【摘 要】
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“双碳”背景下,纳米熔盐作为一种高效的传热储热工质,广泛应用于储热系统。熔盐中加入小比例纳米颗粒可大幅提高熔盐的传热储热性能。然而,纳米熔盐的均匀性与稳定性是制约其规模化应用的关键因素。本文以Solar salt(60 wt.%Na NO3-40 wt.%KNO3)为基盐,30 nm SiO2为纳米颗粒,分别采用高温熔融法和水溶液法制备纳米熔盐,部分样品添加表面分散剂十二烷基硫酸钠(SDS)以提高
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“双碳”背景下,纳米熔盐作为一种高效的传热储热工质,广泛应用于储热系统。熔盐中加入小比例纳米颗粒可大幅提高熔盐的传热储热性能。然而,纳米熔盐的均匀性与稳定性是制约其规模化应用的关键因素。本文以Solar salt(60 wt.%Na NO3-40 wt.%KNO3)为基盐,30 nm SiO2为纳米颗粒,分别采用高温熔融法和水溶液法制备纳米熔盐,部分样品添加表面分散剂十二烷基硫酸钠(SDS)以提高纳米颗粒的分散均匀性,此外,分别采用静态稳定和动态稳定法研究高温静置和冷热循环对纳米熔盐传热储热性能的影响。本文通过表征纳米熔盐的比热、熔点、熔化潜热、热重、导热系数和微观结构,揭示纳米熔盐的均匀性与稳定性。研究表明,在不同温度下,样品SS1~SS9的平均比热比基盐依次最大提高25.7%、25.5%、35.0%、24.9%、23.8%、23.7%、23.0%,除100℃外,其余温度下样品SS6比热增加最大,样品SS1和SS7的比热增加较小,样品SS6与SS7间比热相差最大(0.468 J/(g·K)),比热分布极不均匀。纳米熔盐的熔点分布较均匀,样品SS2的熔点最高为231.5℃,比基盐升高6℃,增加2.66%,9个样品间熔点最大相差4.9℃。随着样品序号的增加,潜热呈锯齿状升高或降低,样品SS6的潜热最大为115.8 J/g,比基盐提高5.75%;样品SS7潜热最小为103.3 J/g,比基盐降低5.66%,样品SS6与SS7的潜热相差12.5 J/g。样品SS1、SS5、SS7、SS8、SS9的平均导热系数低于平均值,依次降低19.16%、3.00%、9.91%、13.59%、0.85%;样品SS2、SS3、SS4、SS6的平均导热系数高于平均值,依次增加9.55%、7.48%、9.65%、19.82%,样品间的导热系数分布不均匀。表面分散剂的添加改善了纳米熔盐比热分布的均匀性,样品间比热的最大差值由0.468 J/(g·K)降低至0.29 J/(g·K);然而,表面分散剂对纳米熔盐熔点和潜热的影响较小,样品间潜热最大相差14.2 J/g;表面分散剂使纳米熔盐的热扩散系数和导热系数降低,其中热扩散系数比基盐最大降低62.5%,导热系数比基盐最大降低65.28%,不利于纳米熔盐的传热储热性能。静态稳定性实验使纳米熔盐的比热普遍升高,样品JT1~JT9的固态平均比热比纳米熔盐SS1~SS9的平均比热依次增大7.35%、1.55%、7.94%、1.92%、4.64%、-5.34%、14.52%、-4.47%、-3.09%;液态平均比热依次增大2.74%、-0.78%、7.71%、-0.16%、8.16%、-4.63%、16.71%、0.29%、-1.99%。静态稳定性实验对纳米熔盐的熔点影响较小,对潜热影响较大,潜热最大降低10.84%。静态稳定性实验使纳米熔盐的导热系数普遍升高,9个样品中导热系数最大升高35.64%。添加不同SiO2浓度的纳米熔盐时,动态稳定性实验对比热的影响差异较大,SiO2添加浓度为0.1 wt.%时,比热最大增加12.17%;SiO2添加浓度为0 wt.%、0.3 wt.%、0.5 wt.%、1.0 wt.%时,比热最大降低16.97%。动态稳定性实验对纳米熔盐的熔点影响可忽略;但对纳米熔盐潜热的影响较大,样品800-0.3的潜热比未循环的纳米熔盐降低13.72%。此外,在冷热循环前后,添加0.3 wt.%、0.5 wt.%SiO2的纳米熔盐比热均是六种纳米颗粒添加浓度中较大的,因此,0.3 wt.%、0.5 wt.%SiO2是纳米熔盐的最佳添加浓度,可优先考虑用于工业储热。纳米熔盐的均匀性与搅拌强度和微观形貌有直接关系,搅拌强度高的纳米熔盐(SS4、SS5、SS6)传热储热性能较好,相反,搅拌强度较低的纳米熔盐(SS3、SS8)传热储热性能较差。添加表面分散剂的纳米熔盐微观形貌差异较大,SEM图中显示纳米熔盐表面形成晶体结构,但未形成团聚体。纳米熔盐的稳定性与云核的饱和程度密切相关,在长时间的高温熔化过程中,盐分子与纳米颗粒形成的云核结构化学吸附层稳定,同时在范德华力和静电力的作用下,外层物理吸附增强,云核结构更加密实,且不会发生变化,破坏云核结构将需要更高的能量。
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