孟強(qiáng)，楊洋，熊亞選

（1.中國人民解放軍63933部隊(duì)，北京 100091；2.北京建筑大學(xué) 供熱供燃?xì)馔L(fēng)及空調(diào)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

0 引言

隨著我國工業(yè)化的發(fā)展，化石燃料的消耗日益增多，其儲量也瀕臨枯竭。同時(shí)，化石燃料燃燒所帶來的環(huán)境問題日益突出。熔鹽是性能優(yōu)越的傳熱蓄熱介質(zhì)，尤其適用于高溫條件，在太陽能光熱發(fā)電和高溫工業(yè)加熱領(lǐng)域已獲得普遍應(yīng)用。當(dāng)前我國光熱發(fā)電裝機(jī)規(guī)模約550 MW，其配置的大容量、安全環(huán)保的熔鹽儲能系統(tǒng)，能夠克服太陽能自身的間歇性和不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)長周期連續(xù)發(fā)電?！半p碳”背景下，熔鹽儲熱技術(shù)是實(shí)現(xiàn)可再生能源、電網(wǎng)谷電、工業(yè)余熱等高效利用的關(guān)鍵技術(shù)，其大規(guī)模應(yīng)用可提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)各行業(yè)大幅節(jié)能、減碳，促進(jìn)“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

熔鹽存在熔點(diǎn)較低、換熱溫差大、熱穩(wěn)定性良好、黏度低、飽和蒸汽壓低且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在太陽能熱發(fā)電、工業(yè)化工處理、余熱利用等領(lǐng)域作為中高溫傳儲熱介質(zhì)得到廣泛應(yīng)用［1-6］。目前，學(xué)者們針對熔鹽相變儲熱開展了試驗(yàn)，吳玉庭等［7］對低谷電加熱熔鹽儲熱工程實(shí)例進(jìn)行分析，并與其他類型儲熱系統(tǒng)進(jìn)行對比，結(jié)果表明，熔鹽儲熱供熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益可觀，環(huán)保效益顯著。邢有凱等［8］對我國熔鹽儲能供暖進(jìn)行了調(diào)研和核算，結(jié)果表明，熔鹽儲能技術(shù)可以提升電網(wǎng)電能的使用率，能夠有效節(jié)約能源，并減少環(huán)境污染。熔鹽儲能技術(shù)不僅能夠應(yīng)用于聚光太陽能熱發(fā)電和供熱領(lǐng)域，而且能應(yīng)用于核電站、燃煤熱力發(fā)電站、垃圾焚燒發(fā)電站、廢水處理站等領(lǐng)域。向基礎(chǔ)熔鹽流體中加入納米級固體顆?？梢允谷埯}的比熱容，傳熱速率得到提高，并且使熔鹽的穩(wěn)定性得到較好改善［9］。常規(guī)的納米流體比熱容比較低，且顆粒尺寸越小越明顯，然熔鹽基納米流體比熱容非常高，引起了學(xué)者的廣泛研究，王振宇等［10］通過試驗(yàn)和理論分析的方法研究了加入納米顆粒后熔鹽比熱容增強(qiáng)的機(jī)理，結(jié)果表明這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是納米顆粒的高熱容量，固-液界面處界面熱阻以及納米顆粒附近壓縮液體層的形成。Liu 等［11］采用水溶液法將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.5%～3.0%）的SiO2，SiC，Si3N4納米顆粒（粒徑為20 nm，500 nm，30 μm）分散到太陽鹽（solar salt）中制得納米熔鹽，共制備27 種納米熔鹽。結(jié)果表明，Si3N4和SiC納米顆粒對solar salt的比熱容影響不大，而添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0% SiO2納米顆粒的納米熔鹽比熱容比solar salt 升高4.3%～9.7%。吳玉庭等［12］將較低熔點(diǎn)的熔鹽與30 nm 的SiO2納米顆粒復(fù)合制備出低熔點(diǎn)熔鹽納米流體，研究了納米粒子對低熔點(diǎn)鹽比熱容的影響，采用同步熱分析儀測量熔鹽比熱容，研究結(jié)果表明分散均勻的SiO2納米粒子可以提高低熔點(diǎn)鹽納米流體的比熱容，納米熔鹽比熱容平均值達(dá)到1.86 J/（g·K）左右，在200～350 ℃的溫度范圍內(nèi)，比熱容提高率為14%～22%。于強(qiáng)等［13］通過機(jī)械分散法，采用太陽鹽和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SiO2納米顆粒所形成的納米熔鹽材料作為儲熱材料，膨脹石墨作為基體材料，制備出納米復(fù)合材料，經(jīng)測量，SiO2納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，復(fù)合材料的平均比熱容和熱導(dǎo)率分別為3.92 J/（g·K）和8.47 W/（m·K），與其他納米SiO2添加比例相比，其比熱容和熱導(dǎo)率分別提高了1.37～2.17 倍和1.7～3.2 倍。張慧等［14］研究了納米熔鹽在不同溫度下的表面張力，得到了納米熔鹽表面張力與溫度之間的關(guān)系。研究表明在熔鹽中加入納米顆粒能提高熔鹽的表面張力，并且納米熔鹽的表面張力隨溫度的升高而降低。Shin等［1］采用水溶液法將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、10 nm 的SiO2納米顆粒分散至二元碳酸鹽（62% Li2CO3，38%K2CO3）中制備納米熔鹽，發(fā)現(xiàn)納米熔鹽的比熱容比基鹽升高19%～24%。Tiznobaik 等［15］采用水溶液法將質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%、10 nm 的納米顆粒（MgO，SiO2，Al2O3）分散到二元碳酸鹽（62% Li2CO3，38% K2CO3）中制備納米熔鹽，結(jié)果表明，添加MgO，SiO2，Al2O3納米顆粒的納米熔鹽比熱容比基鹽依次升高22%，27%，33%。以上文獻(xiàn)綜述表明，盡管學(xué)者們對納米熔鹽材料的穩(wěn)定性做了大量的研究和分析，但是對儲熱材料的儲/放熱循環(huán)穩(wěn)定性研究相對較少，尤其是模擬儲熱材料在工程應(yīng)用中的熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，很少有相關(guān)的研究發(fā)表。因此，研究儲熱材料的儲/放熱過程的穩(wěn)定性對其在能源利用領(lǐng)域和和供熱領(lǐng)域都有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。

