Spis treści
Zastosowania stopionych soli
Stopione sole są stabilne w wysokich temperaturach powyżej 300 °C i wykazują niezwykłe właściwości termiczne. Właściwości te mają kluczowe znaczenie dla zastosowań wymagających wydajnego transferu ciepła, takich jak reaktory rozszczepienia jądrowego i elektrownie słoneczne.
W szczególności, stopiona sól FLiNaK, eutektyczna mieszanina fluorku litu (LiF), fluorku sodu (NaF) i fluorku potasu (KF), obiecujący materiał do budowy reaktora, charakteryzuje się wysoką przewodnością cieplną.
W tym kontekście FLiNaK działa jako chłodziwo i medium przenoszące ciepło, przy czym jego specyficzna pojemność cieplna i gęstość mają decydujące znaczenie dla projektu systemu.
W reaktorach Molten Salts, zaawansowanym typie reaktora jądrowego, FLiNaK jest wykorzystywany jako nośnik materiału rozszczepialnego. Reaktory te wykorzystują wysokie temperatury topnienia i doskonałe możliwości przenoszenia ciepła stopionych soli, aby umożliwić bardziej wydajne i bezpieczniejsze rozszczepienie jądrowe.
W porównaniu z konwencjonalnymi reaktorami wodnymi oferują one szereg zalet, takich jak wyższe temperatury robocze, które umożliwiają poprawę wydajności termicznej, oraz niższe ciśnienia robocze, co zmniejsza ryzyko eksplozji oparów.
Stopione sole są wykorzystywane jako nośnik ciepła w termicznych elektrowniach słonecznych do magazynowania i transportu energii słonecznej pochłanianej przez kolektory słoneczne. Ich zdolność do magazynowania ciepła przez długi czas umożliwia ciągłe wytwarzanie energii, nawet gdy nie ma bezpośredniego światła słonecznego.
Znacząco poprawia to ogólną wydajność i niezawodność takich systemów, zapewniając stałe dostawy energii niezależnie od pory dnia i warunków pogodowych.
Znaczenie termochemii i właściwości termofizycznych w badaniach stopionych soli
Termochemia i termodynamika są kluczowymi narzędziami w badaniu stopionych soli, ponieważ zapewniają kompleksowy wgląd we właściwości tych materiałów.
Energia Gibbsa, entalpia entalpia entropia i pojemność cieplna to parametry, które mają ogromne znaczenie. Energia Gibbsa jest miarą potencjału termodynamicznego układu do wykonywania pracy i odgrywa kluczową rolę w określaniu kierunku i zakresu reakcji chemicznych, a także równowagi fazowej stopionych soli. Wpływa również na stabilność tych soli, co z kolei ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia i optymalizacji ich zastosowań i zastosowań.
Równie istotne są właściwości termofizyczne stopionych soli. Właściwości te obejmują pojemność cieplną, przewodność cieplną i współczynnik przenikania ciepła. Odgrywają one istotną rolę w modelowaniu, projektowaniu i eksploatacji systemów wykorzystujących stopione sole, takich jak reaktory stopionych soli, wymienniki ciepła i zbiorniki magazynowe.
Gęstość stopionych soli wpływa na właściwości przepływu i dystrybucję ciepła, podczas gdy przewodność cieplna ma znaczący wpływ na efektywność wymiany ciepła w tych systemach. Współczynnik wymiany ciepła jest decydującym czynnikiem wpływającym na efektywność procesów wymiany ciepła w stopionych solach.
W badaniach i rozwoju technologii opartych na stopionych solach niezbędne jest zatem dokładne zbadanie właściwości termochemicznych i termofizycznych. Wiedza ta umożliwia poprawę wydajności i efektywności takich systemów oraz wykorzystanie ich w szerokim zakresie zastosowań w obszarach takich jak energia jądrowa, energia słoneczna, ekstrakcja metali i elektrochemia.
STA, laserowy analizator dyfuzyjności termicznej i dylatometr to potężne narzędzia do analizy stopionych soli
Połączenie różnych technik analitycznych umożliwia dogłębne zbadanie właściwości termochemicznych i termofizycznych stopionych soli.
Opracowanie kompleksowego zrozumienia tych materiałów ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji ich zastosowań w różnych kluczowych obszarach.
Jednoczesna analiza termiczna (STA)
Jedną z wykorzystywanych technik jest Jednoczesna analiza termiczna (STA) połączenie analizy termograwimetrycznej (TGA) i różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) co umożliwia określenie szerokiego zakresu właściwości.
W przypadku STA utrata masy , temperatura topnienia , przejścia fazowe pojemność cieplna pojemność cieplna pojemność cieplna termiczny stabilność i rozkład stopionych soli mogą być analizowane, a wytwarzane gazy mogą być również badane za pomocą sprzężonych instrumentów, takich jak spektrometr masowy.
