Низкоплавкая теплоаккумулирующая солевая смесь Российский патент 2023 года по МПК C09K5/06 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к разработке теплоаккумулирующих составов, включающих хлорид лития, хлорид свинца и вольфрамат свинца.

Известен теплоаккумулирующий состав, включающий индивидуальное вещество - вольфрамат лития, однако рабочая температура состава составляет 740°С и сравнительно низкая удельная энтальпия плавления - 210 кДж/кг (Термические константы веществ. Под ред. Глушко В.П. Вып. X, Ч. 1. М.: ВИНИТИ, 1981. - 300 с.).

Известен теплоаккумулирующий состав, который включает индивидуальное вещество - хлорид лития, однако это вещество при высокой энтальпии плавления 408.9 кДж/кг (Термические константы веществ. Под ред. Глушко В.П. Вып. X, 4.1. М.: ВИНИТИ, 1981. - 300 с.) обеспечивает температуру работоспособности теплового аккумулятора при 610°С.

Известен также эвтектический состав системы LiCl-PbCl₂ (Справочник по плавкости солевых систем. Т.1 //Под ред. Воскресенской Н.К. М. - Л.: Изд-во АН СССР 1961. 708 с.). Энтальпия плавления при рабочей температуре 410°С составляют 310 кДж/кг.

Известен теплоаккумулирующий состав, содержащий фторид и вольфрамат натрия. Температура плавления смеси происходят при температурах 632-645 и 576-589°С [Гаркушин И.К., Игнатьева Е.О., Дворянова Е.М. Теплоаккумулирующий состав. А.С. №2495900 от 27.10.2001]. Однако этот состав не поддерживает постоянную температуру в диапазоне 575-600°С.

Известен теплоаккумулирующий состав, содержащий фторид, хлорид, метаванадат, молибдат лития и хлорид калия. Температура плавления смеси 336-340°С, удельная энтальпия плавления 222 кДж/кг [Гаркушин И.К., Губанова Т.В., Малышева Е.И. Теплоаккумулирующий состав. А.С. №2492206 от 11.03.2012]. Однако этот состав не поддерживает постоянную температуру в диапазоне 336-340°С.

Известен теплоаккумулирующий состав, содержащий фторид лития и молибдат калия. Температура плавления смеси 674-700°С, удельная энтальпия плавления 302-310 кДж/кг [Гаркушин И.К., Губанова Т.В., Малышева Е.И. Теплоаккумулирующий состав. А.С. №2462497 от 08.11.2010]. В аналогах и прототипе используются щелочные металлы, в частности хлорид лития, в предлагаемом техническом решении его заменяем хлоридом натрия, т.к. белые гигроскопические кристаллы хлорида лития забирают влагу из воздуха. Этот состав не поддерживает постоянную температуру в диапазоне 575-600°С

Наиболее близким по составу ингредиентов является система LiCl-PbCl₂ (Справочник по плавкости солевых систем. Т. 1 //Под ред. Воскресенской Н.К. М. - Л.: Изд-во АН СССР 1961. 708 с.). Энтальпия плавления при рабочей температуре 410°С составляют 310 кДж/кг.

Настоящее изобретение обеспечивает работу теплоаккумулятора в температурном диапазоне 396-400°С с удельной энтальпией плавления 365-375 кДж/г (табл.). Новизна заявляемого состава по сравнению с известным, заключается в том, что для обеспечения работоспособности в температурном интервале 396-400°С с удельной энтальпией плавления 365-375 кДж/г, дополнительно содержит вольфрамат свинца при следующем соотношении компонентов, мас. %: 35-36 мас. % хлорида лития, 57-58 мас. % хлорид свинца и 7 -7,5 мас. % вольфрамата свинца.

Задача изобретения - обеспечение работоспособности теплоаккумулирующей смеси на температурных уровнях 396-400°С. Поставленная задача достигается тем, что теплоаккумулирующая смесь, включает хлорид лития, хлорид свинца и вольфрамат свинца при следующем соотношении компонентов, мас. %: хлорид лития - 35-36; хлорид свинца -57-58; вольфрамат свинца - 7 -7,5.

Предлагаемая солевая смесь исследована дифференциальным термическим анализом (ДТА). Квалификация исходных солей не ниже "х.ч.". Все составы выражены в массовых процентах, а температура - в градусах Цельсия.

Удельную энтальпию плавления образца эвтектического состава определяли методом количественного ДТА:

Δ_mH_E=Δ₁H_эт (S_Et_E/S_этt_эт), кДж/г,

где Δ₁H_эт - удельная энтальпия фазового перехода эталонного вещества, близкого по температуре фазового перехода к образцу исследуемого состава, Дж/г; S_Е, S_эт - площади пиков дифференциальных кривых эвтектического состава и эталонного вещества соответственно; t_E, t_эт - температуры кристаллизации (плавления) эвтектики и эталонного вещества соответственно.

