一种基于碳酸盐的高温传热材料及其制备方法

文档序号:3796618
一种基于碳酸盐的高温传热材料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于碳酸盐的高温传热材料,它由原料碳酸锰、碳酸锂、碳酸钾、碳酸钠制备而成,各原料所占质量百分比为:碳酸锰25%-40%,碳酸锂45%-60%,碳酸钾9%-20%,碳酸钠9%-15%。该高温传热材料具有相变潜热高、相变温度低、液态流动性好等特点,可广泛应用于工业热能回收利用、太阳能热利用等。
【专利说明】一种基于碳酸盐的高温传热材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于碳酸盐的高温传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】
[0002]能源的利用是人来赖以生存的基础,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热量进行利用,储热是一个必备环节。这个过程对相变储热材料的相变潜热、比热容及储热密度等热物性有较高的要求。
[0003]高温相变储热材料在充热过程时,将吸收的热量储存起来;放热过程时,相变材料凝固释放热量给传热介质,以实现热能的传输利用。熔融盐具有相变潜热大、相变温度低、成本低、使用温度范围广等优点,在高温的应用领域有很大的研究价值。文献I(Sandia National Laboratories.Solar Power Tower Design Basis Document[R].California: Sandia Corporation.2001:73-86.)指出 Solar Two 太阳能发电站中已经成熟的采用了硝酸钠和硝酸钾的混合盐作为传热和蓄热材料。文献2 (孙李平,吴玉庭,马重芳.太阳能高温蓄热熔融盐优先的实验研究[J].太阳能学报,2008(9):29-9.)对无水氯化钠、无水氯化镁、无水氯化钾等熔盐的比热容及熔点进行测定。文献3(Peng Q, DingJj Wei X,Yang Jj Yang X.The preparation and properties of mult1-component moltensalts.Applied Energy2010, 87:2812-2817.)报道使用了一种温度可达 550°C 的熔盐。大多数投入工业使用的熔融盐主要是硝酸盐、氯化盐及其混合盐。硝酸盐的优势是熔点较低,降低管道因凝固而产生冻堵的几率,其缺点也较为明显,在高温下工作温度上限为600°C,温度高于使用温度之后就会分解为其他物质,不能满足高温热发电的需要。

【发明内容】

[0004]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基于碳酸盐的高温传热材料及其制备方法,该高温相变储热材料相变潜热大、相变温度低,相变储热能力随着温度的升高而不断增强。
[0005]本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为:
[0006]一种 基于碳酸盐的高温传热材料,由原料碳酸锰、碳酸锂、碳酸钾、碳酸钠经混合熔融而制备得到的,各原料所占质量百分比分别为:碳酸锰25%-40%,碳酸锂45%-60%,碳酸钾 9%-20%,碳酸钠 9%-15%。
[0007]按上述方案,所述的碳酸锰、碳酸锂、碳酸钾、碳酸钠质量纯度均大于99.90%。
[0008]上述基于碳酸盐的高温传热材料的制备方法,包括如下步骤:
[0009](I)配料:按质量百分比称取碳酸锰25%_40%,碳酸锂45%_60%,碳酸钾9%_20%,碳酸钠9%-15%作为原料;[0010](2)将上述原料按比例混合后使其熔化,并在熔融状态保温使其混合均匀,最后冷却研磨,即得到基于碳酸盐的高温传热材料。
[0011]按上述方案,所述熔化的温度为500-600°C。
[0012]按上述方案,所述保温时间为18_24h。
[0013]按上述方案,所述原料可以预先进行烘干处理,尽量不含有水分。当然,如果原料的质量纯度均能达到99.90%,不进行烘干处理也可以。
[0014]按上述方案,步骤(2)中所述的混合可以采用机械混合的方法,使其尽量达到宏观上的均匀即可。
[0015]按上述方案,步骤(2)中所述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。
[0016]上述基于碳酸盐的高温传热材料在800°C以下能够保持稳定,其相变工作温度范围为390-800°C,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。
[0017]与现有技术相比,本发明的有益效果是:
[0018]第一,本发明的创新性在于采用相变温度在390-400°C的以碳酸锰碳酸锂为主的四元碳酸熔盐作为储热传热材料,该体系具有相变潜热大、高温稳定性强、毒性小、腐蚀性小等优点,可同时作为储热与传热材料使用,在提高了能量转换效率的同时降低了成本;