本文采用高溫熔融法制備了不同配比的納米熔鹽，利用自行設(shè)計(jì)的“儲熱材料儲/放熱性能測試實(shí)驗(yàn)臺”進(jìn)行冷熱循環(huán)穩(wěn)定性試驗(yàn)，間隔取出被測儲熱材料，對儲熱材料的儲熱性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)測試，得到了該儲熱材料在儲/放熱循環(huán)過程中的熱物理性質(zhì)，并利用同步熱分析儀測試了冷熱循環(huán)過程中儲熱材料比熱、熔點(diǎn)、潛熱和質(zhì)量的變化情況，利用激光導(dǎo)熱儀分析了材料的熱導(dǎo)率變化情況。研究結(jié)果為納米熔鹽的穩(wěn)定性測試提供了可靠的數(shù)據(jù)和技術(shù)方案。

1 試驗(yàn)原理與方法

1.1 性能表征

熔鹽的融點(diǎn)、潛熱和比熱采用同步熱分析儀測試、計(jì)算。首先利用同步熱分析儀測量得熔鹽升溫熔化過程的熱流數(shù)據(jù)曲線，再依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E967-18確定熔鹽的熔點(diǎn)和潛熱。通過已知比熱容的標(biāo)準(zhǔn)樣品（藍(lán)寶石）與納米熔鹽樣品的熱流曲線對比，熔鹽的比熱容為

