一种低熔点高传热性能的硝酸熔盐及其应用制造技术

本发明专利技术提供一种低熔点高传热性能的硝酸熔盐及其应用。所述硝酸熔盐的组成为：13.42‑23.42wt％的LiNO3，6.61‑16.61wt％的NaNO3，20.01‑30.01wt％的KNO3，以及39.96‑49.96wt％的CsNO3。本发明专利技术还提供一种低熔点高传热性能的硝酸熔盐在太阳能热发电中的应用。根据本发明专利技术，开发了一种熔点为94.3℃的新型低熔点硝酸熔盐，为传、蓄热介质提供了一种选择，并系统的测定了该新型硝酸熔盐的热物性参数，为太阳能电站系统的设计提供了关键基础数据。

Nitric acid molten salt with low melting point and high heat transfer performance and application thereof

The invention provides a nitric acid molten salt with low melting point and high heat transfer performance and application thereof. The nitrate salt for 13.42: 23.42wt% LiNO3, 6.61 16.61wt% NaNO3, 20.01 30.01wt% KNO3 and CsNO3 49.96wt%, 39.96. The invention also provides a low melting point and high heat transfer performance of nitric acid molten salt used in solar thermal power generation. According to the invention, the development of a new low melting point of 94.3 DEG C melting molten nitrate salt, to preach, provides an alternative heat storage medium, and system for the determination of thermophysical parameters of the new type of molten nitrate salt, provides the key basic data for the design of solar power station system.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太阳能热发电领域，更具体地涉及一种低熔点高传热性能的硝酸熔盐及其应用。
技术介绍
熔融盐(简称熔盐)具有优良的传热性能，传热过程中无相变、传热均匀稳定、系统压力小、使用温度高、成本低、安全等优点而被公认为最具潜力的传热蓄热介质，也正是由于熔盐具有如此多的优异特性而用作热介质、化学反应介质和核反应介质，并广泛应用于太阳能热发电、光热发电、电解冶金和核反应堆中。熔盐按种类可以分为碳酸盐、硝酸盐、氟化盐和氯化盐四大类。碳酸盐由于其成本低、腐蚀性弱、密度大，熔点高等特点而成为高温熔盐传热、蓄热技术的研究对象，但碳酸盐因其粘度较大，且极易分解而使其应用受到制约；氟化盐由于其熔点和熔化热值高、比热容大、导热性好、粘度低、及其优良的中子特性而用于熔盐反应堆介质，但氟化盐的腐蚀性强，对结构材料具有很高的要求；氯化盐也因其腐蚀性太强而使应用范围减小；硝酸盐由于熔点低、成本低、腐蚀性弱而成为中低温熔盐应用的首选，如Solar salt(60wt.％NaNO3-40wt.％KNO3，熔点为220℃)、HitecHTS熔盐(7wt.％NaNO3-53wt.％KNO3-40wt.％NaNO2，熔点为142℃)和HitecXL熔盐(一种硝酸盐-亚硝酸盐的混合盐)(7wt.％NaNO3-45wt.％KNO3-48wt.％Ca(NO3)2，熔点为120℃)已成功应用于太阳能热发电。熔盐用于太阳能蓄热和传热介质所面临的最大的问题是熔盐的凝固点较高(约为120～230℃)，由于太阳能的间断性和不稳定性而导致使用过程中熔盐可能会凝固，而带来了如安全性降低、维护成本增加等一系列问题。因而，开发熔点低于100℃的熔盐，以更低的成本和更安全可靠的方式来开发利用太阳能成为各国学者孜孜以求的目标。已有的研究表明，通过添加组分形成多元体系存在熔点更低的硝酸盐。然而，添加何种组分，添加多少组分才能找到理想的熔盐体系，即如何寻找多元体系的共晶成分和共晶温度成为熔盐开发的关键点，而通过添加组分来寻找低熔点熔盐是大多数学者所采用的方法。Raade等人利用Parallel Melting Point(PMP)工作站测试了5000多个熔盐组分，制备出了熔点为65℃的LiNO3-NaNO3-KNO3-Ca(NO3)2-CsNO3(wt.％：8-6-23-19-44)五元硝酸盐体系，但他们并未对这些硝酸盐的热物性进行系统的研究。其次，单纯的通过实验，缺少理论指导，通常将消耗巨大的人力、物力和财力，并且也得不到理想的效果。因而，对于低熔点熔盐体系的开发亟需以理论计算作为指导。LiNO3-NaNO3-KNO3-Ca(NO3)2-CsNO3虽然熔点低，但该熔盐的其他物性参数尚未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种低熔点高传热性能的硝酸熔盐及其应用，从而解决现有技术中的硝酸熔盐的熔点较高，而带来的安全性降低、维护成本增加的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：根据本专利技术的第一方面，提供一种低熔点高传热性能的硝酸熔盐，所述硝酸熔盐的组成为：13.42-23.42wt％的LiNO3，6.61-16.61wt％的NaNO3，20.01-30.01wt％的KNO3，以及39.96-49.96wt％的CsNO3。