Índice
As aplicações dos sais fundidos
Os sais fundidos são estáveis a temperaturas elevadas, superiores a 300 °C, e apresentam propriedades térmicas notáveis. Estas propriedades são cruciais para aplicações que requerem uma transferência de calor eficiente, como nos reactores de fissão nuclear e nas centrais de energia solar.
Em particular, o sal fundido FLiNaK, uma mistura eutéctica de fluoreto de lítio (LiF), fluoreto de sódio (NaF) e fluoreto de potássio (KF), um material promissor para a construção de um reator, caracteriza-se pela sua elevada condutividade térmica.
Nestes contextos, o FLiNaK actua como refrigerante e meio de transferência de calor, pelo que a sua específica capacidade térmica e a densidade são decisivas para a conceção do sistema.
Nos reactores de sais fundidos, um tipo avançado de reator nuclear, o FLiNaK é utilizado como meio de transporte de material cindível. Estes reactores utilizam os elevados pontos de fusão e as excelentes capacidades de transferência de calor dos sais fundidos para permitir uma fissão nuclear mais eficiente e segura.
Em comparação com os reactores convencionais à base de água, oferecem várias vantagens, tais como temperaturas de funcionamento mais elevadas, que permitem uma maior eficiência térmica, e pressões de funcionamento mais baixas, que reduzem o risco de explosões de vapor.
Os sais fundidos são utilizados como meio de transferência de calor em centrais de energia solar térmica para armazenar e transportar a energia solar absorvida pelos colectores solares. A sua capacidade de armazenar calor durante longos períodos de tempo permite a produção contínua de energia, mesmo quando não há luz solar direta.
Isto melhora significativamente a eficiência e a fiabilidade globais desses sistemas, assegurando um fornecimento de energia consistente, independentemente da hora do dia ou das condições meteorológicas.
A importância da termoquímica e das propriedades termofísicas para a investigação de sais fundidos
A termoquímica e a termodinâmica são ferramentas cruciais no estudo dos sais fundidos, uma vez que fornecem uma visão abrangente das propriedades destes materiais.
A energia de Gibbs, a entalpia entropia e capacidade térmica são parâmetros de grande importância. A energia de Gibbs é uma medida do potencial termodinâmico de um sistema para realizar trabalho e desempenha um papel fundamental na determinação da direção e extensão das reacções químicas e dos equilíbrios de fase dos sais fundidos. Também influencia a estabilidade destes sais, o que, por sua vez, é fundamental para compreender e otimizar as suas aplicações e utilizações.
As propriedades termofísicas dos sais fundidos são igualmente relevantes. Estas propriedades incluem
A densidade dos sais fundidos influencia as propriedades de fluxo e a distribuição de calor, enquanto a condutividade térmica tem uma influência significativa na eficiência da transferência de calor nestes sistemas. O coeficiente de transferência de calor é um fator decisivo para a eficiência dos processos de troca de calor em sais fundidos.
Na investigação e desenvolvimento de tecnologias baseadas em sais fundidos, é, por conseguinte, essencial uma investigação aprofundada das propriedades termoquímicas e termofísicas. Este conhecimento permite melhorar o desempenho e a eficiência destes sistemas e utilizá-los para uma vasta gama de aplicações em áreas como a energia nuclear, a energia solar, a extração de metais e a eletroquímica.
STA, Laser Flash Thermal Diffusivity Analyser e Dilatometer são ferramentas poderosas para a análise de sais fundidos
A combinação de diferentes técnicas analíticas permite uma investigação aprofundada das propriedades termoquímicas e termofísicas dos sais fundidos.
O desenvolvimento de uma compreensão abrangente destes materiais é crucial para otimizar as suas aplicações em várias áreas-chave.
Análise térmica simultânea (STA)
Uma das técnicas utilizadas é a Análise Térmica Simultânea (STA) uma combinação de análise termogravimétrica (TGA) e Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) que permite determinar uma vasta gama de propriedades.
Com um STA, a perda de massa , ponto de fusão , transições de fase , a capacidade calorífica , a capacidade térmica estabilidade térmica e a decomposição de sais fundidos podem ser analisadas e os gases produzidos podem também ser investigados utilizando instrumentos acoplados, tais como um espetrómetro de massa.
Por exemplo, um STA pode ser utilizado para definir a decomposição térmica do nitrato de lítio, que é um componente importante de alguns sais fundidos.
