İçindekiler
Erimiş Tuzların Uygulamaları
Erimiş tuzlar 300 °C’nin üzerindeki yüksek sıcaklıklarda kararlıdır ve dikkate değer termal özellikler sergiler. Bu özellikler, nükleer fisyon reaktörleri ve güneş enerjisi santralleri gibi verimli ısı transferi gerektiren uygulamalar için çok önemlidir.
Özellikle, lityum florür (LiF), sodyum florür (NaF) ve potasyum florürün (KF) ötektik bir karışımı olan ve bir reaktör yapımı için umut verici bir malzeme olan FLiNaK erimiş tuzu, yüksek termal iletkenliği ile karakterize edilir.
Bu bağlamlarda, FLiNaK bir soğutucu ve ısı transfer ortamı olarak işlev görür ve bu sayede özel ısı kapasitesi ve yoğunluk sistem tasarımı için belirleyicidir.
Gelişmiş bir nükleer reaktör türü olan Erimiş Tuz reaktörlerinde, bölünebilir malzeme için taşıyıcı ortam olarak FLiNaK kullanılır. Bu reaktörler, daha verimli ve daha güvenli nükleer fisyon sağlamak için Erimiş Tuzların yüksek erime noktalarını ve mükemmel ısı transfer yeteneklerini kullanır.
Geleneksel su bazlı reaktörlerle karşılaştırıldığında, daha yüksek çalışma sıcaklıkları sayesinde daha iyi termal verimlilik ve daha düşük çalışma basınçları sayesinde buhar patlaması riskini azaltma gibi çeşitli avantajlar sunarlar.
Erimiş tuzlar, güneş kolektörleri tarafından emilen güneş enerjisini depolamak ve taşımak için termal güneş enerjisi santrallerinde ısı transfer ortamı olarak kullanılır. Uzun süreler boyunca ısı depolama yetenekleri, doğrudan güneş ışığı olmadığında bile sürekli enerji üretimine olanak sağlar.
Bu, günün saatine veya hava koşullarına bakılmaksızın tutarlı bir enerji kaynağı sağlayarak bu tür sistemlerin genel verimliliğini ve güvenilirliğini önemli ölçüde artırır.
Erimiş tuzların incelenmesinde termokimya ve termofiziksel özelliklerin önemi
Termokimya ve termodinamik, erimiş tuzların incelenmesinde çok önemli araçlardır, çünkü bu malzemelerin özelliklerine ilişkin kapsamlı bilgiler sağlarlar.
Gibbs enerjisi ve entalpientropi ve ısı kapasitesi büyük önem taşıyan parametrelerdir. Gibbs enerjisi, bir sistemin iş yapma termodinamik potansiyelinin bir ölçüsüdür ve kimyasal reaksiyonların yönünü ve kapsamını ve erimiş tuzların faz dengelerini belirlemede önemli bir rol oynar. Aynı zamanda bu tuzların kararlılığını da etkiler ve bu da uygulamalarını ve kullanımlarını anlamak ve optimize etmek için temeldir.
Erimiş Tuzların termofiziksel özellikleri de aynı derecede önemlidir. Bu özellikler ısı kapasitesi, termal iletkenlik ve ısı transfer katsayısını içerir. Erimiş Tuz reaktörleri, ısı eşanjörleri ve depolama tankları gibi Erimiş Tuz kullanan sistemlerin modellenmesi, tasarımı ve işletilmesinde önemli bir rol oynarlar.
Erimiş Tuzların yoğunluğu akış özelliklerini ve ısı dağılımını etkilerken, termal iletkenlik bu sistemlerde ısı transferinin verimliliği üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Isı transfer katsayısı, Erimiş Tuzlarda ısı değişim süreçlerinin verimliliği için belirleyici bir faktördür.
Erimiş Tuz temelli teknolojilerin araştırılması ve geliştirilmesinde, termokimyasal ve termofiziksel özelliklerin kapsamlı bir şekilde incelenmesi bu nedenle çok önemlidir. Bu bilgi, bu tür sistemlerin performansını ve verimliliğini artırmayı ve bunları nükleer enerji, güneş enerjisi, metal çıkarma ve elektrokimya gibi alanlarda çok çeşitli uygulamalar için kullanmayı mümkün kılar.
