Введение
Соли состоят из ионных соединений, т. е. положительно заряженных катионов и отрицательно заряженных анионов. Они образуют кристаллические структуры, которые при комнатной температуре обычно твердые. Точки плавления как правило превышают 100 °C. Расплавленная соль может поглощать большое количество энергии и не воспламеняется при высоких температурах даже выше 500 °C. Поэтому она превосходно подходит в качестве накопителя энергии для солнечных электростанций. При таком применении соль расплавляется солнечной энергией и перекачивается для хранения в подходящие резервуары. По потребности ее можно откачать оттуда и использовать в качестве источника энергии для привода паровых турбин. Для проектирования насосов необходимо знать поведение потока расплавленной соли, которое определяется ее вязкостью. [1]
В этой статье показано, как вязкость расплавленных солей можно определить с помощью ротационного реометра.
Образцы
Соли, которые используются для накопления солнечной энергии чаще всего представляют собой смесь различных компонентов. Обычно используются нитраты лития, кальция и калия [1]. Изменяя состав, можно регулировать поведение потока расплава.
Установка
Образец измеряли с помощью ротационного реометра MCR фирмы Anton Paar. Для достижения высоких температур применяли специальную термокамеру, способную нагревать образцы до 1000 °C. Измерительная система представляла собой цилиндр и чашку, изготовленные из Инконеля (специального металлического сплава). На рисунке 1 показана конфигурация прибора.
Рис. 1. Ротационный реометр с установленным температурным устройством и измерительным цилиндром из Инконеля
Описание и результаты эксперимента
Для этого теста измеряли типичную смесь солей. После заполнения чашки внутренний цилиндр перемещают вниз в чашку до тех пор, пока он не соприкоснется с образцом. Затем образец нагревают. Благодаря контролю нормальной силы можно определить температуру плавления соли. На рисунке 2 показана глубина погружения, контролируемая постоянной нормальной силой. Вы можете видеть, что образец плавится при температуре около 240 °C; только тогда внутренний цилиндр полностью погружается в образец.
После расплавления соли измерительная система автоматически перемещается в положение измерения (здесь 4 мм) и начинается ротационное измерение. Для исследования поведения потока, зависящего от температуры, измерение проводят в диапазоне температур. На рисунке 3 показана вязкость образца в диапазоне от 240 °C до 500 °C при постоянной скорости сдвига 1 с-1. Вы можете видеть, что вязкость быстро уменьшается с повышением температуры.
Помимо температуры, на поведение потока образца также оказывает значительное влияние скорость сдвига. Для определения этого влияния кривые вязкости снимали при различных постоянных температурах. На рисунке 4 показана кривая вязкости с логарифмической скоростью сдвига, заданной в диапазоне от 0,1 до 100 с-1 при 260 °C. Сдвиговое утончение образца отчетливо видно по снижению вязкости с 55 МПа∙с до 5 МПа∙с.
Результаты позволяют непосредственно оценивать поведение образцов при перекачке насосами. Очевидно, что помимо температуры влияние на вязкость образца также оказывает скорость транспортировки.
Рис. 2 Изменение глубины погружения внутреннего цилиндра в зависимости от температуры для определения температуры плавления
Рис. 3. Кривая вязкости расплава соли в зависимости от температуры при постоянной скорости сдвига 10 с-1
Рис. 4. Кривая вязкости расплава соли при 260 °C
Заключение
Расплавленные соли превосходно подходят для хранения и транспортировки энергии. Вязкость расплавов играет важную роль при проектировании насосов для перекачки. В этом отчете по применению показано, как можно определить вязкость и, следовательно, поведение потока расплавов солей с помощью ротационного реометра от Anton Paar. Результаты таких измерений позволяют напрямую оценить возможность транспортировки расплавленных солей в зависимости от скорости потока и температуры.
Литература
[1] Robert W. Bradshaw, 2010, Viscosity of Multi- component Molten Nitrate Salts—Liquidus to 200 °C, Sandia National Laboratories Albuquerque
