CN103992775A - 一种低熔点的传热储热材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低熔点的传热储热材料，其原料包括硝酸锂、硝酸钠、硝酸钾、氢氧化锂，所述原料经混合保温制备而成，各原料所占质量百分比为：硝酸锂30-40％，硝酸钠15-23％，硝酸钾40-48％，氢氧化锂1-2％。该低熔点传热储热材料具有相变潜热高、熔点低、液态流动性好，制备方法简单等特点，可广泛应用于工业热能回收利用、太阳能热利用等。
Description
技术领域
本发明涉及一种低熔点的传热储热材料及其制备方法，应用于工业热能回收利用、太阳能热利用等。
背景技术
能源是人类赖以生存的基础，随着全球工业化生产的加速发展，能源的开发利用与日益严重的环境污染问题越来越受到人们的关注。大力开发可再生能源是解决能源问题的重要途径。太阳能的热利用具有无限性、普遍性和环保性。将太阳辐射热能存储起来，等到需要的时候再释放出来进行利用，这是一个缓解能源紧张问题的有效途径。工业生产中也有大量的余热散失到环境中，如果将这些热量回收起来再利用，也可以大大提高能量利用效率。由此可见，传热与储热是热量收集和利用的重要环节。这个过程对相变储热材料的熔点、相变潜热、分解温度都有较高的要求。
熔融盐具有相变潜热大、成本低、使用温度范围广、毒性小等优点，在传热储热领域有很大的研究价值。低熔点熔融盐可以降低其在流通管道中冻堵的风险。在发电***或其他热利用***启动时，可以大幅降低对管道预加热的电能使用量，降低生产成本。目前，较成熟的产品主要有Solar Salt(熔点为238℃，分解点为593℃)，Hitec(熔点为142℃，分解点为538℃)以及Hitec XL(熔点133℃，分解点500℃)，这些盐已经被用在太阳能发电站中。但这些熔融盐的熔点仍然较高，使用过程中仍需较多的能量加热管道以防冻堵；同时，当熔点较低时，这些熔盐的分解点也迅速降低，在很大程度上影响了使用温度的上限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种低熔点的传热储热材料及其制备方法，该低熔点传热储热材料相变温度低、相变潜热大、同时分解温度较高。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种低熔点的传热储热材料，其原料包括硝酸锂、硝酸钠、硝酸钾、氢氧化锂，经所述原料混合保温制备而成。各原料所占质量百分比为：硝酸锂30-40％，硝酸钠15-23％，硝酸钾40-48％，氢氧化锂1-2％。
按上述方案，所述的硝酸锂、硝酸钠、硝酸钾、氢氧化锂质量纯度均大于99.90％。
上述低熔点的传热储热材料的制备方法，具体步骤如下：按质量百分比称取干燥的硝酸锂30-40％，硝酸钠15-23％，硝酸钾40-48％，氢氧化锂1-2％作为原料，混合研磨均匀后在升温至340℃-390℃进行第一阶段的保温，时间为2-5小时；然后再升温至670℃-730℃进行第二阶段的保温，时间为0.5-2小时，待冷却后即得到低熔点的传热储热材料。
按上述方案，所述第一阶段的保温优选温度为380℃，时间为3小时；所述第二阶段的保温优选温度为680℃，时间为1.5小时。
上述以无水硝酸盐为主的低熔点传热储热材料熔点为85℃-92℃，且在500℃以下的温度工作时能够长时间保持低熔点的性质，说明该高温传热材料可广泛应用于工业热能回收利用、太阳能热利用等。
按上述方案，所述硝酸锂、硝酸钠、硝酸钾、氢氧化锂预先经过干燥处理；所述的混合可以采用机械混合的方法，使其尽量达到均匀即可；所述的保温分为两个阶段，第一阶段的保温的目的是通过自由扩散使熔融状态的原料充分混合均匀；第二阶段保温的目的是使混匀原料成分发生一定的高温变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
第一，本发明的创新性在于采用常用的硝酸锂、硝酸钠、硝酸钾、氢氧化锂，该体系具有熔点低、相变潜热大、高温稳定性强、毒性小、腐蚀性小等优点，可同时作为传热与储热材料使用，在提高了能量转换效率的同时降低了成本；