STA, Lazer Flaş Termal Difüzivite Analizörü ve Dilatometre, erimiş tuzların analizi için güçlü araçlardır
Farklı analitik tekniklerin kombinasyonu, erimiş tuzların termokimyasal ve termofiziksel özelliklerinin derinlemesine incelenmesini sağlar.
Bu malzemelere ilişkin kapsamlı bir anlayış geliştirmek, çeşitli kilit alanlardaki uygulamalarını optimize etmek için çok önemlidir.
Eşzamanlı termal analiz (STA)
Kullanılan tekniklerden biri Eşzamanlı Termal Analiz (STA)bir kombinasyonu termogravimetrik analiz (TGA) ve Diferansiyel Tarama Kalorimetrisi (DSC)Bu da çok çeşitli özelliklerin belirlenmesini mümkün kılar.
Bir STA ile kütle kaybı, erime noktası, faz geçi̇şleri̇, the ısı kapasitesi, the termal kararlılık ve erimiş tuzların ayrışması analiz edilebilir ve üretilen gazlar da kütle spektrometresi gibi birleşik cihazlar kullanılarak incelenebilir.
Örneğin, bazı erimiş tuzların önemli bir bileşeni olan lityum nitratın termal ayrışmasını tanımlamak için bir STA kullanılabilir.
Lazer Flaş Analizi (LFA)
Bir diğer değerli teknik ise, yüksek sıcaklıklarda farklı bileşimlere sahip Erimiş Tuzların termal difüzivitesini ve termal iletkenliğini ölçebilen Lazer Flaş Analizidir (LFA).
Örneğin, yaygın olarak kullanılan bir erimiş tuz olan sodyum klorürün termal difüzivitesi bir LFA kullanılarak ölçülebilir.
Dilatometri (DIL)
Bu dilatometri (DIL) belirlemek için kullanılan bir diğer önemli tekniktir. termal genleşme erimiş tuzların farklı sıcaklıklarda.
Bu veriler, malzemelerin değişken sıcaklıklar altında genleştiği ve büzüldüğü Erimiş Tuz reaktörlerinin tasarımı için özellikle önemlidir.
Erimiş Tuz teknolojilerinin araştırılması ve geliştirilmesinde, bu analitik teknikler malzeme özelliklerini karakterize etmek ve farklı koşullar altındaki davranışlarını anlamak için gereklidir.
Bu anlayış, çeşitli endüstriyel ve bilimsel alanlarda Erimiş Tuz uygulamalarının optimizasyonu ve daha da geliştirilmesinin anahtarıdır.
Erimiş Tuzlar Üzerinde Eşzamanlı TG-DSC Ölçümleri
Isı depolama ve ısı transferinin önemi, ısı transfer akışkanları ve PCM (faz değişim malzemeleri) olarak Erimiş Tuzların kullanıldığı güneş enerjisi santralleri gibi alternatif enerji kaynaklarının artan üretimi ile bağlantılı olarak güçlü bir şekilde artmaktadır.
Kullanılan tuzların verimliliği, füzyon ısısı, ısı kapasitesi, yoğunluk, termal iletkenlik, hacim genişlemesi gibi malzeme özelliklerine bağlıdır.
Bu nedenle, erimiş tuzların verimliliğini karakterize etmek için çeşitli termal analiz yöntemleri uygundur.
Uygulama Notu: Eşzamanlı Termal Analiz ile Erimiş Tuzların Kararlılığı (STA L82)
Bu çalışmada, kalsiyum nitrat tetrahidrat – Ca(NO3)2. 4H2O– ölçüm sonuçları sunulmuş ve tartışılmıştır. Bu tuz, ucuz ve son derece etkili olduğu için ısı depolama ve ısı transferi için bir malzeme olarak zaten yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.
