一種低熔點的傳熱儲熱材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低熔點的傳熱儲熱材料，其原料包括硝酸鋰、硝酸鈉、硝酸鉀、氫氧化鋰，所述原料經(jīng)混合保溫制備而成，各原料所占質(zhì)量百分比為：硝酸鋰30-40％，硝酸鈉15-23％，硝酸鉀40-48％，氫氧化鋰1-2％。該低熔點傳熱儲熱材料具有相變潛熱高、熔點低、液態(tài)流動性好，制備方法簡單等特點，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)熱能回收利用、太陽能熱利用等。
【專利說明】一種低熔點的傳熱儲熱材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低熔點的傳熱儲熱材料及其制備方法，應(yīng)用于工業(yè)熱能回收利用、太陽能熱利用等。
【背景技術(shù)】
[0002]能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，隨著全球工業(yè)化生產(chǎn)的加速發(fā)展，能源的開發(fā)利用與日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題越來越受到人們的關(guān)注。大力開發(fā)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(huán)保性。將太陽輻射熱能存儲起來，等到需要的時候再釋放出來進(jìn)行利用，這是一個緩解能源緊張問題的有效途徑。工業(yè)生產(chǎn)中也有大量的余熱散失到環(huán)境中，如果將這些熱量回收起來再利用，也可以大大提高能量利用效率。由此可見，傳熱與儲熱是熱量收集和利用的重要環(huán)節(jié)。這個過程對相變儲熱材料的熔點、相變潛熱、分解溫度都有較高的要求。
[0003]熔融鹽具有相變潛熱大、成本低、使用溫度范圍廣、毒性小等優(yōu)點，在傳熱儲熱領(lǐng)域有很大的研究價值。低熔點熔融鹽可以降低其在流通管道中凍堵的風(fēng)險。在發(fā)電系統(tǒng)或其他熱利用系統(tǒng)啟動時，可以大幅降低對管道預(yù)加熱的電能使用量，降低生產(chǎn)成本。目前，較成熟的產(chǎn)品主要有Solar Salt (熔點為238°C，分解點為593°C )，Hitec (熔點為142°C,分解點為538°C )以及Hitec XL(熔點133°C，分解點500°C )，這些鹽已經(jīng)被用在太陽能發(fā)電站中。但這些熔融鹽的熔點仍然較高，使用過程中仍需較多的能量加熱管道以防凍堵；同時，當(dāng)熔點較低時，這些熔鹽的分解點也迅速降低，在很大程度上影響了使用溫度的上限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足而提供一種低熔點的傳熱儲熱材料及其制備方法，該低熔點傳熱儲熱材料相變溫度低、相變潛熱大、同時分解
溫度較高。
[0005]本發(fā)明為解決上述提出的問題所采用的技術(shù)方案為:
[0006]一種低熔點的傳熱儲熱材料，其原料包括硝酸鋰、硝酸鈉、硝酸鉀、氫氧化鋰，經(jīng)所述原料混合保溫制備而成。各原料所占質(zhì)量百分比為:硝酸鋰30-40%，硝酸鈉15-23%，硝酸鉀40-48 %，氫氧化鋰1-2 %。
[0007]按上述方案，所述的硝酸鋰、硝酸鈉、硝酸鉀、氫氧化鋰質(zhì)量純度均大于99.90%。
[0008]上述低熔點的傳熱儲熱材料的制備方法，具體步驟如下:按質(zhì)量百分比稱取干燥的硝酸鋰30-40%，硝酸鈉15-23%，硝酸鉀40-48%，氫氧化鋰1_2%作為原料，混合研磨均勻后在升溫至340°C _390°C進(jìn)行第一階段的保溫，時間為2-5小時；然后再升溫至6700C _730°C進(jìn)行第二階段的保溫，時間為0.5-2小時，待冷卻后即得到低熔點的傳熱儲熱材料。
