Ko se titanova toplotna palica uporablja za taljenje ternarne nitratne soli (NaNO₃-KNO3-Ca(NO₃)₂) pri 400 stopinjah, kako vsebnost kalcijevih ionov spremeni stopnjo lomljenja oksida med cikli zamrzovanja-odmrzovanja?
Pustite sporočilo
Kombinacije ternarnih nitratnih soli s kalcijevim nitratom (Ca(NO3)2) se uporabljajo kot tekočina za prenos toplote v koncentriranih solarnih sistemih in sistemih za shranjevanje toplote. Pri 400 stopinjah se sol stopi in oksidira. Titanove grelne palice tvorijo zaščitne plasti titanovega dioksida (TiO₂). Vendar pa se med cikli zamrzovanja-odmrzovanja (hlajenje, da zamrzne sol, nato ponovno-segrevanje) kalcijevi ioni iz soli združijo s titanovim oksidom, da ustvarijo kalcijev titanat (CaTiO 3 ) na površini luske. Na primer, koeficient toplotnega raztezanja kalcijevega titanata je približno 11-12 × 10-6 / stopinjo, titanov dioksid ima vrednost toplotnega raztezanja 7-8 × 10-6 / stopinjo, kovinski titan pa 8,6 × 10-6 / stopinjo. Takšna neusklajenost povzroči lomljenje med toplotnim ciklom. Višja kot je vsebnost kalcija v mešanici soli, hitrejše je razpadanje oksida. Pri 20 % vsebnosti kalcija se v vsakem ciklu zamrzovanja in odmrzovanja odstrani 0,3–0,5 µm kovine, pri 5 % vsebnosti kalcija pa le 0,05–0,10 µm.
Mehanizem kalcijevega{0}}razpadanja oksida med toplotnim kroženjem
Ioni Ca se infiltrirajo v lestvico TiO2, da ustvarijo zunanjo plast, bogato s CaTiO3-, med izpostavljenostjo staljeni soli pri 400oC. Plast CaTiO 3 se pri ohlajanju skrči manj kot TiO 2 in kovinski titan pod njim zaradi višjega koeficienta toplotnega raztezanja. To neskladje vodi do nateznih napetosti na vmesniku. Te napetosti povzročajo razpoke in lomljenje lestvice med strjevanjem (zamrzovanjem) in kasnejšim ponovnim -segrevanjem. Odlomljeni deli izpostavijo nov titan, ki hitro oksidira. Kombinacija luščenja oksida in ponovne -oksidacije povzroči odstranitev majhne količine titana med vsakim ciklom zamrzovanja-tajanja. Stopnja lomljenja je sorazmerna z vsebnostjo kalcija v soli in z velikostjo temperaturne razlike.
Vsebnost kalcija in število ciklov v primerjavi s kvantitativno stopnjo lomljenja
Za določitev stopenj lomljenja oksida je bilo uporabljeno kontrolirano testiranje titana stopnje 2 v ternarni nitratni soli z različno vsebnostjo kalcija, podvrženega 100 ciklom zamrzovanja-odmrzovanja (25 stopinj → 400 stopinj → 25 stopinj, 2-urno zadrževanje pri temperaturi). Pri 0 % kalcija (binarna sol NaNO₃-KNO3) je lomljenje oksida 0,5–1,0 µm na 100 ciklov, vodni kamen ostane oprijem in izguba kovine je majhna. Lokalizirano lomljenje se pojavi pri napakah v merilu in s 5 % kalcija se lomljenje poveča na 2–5 µm na 100 ciklov. Luščenje je 8–15 µm/100 ciklov pri 10 % kalcija in 10–30 % lusk na cikel. Pri 15 % kalcija je luščenje 20–35 µm na 100 ciklov in lestvica je popolnoma razcepljena po 300–500 ciklih. Pri 20 % kalcija (tipična trikomponentna sestava) je lomljenje do 30–50 μm vsakih 100 ciklov, medtem ko je izguba kovine 0,15–0,25 mm na 1000 ciklov. Perforacijo pričakujemo po 6.000–10.000 ciklih za debelino stene 1,5 mm in 20 % kalcijeve soli.
