摘要:為準(zhǔn)確計(jì)算納米熔鹽的傳熱儲(chǔ)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(fù)合材料。基于阿基米德法測(cè)量液體密度和拉筒法測(cè)量液體表面張力的原理改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，搭建高溫熔鹽密度、表面張力實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)對(duì)制備的5種納米熔鹽的表面張力和密度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jī)理，并對(duì)納米熔鹽密度和表面張力改變的原因進(jìn)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(yáng)能光熱領(lǐng)域、“谷電”儲(chǔ)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(duì)傳熱儲(chǔ)熱工質(zhì)的優(yōu)選具有極其重要的意義。

針對(duì)熔融鹽的密度和表面張力，已經(jīng)有許多的學(xué)者進(jìn)行了研究。A··別略耶夫等對(duì)大量的熔融鹽的密度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(cè)量了LiNO3-NaNO3-KNO3-NaNO2-KNO2共晶鹽，液態(tài)時(shí)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(yù)測(cè)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(duì)其密度進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)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(duì)其密度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guò)阿基米德法和拉筒法對(duì)其進(jìn)行密度和表面張力的測(cè)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(duì)K2O-NbO5熔融體系的表面張力進(jìn)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(huì)減小。Kubikova等利用最大氣泡壓力法對(duì)LiCl-NaCl-ZnCl2熔融鹽體系的表面張力進(jìn)行了測(cè)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(duì)熔融鹽的密度和表面張力進(jìn)行了測(cè)量，都為今后優(yōu)選出具備良好傳熱儲(chǔ)熱性能的介質(zhì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

文獻(xiàn)綜述表明,近年來(lái)許多的研究人員對(duì)熔融鹽的密度和表面張力進(jìn)行研究，但是單一組分和多組分熔融鹽作為傳熱儲(chǔ)熱介質(zhì)還存在熔點(diǎn)偏高、工作溫度范圍較窄、儲(chǔ)熱成本偏高等缺點(diǎn)。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(guò)阿基米德法和拉筒法對(duì)高溫熔融法制備的納米熔鹽復(fù)合材料進(jìn)行密度和表面張力的測(cè)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(chǔ)熱性能的介質(zhì)提供數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)對(duì)高溫熔融法制備的納米熔鹽的機(jī)理進(jìn)行分析。

1實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1納米熔鹽的制備

本實(shí)驗(yàn)所用材料為NaNO3、KNO3和30nm的SiO2納米顆粒。所有實(shí)驗(yàn)材料在制備納米熔鹽之前均需要經(jīng)過(guò)干燥處理。使用型號(hào)為Mettler Toledo ME104，精度為0.1mg的電子天平對(duì)干燥后的熔融鹽和納米顆粒進(jìn)行稱量。見表1，按照比例將基鹽及納米顆粒進(jìn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由測(cè)量系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1(a)所示。測(cè)量系統(tǒng)由高精度電子天平(型號(hào)為METTLER TOLEDO ME104,精度為0.1 mg)、數(shù)據(jù)采集器(型號(hào)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(hào)為T6-1-4-060 DC)、智俊軟件組成;支撐系統(tǒng)由升降臺(tái)、鋼架、玻璃板組成。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1(a)所示。

1.2.1密度實(shí)驗(yàn)臺(tái)

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

對(duì)納米熔鹽的密度進(jìn)行測(cè)量時(shí),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(dá)到平衡后,得到電子天平讀數(shù)m_2,由式(1)計(jì)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(cè)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(shí)驗(yàn)臺(tái)

表面張力是一個(gè)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(jiǎn)單、能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量等優(yōu)點(diǎn),更加適用于測(cè)量高溫下液體的表面張力。

在使用本實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)納米熔鹽的表面張力進(jìn)行測(cè)量時(shí),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(jì)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(shí)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)。