一種高溫相變儲(chǔ)熱材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高溫相變儲(chǔ)熱材料，由原料碳酸鍶、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉制備而成，各原料所占質(zhì)量百分比分別為：碳酸鍶30％-40％，碳酸鋰32％-48％，碳酸鉀9％-18％，碳酸鈉8％-19％。該高溫相變儲(chǔ)熱材料具有使用溫度范圍廣、相變潛熱大、相變儲(chǔ)熱能力大，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種高溫相變儲(chǔ)熱材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高溫相變儲(chǔ)熱材料及其制備方法，應(yīng)用于太陽(yáng)能熱發(fā)電及工業(yè)余熱回收用儲(chǔ)熱系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]高溫?zé)崂檬悄茉搭I(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，如核反應(yīng)熱能回收、太陽(yáng)能熱發(fā)電等。在太陽(yáng)能熱發(fā)電過(guò)程中，高溫傳熱儲(chǔ)熱材料用于存儲(chǔ)和傳遞太陽(yáng)輻射能。發(fā)電的過(guò)程是:通過(guò)定日鏡或其他反光裝置將太陽(yáng)能匯聚起來(lái)并被儲(chǔ)熱材料吸收，在需要時(shí)，將儲(chǔ)熱材料的熱量釋放出來(lái)，用于產(chǎn)生蒸汽，再使蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。塔式太陽(yáng)能發(fā)電站需要能承受400~800°C高溫的傳熱儲(chǔ)熱材料，以提高能量轉(zhuǎn)換效率；傳熱材料可以將熱量從儲(chǔ)熱材料中轉(zhuǎn)移出來(lái)，用于產(chǎn)生水蒸汽。既能傳熱又能儲(chǔ)熱的材料能夠簡(jiǎn)化發(fā)電系統(tǒng)，減少熱量損失，提高效率，節(jié)省成本。
[0003]熔融鹽作為傳熱儲(chǔ)熱材料具有儲(chǔ)熱能力強(qiáng)、使用溫度范圍廣、成本低等優(yōu)點(diǎn)。世界上許多塔式太陽(yáng)能發(fā)電站采用硝酸熔融鹽作為傳熱或者儲(chǔ)熱材料。文獻(xiàn)[I] (CordaroJG, Rubin NC, Bradshaw Rff.Multicomponent Molten Salt Mixtures Based on Nitrate/Nitrite Anions.Journal of Solar Energy Engineering-Transactions of theAsme2011，133)報(bào)道了一種熔點(diǎn)在70 °C左右的熔融鹽。文獻(xiàn)[2] (Raade JWj PadowitzD.Development of molten salt heat transfer fluid with low melting point andhigh thermal stability.Transactions of the ASME-N-Journal of Solar EnergyEngineering2011, 133:31013)報(bào)道了一種熔點(diǎn)在 65°C 的熔融鹽。文獻(xiàn)[3] (Peng Q，DingJ, Wei X，Yang J, Yang X.The preparation and properties of mult1-component moltensalts.Applied Energy2010, 87:2812-2817)報(bào)道了使用溫度達(dá)到550°C的熔鹽。但是多數(shù)文獻(xiàn)所報(bào)道的熔融鹽主要都是硝酸鹽。硝酸熔融鹽的優(yōu)點(diǎn)是熔點(diǎn)低，降低了管道凍堵的風(fēng)險(xiǎn)，缺點(diǎn)是在高溫下易分解劣化，各電站中熔鹽的最高使用溫度一般分布在500~600°C之間，不能滿足高溫發(fā)電的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足而提供一種高溫相變儲(chǔ)熱材料及其制備方法及其制備方法，該高溫相變儲(chǔ)熱材料相變潛熱大、相變溫度低，相變儲(chǔ)熱能力隨著溫度的升高而不斷增強(qiáng)。
[0005]本發(fā)明為解決上述提出的問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為:
[0006]一種高溫相變儲(chǔ)熱材料及其制備方法，由原料碳酸鍶、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉制備而成，各原料所占質(zhì)量百分比分別為:碳酸鍶30% -40%，碳酸鋰32% -48%，碳酸鉀9% -18%，碳酸鈉 8% -19%。