Numune bir mercek buzu ile analiz edildi STA L82 enstrüman ağırlıktaki değişimi ve DSC sinyalini aynı anda izler. Faz geçişlerinin entalpisi ve ısı kapasitesi DSC sinyalinden belirlenebilir.
Numune kapalı bir alüminyum potada 10 K/dak ısıtma hızıyla 180 °C’ye ısıtılmış ve 3 saat boyunca izotermal olarak tutulmuştur. Daha sonra 10 K/dak ısıtma hızıyla 600 °C’ye ısıtılmıştır.
Sonuçlar ve tartışma
Şekil 1 ölçüm sonuçlarını göstermektedir. Mavi eğri kütle kaybını, kırmızı eğri ise DSC sinyalini göstermektedir.
DSC sinyalindeki ilk pik, numunenin erimesinden kaynaklanır. Erime pikinin başlangıcı 46 °C’dir.
Numunenin tamamen erimesinden sonra, 141 °C’de başlayan ikinci bir endotermik pik meydana gelir. TG sinyali bu sıcaklık aralığında %32’lik bir ağırlık kaybı gösterir. Kalsiyum nitrat tetrahidratın kristalleşme suyu ayrılır ve katı susuz tuz oluşur.
180°C’de izotermal bekletme süresi boyunca numune başka bir değişikliğe uğramaz, bu da bu sıcaklığın tuzu kurutmak ve susuz tuz elde etmek için ideal olduğu anlamına gelir.
Tekrar 541 °C’ye ısıtıldığında endotermik bir pik oluşur. Susuz tuz erir. Ancak, TG sinyali ağırlıkta bir kayıp gösterir. Bu, tuzun erime sırasında ayrıştığını gösterir. Bu nedenle, erimiş susuz tuzun füzyon entalpisi ve ısı kapasitesi doğrudan ölçülemez.
Ancak bu, tuz karışımlarının daha ileri TG-DSC ölçümleri ile elde edilebilir. Kalsiyum nitrat farklı molar yüzdelerde lityum, sodyum veya potasyum nitrat ile karıştırılmalıdır.
Aynı yöntem erimiş susuz kalsiyum nitratın ısı kapasitesini ölçmek için de kullanılır.
Sonuç
Termoanalitik yöntemler, erimiş tuzların malzeme özelliklerini elde etmek için çok uygundur.
Eşzamanlı TG-DSC analizi, katı ve erimiş halde füzyon ısısını ve ısı kapasitesini sağlar.
Kütle değişim sinyalleri, örneğin kristal suyun buharlaşmasını ve tuzun ayrışmasını tespit etmek için kullanılabilir.
Lazer Flaş Tekniği ile Erimiş Tuzlarda Termal İletkenlik Ölçümleri
Sıvı tuzların termal iletkenliğinin belirlenmesi ve optimize edilmesi, erimiş tuz reaktörü olarak adlandırılan yeni nesil nükleer reaktörlerin geliştirilmesinde önemli bir yapı taşıdır. Burada, erimiş tuzlar hem ısı depolama hem de reaktör çekirdeğinde üretilen ısının aktarılması için bir ortam görevi görür.
Sıvıların ısıl iletkenliğini belirlemek için her birinin avantaj ve dezavantajları olan çeşitli yöntemler vardır. Ölçüm sırasında konveksiyon ve termal radyasyon yoluyla ısı kayıplarının oluşmasından kaçınılmalıdır, çünkü bunlar önemli ölçüm hatalarına neden olur ve dolayısıyla hatalı sonuçlar üretir. Örneğin konveksiyon, ölçüm için gerekli olan sıcaklık gradyanlarının uygulanması nedeniyle sabit yöntemlerde meydana gelir ve bu da tipik olarak çok uzun ölçüm süreleri ile artar.
Erimiş tuzların termal iletkenliğini belirlemek için en umut verici yöntem, mutlak bir ölçüm olduğu ve bu nedenle bir referans malzeme ile kalibrasyon gerektirmediği için lazer flaş yöntemidir. Ayrıca, gerekli numune miktarının az olması ve ölçüm sürelerinin kısa olması nedeniyle konveksiyon etkileri en aza indirilir.