式中：cp，std和cp，sam分別為標(biāo)準(zhǔn)樣品（藍(lán)寶石）和被測樣品的比熱容，J/（g·K）；hstd和hsam分別為標(biāo)準(zhǔn)樣品與參考空坩堝的熱流信號差、被測樣品與參考空坩堝的熱流信號差，mW；mstd和msam分別為標(biāo)準(zhǔn)樣品和被測樣品的質(zhì)量，g。

在測得熔鹽設(shè)定采點(diǎn)溫度T下的熱擴(kuò)散系數(shù)后，通過式（2）計(jì)算得到溫度T下的熱導(dǎo)率

式中：λ（T）為采點(diǎn)溫度T下納米鹽樣品的熱導(dǎo)率；α（T）為采點(diǎn)溫度T下納米鹽樣品的熱擴(kuò)散系數(shù)；cp（T）為采點(diǎn)溫度T下測得樣品的比熱容；ρ（T）為采點(diǎn)溫度T下樣品的體積密度。

由式（3）計(jì)算得出經(jīng)歷不同次數(shù)加熱/冷卻循環(huán)的熔鹽的質(zhì)量變化

式中：m0為熔鹽的初始質(zhì)量，g；mn為多次加熱/冷卻循環(huán)后熔鹽的質(zhì)量，g。

1.2 熱循環(huán)試驗(yàn)臺的搭建

儲/放熱性能測試實(shí)驗(yàn)臺原理如圖1 所示，該實(shí)驗(yàn)平臺主要是由機(jī)械結(jié)構(gòu)與測控系統(tǒng)組成，其中的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要起到對其他零部件的支撐與固定作用，而測控系統(tǒng)主要用于聯(lián)系各個(gè)機(jī)械零部件與測量設(shè)備、控制設(shè)備以及分析輸出設(shè)備。其中實(shí)驗(yàn)臺機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由電爐支架、電爐、步進(jìn)電機(jī)、移動(dòng)支架、滑動(dòng)軌道、坩堝以及實(shí)驗(yàn)臺支架等組成，具有穩(wěn)定性好、工作效率高等特點(diǎn)。

圖1 儲/放熱性能測試實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)Fig.1 Design of the experimental platform for thermal storage/release performance

在該系統(tǒng)中，電爐用于高溫端溫度控制，溫度設(shè)定高于樣品的目標(biāo)溫度；滑道用于控制樣品位置；控制系統(tǒng)可編程溫度、滑塊位置、加熱時(shí)間、自然冷卻時(shí)間；數(shù)據(jù)采集器用于采集樣品的實(shí)際溫度，監(jiān)測樣品溫度是否達(dá)到預(yù)定要求；熱電偶的溫度探頭置于樣品內(nèi)，用于測量樣品的實(shí)際溫度；電腦對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與導(dǎo)出。

1.3 儲熱熔鹽材料

納米熔鹽主要由納米顆粒和組分鹽組成，本試驗(yàn)以NaNO3，KNO3（純度≥99.0%，購自國藥集團(tuán)）作為組分鹽來制備二元基鹽（60%NaNO3，40%KNO3）。納米材料選用粒徑為20 nm 的SiO2納米顆粒（純度≥99.8%，購自深圳晶材化工有限公司）。

如圖2 所示，試驗(yàn)中，將20 nm SiO2顆粒添加到二元基鹽中，采用高溫熔融法來制備4 種不同配比的納米熔鹽，具體步驟如下。

圖2 納米熔鹽的制備工藝流程Fig.2 Preparation process of molten salt nanofluid

（1）干燥：將硝酸鈉與硝酸鉀粉末放至在恒溫干燥箱（202-3AB）中在170 ℃的環(huán)境下干燥24 h。

（2）稱量：按6∶4 的質(zhì)量比分別在電子天平（MEI 104）上稱量干燥后的硝酸鈉與硝酸鉀粉末。

（3）融化：將稱量好的硝酸鈉與硝酸鉀粉末放至智能磁力攪拌機(jī)（ZNCL-T1000）中進(jìn)行融化，溫度設(shè)定為260 ℃。

（4）混合：向融化的基鹽中加入少量納米顆粒，其中納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.3%，0.5%，0.7%，1.0%，基鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為99.7%，99.5%，99.3%，99.0%，具體納米熔鹽的配置比例見表1。