优选地，所述硝酸熔盐的组成为：15.42-21.42wt％的LiNO3，8.61-14.61wt％的NaNO3，22.01-28.01wt％的KNO3，以及41.96-47.96wt％的CsNO3。最优选地，所述硝酸熔盐的组成为：18.42wt％的LiNO3，11.61wt％的NaNO3，25.01wt％的KNO3，以及44.96wt％的CsNO3。所述硝酸熔盐的组成通过相图计算方法获得。相图计算方法是以少量实验数据为基础，依据热力学原理和相平衡定律建立，由低元体系逐步建立高元体系热力学数据库，从而实现未知参数的预测，如相转变温度，零变反应温度和成分，任意成分下的活度、自由能、焓、熵等热力学参数。对于本专利中所涉及的体系，相图计算方法的实现过程如下：1.根据各相的晶体结构建立相应的热力学模型；2.利用相图计算软件建立各二元体系的热力学数据，分别为LiNO3-NaNO3、NaNO3-KNO3、LiNO3-KNO3、KNO3-CsNO3、NaNO3-CsNO3和LiNO3-CsNO3六个二元体系的热力学数据，再进一步建立LiNO3-NaNO3-KNO3、LiNO3-KNO3-CsNO3、LiNO3-NaNO3-CsNO3、NaNO3-KNO3-CsNO3四个三元体系的热力学数据，最终建立LiNO3-NaNO3-KNO3-CsNO3四元体系热力学数据库。在此基础上，优化得到该四元体系的最低共晶温度和成分。根据本专利技术的第二方面，还提供一种低熔点高传热性能的硝酸熔盐在太阳能热发电中的应用。本专利技术首次将相图计算方法(CALculation of PHAse Diagram，简称Calphad方法)应用到LiNO3-NaNO3-KNO3-CsNO3四元新型熔盐的开发中，该相图计算方法本身属于材料设计领域中一种常用的方法，本专利技术通过将该方法应用于熔盐领域，进行新型熔盐的开发，开发了一种熔点为94.3℃的新型多元硝酸熔盐，该硝酸熔盐的组成为：13.42-23.42wt％的LiNO3，6.61-16.61wt％的NaNO3，20.01-30.01wt％的KNO3，以及39.96-49.96wt％的CsNO3。经过实验验证，该组成的硝酸熔盐的熔点为94.3℃，比商用电站用熔盐的熔点低约130℃。其次，本专利技术旨在寻找LiNO3-NaNO3-KNO3-CsNO3体系的最低温度处的成分，即共晶温度和共晶成分，通过上述相图计算方法还尤其获得了一种共晶熔盐的组成，该组成为：18.42wt％的LiNO3，11.61wt％的NaNO3，25.01wt％的KNO3，以及44.96wt％的CsNO3，具有该组成的共晶熔盐具有最佳的性能。本专利技术还利用差示扫描量热仪(DSC)、同步热分析仪(STA)、熔盐密度仪、熔盐粘度仪、高温导热仪分别测试了具有上述特定组成的共晶熔盐的熔点、熔化焓、比热、分解温度、密度、热扩散系数、粘度等热物性参数，为太阳能电站系统的设计提供了关键基础数据，为该硝酸熔盐在太阳能热发电中的应用奠定了基础。总之，目前虽然已有低熔点硝酸盐报道，但多数报道仅限于熔盐熔点，而对其热物性参数并没有系统的报道。本专利技术开发的一种熔点为94.3℃的新型低熔点硝酸熔盐，为传、蓄热介质提供了一种选择，并系统的测定了该新型熔盐的热物性参数，为太阳能电站系统的设计提供了关键基础数据。附图说明图1是根据本专利技术的一个优选实施例的硝酸熔盐的同步热分析(STA)曲线；图2是根据本专利技术的一个优选实施例的硝酸熔盐的比热曲线；图3是根据本专利技术的一个优选实施例的硝酸熔盐的密度随温度的变化曲线；图4是根据本专利技术的一个优选实施例的硝酸熔盐的热扩散系数随温度的变化曲线；图5是根据本专利技术的一个优选实施例的硝酸熔盐的粘度随温度的变化曲线。具体实施方式以下结合具体实施例，对本专利技术做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本专利技术而非用于限制本专利技术的范围。实施例1本专利技术的专利技术人使用一种相图计算方法得出共晶熔盐的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低熔点高传热性能的硝酸熔盐，其特征在于，所述硝酸熔盐的组成为：13.42‑23.42wt％的LiNO3，6.61‑16.61wt％的NaNO3，20.01‑30.01wt％的KNO3，以及39.96‑49.96wt％的CsNO3。

【技术特征摘要】
1.一种低熔点高传热性能的硝酸熔盐，其特征在于，所述硝酸熔盐的组成为：13.42-23.42wt％的LiNO3，6.61-16.61wt％的NaNO3，20.01-30.01wt％的KNO3，以及39.96-49.96wt％的CsNO3。2.根据权利要求1所述的硝酸熔盐，其特征在于，所述硝酸熔盐的组成为：15.42-21.42wt％的LiNO3，8.61-14.61wt％的NaNO3，22.01-28.01wt％的KNO3，以及41.96-47.96wt％的CsNO3。3.根据权利要求2所述的硝酸熔盐，其特征在于，所述硝酸熔盐的组成为：18.42wt％的LiNO3，11.61wt％的NaNO3，25.01wt％的KNO3，以及44.96wt％的CsNO3。4.根据权利要求1所述的硝酸熔盐，其特征在于，所述硝酸熔盐的组成通过相...

【专利技术属性】
技术研发人员：安学会，程进辉，张鹏，刘舒婷，
申请(专利权)人：中国科学院上海应用物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31