Análise de flash laser (LFA)
Outra técnica valiosa é a análise de flash laser (LFA), que pode medir a difusividade térmica e a condutividade térmica de sais fundidos de diferentes composições a altas temperaturas.
Por exemplo, a difusividade térmica do cloreto de sódio, um sal fundido comummente utilizado, pode ser medida utilizando um LFA.
Dilatometria (DIL)
A dilatometria (DIL) é outra técnica importante que é usada para determinar a expansão térmica de sais fundidos a diferentes temperaturas.
Estes dados são particularmente relevantes para a conceção de reactores de sais fundidos, nos quais os materiais se expandem e contraem sob temperaturas variáveis.
Na investigação e desenvolvimento de tecnologias de sais fundidos, estas técnicas analíticas são essenciais para caraterizar as propriedades dos materiais e compreender o seu comportamento em diferentes condições.
Esta compreensão é a chave para a otimização e o desenvolvimento de aplicações de sais fundidos em vários campos industriais e científicos.
Medições TG-DSC simultâneas em sais fundidos
A importância do armazenamento de calor e da transferência de calor está a crescer fortemente em ligação com a crescente produção de fontes de energia alternativas, por exemplo, em centrais de energia solar, onde os sais fundidos são utilizados como fluidos de transferência de calor e PCM (materiais de mudança de fase).
A eficácia dos sais utilizados depende das propriedades do material, como o calor de fusão, a capacidade térmica, a densidade, a condutividade térmica, a expansão do volume, etc.
Por conseguinte, vários métodos de análise térmica são adequados para caraterizar a eficiência dos sais fundidos.
Nota de Aplicação: Estabilidade de Sais Fundidos por Análise Térmica Simultânea (STA L82)
Neste estudo, são apresentados os resultados das medições TG-DSC do nitrato de cálcio tetra-hidratado – Ca(NO3)2.
A amostra foi analisada com uma lente de gelo STA L82 instrumento que monitoriza simultaneamente a alteração de peso e o sinal DSC. A entalpia das transições de fase e a capacidade térmica podem ser determinadas a partir do sinal DSC.
A amostra foi aquecida num cadinho de alumínio fechado a 180 °C a uma taxa de aquecimento de 10 K/min e mantida isotérmica durante 3 horas. Em seguida, foi aquecida a 600 °C a uma taxa de aquecimento de 10 K/min.
Resultados e discussão
A figura 1 mostra os resultados da medição. A curva azul mostra a perda de massa e a curva vermelha o sinal DSC.
O primeiro pico no sinal DSC é causado pela fusão da amostra. O início do pico de fusão dá-se a 46 °C.
Após a fusão completa da amostra, ocorre um segundo pico endotérmico com um início a 141 °C. O sinal TG mostra uma perda de peso de 32 % neste intervalo de temperatura. A água de cristalização do nitrato de cálcio tetra-hidratado é separada e forma-se um sal anidro sólido.
Durante o tempo de manutenção isotérmica a 180 °C, a amostra não sofre mais alterações, o que significa que esta temperatura é ideal para secar o sal e obter o sal anidro.
Quando aquecido novamente a 541 °C, ocorre um pico endotérmico. O sal anidro funde-se. No entanto, o sinal TG mostra uma perda de peso. Isto indica que o sal se decompõe durante a fusão. Por isso, a entalpia de fusão e a capacidade térmica do sal anidro fundido não podem ser medidas diretamente.
No entanto, isto pode ser conseguido através de medições TG-DSC adicionais de misturas de sais. O nitrato de cálcio deve ser misturado com nitrato de lítio, de sódio ou de potássio em diferentes percentagens molares. As entalpias de fusão podem ser determinadas a partir dos picos de fusão DSC das misturas. A entalpia de fusão do nitrato de cálcio puro pode então ser calculada simplesmente por extrapolação para uma percentagem molar de 100 % em relação ao nitrato de cálcio.
O mesmo método é utilizado para medir a capacidade térmica do nitrato de cálcio anidro fundido.
Conclusão
Os métodos termoanalíticos são muito adequados para obter as propriedades materiais dos sais fundidos.
A análise simultânea TG-DSC fornece o calor de fusão e a capacidade térmica no estado sólido e fundido.
Os sinais de alteração de massa podem ser utilizados, por exemplo, para detetar a evaporação da água cristalina e a decomposição do sal.