[0009] 按上述方案，所述第一階段的保溫優(yōu)選溫度為380°C，時間為3小時；所述第二階段的保溫優(yōu)選溫度為680°C，時間為1.5小時。[0010]上述以無水硝酸鹽為主的低熔點傳熱儲熱材料熔點為85°C -92°c，且在500°C以下的溫度工作時能夠長時間保持低熔點的性質(zhì)，說明該高溫傳熱材料可廣泛應(yīng)用于工業(yè)熱能回收利用、太陽能熱利用等。
[0011]按上述方案，所述硝酸鋰、硝酸鈉、硝酸鉀、氫氧化鋰預(yù)先經(jīng)過干燥處理；所述的混合可以采用機械混合的方法，使其盡量達(dá)到均勻即可；所述的保溫分為兩個階段，第一階段的保溫的目的是通過自由擴散使熔融狀態(tài)的原料充分混合均勻；第二階段保溫的目的是使混勻原料成分發(fā)生一定的高溫變化。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0013]第一，本發(fā)明的創(chuàng)新性在于采用常用的硝酸鋰、硝酸鈉、硝酸鉀、氫氧化鋰，該體系具有熔點低、相變潛熱大、高溫穩(wěn)定性強、毒性小、腐蝕性小等優(yōu)點，可同時作為傳熱與儲熱材料使用，在提高了能量轉(zhuǎn)換效率的同時降低了成本；
[0014]第二，對于工作溫度范圍在500°C以下的熱能利用方式，本發(fā)明中材料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熔融鹽能顯著降低熔點，大幅降低了管道能耗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是實施例1所制備的低熔點的傳熱儲熱材料的DSC曲線。
[0016]圖2是實施例2所制備的材料的高溫穩(wěn)定性測試⑴的DSC曲線。 [0017]圖3是實施例2所制備的材料的高溫穩(wěn)定性測試(2)的DSC曲線。
[0018]圖4是對比例I所制備的材料的DSC曲線。
[0019]圖5是對比例2所制備的材料的DSC曲線。
[0020]圖6是實施例3所制備的低熔點的傳熱儲熱材料的DSC曲線。
[0021]圖7是實施例4所制備的低熔點的傳熱儲熱材料的DSC曲線。
【具體實施方式】
[0022]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實例進(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施例。
[0023]下述實施例中所用的硝酸鋰、硝酸鈉、硝酸鉀、氫氧化鋰質(zhì)量純度均大于99.90%。實施例中均采用德國NETZSCH公司生產(chǎn)的STA-449 F3同步熱分析儀測試材料的相變溫度、相變潛熱。
[0024]實施例1
[0025]一種低熔點的傳熱儲熱材料，其原料各組分所占質(zhì)量百分比為:硝酸鋰33.1%、硝酸鈉20.7%、硝酸鉀44.8%、氫氧化鋰1.4%。
[0026]制備方法:將以上原料經(jīng)過烘干處理后研磨混合均勻后放入坩堝，置于電阻爐中，先從室溫以20°C /分鐘的速度升溫至380°C下保溫3小時，再以20°C /分鐘的速度升溫至680°C保溫1.5小時；最后將坩堝從電阻爐中取出冷卻，所得產(chǎn)物即低熔點的傳熱儲熱材料。
[0027]采用德國NETZSCH公司生產(chǎn)的STA-449 F3同步熱分析儀測試本實施例制備的低熔點傳熱儲熱材料的相變溫度、相變潛熱，結(jié)果如圖1所示，測試可知該相變儲熱材料的熔點為86.4°C，相變潛熱為97.4J/g。該材料熔點較低，在應(yīng)用時降低了管道凍堵的風(fēng)險，而且作為相變材料時，單位質(zhì)量的材料可以存儲或釋放較多的熱量。
[0028]實施例2
[0029]一種低熔點的傳熱儲熱材料，其原料各組分所占質(zhì)量百分比為:硝酸鋰33.1%、硝酸鈉20.7%、硝酸鉀44.8%、氫氧化鋰1.4%。
