一種基於碳酸鹽的高溫傳熱材料及其製備方法
2023-06-16 04:36:26 1
一種基於碳酸鹽的高溫傳熱材料及其製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於碳酸鹽的高溫傳熱材料，它由原料碳酸錳、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉製備而成，各原料所佔質量百分比為：碳酸錳25%-40%，碳酸鋰45%-60%，碳酸鉀9%-20%，碳酸鈉9%-15%。該高溫傳熱材料具有相變潛熱高、相變溫度低、液態流動性好等特點，可廣泛應用於工業熱能回收利用、太陽能熱利用等。
【專利說明】一種基於碳酸鹽的高溫傳熱材料及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於碳酸鹽的高溫傳熱材料及其製備方法，應用於工業熱能回收利用、太陽能熱利用等。
【背景技術】
[0002]能源的利用是人來賴以生存的基礎，隨著全球工業化生產的加速發展，能源的開發利用與日益嚴重的環境汙染問題越來越受到人們的關注。大力開發可再生能源是解決能源問題的重要途徑。太陽能的熱利用具有無限性、普遍性和環保性，將太陽輻射熱能存儲起來，等到需要的時候再釋放熱量進行利用，儲熱是一個必備環節。這個過程對相變儲熱材料的相變潛熱、比熱容及儲熱密度等熱物性有較高的要求。
[0003]高溫相變儲熱材料在充熱過程時，將吸收的熱量儲存起來；放熱過程時，相變材料凝固釋放熱量給傳熱介質，以實現熱能的傳輸利用。熔融鹽具有相變潛熱大、相變溫度低、成本低、使用溫度範圍廣等優點，在高溫的應用領域有很大的研究價值。文獻I(Sandia National Laboratories.Solar Power Tower Design Basis Document[R].California: Sandia Corporation.2001:73-86.)指出 Solar Two 太陽能發電站中已經成熟的採用了硝酸鈉和硝酸鉀的混合鹽作為傳熱和蓄熱材料。文獻2 (孫李平，吳玉庭，馬重芳.太陽能高溫蓄熱熔融鹽優先的實驗研究[J].太陽能學報，2008(9):29-9.)對無水氯化鈉、無水氯化鎂、無水氯化鉀等熔鹽的比熱容及熔點進行測定。文獻3(Peng Q, DingJj Wei X，Yang Jj Yang X.The preparation and properties of mult1-component moltensalts.Applied Energy2010, 87:2812-2817.)報導使用了一種溫度可達 550°C 的熔鹽。大多數投入工業使用的熔融鹽主要是硝酸鹽、氯化鹽及其混合鹽。硝酸鹽的優勢是熔點較低，降低管道因凝固而產生凍堵的機率，其缺點也較為明顯，在高溫下工作溫度上限為600°C，溫度高於使用溫度之後就會分解為其他物質，不能滿足高溫熱發電的需要。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術存在的不足而提供一種基於碳酸鹽的高溫傳熱材料及其製備方法，該高溫相變儲熱材料相變潛熱大、相變溫度低，相變儲熱能力隨著溫度的升高而不斷增強。
[0005]本發明為解決上述提出的問題所採用的技術方案為:
[0006]一種 基於碳酸鹽的高溫傳熱材料，由原料碳酸錳、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉經混合熔融而製備得到的，各原料所佔質量百分比分別為:碳酸錳25%-40%，碳酸鋰45%-60%，碳酸鉀 9%-20%，碳酸鈉 9%-15%。