Medições de condutividade térmica em sais fundidos com a técnica Laser Flash
A determinação e otimização da condutividade térmica dos sais líquidos é um elemento importante no desenvolvimento de uma nova geração de reactores nucleares, o chamado reator de sal fundido. Aqui, os sais fundidos servem tanto para armazenar calor como para transferir o calor gerado no núcleo do reator.
Existem vários métodos para determinar a condutividade térmica de líquidos, cada um dos quais com as suas vantagens e desvantagens. Deve ser evitada a geração de perdas de calor por convecção e radiação térmica durante a medição, uma vez que estas introduzem erros de medição significativos e, por conseguinte, produzem resultados errados. A convecção ocorre, por exemplo, com métodos estacionários devido à aplicação de gradientes de temperatura necessários para a medição, que são amplificados pelos tempos de medição tipicamente muito longos.
O método mais promissor para determinar a condutividade térmica de sais fundidos é o método de flash laser, uma vez que se trata de uma medição absoluta e, por conseguinte, não requer calibração com um material de referência. Além disso, os efeitos de convecção são minimizados devido à pequena quantidade de amostra necessária e aos curtos tempos de medição.
No entanto, como o método de flash laser foi concebido principalmente para materiais homogéneos e sólidos, é necessária a construção de um suporte de amostras especial.
A Figura 2 mostra o esquema do cadinho de amostra construído. O cadinho é feito de grafite, uma vez que pode suportar as propriedades corrosivas do sal mesmo a temperaturas mais elevadas. A base e a tampa são fixas de modo a que a espessura da amostra no centro do cadinho seja definida a uma certa distância. O design também proporciona espaço adicional nos lados para que o material possa expandir-se a temperaturas mais elevadas. A tampa é igualmente dotada de orifícios para que os gases produzidos pelo material possam sair. Este último é um ponto essencial, uma vez que os gases dissolvidos podem formar bolhas que conduzem a inomogeneidades no material ou a um mau contacto com o cadinho.
Nota de aplicação: Medição da difusividade térmica em sais fundidos utilizando o LFA L52
A medição da difusividade térmica do sal fundido FLiNaK aqui apresentada foi efectuada numa atmosfera de hélio de 773 K a 973 K, utilizando um sistema Linseis LFA L52. O cadinho especialmente concebido foi inserido num robot de amostras que pode conter até três amostras em simultâneo. Antes do ensaio propriamente dito, a amostra foi pré-aquecida várias vezes ligeiramente acima da temperatura de fusão para permitir a desgaseificação do material e, assim, evitar a formação de bolhas no sal fundido.
Resultados e discussão
Os resultados da difusividade térmica e da condutividade térmica são apresentados no gráfico abaixo. Ambas as propriedades mostram um aumento bastante linear dos valores com a temperatura.
Em resumo, a condutividade térmica na faixa de temperatura de 773 K a 973 K do sal líquido FLiNaK foi determinada como sendo 0,652-0,927 W/m∙K com uma incerteza de +/- 0,023 W/m∙K [1]. Isto mostra uma boa concordância com os valores publicados anteriormente.
Resultados e discussão
Em conclusão, a técnica de flash laser em combinação com o cadinho especialmente desenvolvido e o modelo combinado de Dusza é um método fiável para determinar a difusividade térmica de sais fundidos a altas temperaturas*.
FAQs
O que são sais fundidos?
Os sais fundidos são sais inorgânicos que fundem a altas temperaturas e podem ser utilizados como líquido para a transferência de calor.
Para que são utilizados os sais fundidos?
São utilizados em centrais de concentração de energia solar (CSP), na tecnologia nuclear, em sistemas de armazenamento de calor a alta temperatura e na indústria para fornecer calor de processo.
Que vantagens oferecem os sais fundidos em relação aos suportes de calor clássicos?
Têm uma elevada estabilidade térmica, armazenam grandes quantidades de calor e permitem o funcionamento a temperaturas superiores a 500 °C – ideais para sistemas de energia eficientes.
Que desafios se colocam quando utilizas sais fundidos?
A corrosão, os elevados pontos de fusão e a compatibilidade dos materiais são desafios fundamentais que têm de ser tidos em conta na seleção e conceção.
Como é que as propriedades termofísicas dos sais fundidos podem ser medidas?
A condutividade térmica, a capacidade térmica e o comportamento de expansão podem ser determinados utilizando dispositivos de análise térmica, tais como dilatometria, DSC ou análise flash a laser.