Przykładowo, STA można wykorzystać do zdefiniowania rozkładu termicznego azotanu litu, który jest ważnym składnikiem niektórych stopionych soli.
Laserowa analiza błysku (LFA)
Inną cenną techniką jest laserowa analiza błyskowa (LFA), która może mierzyć dyfuzyjność cieplną i przewodność cieplną stopionych soli o różnym składzie w wysokich temperaturach.
Na przykład dyfuzyjność cieplna chlorku sodu, powszechnie stosowanej stopionej soli, może być mierzona za pomocą LFA.
Dylatometria (DIL)
Dylatometria dylatometria (DIL) to kolejna ważna technika stosowana do określania rozszerzalności cieplnej stopionych soli w różnych temperaturach.
Dane te są szczególnie istotne przy projektowaniu reaktorów Molten Salts, w których materiały rozszerzają się i kurczą pod wpływem zmiennych temperatur.
W badaniach i rozwoju technologii stopionych soli te techniki analityczne są niezbędne do scharakteryzowania właściwości materiałów i zrozumienia ich zachowania w różnych warunkach.
To zrozumienie jest kluczem do optymalizacji i dalszego rozwoju zastosowań stopionych soli w różnych dziedzinach przemysłu i nauki.
Jednoczesne pomiary TG-DSC na stopionych solach
Znaczenie magazynowania i transferu ciepła rośnie w związku z rosnącą produkcją alternatywnych źródeł energii, np. w elektrowniach słonecznych, gdzie stopione sole są wykorzystywane jako płyny przenoszące ciepło i PCM (materiały zmiennofazowe).
Wydajność zastosowanych soli zależy od właściwości materiału, takich jak ciepło topnienia, pojemność cieplna, gęstość, przewodność cieplna, rozszerzalność objętościowa itp.
Różne metody analizy termicznej są zatem odpowiednie do scharakteryzowania wydajności stopionych soli.
Nota aplikacyjna: Stabilność stopionych soli za pomocą jednoczesnej analizy termicznej (STA L82)
W niniejszej pracy przedstawiono wyniki pomiarów TG-DSC tetrahydratu azotanu wapnia – Ca(NO3)2.
Próbka została przeanalizowana za pomocą lodu soczewkowego STA L82 instrument który jednocześnie monitoruje zmianę masy i sygnał DSC. Entalpię przemian fazowych i pojemność cieplną można określić na podstawie sygnału DSC.
Próbka została podgrzana w zamkniętym tyglu aluminiowym do temperatury 180 °C przy szybkości ogrzewania 10 K/min i utrzymywana w stanie izotermicznym przez 3 godziny. Następnie podgrzano ją do temperatury 600 °C z szybkością 10 K/min.
Wyniki i dyskusja
Rysunek 1 przedstawia wyniki pomiarów. Niebieska krzywa pokazuje ubytek masy, a czerwona krzywa sygnał DSC.
Pierwszy pik w sygnale DSC jest spowodowany topnieniem próbki. Początek piku topnienia przypada na 46 °C.
Po całkowitym stopieniu próbki pojawia się drugi pik endotermiczny z początkiem w temperaturze 141 °C.
Podczas izotermicznego czasu utrzymywania w temperaturze 180 °C próbka nie ulega dalszym zmianom, co oznacza, że temperatura ta jest idealna do suszenia soli i uzyskania soli bezwodnej.
Po ponownym podgrzaniu do temperatury 541 °C pojawia się pik endotermiczny. Sól bezwodna topi się. Sygnał TG wykazuje jednak utratę masy. Wskazuje to, że sól rozkłada się podczas topnienia. W związku z tym nie można bezpośrednio zmierzyć entalpii topnienia i pojemności cieplnej stopionej bezwodnej soli.
Można to jednak osiągnąć poprzez dalsze pomiary TG-DSC mieszanin soli. Azotan wapnia musi być zmieszany z azotanem litu, sodu lub potasu w różnych procentach molowych. Entalpie topnienia można określić na podstawie pików topnienia DSC mieszanin. Entalpię topnienia czystego azotanu wapnia można następnie obliczyć po prostu przez ekstrapolację do procentu molowego 100% w stosunku do azotanu wapnia.
Ta sama metoda jest stosowana do pomiaru pojemności cieplnej stopionego bezwodnego azotanu wapnia.
Wnioski
Metody termoanalityczne są bardzo odpowiednie do uzyskiwania właściwości materiałowych stopionych soli.
Jednoczesna analiza TG-DSC zapewnia ciepło topnienia i pojemność cieplną w stanie stałym i stopionym.
Sygnały zmiany masy mogą być wykorzystywane na przykład do wykrywania parowania wody krystalicznej i rozkładu soli.
Pomiary przewodności cieplnej stopionych soli techniką błysku laserowego
Określenie i optymalizacja przewodności cieplnej ciekłych soli jest ważnym elementem rozwoju nowej generacji reaktorów jądrowych, tzw. reaktorów ze stopioną solą. W tym przypadku stopione sole służą zarówno jako magazyn ciepła, jak i medium do przenoszenia ciepła wytwarzanego w rdzeniu reaktora.