第二，对于工作温度范围在500℃以下的热能利用方式，本发明中材料的液相工作温度范围能够与其较好的匹配，本发明特定组分组成的混合熔融盐能显著降低熔点，大幅降低了管道能耗。
附图说明
图1是实施例1所制备的低熔点的传热储热材料的DSC曲线。
图2是实施例2所制备的材料的高温稳定性测试(1)的DSC曲线。
图3是实施例2所制备的材料的高温稳定性测试(2)的DSC曲线。
图4是对比例1所制备的材料的DSC曲线。
图5是对比例2所制备的材料的DSC曲线。
图6是实施例3所制备的低熔点的传热储热材料的DSC曲线。
图7是实施例4所制备的低熔点的传热储热材料的DSC曲线。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
下述实施例中所用的硝酸锂、硝酸钠、硝酸钾、氢氧化锂质量纯度均大于99.90％。实施例中均采用德国NETZSCH公司生产的STA-449 F3同步热分析仪测试材料的相变温度、相变潜热。
实施例1
一种低熔点的传热储热材料，其原料各组分所占质量百分比为：硝酸锂33.1％、硝酸钠20.7％、硝酸钾44.8％、氢氧化锂1.4％。
制备方法：将以上原料经过烘干处理后研磨混合均匀后放入坩埚，置于电阻炉中，先从室温以20℃/分钟的速度升温至380℃下保温3小时，再以20℃/分钟的速度升温至680℃保温1.5小时；最后将坩埚从电阻炉中取出冷却，所得产物即低熔点的传热储热材料。
采用德国NETZSCH公司生产的STA-449 F3同步热分析仪测试本实施例制备的低熔点传热储热材料的相变温度、相变潜热，结果如图1所示，测试可知该相变储热材料的熔点为86.4℃，相变潜热为97.4J/g。该材料熔点较低，在应用时降低了管道冻堵的风险，而且作为相变材料时，单位质量的材料可以存储或释放较多的热量。
实施例2
一种低熔点的传热储热材料，其原料各组分所占质量百分比为：硝酸锂33.1％、硝酸钠20.7％、硝酸钾44.8％、氢氧化锂1.4％。
制备方法：将以上原料经过烘干处理后研磨混合均匀后放入坩埚，置于电阻炉中，先从室温以20℃/分钟的速度升温至380℃下保温3小时，再以20℃/分钟的速度升温至680℃保温1.5小时；最后将坩埚从电阻炉中取出冷却，所得产物即低熔点的传热储热材料。
高温稳定性测试1：将本实施例制备的材料置于550℃的环境下保温15小时，检测该材料的高温稳定性，结果如图2所示，该材料的熔点为115.6℃，相变焓为66.748J·g-1，说明采用该保温条件可以制得熔点较低的材料，但是在550℃下长时间保温后，材料的熔点明显上升，同时相变潜热也显著降低，说明材料在该温度下是不稳定的。
高温稳定性测试2：将本实施例制备的材料置于500℃的环境下保温15小时，检测该材料的高温稳定性，结果如图3所示，该材料的熔点为88.9℃，相变焓为131.662J·g-1，说明采用该保温条件可以制得熔点较低的材料，经过500℃下长时间的保温，材料的相变潜热比未经此保温处理的高，有利于增加储热量，而且材料的熔点基本没有变化，说明材料在该温度下是稳定的。对于工作温度范围在500℃以下的热能利用方式，本发明中材料的液相工作温度范围能够与其较好的匹配，本发明特定组分组成的混合熔融盐能显著降低熔点，大幅降低了管道能耗。
对比例1
一种低熔点的传热储热材料，其原料各组分所占质量百分比为：硝酸锂33.1％、硝酸钠20.7％、硝酸钾44.8％、氢氧化锂1.4％。
制备方法：将以上原料经过烘干处理后研磨混合均匀后放入坩埚，置于电阻炉中，从室温开始以20℃/分钟的速度升温至380℃下保温3小时，再将坩埚从电阻炉中取出冷却，得到产物即熔融盐材料。
测试本对比例所的产物的相变温度、相变潜热，结果如图4所示，第二个吸热峰的起始点为114.6℃，相变焓为128.7J·g-1，说明如果不经过第二阶段的保温处理，熔融盐熔化时会出现两个吸热峰，并且大部分熔融盐熔化的温度为114.6℃，比实施例1中的材料的熔点高，失去了作为低熔点传热储热材料的优势，在应用中仍然会有较大的管道冻堵的风险。
对比例2
一种低熔点的传热储热材料，其原料各组分所占质量百分比为：硝酸锂33.1％、硝酸钠20.7％、硝酸钾44.8％、氢氧化锂1.4％。