Предлагаемая нами солевая композиция отличается тем, что, данная теплоаккумулирующая смесь по сравнению с прототипом обладает меньшей коррозионной активностью, высокой плотностью и имеет повышенную удельную теплоту плавления на 55-65 кДж/г, по сравнению с аналогом, что приводит к снижению энергетических затрат и повышению тепловыделения.

Для подтверждения температуры и энтальпии плавления данной теплоаккумулирующей смеси применили установку синхронного термического анализатора, модификации STA 409РС (термоанализатор), выпущенного германской фирмой «NETZSCH», и предназначенного для измерения термодинамических характеристик (температура и энтальпия фазовых переходов, теплоемкость) и регистрации изменения массы твердых и порошкообразных материалов в широком диапазоне температур от +25°С до +1500°С.

Настоящее изобретение обеспечивает работу в качестве теплоаккумулирующего материала на температурных уровнях 396-400°С.

Технический результат достигается тем, что теплоаккумулирующий состав, содержит хлорид лития, хлорид свинца и вольфрамат свинца при следующем соотношении компонентов, мас. %: хлорид лития - 35-36; хлорид свинца - 57-58; вольфрамат свинца - 7 -7,5 (табл.).

Пример 1. В электропечи шахтного типа переплавляют безводные соли квалификации «чда» (LiCl, PbCl₂ и PbWO₄) 0,35 г (35 мас. %) хлорида лития + 0,58 г (58 мас. %) хлорида свинца + 0,07 г (7 мас. %) вольфрамата свинца. Температура плавления смеси 396°С, удельная энтальпия плавления 375 кДж/г.

Удельная энтальпия плавления рассчитывалась по формуле:

, кДж/кг,

где Δ_tH_E - удельная энтальпия фазового перехода вещества, близкого по температуре фазового перехода к исследуемому составу, кДж/кг; S_Е, S_эт - площади пиков дифференциальных кривых, отвечающих плавлению эвтектического состава и фазовому переходу эталонного вещества соответственно; Т_Е, Т_эт - температуры плавления эвтектического состава и фазового перехода эталонного вещества соответственно, К. Окончательное значение энтальпии находили как среднее трех измерений. В качестве эталонного вещества взят хлорид лития (температура плавления 610°С, удельная энтальпия плавления 408.9 кДж/кг). Удельная энтальпия плавления эвтектики предлагаемого состава равна 375 кДж/кг.

Пример 2. В условиях примера 1 переплавляют безводные соли квалификации «чда» (LiCl, PbCl₂ и PbWO₄) 0,355 г (35,5 мас. %) хлорида лития + 0,575 г (57,5 мас. %) хлорида свинца + 0,07 г (7 мас. %) вольфрамата свинца. Температура плавления смеси 398°С, удельная энтальпия плавления 373 кДж/г.

Пример 3. В условиях примера 1 переплавляют безводные соли квалификации «чда» (LiCl, PbCl₂ и PbWO₄) 0,357 г (35,7 мас. %) хлорида лития + 0,573 г (57,3 мас. %) хлорида свинца + 0,07 г (7 мас. %) вольфрамата свинца. Температура плавления смеси 399°С, удельная энтальпия плавления 370 кДж/г.

Пример 4. В условиях примера 1 переплавляют безводные соли квалификации «чда» (LiCl, PbCl₂ и PbWO₄) 0,36 г (36 мас. %) хлорида лития + 0,57 г (57 мас. %) хлорида свинца + 0,07 г (7 мас. %) вольфрамата свинца. Температура плавления смеси 400°С, удельная энтальпия плавления 365 кДж/г.

За пределами указанных конструктивных интервалов повышается температура плавления и нарушается однофазность, т.е. тепловыделение становится неравномерным.

В таблице приведены сравнительные характеристики физико-химических свойств прототипа и предлагаемого состава и состава, выбранного в качестве прототипа.

Из таблицы видно, что предлагаемый состав обеспечивает работоспособность теплового аккумулятора в диапазоне температур 396-400°С с удельной энтальпией плавления 365-375 кДж/г, что на 55-65 кДж/кг выше по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, описан теплоаккумулирующий состав, включающий хлорид лития и хлорид свинца, дополнительно содержит вольфрамат свинца для обеспечения работоспособности в температурном интервале 396-400°С с удельной энтальпией 365-375 кДж/кг при следующем соотношении компонентов, мас. %: хлорид лития - 35-36; хлорид свинца - 57-58; вольфрамат свинца - 7-7,5. Технический результат – состав обладает меньшей коррозионной активностью, высокой плотностью и имеет повышенную удельную теплоту плавления 365-375 кДж/г, обеспечивает работоспособность теплового аккумулятора в диапазоне температур 396-400°С. 1 табл., 4 пр.

Теплоаккумулирующий состав, включающий хлорид лития и хлорид свинца, отличающийся тем, что для обеспечения работоспособности в температурном интервале 396-400°С с удельной энтальпией 365-375 кДж/кг дополнительно содержит вольфрамат свинца при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Хлорид лития 35-36 Хлорид свинца 57-58 Вольфрамат свинца 7-7,5