摘要:為準確計算納米熔鹽的傳熱儲熱能力，利用高溫熔融法將SiO2納米顆粒分散至二元硝酸鹽(60%NaNO3-40%KNO3)中，制備了5種不同含量SiO2納米顆粒的納米熔鹽復合材料。基于阿基米德法測量液體密度和拉筒法測量液體表面張力的原理改進實驗裝置，搭建高溫熔鹽密度、表面張力實驗臺。實驗對制備的5種納米熔鹽的表面張力和密度進行實驗測量，并對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到5種納米熔鹽密度和表面張力隨溫度的變化關(guān)系，擬合得到納米熔鹽密度和表面張力與溫度之間的實驗關(guān)聯(lián)式。結(jié)果表明，基鹽及5種納米熔鹽的密度均隨溫度的升高而下降，且加入SiO2納米顆粒后，熔融鹽的密度變化不明顯。基鹽及5種納米熔鹽的表面張力也隨溫度的升高而下降，且加入SiO2納米顆粒后，熔融鹽的表面張力值均有所增加。提出納米熔鹽形成機理，并對納米熔鹽密度和表面張力改變的原因進行解釋。

熔鹽作為一種具有優(yōu)良傳熱性能的介質(zhì)，在太陽能光熱領(lǐng)域、“谷電”儲熱領(lǐng)域、工業(yè)高溫間歇性余熱回收領(lǐng)域都具有很好的應(yīng)用前景。熔融鹽密度和表面張力的大小直接決定著其傳熱性能的好壞。確定熔融鹽的密度和表面張力對傳熱儲熱工質(zhì)的優(yōu)選具有極其重要的意義。

針對熔融鹽的密度和表面張力，已經(jīng)有許多的學者進行了研究。A··別略耶夫等對大量的熔融鹽的密度進行了實驗研究，并且給出了與溫度之間的擬合關(guān)系式。Li等利用阿基米德法測量了LiNO3-NaNO3-KNO3-NaNO2-KNO2共晶鹽，液態(tài)時不同溫度下的密度，得到溫度和密度之間的擬合關(guān)系式，并且給出了預測混合共晶鹽密度的模型。Wu等在solar salt中加入了多壁碳納米管，并利用阿基米德法對其密度進行測量，實驗結(jié)果表明，在基鹽中加入多壁碳納米管后密度變化不大。Zou等在Hitec鹽中加入硝酸鈣后利用阿基米德法對其密度進行實驗測量，結(jié)果表明，其密度隨溫度呈線性變化，且熔融鹽的密度隨溫度的升高而降低。Xiong等制備出了6種不同組成比的四元溴化鹽，并且通過阿基米德法和拉筒法對其進行密度和表面張力的測量，結(jié)果表明，密度和表面張力均隨溫度呈線性變化。Hong等對K2O-NbO5熔融體系的表面張力進行了研究，結(jié)果表明，增加K2O的比例熔融鹽體系的表面張力會減小。Kubikova等利用最大氣泡壓力法對LiCl-NaCl-ZnCl2熔融鹽體系的表面張力進行了測量，并得到了熔融鹽表面張力隨溫度變化的擬合關(guān)系式。這些研究人員對熔融鹽的密度和表面張力進行了測量，都為今后優(yōu)選出具備良好傳熱儲熱性能的介質(zhì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

文獻綜述表明,近年來許多的研究人員對熔融鹽的密度和表面張力進行研究，但是單一組分和多組分熔融鹽作為傳熱儲熱介質(zhì)還存在熔點偏高、工作溫度范圍較窄、儲熱成本偏高等缺點。solar salt作為應(yīng)用最為廣泛的熔融鹽之一，在其中加入SiO納米顆粒后比熱容最大提高28.9%8。而在solar salt中加入SiO2納米顆粒后，其密度和表面張力卻未見有公開發(fā)表的文章。本文通過阿基米德法和拉筒法對高溫熔融法制備的納米熔鹽復合材料進行密度和表面張力的測量。最終得到密度和表面張力隨溫度變化的擬合關(guān)系式，為優(yōu)選出適合于傳熱儲熱性能的介質(zhì)提供數(shù)據(jù)支撐。同時對高溫熔融法制備的納米熔鹽的機理進行分析。

1實驗材料與方法

1.1納米熔鹽的制備

本實驗所用材料為NaNO3、KNO3和30nm的SiO2納米顆粒。所有實驗材料在制備納米熔鹽之前均需要經(jīng)過干燥處理。使用型號為Mettler Toledo ME104，精度為0.1mg的電子天平對干燥后的熔融鹽和納米顆粒進行稱量。見表1，按照比例將基鹽及納米顆粒進行稱量后，利用高溫熔融法將SiO2納米顆粒均勻分散至基鹽中，將制備好的納米熔鹽樣品放入干燥箱中保存?zhèn)溆谩?

1.2實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)由測量系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)組成。實驗系統(tǒng)如圖1(a)所示。測量系統(tǒng)由高精度電子天平(型號為METTLER TOLEDO ME104,精度為0.1 mg)、數(shù)據(jù)采集器(型號為key sight 34872 A)、熱電偶(K型)、探頭組成;加熱系統(tǒng)由電加熱爐和坩坩堝堝組成;控制系統(tǒng)由電壓調(diào)整器(型號為T6-1-4-060 DC)、智俊軟件組成;支撐系統(tǒng)由升降臺、鋼架、玻璃板組成。

實驗系統(tǒng)如圖1(a)所示。

1.2.1密度實驗臺

密度是一個重要的物性參數(shù),尤其對于用作傳熱蓄熱工質(zhì)的熔融鹽。熔融鹽的密度大時,能夠減少傳熱儲熱系統(tǒng)中的占地面積，有效節(jié)約經(jīng)濟成本。在眾多密度測量的方法中,阿基米德法以其操作簡單、測量精度高等優(yōu)點,更加適合于測量高溫下液體的密度。

對納米熔鹽的密度進行測量時,需要耐高溫的密度探頭,因此選用316 L不銹鋼制成如圖1(b)所示的密度探頭。先將密度探頭用鉑金絲懸掛在電子天平底部,稱量得到其質(zhì)量為m_1,后使探頭完全浸入液體中,待探頭保持穩(wěn)定且電子天平達到平衡后,得到電子天平讀數(shù)m_2,由式(1)計算可得液體密度。

式中,m_1為懸掛于電子天平底部密度探頭的質(zhì)量,g;m_2為密度探頭浸入到待測液體內(nèi)電子天平的數(shù)值,g;g為重力加速度,取9.81 m/s^2;V為探頭的體積,m^3。

1.2.2表面張力實驗臺

表面張力是一個重要的物性參數(shù)，是物質(zhì)傳熱性能好壞的決定因素之一。表面張力與液相傳輸系數(shù)N成正比，增大熔融鹽的表面張力能夠有效提高其傳熱效率。拉筒法以其操作簡單、能夠?qū)崿F(xiàn)準確測量等優(yōu)點,更加適用于測量高溫下液體的表面張力。

在使用本實驗臺對納米熔鹽的表面張力進行測量時,需要選擇耐高溫的拉筒,拉筒示意圖如圖1(c)所示。表面張力由式(2)計算可得。

式中,R為拉筒底環(huán)平均半徑,m;m_1為拉筒脫離熔鹽液面時電子天平的最大讀數(shù),g;m_0為拉筒質(zhì)量,g;g為重力加速度,取9.81 m/s2;C為儀器系數(shù)。