Vpliv temperaturnega nihanja in časa cikla na hitrost ločevanja
Na intenzivnost lomljenja močno vplivata velikost temperaturne spremembe in trajanje cikla. Ločenje oksida je 8–15 μm na 100 ciklov za 10 % vsebnost kalcija s temperaturnim nihanjem 375 stopinj (25 stopinj do 400 stopinj) ali 3300–6300 ciklov za odstranitev 0,5 mm kovine. Povečanje nihanja na 500 stopinj (100 stopinj na 600 stopinj) pri enaki koncentraciji kalcija poveča lomljenje na 20–40 µm/100 ciklov. To zmanjša cikle do 0,5 mm izgube na 1250–2500. Ločenje 30–50 µm na 100 ciklov za 20 % kalcija, nihanje 375 stopinj 1000–1700 ciklov do izgube 0,5 mm Z 20 % kalcija in nihanjem 500 stopinj je lomljenje 50–80 µm na 100 ciklov in samo 600–1 000 cikli so potrebni za izgubo 0,5 mm. Podaljšan čas zadrževanja pri temperaturi (8 h v primerjavi z . 2 h) povzroči 30-50 % več lomljenja zaradi povečane proizvodnje kalcijevega titanata.
Vsebnost kalcija in življenjski cikel grelnikov nitratne soli
Priporočila za sprejemljivo vsebnost kalcija v nitratni soli glede na pričakovano število ciklov zamrzovanja-odmrzovanja, želeno življenjsko dobo grelnika in debelino stene za titan stopnje 2 so navedena v tabeli 1.
Število ciklov zamrzovanja-odmrzovanja/leto Zahtevana življenjska doba (leta) Največja dovoljena vsebnost kalcija (%) Pričakovana izguba kovine na leto (mm) Priporočena debelina stene (mm) 10 20 15 0.03–0.05 1.5 50 10 10 0.04–0.08 1.5 100 10 10 0.08–0.15 2.0 100 5 15 0.10–0.18 2.0 365 (dnevno) 5 5 0.04–0.10 2.5 365 (dnevno) 10 0 (binarna sol) 0,02–0.04 2.0 Inženiring onstran nadzora nad vsebnostjo kalcija
Kakovost titana je pomembna za odpornost proti cepljenju. Stopnja 7 (stabiliziran s paladijem) razvije bolj oprijemljiv oksid zaradi obogatitve s paladijem na meji-kovine in dokazuje 30–50-odstotno zmanjšanje lomljenja v primerjavi s stopnjo 2 pri enakih ravneh kalcija. Debelina stene je materialna rezerva. Na primer, stena debeline 2,0 mm z izgubo kovine 0,10 mm na leto zaradi lomljenja traja 20 let. Na lomljenje vplivata hitrosti segrevanja in hlajenja, pri čemer počasno povečevanje pri 2 stopinjah/minuto zmanjša toplotne napetosti in lomljenje za 50–70 % v primerjavi s hitrim naraščanjem pri 10 stopinjah/minuto. Inhibitorji, kot je magnezijev oksid, dodan v količini od 0,5 do 1,0 odstotka soli, tekmujejo s kalcijem za reakcijo s titanovim oksidom in tako zmanjšajo tvorbo kalcijevega titanata.
Izdelava-dobro informirane specifikacije
Če je predvidenih več kot 100 ciklov na leto, omejite vsebnost kalcija na največ 10 % za stopnjo 2 ali 15 % za stopnjo 7. • Ternarna nitratna sol s ciklom zamrzovanja in odmrzovanja • Titanova grelna palica Za dnevno kroženje (365 ciklov/leto) priporočamo binarno sol (NaNO3-KNO3, 0 % kalcija) ali stopnjo 7 grelec z debelino stene 2,5 mm. Da preprečite toplotni šok med delovanjem, nadzirajte hitrosti ogrevanja in hlajenja pri 2-3 stopinjah/min. 4.1.3. Odvod soli in letno preglejte površino grelnika glede očitnega lomljenja oksida v obliki lusk ali prahu in/ali ultrazvočno izmerite debelino stene, če je prisotna. Če izguba kovine presega 0,2 mm na leto, se vsebnost kalcija zmanjša ali pa se uporabi razred 7. Inženirji nadzirajo stopnje lomljenja oksida in podaljšajo življenjsko dobo titanovih toplotnih palic v ciklu zamrzovanja in odmrzovanja s spreminjanjem vsebnosti kalcijevih ionov v mešanici nitratne soli.