[0007]按上述方案，所述的碳酸鍶、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉質(zhì)量純度均大于99.90%。
[0008]上述以碳酸鍶碳酸鋰為主的高溫相變儲(chǔ)熱材料的制備方法，包括如下步驟:[0009](I)配料:按質(zhì)量百分比稱取碳酸鍶30% -40%，碳酸鋰32% -48%，碳酸鉀9% -18%，碳酸鈉8% -19%作為原料；
[0010](2)將上述原料按比例混合后使其熔化，并在熔融狀態(tài)保溫使其混合均勻，最后冷卻研磨，即得到以碳酸鍶和碳酸鋰為主的高溫相變儲(chǔ)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(shí)間為18_24h。
[0013]按上述方案，所述原料可以預(yù)先進(jìn)行烘干處理，盡量不含有水分。當(dāng)然，如果原料的質(zhì)量純度均能達(dá)到99.90%，不進(jìn)行烘干處理也可以。
[0014]按上述方案，步驟(2)中所述的混合可以采用機(jī)械混合的方法，使其盡量達(dá)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(guò)自由擴(kuò)散使熔融狀態(tài)的原料充分混合均勻。
[0016]上述以碳酸鍶和碳酸鋰為主的高溫相變儲(chǔ)熱材料在800°C以下能夠保持穩(wěn)定，其相變工作溫度范圍為388°C _780°C，說(shuō)明該高溫相變材料可廣泛應(yīng)用于工業(yè)熱能回收利用、太陽(yáng)能熱利用等。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0018]第一，本發(fā)明的創(chuàng)新性在于采用相變溫度在388_400°C的以碳酸鍶、碳酸鋰為主的四元碳酸熔鹽作為儲(chǔ)熱材料，該體系具有相變潛熱大、高溫穩(wěn)定性強(qiáng)、毒性小、腐蝕性小等優(yōu)點(diǎn)，可作為相變儲(chǔ)熱材料使用，提高了能量轉(zhuǎn)換效率；
[0019]第二，對(duì)于工作溫度范圍在600°C -800°C的高溫太陽(yáng)能熱發(fā)電的利用方式，本發(fā)明中碳酸熔鹽的液相工作溫度范圍能夠與其較好的匹配，本發(fā)明特定組分組成的混合碳酸鹽能在一定程度上降低熔點(diǎn)，使相變儲(chǔ)熱材料的工作溫度范圍有效增大。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是實(shí)施例1所制備的高溫相變儲(chǔ)熱材料的DSC曲線。
[0021]圖2是實(shí)施例1所制備的高溫相變儲(chǔ)熱材料的比熱容曲線。
[0022]圖3是實(shí)施例1所制備的高溫相變儲(chǔ)熱材料的熱重曲線。
[0023]圖4是實(shí)施例2所制備的高溫相變儲(chǔ)熱材料的DSC曲線。
[0024]圖5是實(shí)施例2所制備的高溫相變儲(chǔ)熱材料的比熱容曲線。
[0025]圖6是實(shí)施例3所制備的高溫相變儲(chǔ)熱材料的DSC曲線。
[0026]圖7是實(shí)施例4所制備的高溫相變儲(chǔ)熱材料的DSC曲線。
[0027]圖8是實(shí)施例5的所制備的高溫相變儲(chǔ)熱材料DSC曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明不僅僅局限于下面的實(shí)施例。
[0029]下述實(shí)施例中所用的碳酸鍶、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉質(zhì)量純度均大于99.90%。
[0030]實(shí)施例1
[0031] 一種高溫相變儲(chǔ)熱材料及其制備方法，其原料各組分所占質(zhì)量百分比為:碳酸鍶31%，碳酸鋰35%，碳酸鉀17%、碳酸鈉17%。
[0032]按以上質(zhì)量百分比稱取烘干后的原料，并研磨混合均勻，再將混合好的原料加入坩堝，置于電阻爐中，開始加熱至其熔化并在600°C下保溫24小時(shí)，以保證原料充分混合；保溫之后將坩堝從電爐中取出冷卻，然后進(jìn)行粉碎、研磨，即得到以碳酸鍶碳酸鋰為主的高溫相變儲(chǔ)熱材料。
[0033]采用德國(guó)NETZSCH公司生產(chǎn)的STA-449F3同步熱分析儀測(cè)試本實(shí)施例制備的高溫相變材料的相變溫度、相變潛熱，可知該相變儲(chǔ)熱材料的相變范圍是388.30C -399.8°C，相變潛熱為155.5J/g，結(jié)果如圖1所示，說(shuō)明該相變材料具有較大的相變潛熱，有較強(qiáng)的相變儲(chǔ)熱能力。
