Når en titanvarmestav brukes til å smelte et ternært nitratsalt (NaNO₃-KNO₃-Ca(NO₃)₂) ved 400 grader, hvordan endrer kalsiumioninnholdet oksidspaltingshastigheten under fryse-tinesykluser?

Ternære nitratsaltkombinasjoner med kalsiumnitrat (Ca(NO3)2) brukes som varmeoverføringsvæske i konsentrert solenergi og termiske lagringssystemer. Ved 400 grader er saltet smeltet og oksiderende. Titanium varmestaver danner beskyttende titandioksid (TiO₂) lag. Under fryse--tiningssykluser (avkjøling for å fryse saltet, deretter gjen-oppvarming) kombineres kalsiumionene fra saltet med titanoksidet for å generere kalsiumtitanat (CaTiO 3 ) på overflaten av belegget. For eksempel er den termiske ekspansjonskoeffisienten til kalsiumtitanat omtrent 11-12 × 10-6/grad, titandioksid har en termisk ekspansjonsverdi på 7-8 × 10-6/grad og titanmetall 8,6 × 10-6/grad. Et slikt misforhold forårsaker avskalling under termisk sykling. Jo høyere kalsiuminnhold i saltblandingen, desto raskere blir avskallingen av oksidet. Ved et kalsiuminnhold på 20 % fjernes 0,3–0,5 µm metall i hver fryse-tine-syklus, mens ved 5 % kalsiuminnhold fjernes kun 0,05–0,10 µm.

Mekanismen til kalsium-Indusert avskalling av oksid under termisk sykling

Ca-ionene infiltrerer inn i TiO2-skalaen for å generere et CaTiO3--rikt ytre lag under eksponering for smeltet salt ved 400oC. CaTiO 3-laget krymper mindre ved avkjøling enn TiO 2 og titanmetallet under på grunn av dets høyere termiske ekspansjonskoeffisient. Dette misforholdet fører til strekkbelastninger i grensesnittet. Disse spenningene produserer sprekker og avskallinger under størkning (frysing) og påfølgende gjenoppvarming. De avskallede delene avslører nytt titan som raskt oksiderer. En kombinasjon av oksidavskalling og re-oksidasjon resulterer i fjerning av en liten mengde titan under hver fryse-tine-syklus. Splittingshastigheten er proporsjonal med kalsiuminnholdet i saltet og med størrelsen på temperaturvariasjonen.

Kalsiuminnhold og syklustelling vs. kvantitativ avskallingshastighet

Kontrollert testing av grad 2 titan i ternært nitratsalt med varierende kalsiuminnhold, som gjennomgår 100 fryse-tiningssykluser (25 grader → 400 grader → 25 grader, 2-timers opphold ved temperatur), har blitt brukt for å bestemme oksidavskallingshastigheter. Ved 0 % kalsium (binært NaNO3-KNO3-salt) er oksidspalting 0,5-1,0 µm per 100 sykluser, skalaen forblir vedheftende og metalltapet er lavt. Lokalisert avskalling oppstår ved skalafeil og med 5 % kalsiumavskalling øker til 2-5 µm per 100 sykluser. Avskalling er 8–15 µm/100 sykluser ved 10 % kalsium og 10–30 % av avleiringer per syklus. For 15 % kalsium er avskallingen 20-35 µm per 100 sykluser og skalaen er fullstendig avskallet etter 300-500 sykluser. Ved 20 % kalsium (typisk ternær sammensetning) er avskallingen opptil 30–50 μm hver 100. syklus, mens metalltapet er 0,15–0,25 mm per 1000 sykluser. Perforering forventes etter 6 000–10 000 sykluser for 1,5 mm veggtykkelse og 20 % kalsiumsalt.

Påvirkning av temperatursving og syklustid på spallasjonshastighet

Intensiteten av avskalling er sterkt påvirket av størrelsen på temperaturendringer og syklusvarigheten. Oksydavskalling er 8–15 μm per 100 sykluser for 10 % kalsiuminnhold med 375 graders temperatursvingning (25 grader til 400 grader), eller 3300–6300 sykluser for å fjerne 0,5 mm metall. Å øke svingningen til 500 grader (100 grader til 600 grader) ved samme kalsiumkonsentrasjon øker avskallingen til 20-40 µm/100 sykluser. Dette reduserer syklusene til 0,5 mm tap til 1250-2500. Avskalling 30-50 µm per 100 sykluser for 20 % kalsium, 375 graders sving 1000-1700 sykluser til 0,5 mm tap Med 20 % kalsium og en svingning på 500 grader er avskalingen 50–80 µm per 100 sykluser, og {36} er nødvendig per 100 sykluser, og {36} for et tap på 0,5 mm. Økt oppholdstid ved temperatur (8 t vs. . 2 t) resulterer i 30-50 % mer avskalling på grunn av økt produksjon av kalsiumtitanat.

Nitratsaltvarmere Kalsiuminnhold og sykluslivsreferanse

Anbefalingene for akseptabelt kalsiuminnhold i nitratsalt i henhold til forventet antall fryse-tinesykluser, ønsket levetid for varmeapparatet og veggtykkelse for grad 2 titan er gitt i tabell 1.

Antall frysesykluser-Tinesykluser/Årkrevd levetid (år) Maksimalt tillatt kalsiuminnhold (%)Forventet metalltap per år (mm) Anbefalt veggtykkelse (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–{{5}{7) (daglig)}}}–{da (binært salt) 0,02–0.04 2.0 Engineering Beyond Control of Calcium Content

Kvaliteten på titan er viktig for motstand mot avskalling. Grad 7 (palladiumstabilisert) utvikler et mer vedheftende oksid på grunn av palladiumanrikning ved skala-metallgrensesnittet og viser en 30-50 % reduksjon i avskalling sammenlignet med grad 2 ved like kalsiumnivåer. Veggtykkelsen er en materialreserve. For eksempel varer en 2,0 mm vegg med 0,10 mm per år metalltap på grunn av avskalling i 20 år. Avskallingen påvirkes av oppvarmings- og kjølehastighetene, med langsom ramping ved 2 grader/min reduserer de termiske spenningene og avskalling med 50-70 % sammenlignet med rask ramping ved 10 grader/min. Inhibitorer, slik som magnesiumoksid tilsatt i en mengde på 0,5 til 1,0 prosent til saltet, konkurrerer med kalsium om å reagere med titanoksid, og reduserer dermed dannelsen av kalsiumtitanat.

Lage en godt-informert spesifikasjon

Hvis det forventes mer enn 100 sykluser per år, begrenser kalsiuminnholdet til maksimalt 10 % for grad 2 eller 15 % for grad 7. • Ternært nitratsalt med frysetine-syklus • Titanium varmestang For daglig sykling (365 sykluser/år), anbefaler vi binært salt (NaNO3)- 2,5 mm veggtykkelse. For å forhindre termisk sjokk under drift, kontroller oppvarmings- og avkjølingshastighetene ved 2-3 grader/min.. 4.1.3. Saltavløp og inspiser varmeoverflaten årlig for tilsynelatende oksidavskalling i form av flak eller støv, og/eller mål veggtykkelsen ultralyd hvis det er tilstede. Der metalltap overstiger 0,2 mm per år, skal kalsiuminnholdet reduseres, eller det skal benyttes grad 7. Ingeniører kontrollerer hastigheten på oksidavskalling og øker levetiden til titanvarmestaver i fryse-tine-syklustjeneste ved å variere kalsiumioninnholdet i nitratsaltblandingen.