表1 納米熔鹽配制比例Table 1 Contents of molten salt nanofluid

（5）攪拌：向智能磁力攪拌機(jī)（ZNCL-T1000）中加入轉(zhuǎn)子攪拌1 h，轉(zhuǎn)速設(shè)定為720 r/min。

（6）取樣：用膠頭滴管在融化的納米熔鹽中分層取出少量樣品放在坩堝中。

（7）干燥：將取出的樣品放入恒溫干燥箱（202-3AB）中，在170 ℃的環(huán)境下進(jìn)行干燥24 h，充分除去樣品中的水分并保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 儲熱熔鹽材料熱循環(huán)試驗(yàn)步驟

采用自制的儲熱材料儲/放熱性能測試實(shí)驗(yàn)臺對納米熔鹽進(jìn)行冷熱循環(huán)試驗(yàn)，具體流程如下。

（1）取適量不同配比的納米熔鹽，打碎裝入小坩堝中，放于實(shí)驗(yàn)臺的大坩堝中，并標(biāo)記不同配比納米熔鹽的位置。

（2）通過溫度控制器設(shè)定電爐的溫度為650 ℃，用熱電偶1測量電爐內(nèi)實(shí)際溫度。待電爐實(shí)際溫度分別接近650 ℃并基本保持穩(wěn)定時(shí)，開始試驗(yàn)。

（3）通過熱電偶2測定納米熔鹽的實(shí)際溫度，使熔鹽材料被加熱到560 ℃時(shí)暫停，測定加熱所需的時(shí)間為390 s。同理，使其自然冷卻到300 ℃時(shí)暫停，測定冷卻所需的時(shí)間為320 s。

（4）在控制面板上編寫程序，設(shè)置循環(huán)次數(shù)，使實(shí)驗(yàn)臺定時(shí)自動(dòng)循環(huán)。

（5）圖3 為測得納米熔鹽實(shí)際溫度數(shù)據(jù)中的一部分，由圖可知本試驗(yàn)納米熔鹽加熱最高溫度約為560 ℃，冷卻最低溫度為300 ℃，可見符合最初的溫度設(shè)定值。

圖3 納米熔鹽溫度-時(shí)間變化曲線Fig.3 Temperature-time curve of the molten salt nanofluid

（6）取未經(jīng)循環(huán)、循環(huán)150，300，450 次和600 次的不同配比的納米熔鹽，分別用膠頭滴管取出少量放入坩堝中冷卻后放入試劑瓶中備用，將循環(huán)100，200，300，400，500 次的樣品拍照并觀察樣品變化，并將循環(huán)500次的相變儲熱材料取出放入坩堝中冷卻后放入試劑瓶中備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 熔點(diǎn)和潛熱分析

圖4 為添加不同SiO2配比的熔鹽經(jīng)過不同循環(huán)次數(shù)的熔點(diǎn)曲線?？梢娫谝欢囟确秶鷥?nèi)，添加SiO2納米顆?？梢杂行Ы档腿埯}的熔點(diǎn)。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，同一SiO2配比的熔鹽的熔點(diǎn)總體呈現(xiàn)增大的趨勢。添加1.0%配比納米顆粒的納米熔鹽其熔點(diǎn)更低。熔鹽的熔點(diǎn)越低，運(yùn)行過程中達(dá)到熔融狀態(tài)所需要的熱量就越少，可在很大程度上降低儲熱系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

圖4 不同SiO2配比的熔鹽經(jīng)過不同循環(huán)次數(shù)后的熔點(diǎn)曲線Fig.4 Melting points of molten salt composites with SiO2 of different ratios after different times of cycling