[0019]第二,对于工作温度范围在600°C -800°C的高温太阳能热发电的利用方式,本发明中碳酸熔盐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碳酸盐能在一定程度上降低熔点,使相变储热材料的工作温度范围有效增大。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]图1是实施例1所制备的基于碳酸盐的高温传热材料的DSC曲线。
[0021]图2是实施例1所制备的基于碳酸盐的高温传热材料的比热容曲线。
[0022]图3是实施例1所制备的基于碳酸盐的高温传热材料的热重曲线。
[0023]图4是实施例2所制备的基于碳酸盐的高温传热材料的DSC曲线。
[0024]图5是实施例2所制备的基于碳酸盐的高温传热材料的比热容曲线。
[0025]图6是实施例3所制备的基于碳酸盐的高温传热材料的DSC曲线。
[0026]图7是实施例4所制备的基于碳酸盐的高温传热材料的DSC曲线。
[0027]图8是实施例5的所制备的基于碳酸盐的高温传热材料DSC曲线。
【具体实施方式】
[0028]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。
[0029]下述实施例中所用的碳酸锰、碳酸锂、碳酸钾、碳酸钠质量纯度均大于99.90%。
[0030]实施例1
[0031]一种基于碳酸盐的高温传热材料,其原料各组分所占质量百分比为:碳酸锰35%,碳酸锂45%,碳酸钾11%,碳酸钠9%。
[0032]将以上原料经过烘干处理后研磨混合均匀,再将混合好的原料加入坩埚,置于电阻炉中,开始加热至其熔化并在500°C下保温24小时,以保证原料充分混合;保温之后将坩埚从电炉中取出冷却,然后进行粉碎、研磨,即得到基于碳酸盐的高温传热材料。
[0033]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高温传热材料的相变温度、相变潜热,测试可知该相变储热材料的相变范围是392.1-404.3°C,相变潜热为149.6J/g,结果如图1所示。
[0034]采用法国SETARAM公司生产的微量热仪,以2V /min的升温速率测试本实施例制备的高温传热材料的比热容,比热容的测试如图2所示,显示该相变储热材料的比热容在IOO0C -270°C之间是缓慢上升的,从270°C开始比热容随温度的升高而迅速增大,说明该材料的比热容随温度增加而增大,即相变储热能力随着温度的升高而不断增强。
[0035]通过热重分析测试可知,本实施例制备的高温传热材料在800°C以下能够保持稳定,工作温度范围为392.1-800°C,如图3所示,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。
[0036]实施例2[0037]—种基于碳酸盐的高温传热材料,其原料各组分所占质量百分比为:碳酸锰33%,碳酸锂47%,碳酸钾10%,碳酸钠10%。
[0038]将以上原料经过烘干处理后研磨混合均匀,再将混合好的原料加入坩埚,置于电阻炉中,开始加热至其熔化并在500°C下保温23小时,以保证原料充分混合;保温之后将坩埚从电炉中取出冷却,然后进行粉碎、研磨,即得到基于碳酸盐的高温传热材料。
[0039]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高温传热材料的相变温度、相变潜热,测试可知该相变储热材料的相变范围是393.3-402.8°C,相变潜热为171J.g_\结果如图4所示。
[0040]本实施例制备的高温传热材料的比热容测试情况与实施例1比较相似,比热容在IOO0C _270°C之间是缓慢上升的,从270°C开始比热容随温度的升高而迅速增大,如图5所
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[0041]通过热重分析测试可知,本实施例制备的高温传热材料在800°C以下能够保持稳定,工作温度范围为393.3-800°C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。
[0042]实施例3
[0043]一种基于碳酸盐的高温传热材料,其原料各组分所占质量百分比为:碳酸锰25%,碳酸锂50%,碳酸钾15%,碳酸钠10%。
[0044]将以上原料经过烘干处理后研磨混合均匀,再将混合好的原料加入坩埚,置于电阻炉中,开始加热至其熔化并在600°C下保温22小时,以保证原料充分混合;保温之后将坩埚从电炉中取出冷却,然后进行粉碎、研磨,即得到基于碳酸盐的高温传热材料。