[0007]按上述方案，所述的碳酸錳、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉質量純度均大於99.90%。
[0008]上述基於碳酸鹽的高溫傳熱材料的製備方法，包括如下步驟:
[0009](I)配料:按質量百分比稱取碳酸錳25%_40%，碳酸鋰45%_60%，碳酸鉀9%_20%，碳酸鈉9%-15%作為原料；[0010](2)將上述原料按比例混合後使其熔化，並在熔融狀態保溫使其混合均勻，最後冷卻研磨，即得到基於碳酸鹽的高溫傳熱材料。
[0011]按上述方案，所述熔化的溫度為500-600°C。
[0012]按上述方案，所述保溫時間為18_24h。
[0013]按上述方案，所述原料可以預先進行烘乾處理，儘量不含有水分。當然，如果原料的質量純度均能達到99.90%，不進行烘乾處理也可以。
[0014]按上述方案，步驟(2)中所述的混合可以採用機械混合的方法，使其儘量達到宏觀上的均勻即可。
[0015]按上述方案，步驟(2)中所述的保溫的目的是通過自由擴散使熔融狀態的原料充分混合均勻。
[0016]上述基於碳酸鹽的高溫傳熱材料在800°C以下能夠保持穩定，其相變工作溫度範圍為390-800°C，說明該高溫傳熱材料可廣泛應用於工業熱能回收利用、太陽能熱利用等。
[0017]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0018]第一，本發明的創新性在於採用相變溫度在390-400°C的以碳酸錳碳酸鋰為主的四元碳酸熔鹽作為儲熱傳熱材料，該體系具有相變潛熱大、高溫穩定性強、毒性小、腐蝕性小等優點，可同時作為儲熱與傳熱材料使用，在提高了能量轉換效率的同時降低了成本；
[0019]第二，對於工作溫度範圍在600°C -800°C的高溫太陽能熱發電的利用方式，本發明中碳酸熔鹽的液相工作溫度範圍能夠與其較好的匹配，本發明特定組分組成的混合碳酸鹽能在一定程度上降低熔點，使相變儲熱材料的工作溫度範圍有效增大。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是實施例1所製備的基於碳酸鹽的高溫傳熱材料的DSC曲線。
[0021]圖2是實施例1所製備的基於碳酸鹽的高溫傳熱材料的比熱容曲線。
[0022]圖3是實施例1所製備的基於碳酸鹽的高溫傳熱材料的熱重曲線。
[0023]圖4是實施例2所製備的基於碳酸鹽的高溫傳熱材料的DSC曲線。
[0024]圖5是實施例2所製備的基於碳酸鹽的高溫傳熱材料的比熱容曲線。
[0025]圖6是實施例3所製備的基於碳酸鹽的高溫傳熱材料的DSC曲線。
[0026]圖7是實施例4所製備的基於碳酸鹽的高溫傳熱材料的DSC曲線。
[0027]圖8是實施例5的所製備的基於碳酸鹽的高溫傳熱材料DSC曲線。
【具體實施方式】
[0028]為了更好地理解本發明，下面結合實例進一步闡明本發明的內容，但本發明不僅僅局限於下面的實施例。
[0029]下述實施例中所用的碳酸錳、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉質量純度均大於99.90%。
[0030]實施例1
[0031]一種基於碳酸鹽的高溫傳熱材料，其原料各組分所佔質量百分比為:碳酸錳35%，碳酸鋰45%，碳酸鉀11%，碳酸鈉9%。
[0032]將以上原料經過烘乾處理後研磨混合均勻，再將混合好的原料加入坩堝，置於電阻爐中，開始加熱至其熔化並在500°C下保溫24小時，以保證原料充分混合；保溫之後將坩堝從電爐中取出冷卻，然後進行粉碎、研磨，即得到基於碳酸鹽的高溫傳熱材料。