[0030]制備方法:將以上原料經(jīng)過烘干處理后研磨混合均勻后放入坩堝，置于電阻爐中，先從室溫以20°C /分鐘的速度升溫至380°C下保溫3小時，再以20°C /分鐘的速度升溫至680°C保溫1.5小時；最后將坩堝從電阻爐中取出冷卻，所得產(chǎn)物即低熔點的傳熱儲熱材料。
[0031 ] 高溫穩(wěn)定性測試1:將本實施例制備的材料置于550°C的環(huán)境下保溫15小時，檢測該材料的高溫穩(wěn)定性，結(jié)果如圖2所示，該材料的熔點為115.6°C，相變焓為66.748J.g_S說明采用該保溫條件可以制得熔點較低的材料，但是在550°C下長時間保溫后，材料的熔點明顯上升，同時相變潛熱也顯著降低，說明材料在該溫度下是不穩(wěn)定的。
[0032]高溫穩(wěn)定性測試2:將本實施例制備的材料置于500°C的環(huán)境下保溫15小時，檢測該材料的高溫穩(wěn)定性，結(jié)果如圖3所示，該材料的熔點為88.9°C，相變焓為131.662J.g_S說明采用該保溫條件可以制得熔點較低的材料，經(jīng)過500°C下長時間的保溫，材料的相變潛熱比未經(jīng)此保溫處理的高，有利于增加儲熱量，而且材料的熔點基本沒有變化，說明材料在該溫度下是穩(wěn)定的。對于工作溫度范圍在500°C以下的熱能利用方式，本發(fā)明中材料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熔融鹽能顯著降低熔點，大幅降低了管道能耗 。
[0033]對比例I
[0034]一種低熔點的傳熱儲熱材料，其原料各組分所占質(zhì)量百分比為:硝酸鋰33.1%、硝酸鈉20.7%、硝酸鉀44.8%、氫氧化鋰1.4%。
[0035]制備方法:將以上原料經(jīng)過烘干處理后研磨混合均勻后放入坩堝，置于電阻爐中，從室溫開始以20°C /分鐘的速度升溫至380°C下保溫3小時，再將坩堝從電阻爐中取出冷卻，得到產(chǎn)物即熔融鹽材料。
[0036]測試本對比例所的產(chǎn)物的相變溫度、相變潛熱，結(jié)果如圖4所示，第二個吸熱峰的起始點為114.6°C，相變焓為128.7J.g_S說明如果不經(jīng)過第二階段的保溫處理，熔融鹽熔化時會出現(xiàn)兩個吸熱峰，并且大部分熔融鹽熔化的溫度為114.6°C，比實施例1中的材料的熔點高，失去了作為低熔點傳熱儲熱材料的優(yōu)勢，在應(yīng)用中仍然會有較大的管道凍堵的風(fēng)險。
[0037]對比例2
[0038]一種低熔點的傳熱儲熱材料，其原料各組分所占質(zhì)量百分比為:硝酸鋰33.1%、硝酸鈉20.7%、硝酸鉀44.8%、氫氧化鋰1.4%。
[0039]制備方法:將以上原料經(jīng)過烘干處理后研磨混合均勻后放入坩堝，置于電阻爐中，先由室溫開始以20°C /分鐘的速度升溫至580°C下保溫3小時，再以20°C /分鐘的速度升溫至600°C保溫I小時；最后將坩堝從電阻爐中取出冷卻，得到產(chǎn)物即熔融鹽材料。
[0040]測試本對比例所的產(chǎn)物的相變溫度、相變潛熱，結(jié)果如圖5所示，該材料的熔點為108.8°C，相變焓為74.013J.g'說明在制備方法中，如果第一階段的保溫溫度高于340°C _390°C的范圍，第二階段的保溫溫度低于670°C _730°C的范圍，熔融鹽材料的熔點仍然會比較高，并且此對比例中的材料相變焓也比較低，不利于熱量的存儲。
[0041]實施例3
[0042]一種低熔點的傳熱儲熱材料，其原料各組分所占質(zhì)量百分比為:硝酸鋰38.3%、硝酸鈉17.8%、硝酸鉀42.6%、氫氧化鋰1.3%。
[0043]制備方法:將以上原料經(jīng)過烘干處理后研磨混合均勻后放入坩堝，置于電阻爐中，先從室溫以20°C /分鐘的速度升溫至350°C下保溫5小時，再以20°C /分鐘的速度升溫至680°C保溫1.5小時；最后將坩堝從電阻爐中取出冷卻，所得產(chǎn)物即低熔點的傳熱儲熱材料。