[0045]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高温传热材料的相变温度、相变潜热,测试可知该相变储热材料的相变范围是394.9-404.1°C,相变潜热为172.3J.g_\结果如图6所示。
[0046]本实施例制备的高温传热材料的比热容测试情况与实施例1比较相似,比热容在IOO0C _270°C之间是缓慢上升的,从270°C开始比热容随温度的升高而迅速增大。
[0047]通过热重分析测试可知,本实施例制备的高温传热材料在800°C以下能够保持稳定,工作温度范围为394.9-800°C,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。
[0048]实施例4
[0049]一种基于碳酸盐的高温传热材料,其原料各组分所占质量百分比为:碳酸锰30%,碳酸锂52%,碳酸钾9%,碳酸钠9%。
[0050]将以上原料经过烘干处理后研磨混合均匀,再将混合好的原料加入坩埚,置于电阻炉中,开始加热至其熔化并在600°C下保温21小时,以保证原料充分混合;保温之后将坩埚从电炉中取出冷却,然后进行粉碎、研磨,即得到基于碳酸盐的高温传热材料。
[0051]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高温传热材料的相变温度、相变潜热,测试可知该相变储热材料的相变范围是394.1-403.3°C,相变潜热为176J.g_\结果如图7所示。
[0052]本实施例制备的高温传热材料的比热容测试情况与实施例1比较相似,比热容在IOO0C _270°C之间是缓慢上升的,从270°C开始比热容随温度的升高而迅速增大。
[0053]通过热重分析测试可知,本实施例制备的高温传热材料在800°C以下能够保持稳定,其相变工作温度范围为394.1_800°C,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。
[0054]实施例5
[0055]一种基于碳酸盐的高温传热材料,其原料各组分所占质量百分比为:碳酸锰25%,碳酸锂50%,碳酸钾15%,碳酸钠10%。
[0056]将以上原料研磨混合均匀,再将混合好的原料加入坩埚,置于电阻炉中,开始加热至其熔化并在600°C下保温18小时,以保证原料充分混合;保温之后将坩埚从电炉中取出冷却,然后进行粉碎、研磨,即得到基于碳酸盐的高温传热材料。
[0057]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高温传热材料的相变温度、相变潜热,测试可知该相变储热材料的相变范围是394.6-402.8°C,相变潜热为173.7J.g_\结果如图8所示。 [0058]本实施例制备的高温传热材料的比热容测试情况与实施例1比较相似,比热容在IOO0C _270°C之间是缓慢上升的,从270°C开始比热容随温度的升高而迅速增大。
[0059]通过热重分析测试可知,本实施例制备的高温传热材料在800°C以下能够保持稳定,工作温度范围为394.6-800°C,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。
【权利要求】
1.一种基于碳酸盐的高温传热材料,其特征在于它由原料碳酸锰、碳酸锂、碳酸钾、碳酸钠制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种基于碳酸盐的高温传热材料,其特征在于各原料所占质量百分比分别为:碳酸锰25%-40%,碳酸锂45%-60%,碳酸钾9%_20%,碳酸钠9%_15%。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于碳酸盐的高温传热材料,其特征在于所述的碳酸锰、碳酸锂、碳酸钾、碳酸钠质量纯度均大于99.90%。
4.根据权利要求1所述的一种基于碳酸盐的高温传热材料,其工作温度区间为392.1-800。
5.根据权利要求1-4中所述的任意一种基于碳酸盐的高温传热材料的制备方法,其特征在于包括如下步骤: Cl)配料:按质量百分比称取碳酸锰25%-40%,碳酸锂45%-60%,碳酸钾9%_20%,碳酸钠9%-15%作为原料; (2)将上述原料按比例混合后使其熔化,并在熔融状态保温使其混合均匀,最后冷却研磨,即得到基于碳酸盐的高温传热材料。
6.根据权利要求5中所述的任意一种基于碳酸盐的高温传热材料的制备方法,其特征在于所述熔化的温度为500-600°C。
7.根据权利要求5中所述的任意一种基于碳酸盐的高温传热材料的制备方法,其特征在于所述保温时间为18-24h。
【文档编号】C09K5/06GK103897668SQ201410125877
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】程晓敏, 陶冰梅, 朱闯, 李元元, 朱教群, 周卫兵 申请人:武汉理工大学
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