圖5 為添加不同SiO2配比的熔鹽經(jīng)過不同循環(huán)次數(shù)后的潛熱曲線。依據(jù)圖像所示，在此溫度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)熔鹽的潛熱與SiO2納米顆粒的添加量沒有顯著關(guān)系。并且同一SiO2配比的熔鹽的潛熱隨著循環(huán)次數(shù)的增加總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其中趨勢變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在300～450次。熔鹽在固液相變過程中不斷地放熱、吸熱，熔鹽的熔化潛熱越大，同樣體積下能夠儲存和釋放更多的熱量。熔鹽的熔點(diǎn)降低、增加其熔化潛熱有利于降低儲熱系統(tǒng)的初投資，并提高儲熱系統(tǒng)在換熱過程中的穩(wěn)定性和安全性。

圖5 不同SiO2配比的熔鹽經(jīng)過不同循環(huán)次數(shù)后的潛熱曲線Fig.5 Latent heat curves of molten salt composites with SiO2 of different ratios after different times of cycling

此外，圖4 和圖5 顯示納米熔鹽的融點(diǎn)和潛熱在不同配比、不同循環(huán)次數(shù)下呈現(xiàn)不同的性能變化趨勢。這是因?yàn)椴煌浔鹊募{米熔鹽經(jīng)過不同次數(shù)加熱/冷卻循環(huán)后儲熱穩(wěn)定性發(fā)生不同程度的變化。

2.2 比熱容分析

圖6 為經(jīng)不同循環(huán)次數(shù)后，添加不同SiO2配比納米熔鹽的比熱容曲線。依據(jù)圖像所示，在本研究溫度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)在熔鹽中加入適量的SiO2納米顆?？梢燥@著提高熔鹽的比熱容，但加入0.7%及以上配比的SiO2納米顆粒后，熔鹽的比熱容變化不明顯，甚至在210～250 ℃的溫度范圍內(nèi)會出現(xiàn)比熱容降低的情況。此外，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)過加熱冷卻循環(huán)的納米熔鹽在加入SiO2納米顆粒后比熱容會下降。

圖6 添加不同SiO2配比的熔鹽比熱容曲線Fig.6 Specific heat capacity curve of molten salt composites with SiO2 of different ratios

同一SiO2配比的納米熔鹽的比熱容隨著溫度的增加總體呈現(xiàn)先緩慢增大，在225～230 ℃出現(xiàn)突增后在230 ℃左右開始突降，到達(dá)260 ℃左右時(shí)開始趨于平穩(wěn)。

通過對比經(jīng)歷不同循環(huán)次數(shù)后的納米熔鹽比熱容曲線后發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，不同SiO2納米顆粒配比的納米熔鹽的比熱容隨溫度變化的曲線差別逐漸減小，逐漸匯集到一起。此外，在經(jīng)歷0～600 次冷熱循環(huán)，在熔鹽中加入0.5%的SiO2納米顆粒的比熱容優(yōu)化效果最好，在熔點(diǎn)附近的比熱容達(dá)到最高，其比熱容峰值在經(jīng)歷0 次循環(huán)時(shí)約為5.8 J/（g·K），在經(jīng)歷150次循環(huán)后約為6.3 J/（g·K），在經(jīng)歷300 次循環(huán)后約為6.5 J/（g·K），在經(jīng)歷450次循環(huán)后約為5.9 J/（g·K），在經(jīng)歷600 次循環(huán)后約為5.4 J/（g·K）。在其他溫度范圍內(nèi)比熱容基本保持在1.2～1.5 J/（g·K），因此在熔鹽中加入0.5%SiO2納米顆粒的納米熔鹽與其他配比納米熔鹽相比比熱容的優(yōu)化效果更為明顯。綜合考慮比熱容和潛熱，添加0.5%的SiO2納米顆粒的納米熔鹽儲熱性能達(dá)到最優(yōu)。