[0033]採用德國NETZSCH公司生產的STA-449F3同步熱分析儀測試本實施例製備的高溫傳熱材料的相變溫度、相變潛熱，測試可知該相變儲熱材料的相變範圍是392.1-404.3°C,相變潛熱為149.6J/g，結果如圖1所示。
[0034]採用法國SETARAM公司生產的微量熱儀，以2V /min的升溫速率測試本實施例製備的高溫傳熱材料的比熱容，比熱容的測試如圖2所示，顯示該相變儲熱材料的比熱容在IOO0C -270°C之間是緩慢上升的，從270°C開始比熱容隨溫度的升高而迅速增大，說明該材料的比熱容隨溫度增加而增大，即相變儲熱能力隨著溫度的升高而不斷增強。
[0035]通過熱重分析測試可知，本實施例製備的高溫傳熱材料在800°C以下能夠保持穩定，工作溫度範圍為392.1-800°C，如圖3所示，說明該高溫傳熱材料可廣泛應用於工業熱能回收利用、太陽能熱利用等。
[0036]實施例2[0037]—種基於碳酸鹽的高溫傳熱材料，其原料各組分所佔質量百分比為:碳酸錳33%，碳酸鋰47%，碳酸鉀10%，碳酸鈉10%。
[0038]將以上原料經過烘乾處理後研磨混合均勻，再將混合好的原料加入坩堝，置於電阻爐中，開始加熱至其熔化並在500°C下保溫23小時，以保證原料充分混合；保溫之後將坩堝從電爐中取出冷卻，然後進行粉碎、研磨，即得到基於碳酸鹽的高溫傳熱材料。
[0039]採用德國NETZSCH公司生產的STA-449F3同步熱分析儀測試本實施例製備的高溫傳熱材料的相變溫度、相變潛熱，測試可知該相變儲熱材料的相變範圍是393.3-402.8°C,相變潛熱為171J.g_\結果如圖4所示。
[0040]本實施例製備的高溫傳熱材料的比熱容測試情況與實施例1比較相似，比熱容在IOO0C _270°C之間是緩慢上升的，從270°C開始比熱容隨溫度的升高而迅速增大，如圖5所
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[0041]通過熱重分析測試可知，本實施例製備的高溫傳熱材料在800°C以下能夠保持穩定，工作溫度範圍為393.3-800°C說明該高溫傳熱材料可廣泛應用於工業熱能回收利用、太陽能熱利用等。
[0042]實施例3
[0043]一種基於碳酸鹽的高溫傳熱材料，其原料各組分所佔質量百分比為:碳酸錳25%，碳酸鋰50%，碳酸鉀15%，碳酸鈉10%。
[0044]將以上原料經過烘乾處理後研磨混合均勻，再將混合好的原料加入坩堝，置於電阻爐中，開始加熱至其熔化並在600°C下保溫22小時，以保證原料充分混合；保溫之後將坩堝從電爐中取出冷卻，然後進行粉碎、研磨，即得到基於碳酸鹽的高溫傳熱材料。
[0045]採用德國NETZSCH公司生產的STA-449F3同步熱分析儀測試本實施例製備的高溫傳熱材料的相變溫度、相變潛熱，測試可知該相變儲熱材料的相變範圍是394.9-404.1°C，相變潛熱為172.3J.g_\結果如圖6所示。
[0046]本實施例製備的高溫傳熱材料的比熱容測試情況與實施例1比較相似，比熱容在IOO0C _270°C之間是緩慢上升的，從270°C開始比熱容隨溫度的升高而迅速增大。
[0047]通過熱重分析測試可知，本實施例製備的高溫傳熱材料在800°C以下能夠保持穩定，工作溫度範圍為394.9-800°C，說明該高溫傳熱材料可廣泛應用於工業熱能回收利用、太陽能熱利用等。
[0048]實施例4
[0049]一種基於碳酸鹽的高溫傳熱材料，其原料各組分所佔質量百分比為:碳酸錳30%，碳酸鋰52%，碳酸鉀9%，碳酸鈉9%。
[0050]將以上原料經過烘乾處理後研磨混合均勻，再將混合好的原料加入坩堝，置於電阻爐中，開始加熱至其熔化並在600°C下保溫21小時，以保證原料充分混合；保溫之後將坩堝從電爐中取出冷卻，然後進行粉碎、研磨，即得到基於碳酸鹽的高溫傳熱材料。
