存储和释放，利用这一性质，可以开发新型的固-固储热材料。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质，一方面可以改善熔盐的热传导性能，进一步提高系统的传热效率，另一方面可以优化熔盐的储热能力。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质，包括熔盐和具有固-固相变特征的纳米粒子；按质量百分数计，所述具有固-固相变特征的纳米粒子为所述低温熔盐总质量的0.5-1.5％。
所述熔盐为硝酸盐、碱盐、氯盐等形成的单元盐、二元盐或多元盐。
所述具有固-固相变特征的纳米粒子为钼酸钠、氧化硼、氧化钡、二氧化钒、五氧化三钛纳米粒子中的一种或多种。
所述具有固-固相变特征的纳米粒子的粒径为2～50nm。
一种制备基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质的方法，包括以下步骤：
(1)将熔盐原料进行干燥；
(2)按照合适配比，采用水合法或熔融法制备得到低温熔盐；
(3)将制备得到的低温熔盐与具有固-固相变特征的纳米粒子按比例加入到纯水或无水乙醇中；
(4)超声振荡，振荡频率80～100Hz，振荡时间为100～200min；
(5)干燥，得到基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质。
步骤(1)中的干燥温度为120℃，保温4h。
步骤(5)中的干燥温度为80℃，保温12h。
一种制备基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质的方法，包括以下步骤：
(1)将低温熔盐放入马弗炉中加热至熔融状态；
(2)将具有固-固相变特征的纳米粒子按比例加入到熔融的低温熔盐中，搅拌均匀，自然冷却，得到基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质。
本发明的有益效果为：本发明通过在低温熔盐中加入具有固-固相变特征的纳米粒子，一方面可以改善熔盐的热传导性能，导热能力可以提高20～30％，进一步提高系统的传热效率，另一方面，本发明采用的纳米粒子具有固-固相变特征，可以优化熔盐的储热能力，有效克服传统纳米粒子加入后导致的熔盐介质热容量降低的问题，提高系统的储热能力，此外制备过程简单，成本低廉、易于推广。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
一种基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质，采用超声振荡法或熔融混合法，在熔盐中加入具有固-固相变特征的纳米粒子。
所述熔盐为硝酸盐、碱盐、氯盐等形成的单元盐、二元盐或多元盐。
所述具有固-固相变特征的纳米粒子为钼酸钠、氧化硼、氧化钡、二氧化钒、五氧化三钛纳米粒子中的一种或多种，粒径为2～50nm。
按质量百分数计，所述具有固-固相变特征的纳米粒子为所述低温熔盐总质量的0.5-1.5％。
所述超声振荡法包括以下步骤：
(1)将熔盐原料进行干燥；干燥温度为120℃，保温4h；
(2)按照合适配比，采用水合法或熔融法制备得到低温熔盐；
(3)将制备得到的低温熔盐与具有固-固相变特征的纳米粒子按比例加入到纯水或无水乙醇等分散剂中；
(4)超声振荡，振荡频率80～100Hz，时间为100～200min；
(5)干燥，得到基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质；干燥温度为80℃，保温12h。
所述熔融混合法包括以下步骤：
(1)将低温熔盐放入马弗炉中加热至熔融状态；
(2)将具有固-固相变特征的纳米粒子按比例加入到熔融的低温熔盐中，搅拌均匀，自然冷却，得到基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质。
实施例1：
采用超声振荡法制备掺杂五氧化三钛、钼酸钠复合纳米粒子的硝酸熔盐储热介质，其中，纳米粒子粒径平均值约为20nm，五氧化三钛、钼酸钠的重量比例为60：40，纳米粒子质量百分数为低温熔盐总质量的1％，具体制备步骤如下：
(1)将硝酸钠、硝酸钾进行干燥；
(2)按照NaNO3与KNO3质量比为60:40的共晶配比，采用水合法制备得到共晶硝酸钠-硝酸钾熔盐；
(3)将制备得到的共晶硝酸钠-硝酸钾熔盐与五氧化三钛、钼酸钠复合纳米粒子按比例加入到纯水中；
(4)超声振荡，频率100Hz，时间为200min；
(5)在80℃干燥，得到基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质。