本文對熔鹽進(jìn)行不同次數(shù)的加熱/冷卻循環(huán)，與先前研究的比熱容結(jié)果進(jìn)行對比，見表2。經(jīng)過加熱冷卻循環(huán)后的NaNO3+KNO3+0.5%SiO2樣品的比熱容明顯高于Liu［9］和于強(qiáng)等［11］的研究結(jié)果，具有良好的熱性能。

表2 比熱容結(jié)果對比Table 2 Comparisons of specific heat capacity

2.3 質(zhì)量變化分析

圖7 是添加不同SiO2配比的熔鹽質(zhì)量變化曲線?？梢钥闯?，同一SiO2納米顆粒配比納米熔鹽的質(zhì)量與溫度變化沒有明顯的聯(lián)系。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在隨著加熱冷卻循環(huán)次數(shù)的增加，添加0.3%和0.5%配比SiO2納米顆粒的納米熔鹽的質(zhì)量呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢，在循環(huán)300～450 次質(zhì)量與溫度的變化曲線出現(xiàn)了轉(zhuǎn)變。而添加0.7%和1.0%配比SiO2納米顆粒的納米熔鹽的質(zhì)量與溫度變化沒有明顯的聯(lián)系。

圖7 添加不同SiO2配比熔鹽的質(zhì)量變化曲線Fig.7 Thermogravimetric curves of molten salt composites with SiO2 of different ratios

此外，隨著納米熔鹽中SiO2納米顆粒所占配比的增大，經(jīng)歷不同冷熱循環(huán)次數(shù)的納米熔鹽的質(zhì)量隨溫度變化的變化曲線差別逐漸減小，逐漸匯集到一起。通過對比不同SiO2納米顆粒配比的納米熔鹽的循環(huán)后的質(zhì)量曲線，發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷0，150，300 次循環(huán)的0.5%配比SiO2納米顆粒納米熔鹽的質(zhì)量比0.3%配比SiO2納米顆粒納米熔鹽的質(zhì)量略小，而經(jīng)歷450，600 次循環(huán)的0.5%配比SiO2納米顆粒納米熔鹽的質(zhì)量比0.3%配比SiO2納米顆粒納米熔鹽的質(zhì)量略大。

此外，發(fā)現(xiàn)未循環(huán)時(shí)在同一溫度條件下熔鹽的質(zhì)量變化隨添加的納米顆粒配比的變化不明顯。循環(huán)150 次后，在同一溫度條件下熔鹽的質(zhì)量隨著添加納米顆粒的配比增加而減少。循環(huán)300 次后，在同一溫度條件下熔鹽的質(zhì)量隨添加的納米顆粒配比的變化不明顯。在循環(huán)450 次后，在同一溫度條件下熔鹽的質(zhì)量隨著添加的納米顆粒的配比增加先增加后減少，在0.7%～1.0%的納米顆粒配比之間發(fā)生了轉(zhuǎn)變。循環(huán)600 次后，在同一溫度條件下熔鹽的質(zhì)量隨著添加的納米顆粒的配比增加而增加。

經(jīng)分析，本測試中樣品增重的部分可能是樣品與氣氛發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)或?qū)嶒?yàn)器材對測試的結(jié)果造成了一定的影響，而失重部分可能是樣品隨著溫度的增加發(fā)生了分解反應(yīng)。

2.4 導(dǎo)熱性能分析

經(jīng)過600 次循環(huán)后添加不同配比SiO2納米顆粒的納米熔鹽的熱導(dǎo)率曲線如圖8所示?？梢缘贸鲈谌埯}中加入SiO2納米顆?？梢燥@著提高熔鹽的熱導(dǎo)率。同時(shí)，SiO2納米顆粒的添加量與納米熔鹽的熱導(dǎo)率呈正相關(guān)，當(dāng)SiO2納米顆粒添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，納米熔鹽熱導(dǎo)率最高達(dá)0.32 W/（m·K）；當(dāng)SiO2納米顆粒添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，納米熔鹽的熱導(dǎo)率最高達(dá)0.70 W/（m·K），升高了119%。