Bununla birlikte, lazer flaş yöntemi öncelikle homojen ve katı malzemeler için tasarlandığından, özel bir numune tutucunun yapımı gereklidir.
Şekil 2, inşa edilen örnek krozenin şemasını göstermektedir. Kroze, yüksek sıcaklıklarda bile tuzun aşındırıcı özelliklerine dayanabildiği için grafitten yapılmıştır. Taban ve kapak, krozenin merkezindeki numune kalınlığı belirli bir mesafeye kadar tanımlanacak şekilde sabitlenmiştir. Tasarım ayrıca malzemenin daha yüksek sıcaklıklarda genişleyebilmesi için yanlarda ek alan sağlar. Kapakta ayrıca malzeme tarafından üretilen gazların dışarı çıkabilmesi için delikler bulunmaktadır. Çözünmüş gazlar malzemede homojensizliklere veya kroze ile zayıf temasa yol açan kabarcıklar oluşturabileceğinden, bu son nokta çok önemlidir.
Uygulama notu: LFA L52 kullanarak Erimiş Tuzlarda termal difüzivite ölçümü
Burada sunulan erimiş tuz FLiNaK’ın termal difüzivitesinin ölçümü, Linseis LFA L52 sistemi kullanılarak 773 K ila 973 K arasında helyum atmosferinde gerçekleştirilmiştir. Özel olarak tasarlanmış kroze, aynı anda üç numuneye kadar tutabilen bir numune robotuna yerleştirilmiştir. Gerçek testten önce, malzemenin gazının alınmasını sağlamak ve böylece erimiş tuzda kabarcık oluşmasını önlemek için numune birkaç kez erime sıcaklığının biraz üzerinde ön ısıtmaya tabi tutulmuştur.
Sonuçlar ve tartışma
Termal difüzivite ve termal iletkenlik sonuçları aşağıdaki grafikte gösterilmektedir. Her iki özellik de sıcaklıkla birlikte oldukça doğrusal bir artış göstermektedir.
Özet olarak, FLiNaK sıvı tuzunun 773 K ila 973 K sıcaklık aralığındaki termal iletkenliği +/- 0,023 W/m∙K belirsizlikle 0,652-0,927 W/m∙K olarak belirlenmiştir [1]. Bu, daha önce yayınlanan değerlerle iyi bir uyum göstermektedir.
Sonuçlar ve tartışma
Sonuç olarak, özel olarak geliştirilen kroze ve Dusza’nın birleşik modeli ile birlikte lazer flaş tekniği, yüksek sıcaklıklarda erimiş tuzların termal difüzivitesini belirlemek için güvenilir bir yöntemdir*.
SSS
Erimiş Tuzlar Nedir?
Erimiş tuzlar, yüksek sıcaklıklarda eriyen ve daha sonra ısı transferi için sıvı olarak kullanılabilen inorganik tuzlardır.
Kaynaşmış tuzlar ne için kullanılır?
Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi santrallerinde (CSP), nükleer teknolojide, yüksek sıcaklıkta ısı depolama sistemlerinde ve endüstride proses ısısı sağlamak için kullanılırlar.
Erimiş Tuzlar klasik ısı taşıyıcılara kıyasla ne gibi avantajlar sunuyor?
Yüksek termal kararlılığa sahiptirler, büyük miktarda ısı depolarlar ve 500 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda çalışabilirler – verimli enerji sistemleri için idealdir.
Erimiş tuzları kullanırken ne gibi zorluklar yaşanıyor?
Korozyon, yüksek erime noktaları ve malzeme uyumluluğu, seçim ve tasarım sırasında dikkate alınması gereken temel zorluklardır.
Erimiş Tuzların termofiziksel özellikleri nasıl ölçülebilir?
Termal iletkenlik, ısı kapasitesi ve genleşme davranışı dilatometri, DSC veya lazer flaş analizi gibi termal analiz cihazları kullanılarak belirlenebilir.
