纳米材料强化熔盐传热储热性能与机理研究

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熔盐作为一种新型传热储热工质,液态使用温度范围宽,比热容相对较高,蓄热能力强,广泛应用于聚热太阳能电站的传热储热介质。通过增强熔盐的比热容、导热系数、熔化潜热可以显著提高其传热储热能力。本文主要将纳米材料与KNO3、NaNO3、Solar salt(60 wt.%NaNO3-40 wt.%KNO3)以及二元碳酸盐(62 mole.%Li2CO3-38 mole.%K2CO3)混合制备出纳米盐,通过实验和理论分析方法研究关键热物理性能变化。采用差示扫描量热法、热重分析法、激光闪烁法测量纳米盐的熔点、熔化潜热、比热容、导热系数和热稳定性等热物性,采用扫描电子显微镜表征纳米盐的微观形貌结构。研究发现,添加不同浓度的SiO2对硝酸盐热物性的增强效果不同。与基盐相比,SiO2添加浓度为0.7 wt.%时,硝酸钾和硝酸钠的熔化潜热增强效果最佳,提高率分别为9.16%、3.31%,熔点分别降低了2.1℃、2.2℃;在SiO2添加浓度为1.0wt.%下,Solar salt的熔化潜热最大提高了3.84%,熔点降低了2.40℃。Solar salt、硝酸钠和硝酸钾在固态和液态的比热容最大分别提高了19.2%、15.89%,9.12%、11.86%,27.16%、33.5%;导热系数最大值分别提高至0.584 W/(m.K)、0.573 W/(m.K)、0.589 W/(m.K),平均提高15.91%、8.86%、39.24%;SiO2质量浓度分别为0.5 wt.%、1.0wt.%、1.0wt.%时,Solar salt、硝酸钠、硝酸钾的比热和导热系数增强效果最显著。研究了添加1.0 wt.%纳米SiO2和MgO颗粒对二元共晶碳酸盐Li2CO3-K2CO3热物性的影响。结果表明,MgO纳米颗粒对提高二元碳酸盐的比热容、熔化潜热、导热系数作用效果更显著。与基盐相比,在SiO2和MgO纳米颗粒的影响下,Li2CO3-K2CO3共晶盐比热容固态分别提高了11%、27.5%,液态分别提高了20.7%、34.1%;添加SiO2和MgO纳米颗粒的共晶碳酸盐熔化潜热分别增加了4.0 J/g、30.2 J/g,提高了1.1%和8.6%;导热系数分别提高了25.9%、49.1%。采用磁力搅拌法和超声分散法制备纳米盐,研究制备过程对纳米盐比热的影响规律。结果表明,采用磁力搅拌法制备纳米盐的比热性能比超声震荡法更优越。750rpm-75min是采用磁力搅拌法制备纳米盐的最佳条件,此时纳米硝酸盐固态和液态比热平均提高了29.09%、35.76%;40kHz超声频率下,60min的超声分散使纳米硝酸盐的比热值达到最大,固态和液态分别提高了11.03%、11.55%。经过多个固-液循环后,两种纳米盐的比热容和质量均没有明显的变化,具有良好的稳定性。扫面电子显微镜(SEM)对纳米盐微观形貌研究发现,纳米盐表面形成了特殊的纳米结构。这些纳米结构没有固定的形态,它与纳米粒子添加的种类、添加浓度、基盐种类有关,并且只存在于纳米盐中。纳米盐比热的提高主要与纳米熔盐表面形成的特殊纳米结构及熔融状态下半固体层结构有关,这些特殊的纳米结构可以储存更多的热量。此外,熔盐分子与纳米粒子之间的界面热阻使单位质量的纳米盐升高温度需要更高的热量,也会导致纳米熔盐比热异常增加。导热系数的增加认为是纳米粒子做无规则扩散运动和纳米盐表面的纳米结构共同作用的结果。
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