圖8 經(jīng)歷600次循環(huán)后不同SiO2配比的熔鹽熱導(dǎo)率曲線Fig.8 Thermal conductivity curves of molten salt composites with SiO2 of different ratios after 600 cycles

從圖8 中還可以看出，同一SiO2配比的納米熔鹽的熱導(dǎo)率隨著溫度的增加總體呈增大趨勢，但在250 ℃左右熱導(dǎo)率增速加快，隨后出現(xiàn)略微下降后繼續(xù)升高。其主要原因納米熔鹽的在熔點(diǎn)附近處于固-液相變過程，相變材料保持在兩相狀態(tài)，物理特性呈現(xiàn)出很大的不確定性，導(dǎo)致計(jì)算出的熱導(dǎo)率較大。

3 結(jié)論

熔鹽被廣泛用于光熱發(fā)電領(lǐng)域，但其在運(yùn)行過程中穩(wěn)定性較差。為驗(yàn)證納米熔鹽的熱穩(wěn)定性，本文自制了儲熱材料加熱-冷卻穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)臺，通過高溫熔融法制備了添加SiO2顆粒的納米熔鹽（基鹽為60% NaNO3～40% KNO3），對制備的納米熔鹽進(jìn)行了連續(xù)的加熱/冷卻循環(huán)試驗(yàn)，以驗(yàn)證其循環(huán)前后的熔點(diǎn)、潛熱、質(zhì)量和熱導(dǎo)率的變化，主要得到以下結(jié)論。

（1）同一SiO2配比的熔鹽的熔點(diǎn)隨著循環(huán)次數(shù)的增加總體呈現(xiàn)增大的趨勢；添加1.0%配比納米顆粒的熔鹽熔點(diǎn)更低，可操作的溫度范圍更廣，儲熱系統(tǒng)所需的經(jīng)濟(jì)成本更??；同一SiO2配比的熔鹽的潛熱隨著循環(huán)次數(shù)的增加總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其中趨勢變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在300～450次。

（2）隨著循環(huán)次數(shù)的增加，不同SiO2納米顆粒配比的納米熔鹽的比熱容隨溫度變化的差別逐漸減??；在經(jīng)歷0～600次冷熱循環(huán)的范圍內(nèi)，在熔鹽中加入0.5%的SiO2納米顆粒的比熱容與其他配比的相比優(yōu)化效果更好，儲熱能力更強(qiáng)；添加不同配比SiO2納米顆粒的熔鹽的比熱容隨著加熱冷卻循環(huán)次數(shù)的增加而下降；并且隨著納米熔鹽中SiO2納米顆粒所占配比的增大，經(jīng)歷不同冷熱循環(huán)次數(shù)的納米熔鹽的比熱容隨溫度變化的變化差別逐漸減小。

（3）隨著加熱冷卻循環(huán)次數(shù)的增加，添加0.3%和0.5%配比SiO2納米顆粒的納米熔鹽的質(zhì)量呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢，在循環(huán)300～450 次時(shí)質(zhì)量隨溫度的變化曲線出現(xiàn)了轉(zhuǎn)變；而添加0.7%和1.0%配比SiO2納米顆粒的納米熔鹽的質(zhì)量變化與溫度變化沒有明顯的聯(lián)系；隨著納米熔鹽中SiO2納米顆粒所占配比的增大，經(jīng)歷不同冷熱循環(huán)次數(shù)的納米熔鹽的質(zhì)量隨溫度變化的差別逐漸減小。

（4）在熔鹽中加入SiO2納米顆粒可顯著提高熔鹽的熱導(dǎo)率；SiO2納米顆粒的添加量與納米熔鹽的熱導(dǎo)率呈正相關(guān)，當(dāng)SiO2納米顆粒添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，納米熔鹽的熱導(dǎo)率最高可達(dá)0.70 W/（m·K）。