[0034]采用法國(guó)SETARAM公司生產(chǎn)的微量熱儀，以2 V /min的升溫速率測(cè)試本實(shí)施例制備的高溫相比材料的比熱容，結(jié)果如圖2所示，可知該相變儲(chǔ)熱材料的比熱容在50°C~270°C之間隨溫度的升高而緩慢升高，在270°C時(shí)達(dá)到IJ ?g—1 412701:以上比熱容隨溫度升高而迅速增大，說(shuō)明該材料的比熱容隨溫度增加而增大，即相變儲(chǔ)熱能力隨著溫度的升高而不斷增強(qiáng)。
[0035]通過(guò)熱重分析測(cè)試可知，本實(shí)施例制備的高溫相變材料在800°C以下能夠保持穩(wěn)定。為了保證安全，工作溫度范圍應(yīng)不超過(guò)780°C，如圖3所示。說(shuō)明該高溫相變儲(chǔ)熱材料可在較大的溫度范圍內(nèi) 應(yīng)用于工業(yè)余熱利用、太陽(yáng)能熱利用等方面。
[0036]實(shí)施例2
[0037]—種高溫相變儲(chǔ)熱材料及其制備方法，其原料各組分所占質(zhì)量百分比為:碳酸鍶32%,碳酸鋰43%，碳酸鉀13%、碳酸鈉12%。
[0038]按以上質(zhì)量百分比稱取烘干后的原料，并研磨混合均勻，再將混合好的原料加入坩堝，置于電阻爐中，開始加熱至其熔化并在600°C下保溫24小時(shí)，以保證原料充分混合；保溫之后將坩堝從電爐中取出冷卻，然后進(jìn)行粉碎、研磨，即得到以碳酸鍶碳酸鋰為主的高溫相變儲(chǔ)熱材料。
[0039]采用德國(guó)NETZSCH公司生產(chǎn)的STA-449F3同步熱分析儀測(cè)試本實(shí)施例制備的高溫相變材料的相變溫度、相變潛熱，可知該相變儲(chǔ)熱材料的相變范圍是387.40C -397.9°C，相變潛熱為197.1J.g—1，結(jié)果如圖4所示。該相變材料的相變潛熱在所有實(shí)施例中最大，具有很好的相變儲(chǔ)熱能力。
[0040]采用法國(guó)SETARAM公司生產(chǎn)的微量熱儀，以2 V /min的升溫速率測(cè)試本實(shí)施例制備的高溫相比材料的比熱容，結(jié)果如圖5所示，可知該相變儲(chǔ)熱材料的比熱容在50°C~270°C之間隨溫度的升高而緩慢升高，270°C以上比熱容隨溫度升高而迅速增大。
[0041]通過(guò)熱重分析測(cè)試可知，本實(shí)施例制備的高溫相變材料在800°C以下能夠保持穩(wěn)定。為了保證安全，工作溫度范圍應(yīng)不超過(guò)780°C。說(shuō)明該高溫相變儲(chǔ)熱材料可在較大的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用于工業(yè)余熱利用、太陽(yáng)能熱利用等方面。
[0042]實(shí)施例3
[0043]一種高溫相變儲(chǔ)熱材料及其制備方法，其原料各組分所占質(zhì)量百分比為:碳酸鍶32%，碳酸鋰33%，碳酸鉀17%、碳酸鈉18%。
[0044]按以上質(zhì)量百分比稱取烘干后的原料，并研磨混合均勻，再將混合好的原料加入坩堝，置于電阻爐中，開始加熱至其熔化并在600°C下保溫24小時(shí)，以保證原料充分混合；保溫之后將坩堝從電爐中取出冷卻，然后進(jìn)行粉碎、研磨，即得到以碳酸鍶碳酸鋰為主的高溫相變儲(chǔ)熱材料。
[0045]采用德國(guó)NETZSCH公司生產(chǎn)的STA-449F3同步熱分析儀測(cè)試本實(shí)施例制備的高溫相變材料的相變溫度、相變潛熱，可知該相變儲(chǔ)熱材料的相變范圍是387.70C -399.5°C，相變潛熱為145.6J.g_\結(jié)果如圖6所示。
[0046]本實(shí)施例中的高溫相變儲(chǔ)熱材料的比熱容在50°C~270°C之間隨溫度的升高而緩慢升高，270°C以上比熱容隨溫度升高而迅速增大。
[0047]通過(guò)熱重分析測(cè)試可知，本實(shí)施例制備的高溫相變材料在800°C以下能夠保持穩(wěn)定。為了保證安全，工作溫度范圍應(yīng)不超過(guò)780°C。說(shuō)明該高溫相變儲(chǔ)熱材料可在較大的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用于工業(yè)余熱利用、太陽(yáng)能熱利用等方面。
[0048]實(shí)施例4
[0049]一種高溫相變儲(chǔ)熱材料及其制備方法，其原料各組分所占質(zhì)量百分比為:碳酸鍶38%，碳酸鋰35%，碳酸鉀14%、碳酸鈉13%。
[0050]按以上質(zhì)量百分比稱取烘干后的原料，并研磨混合均勻，再將混合好的原料加入坩堝，置于電阻爐中，開始加熱至其熔化并在600°C下保溫24小時(shí)，以保證原料充分混合；保溫之后將坩堝從電爐中取出冷卻，然后進(jìn)行粉碎、研磨，即得到以碳酸鍶碳酸鋰為主的高溫相變儲(chǔ)熱材料。 [0051]采用德國(guó)NETZSCH公司生產(chǎn)的STA-449F3同步熱分析儀測(cè)試本實(shí)施例制備的高溫相變材料的相變溫度、相變潛熱，可知該相變儲(chǔ)熱材料的相變范圍是387.90C -399.9°C，相變潛熱為160.4J.g_\結(jié)果如圖7所示。