[0044]采用德國NETZSCH公司生產(chǎn)的STA-449F3同步熱分析儀測試本實施例制備的低熔點傳熱儲熱材料的相變溫度、相變潛熱，結(jié)果如圖6所示，測試可知該相變儲熱材料的熔點為91.8°C，相變潛熱為125.309J/g。該材料熔點較低，在應(yīng)用時降低了管道凍堵的風(fēng)險；作為相變材料時，單位質(zhì)量的材料可以存儲或釋放較多的熱量。
[0045]實施例4
[0046]—種低熔點的傳熱儲熱材料，其原料各組分所占質(zhì)量百分比為:硝酸鋰35.2%、硝酸鈉15.8%、硝酸鉀47.2%、氫氧化鋰1.8%。
[0047]制備方法:將以上原料經(jīng)過烘干處理后研磨混合均勻后放入坩堝，置于電阻爐中，先從室溫以20°C /分鐘的速度升溫至350°C下保溫5小時，再以20°C /分鐘的速度升溫至720°C保溫I小時；最后將坩堝從電阻爐中取出冷卻，所得產(chǎn)物即低熔點的傳熱儲熱材料。
[0048]采用德國NETZSCH公司生產(chǎn)的STA-449 F3同步熱分析儀測試本實施例制備的低熔點傳熱儲熱材料的相變溫度、相變潛熱，結(jié)果如圖7所示，測試可知該相變儲熱材料的熔點為90.6°C，相變潛熱為48.063J/g。該材料熔點較低，在應(yīng)用時降低了管道凍堵的風(fēng)險；作為相變材料時，單位質(zhì)量的材料可以存儲或釋放較多的熱量。
[0049] 以上所述為本發(fā)明的較佳實施例，對于上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種低熔點的傳熱儲熱材料，其特征在于其原料包括硝酸鋰、硝酸鈉、硝酸鉀、氫氧化鋰，所述原料經(jīng)混合保溫制備而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低熔點的傳熱儲熱材料，其特征在于各原料所占質(zhì)量百分比分別為:硝酸鋰30-40%，硝酸鈉15-23%，硝酸鉀40-48%，氫氧化鋰1_2%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種低熔點的傳熱儲熱材料，其特征在于所述的硝酸鋰、硝酸鈉、硝酸鉀、氫氧化鋰質(zhì)量純度均大于99.90%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中所述的任意一種低熔點的傳熱儲熱材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下:按質(zhì)量百分比稱取干燥的硝酸鋰30-40%，硝酸鈉15-23%，硝酸鉀40-48%，氫氧化鋰1-2%作為原料，混合研磨均勻后在升溫至340°C _390°C進(jìn)行第一階段的保溫，保溫時間為2-5時；然后再升溫至670°C _730°C進(jìn)行第二階段的保溫，保溫時間為0.5-2小時，待冷卻后即得到低熔點的傳熱儲熱材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低熔點的傳熱儲熱材料的制備方法，其特征在于所述第一階段的保溫溫度為380°C，保溫時間為3小時；所述第二階段的保溫溫度為680°C，保溫時間為1.5小時。
6.根據(jù)權(quán)利 要求4中所述的任意一種低熔點的傳熱儲熱材料的制備方法，其特征在于所述兩個階段的升溫速率為10°c /分鐘~20°C /min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中所述的任意一種低熔點的傳熱儲熱材料，其特征在于它的熔點為85°C -92°C，且在500°C以下的溫度工作時能夠長時間保持低熔點的性質(zhì)。
【文檔編號】C09K5/06GK103992775SQ201410258228
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】程曉敏, 朱闖, 陶冰梅, 李元元, 朱教群, 周衛(wèi)兵 申請人:武漢理工大學(xué)