制备方法：将以上原料经过烘干处理后研磨混合均匀后放入坩埚，置于电阻炉中，先由室温开始以20℃/分钟的速度升温至580℃下保温3小时，再以20℃/分钟的速度升温至600℃保温1小时；最后将坩埚从电阻炉中取出冷却，得到产物即熔融盐材料。
测试本对比例所的产物的相变温度、相变潜热，结果如图5所示，该材料的熔点为108.8℃，相变焓为74.013J·g-1。说明在制备方法中，如果第一阶段的保温温度高于340℃-390℃的范围，第二阶段的保温温度低于670℃-730℃的范围，熔融盐材料的熔点仍然会比较高，并且此对比例中的材料相变焓也比较低，不利于热量的存储。
实施例3
一种低熔点的传热储热材料，其原料各组分所占质量百分比为：硝酸锂38.3％、硝酸钠17.8％、硝酸钾42.6％、氢氧化锂1.3％。
制备方法：将以上原料经过烘干处理后研磨混合均匀后放入坩埚，置于电阻炉中，先从室温以20℃/分钟的速度升温至350℃下保温5小时，再以20℃/分钟的速度升温至680℃保温1.5小时；最后将坩埚从电阻炉中取出冷却，所得产物即低熔点的传热储热材料。
采用德国NETZSCH公司生产的STA-449F3同步热分析仪测试本实施例制备的低熔点传热储热材料的相变温度、相变潜热，结果如图6所示，测试可知该相变储热材料的熔点为91.8℃，相变潜热为125.309J/g。该材料熔点较低，在应用时降低了管道冻堵的风险；作为相变材料时，单位质量的材料可以存储或释放较多的热量。
实施例4
一种低熔点的传热储热材料，其原料各组分所占质量百分比为：硝酸锂35.2％、硝酸钠15.8％、硝酸钾47.2％、氢氧化锂1.8％。
制备方法：将以上原料经过烘干处理后研磨混合均匀后放入坩埚，置于电阻炉中，先从室温以20℃/分钟的速度升温至350℃下保温5小时，再以20℃/分钟的速度升温至720℃保温1小时；最后将坩埚从电阻炉中取出冷却，所得产物即低熔点的传热储热材料。
采用德国NETZSCH公司生产的STA-449 F3同步热分析仪测试本实施例制备的低熔点传热储热材料的相变温度、相变潜热，结果如图7所示，测试可知该相变储热材料的熔点为90.6℃，相变潜热为48.063J/g。该材料熔点较低，在应用时降低了管道冻堵的风险；作为相变材料时，单位质量的材料可以存储或释放较多的热量。
以上所述为本发明的较佳实施例，对于上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种低熔点的传热储热材料，其特征在于其原料包括硝酸锂、硝酸钠、硝酸钾、氢氧化锂，所述原料经混合保温制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种低熔点的传热储热材料，其特征在于各原料所占质量百分比分别为：硝酸锂30-40％，硝酸钠15-23％，硝酸钾40-48％，氢氧化锂1-2％。
3.根据权利要求1或2所述的一种低熔点的传热储热材料，其特征在于所述的硝酸锂、硝酸钠、硝酸钾、氢氧化锂质量纯度均大于99.90％。
4.根据权利要求1-3中所述的任意一种低熔点的传热储热材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：按质量百分比称取干燥的硝酸锂30-40％，硝酸钠15-23％，硝酸钾40-48％，氢氧化锂1-2％作为原料，混合研磨均匀后在升温至340℃-390℃进行第一阶段的保温，保温时间为2-5时；然后再升温至670℃-730℃进行第二阶段的保温，保温时间为0.5-2小时，待冷却后即得到低熔点的传热储热材料。
5.根据权利要求4所述的低熔点的传热储热材料的制备方法，其特征在于所述第一阶段的保温温度为380℃，保温时间为3小时；所述第二阶段的保温温度为680℃，保温时间为1.5小时。
6.根据权利要求4中所述的任意一种低熔点的传热储热材料的制备方法，其特征在于所述两个阶段的升温速率为10℃/分钟～20℃/min。
7.根据权利要求1-6中所述的任意一种低熔点的传热储热材料，其特征在于它的熔点为85℃-92℃，且在500℃以下的温度工作时能够长时间保持低熔点的性质。
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170711 |