上述步骤得到的掺杂纳米粒子的硝酸熔盐储热介质，服役温区500℃以下热循环五百次热物性能稳定，比热熔稳定，热导优化20％以上，性能衰减率低于3％。
实施例2：
采用熔融混合法制备掺杂二氧化钒、氧化硼、氧化钡复合纳米粒子的氯酸熔盐储热介质，其中，纳米粒子粒径平均值约为50nm，二氧化钒、氧化硼、氧化钡的重量比例为80：10：10，纳米粒子质量百分数为低温熔盐总质量的0.8％，具体制备步骤如下：
所述熔盐混合法包括以下步骤：
(1)将氯化镁、氯化钾按质量比(MgCl2与KCl质量比为35.59:64.41)放入马弗炉中加热至熔融状态；
(2)将二氧化钒、氧化硼、氧化钡复合纳米粒子按比例加入到熔融的混合熔盐中，搅拌均匀，自然冷却。
上述步骤得到的掺杂纳米粒子的硝酸熔盐储热介质，服役温区500℃以下热循环五百次热物性能稳定，比热熔稳定，热导优化20％以上，性能衰减率低于3％。
实施例3：
采用超声振荡法制备掺杂钼酸钠纳米粒子的碳酸熔盐储热介质，其中，纳米粒子粒径平均值约为30nm，纳米粒子质量百分数为熔盐总质量的1.2％，具体制备步骤如下：
(1)将碳酸钠、碳酸钾进行干燥；
(2)按照Na2CO3与K2CO3质量比为52:48的共晶配比，采用水合法制备得到共晶碳酸钠-碳酸钾熔盐；
(3)将制备得到的共晶碳酸钠-碳酸钾熔盐与钼酸钠纳米粒子按比例加入到纯水中；
(4)超声振荡，频率100Hz，时间为200min；
(5)在80℃干燥，得到基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质。
上述步骤得到的掺杂纳米粒子的碳酸熔盐储热介质，服役温区800℃以下热循环五百次热物性能稳定，相比于纯碳酸共晶盐比较，比热熔稳定，热焓容量根据不同温度区间优化比例高于60％,热导优化10％以上，循环过程中未见明显过冷现象。
实施例4：
采用熔融混合法制备掺杂五氧化三钛纳米粒子的氯化钠-氯化钾共晶熔盐储热介质，其中，纳米粒子粒径平均值约为10nm，纳米粒子质量百分数为熔盐总质量的0.6％，具体制备步骤如下：
所述熔盐混合法包括以下步骤：
(1)将氯化钾、氯化钠按50:50共晶比质量比放入马弗炉中加热至熔融状态；
(2)将五氧化三钛纳米粒子按比例加入到熔融的混合熔盐中，搅拌均匀，自然冷却。
上述步骤得到的掺杂纳米粒子的氯化熔盐储热介质，服役温区700℃以下热循环五百次热物性能稳定，比热熔优化10％，热导优化10％，性能衰减率低于1％。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质，其特征在于，包括熔盐和具有固-固相变特征的纳米粒子；按质量百分数计，所述具有固-固相变特征的纳米粒子为所述低温熔盐总质量的0.5-1.5％。
2.如权利要求1所述的基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质，其特征在于：所述熔盐为硝酸盐、碱盐、氯盐形成的单元盐、二元盐或多元盐。
3.如权利要求1所述的基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质，其特征在于：所述具有固-固相变特征的纳米粒子为钼酸钠、氧化硼、氧化钡、二氧化钒和五氧化三钛纳米粒子中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质，其特征在于：所述具有固-固相变特征的纳米粒子的粒径为2～50nm。
5.如权利要求1-4任一所述熔盐储热介质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将熔盐原料进行干燥；
(2)按照合适配比，采用水合法或熔融法制备得到低温熔盐；
(3)将制备得到的低温熔盐与具有固-固相变特征的纳米粒子按比例加入到纯水或无水乙醇中；
(4)超声振荡，振荡频率80～100Hz，振荡时间为100～200min；
(5)干燥，得到基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的干燥温度为120℃，保温4h。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(5)中的干燥温度为80℃，保温12h。
8.如权利要求1-4任一所述熔盐储热介质的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将低温熔盐放入马弗炉中加热至熔融状态；
(2)将具有固-固相变特征的纳米粒子按比例加入到熔融的低温熔盐中，搅拌均匀，自然冷却，得到基于固-固相变纳米粒子的熔盐储热介质。
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