[0052]本實(shí)施例制備的高溫相變儲(chǔ)熱材料的比熱容在50°C~270°C之間隨溫度的升高而緩慢升高，270°C以上比熱容隨溫度升高而迅速增大。
[0053]通過(guò)熱重分析測(cè)試可知，本實(shí)施例制備的高溫相變材料在800°C以下能夠保持穩(wěn)定。為了保證安全，工作溫度范圍應(yīng)不超過(guò)780°C。說(shuō)明該高溫相變儲(chǔ)熱材料可在較大的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用于工業(yè)余熱利用、太陽(yáng)能熱利用等方面。
[0054]實(shí)施例5
[0055]一種高溫相變儲(chǔ)熱材料及其制備方法，其原料各組分所占質(zhì)量百分比為:碳酸鍶36%，碳酸鋰32%，碳酸鉀16%、碳酸鈉16%。
[0056]按以上質(zhì)量百分比稱取烘干后的原料，并研磨混合均勻，再將混合好的原料加入坩堝，置于電阻爐中，開始加熱至其熔化并在600°C下保溫24小時(shí)，以保證原料充分混合；保溫之后將坩堝從電爐中取出冷卻，然后進(jìn)行粉碎、研磨，即得到以碳酸鍶碳酸鋰為主的高溫相變儲(chǔ)熱材料。
[0057]采用德國(guó)NETZSCH公司生產(chǎn)的STA-449F3同步熱分析儀測(cè)試本實(shí)施例制備的高溫相變材料的相變溫度、相變潛熱，可知該相變儲(chǔ)熱材料的相變范圍是388.6V -399.4°C，相變潛熱為148.5J.g_\結(jié)果如圖8所示。
[0058]本實(shí)施例制備的高溫相變儲(chǔ)熱材料的比熱容在50°C~270°C之間隨溫度的升高而緩慢升高，270°C以上比熱容隨溫度升高而迅速增大。
[0059]通過(guò)熱重分析測(cè)試可知，本實(shí)施例制備的高溫相變材料在800°C以下能夠保持穩(wěn)定。為了保證安全，工作溫度范圍應(yīng)不超過(guò)780°C。說(shuō)明該高溫相變儲(chǔ)熱材料可在較大的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用于 工業(yè)余熱利用、太陽(yáng)能熱利用等方面。
【權(quán)利要求】
1.一種高溫相變儲(chǔ)熱材料，其特征在于它由原料碳酸鍶、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉制備--? 。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫相變儲(chǔ)熱材料，其特征在于各原料所占質(zhì)量百分比分別為:碳酸鍶30% -40%，碳酸鋰32% -48%，碳酸鉀9% -18%，碳酸鈉8% -19%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高溫相變儲(chǔ)熱材料，其特征在于所述的碳酸鍶、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉質(zhì)量純度均大于99.90%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫相變儲(chǔ)熱材料，其特征在于其工作溫度區(qū)間為388-780 O。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中所述的任意一種高溫相變儲(chǔ)熱材料的制備方法，其特征在于它包括如下步驟: (1)配料:按質(zhì)量百分比稱取碳酸鍶30%-40%,碳酸鋰32%-48%,碳酸鉀9%-18%，碳酸鈉8% -19%作為原料； (2)將上述原料按比例混合后使其熔化，并在熔融狀態(tài)保溫使其混合均勻，最后冷卻研磨，即得到以碳酸鍶和碳酸鋰為主的高溫相變儲(chǔ)熱材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的一種高溫相變儲(chǔ)熱材料的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述熔化的溫度為500-600°C。
7.根據(jù)權(quán)利 要求5中所述的一種高溫相變儲(chǔ)熱材料的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述保溫時(shí)間為18-24h。
【文檔編號(hào)】C09K5/06GK103965838SQ201410200500
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】程曉敏, 朱闖, 陶冰梅, 李元元, 朱教群, 周衛(wèi)兵, 孫正 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)