Istnieją różne metody określania przewodności cieplnej cieczy, z których każda ma swoje zalety i wady. Należy unikać generowania strat ciepła poprzez konwekcję i promieniowanie cieplne podczas pomiaru, ponieważ wprowadzają one znaczne błędy pomiarowe, a tym samym dają błędne wyniki. Konwekcja występuje na przykład w metodach stacjonarnych ze względu na zastosowanie gradientów temperatury wymaganych do pomiaru, które są wzmacniane przez zazwyczaj bardzo długi czas pomiaru.
Najbardziej obiecującą metodą określania przewodności cieplnej stopionych soli jest metoda błysku laserowego, ponieważ jest to pomiar bezwzględny i dlatego nie wymaga kalibracji z materiałem odniesienia. Ponadto, efekty konwekcji są zminimalizowane ze względu na niewielką ilość wymaganej próbki i krótki czas pomiaru.
Ponieważ jednak metoda błysku laserowego jest przeznaczona przede wszystkim do jednorodnych i stałych materiałów, wymagana jest konstrukcja specjalnego uchwytu na próbkę.
Rysunek 2 przedstawia schemat skonstruowanego tygla do próbek. Tygiel jest wykonany z grafitu, ponieważ jest odporny na korozyjne właściwości soli nawet w wyższych temperaturach. Podstawa i pokrywa są zamocowane w taki sposób, że grubość próbki w środku tygla jest określona w pewnej odległości. Konstrukcja zapewnia również dodatkową przestrzeń po bokach, dzięki czemu materiał może rozszerzać się w wyższych temperaturach. Pokrywa jest również wyposażona w otwory, dzięki czemu wszelkie gazy wytwarzane przez materiał mogą się ulatniać. Ta ostatnia kwestia jest niezwykle istotna, ponieważ rozpuszczone gazy mogą tworzyć pęcherzyki, które prowadzą do niejednorodności materiału lub słabego kontaktu z tyglem.
Nota aplikacyjna: Pomiar dyfuzyjności cieplnej stopionych soli przy użyciu LFA L52
Przedstawiony tutaj pomiar dyfuzyjności termicznej stopionej soli FLiNaK został przeprowadzony w atmosferze helu w zakresie od 773 K do 973 K przy użyciu systemu Linseis LFA L52. Specjalnie zaprojektowany tygiel został umieszczony w robocie do próbek, który może pomieścić do trzech próbek jednocześnie. Przed właściwym testem próbka została kilkakrotnie podgrzana nieco powyżej temperatury topnienia, aby umożliwić odgazowanie materiału, a tym samym uniknąć pęcherzyków w stopionej soli.
Wyniki i dyskusja
Wyniki dyfuzyjności cieplnej i przewodności cieplnej przedstawiono na poniższym wykresie. Obie właściwości wykazują dość liniowy wzrost wartości wraz ze wzrostem temperatury.
Podsumowując, przewodność cieplna ciekłej soli FLiNaK w zakresie temperatur od 773 K do 973 K została określona na 0,652-0,927 W/m∙K z niepewnością +/- 0,023 W/m∙K [1]. Pokazuje to dobrą zgodność z wcześniej opublikowanymi wartościami.
Wyniki i dyskusja
Podsumowując, technika błysku laserowego w połączeniu ze specjalnie opracowanym tyglem i połączonym modelem Dusza jest niezawodną metodą określania dyfuzyjności termicznej stopionych soli w wysokich temperaturach*.
Najczęściej zadawane pytania
Czym są stopione sole?
Stopione sole to sole nieorganiczne, które topią się w wysokich temperaturach, a następnie mogą być wykorzystywane jako ciecz do wymiany ciepła.
Do czego służą sole stopione?
Są one wykorzystywane w elektrowniach słonecznych (CSP), w technologii jądrowej, w wysokotemperaturowych systemach magazynowania ciepła oraz w przemyśle do dostarczania ciepła procesowego.
Jakie zalety oferują sole stopione w porównaniu do klasycznych nośników ciepła?
Charakteryzują się one wysoką stabilnością termiczną, magazynują duże ilości ciepła i umożliwiają pracę w temperaturach powyżej 500 °C – idealne rozwiązanie dla wydajnych systemów energetycznych.
Jakie wyzwania wiążą się ze stosowaniem soli stopionych?
Korozja, wysokie temperatury topnienia i kompatybilność materiałowa to kluczowe wyzwania, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze i projektowaniu.
Jak można zmierzyć właściwości termofizyczne stopionych soli?
Przewodność cieplną, pojemność cieplną i rozszerzalność cieplną można określić za pomocą urządzeń do analizy termicznej, takich jak dylatometria, DSC lub laserowa analiza błyskowa.