[0051]採用德國NETZSCH公司生產的STA-449F3同步熱分析儀測試本實施例製備的高溫傳熱材料的相變溫度、相變潛熱，測試可知該相變儲熱材料的相變範圍是394.1-403.3°C,相變潛熱為176J.g_\結果如圖7所示。
[0052]本實施例製備的高溫傳熱材料的比熱容測試情況與實施例1比較相似，比熱容在IOO0C _270°C之間是緩慢上升的，從270°C開始比熱容隨溫度的升高而迅速增大。
[0053]通過熱重分析測試可知，本實施例製備的高溫傳熱材料在800°C以下能夠保持穩定，其相變工作溫度範圍為394.1_800°C，說明該高溫傳熱材料可廣泛應用於工業熱能回收利用、太陽能熱利用等。
[0054]實施例5
[0055]一種基於碳酸鹽的高溫傳熱材料，其原料各組分所佔質量百分比為:碳酸錳25%，碳酸鋰50%，碳酸鉀15%，碳酸鈉10%。
[0056]將以上原料研磨混合均勻，再將混合好的原料加入坩堝，置於電阻爐中，開始加熱至其熔化並在600°C下保溫18小時，以保證原料充分混合；保溫之後將坩堝從電爐中取出冷卻，然後進行粉碎、研磨，即得到基於碳酸鹽的高溫傳熱材料。
[0057]採用德國NETZSCH公司生產的STA-449F3同步熱分析儀測試本實施例製備的高溫傳熱材料的相變溫度、相變潛熱，測試可知該相變儲熱材料的相變範圍是394.6-402.8°C,相變潛熱為173.7J.g_\結果如圖8所示。 [0058]本實施例製備的高溫傳熱材料的比熱容測試情況與實施例1比較相似，比熱容在IOO0C _270°C之間是緩慢上升的，從270°C開始比熱容隨溫度的升高而迅速增大。
[0059]通過熱重分析測試可知，本實施例製備的高溫傳熱材料在800°C以下能夠保持穩定，工作溫度範圍為394.6-800°C，說明該高溫傳熱材料可廣泛應用於工業熱能回收利用、太陽能熱利用等。
【權利要求】
1.一種基於碳酸鹽的高溫傳熱材料，其特徵在於它由原料碳酸錳、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉製備而成。
2.根據權利要求1所述的一種基於碳酸鹽的高溫傳熱材料，其特徵在於各原料所佔質量百分比分別為:碳酸錳25%-40%，碳酸鋰45%-60%，碳酸鉀9%_20%，碳酸鈉9%_15%。
3.根據權利要求1或2所述的一種基於碳酸鹽的高溫傳熱材料，其特徵在於所述的碳酸錳、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉質量純度均大於99.90%。
4.根據權利要求1所述的一種基於碳酸鹽的高溫傳熱材料，其工作溫度區間為392.1-800。
5.根據權利要求1-4中所述的任意一種基於碳酸鹽的高溫傳熱材料的製備方法，其特徵在於包括如下步驟: Cl)配料:按質量百分比稱取碳酸錳25%-40%，碳酸鋰45%-60%，碳酸鉀9%_20%，碳酸鈉9%-15%作為原料； (2)將上述原料按比例混合後使其熔化，並在熔融狀態保溫使其混合均勻，最後冷卻研磨，即得到基於碳酸鹽的高溫傳熱材料。
6.根據權利要求5中所述的任意一種基於碳酸鹽的高溫傳熱材料的製備方法，其特徵在於所述熔化的溫度為500-600°C。
7.根據權利要求5中所述的任意一種基於碳酸鹽的高溫傳熱材料的製備方法，其特徵在於所述保溫時間為18-24h。
【文檔編號】C09K5/06GK103897668SQ201410125877
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月31日 優先權日:2014年3月31日
【發明者】程曉敏, 陶冰梅, 朱闖, 李元元, 朱教群, 周衛兵 申請人:武漢理工大學