[发明专利]一种传热流体及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种传热流体，并涉及这种传热流体的制备方法和用途。

背景技术

100MW到200MW的太阳能热电厂需要上千吨传热流体用于热收集和传输，这需要较高的投资，所以用最小的成本使传热流体的热性能最大化是非常重要的。

现在的太阳能热电厂通常用有机油(或称合成油)作为集热区域的传热流体。在现有的传热流体中，有机油具有非常低的凝固点(小于0℃)，有机油的耐温极限为393℃。传热流体的耐温极限实质上限制了Rankine循环(朗肯循环)的总效率，即耐温极限越高基准电成本越低。另外，对于直接热存储系统，用有机油作为热能储存材料太昂贵。

为了解决有机油的耐温极限低的技术问题，最近一些无机熔盐被考虑用作传热流体。这种传热流体具有几个有利的特性，包括耐温极限大约在500℃左右，蒸气压力较低，其余物理属性也比较合适，单位成本也较低。这些特性使太阳能热电厂能够进一步改善，例如通过提高温度来增强Rankine循环的效率。

另一方面，现在在许多的商业项目中采用间接太阳能储存系统。在间接太阳能储存系统中，热能从集热区域到用于储存热能的第二种流体(即热能储存材料)的传输，都是通过传热流体完成的。因此热能从传热流体传输到热能储存材料，传输相关的温降会使间接太阳能储存系统的性能减弱。另外，收集-储存热交换器成本提高整个太阳能工厂的投资。如果具有低流动成本和低蒸汽压力的液态的无机熔盐被直接用作传热流体以及热能储存材料，它将具有巨大的潜能。在直接热存储系统中消除油-盐热交换也将减少单位储存系统的成本。

尽管无机熔盐拥有大的潜能，仍然只有非常少的文章报道无机熔盐被用作商业太阳能热电厂的传热流体。在意大利的Archimede项目和西班牙的Gemasolar Thermosolar Plant(Gemasolar)中，二元太阳盐混合物(NaNO₃和KNO₃)用于两罐直接热存储系统中。太阳盐有着最高的热稳定性和最低的成本，并且也具有较高的熔点。另外一种已知商业上可以获得的无机盐混合物是Hitec，它由三种盐混合组成，其组分及组分的质量百分数为：53％KNO₃，40％NaNO₂和7％NaNO₃。Hitec的熔点是142℃。HitecXL也是由三种盐混合组成，其组分及组分的质量百分数为：48％Ca(NO₃)₂，45％KNO₃和7％NaNO₃。HitecXL的熔点是133℃。Hitec可以在454℃保持热稳定性，并且在短时间内在538℃可以保持热稳定性，但是需要覆盖保护气体氮以防止硝酸盐成分的缓慢转化/变化。与固化点小于0℃的有机油相比，无机熔盐的主要缺点是固化点相对较高，无机熔盐固化点通常超过100℃。因此必须投入相当多的人力和物力以保证用作传热流体的无机熔盐不在太阳能集热器场和管道系统固化。

在这些工程问题中，主要的问题集中在具有可接受凝固点以及高温耐受力的合适无机熔盐的选择上。根据本案发明人的实验，与应用在太阳能中的有机油相比，只有很少具有相对低熔点无机熔盐可作为传热流体。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种无机盐混合物，它具有理想的特性，例如，低熔点。这可以在太阳能应用领域(例如太阳能热电厂)用作传热流体和热能储存材料。无机盐混合物应用在太阳能热电厂时，同时必须具有如下一些特性，例如：

a)低的融化和固化点；

b)在选择的压力和温度范围内良好的化学稳定性；

c)低黏度；

d)高导热率；

e)高比热容；

f)低蒸气压力；

g)无毒、无腐蚀性。

由于所有二元硝酸盐(硝酸锂和硝酸钾)化合物显示出熔点沉陷现象。本案发明人预期，在没有折衷其它物理属性的前提下，添加硝酸钙到硝酸锂和硝酸钾的混合物中，熔点将进一步降低。此外，他们的可混合性和与空气接触的潜在稳定性将大大提升成功的可能性。

基于68％KNO₃和32％LiNO₃(熔点温度133℃)，本发明研究KNO₃、Ca(NO₃)₂和LiNO₃的混合物，主要目标是开发一些新型的传热流体以便更好地满足太阳能热电厂的需求。

发明内容