Kada se titanska toplinska šipka koristi za taljenje ternarne nitratne soli (NaNO₃-KNO3-Ca(NO₃)₂) na 400 stupnjeva, kako sadržaj kalcijevih iona mijenja brzinu lomljenja oksida tijekom ciklusa smrzavanja-odmrzavanja?

Ternarne kombinacije nitratne soli s kalcijevim nitratom (Ca(NO3)2) koriste se kao tekućina za prijenos topline u koncentriranoj solarnoj energiji i sustavima za skladištenje topline. Na 400 stupnjeva sol se rastali i oksidira. Grijaće šipke od titana stvaraju zaštitne slojeve titan dioksida (TiO₂). Međutim, tijekom ciklusa smrzavanja-odmrzavanja (hlađenje radi smrzavanja soli, zatim ponovno-grijanje) ioni kalcija iz soli spajaju se s titanijevim oksidom kako bi se stvorio kalcijev titanat (CaTiO 3 ) na površini kamenca. Na primjer, koeficijent toplinskog širenja kalcijevog titanata je oko 11-12 × 10-6 / stupanj, titanijev dioksid ima vrijednost toplinskog širenja od 7-8 × 10-6 / stupanj, a metalni titan 8,6 × 10-6 / stupanj. Takva neusklađenost uzrokuje pucanje tijekom toplinskog ciklusa. Što je veći sadržaj kalcija u mješavini soli, to je brže pucanje oksida. Pri sadržaju kalcija od 20%, 0,3–0,5 µm metala uklanja se u svakom ciklusu smrzavanja-odmrzavanja, dok se pri sadržaju kalcija od 5% uklanja samo 0,05–0,10 µm.

Mehanizam kalcijem-induciranog pucanja oksida tijekom toplinskog ciklusa

Ioni Ca infiltriraju se u TiO2 kamenac kako bi stvorili vanjski sloj bogat CaTiO3- tijekom izlaganja rastaljenoj soli na 400oC. Sloj CaTiO 3 manje se skuplja pri hlađenju nego TiO 2 i metalni titan ispod njega zbog većeg koeficijenta toplinskog širenja. Ova neusklađenost dovodi do vlačnih naprezanja na sučelju. Ove napetosti uzrokuju pucanje i pucanje kamenca tijekom skrućivanja (smrzavanja) i kasnijeg ponovnog -zagrijavanja. Odlomljeni dijelovi otkrivaju novi titan koji brzo oksidira. Kombinacija lomljenja oksida i ponovne -oksidacije rezultira uklanjanjem male količine titana tijekom svakog ciklusa smrzavanja i odmrzavanja. Stopa pucanja proporcionalna je sadržaju kalcija u soli i veličini temperaturne varijacije.

Sadržaj kalcija i broj ciklusa naspram kvantitativne stope pucanja

Kontrolirano ispitivanje titana 2. stupnja u ternarnoj nitratnoj soli s različitim sadržajem kalcija, podvrgnutog 100 ciklusa smrzavanja-odmrzavanja (25 stupnjeva → 400 stupnjeva → 25 stupnjeva, 2-satno zadržavanje na temperaturi), korišteno je za određivanje stopa pucanja oksida. Pri 0% kalcija (binarna sol NaNO₃-KNO3) lomljenje oksida je 0,5-1,0 µm po 100 ciklusa, kamenac ostaje prianjajući i gubitak metala je nizak. Lokalizirano pucanje događa se kod grešaka u mjerilu i s 5% kalcija pucanje se povećava na 2-5 µm po 100 ciklusa. Ljupkanje je 8–15 µm/100 ciklusa pri 10% kalcija i 10–30% ljuštenja po ciklusu. Za 15% kalcija ljuštenje je 20-35 µm po 100 ciklusa, a kamenac se potpuno ljušti nakon 300-500 ciklusa. Kod 20% kalcija (tipični ternarni sastav), ljuštenje je do 30–50 μm svakih 100 ciklusa, dok je gubitak metala 0,15–0,25 mm na 1000 ciklusa. Perforacija se očekuje nakon 6 000–10 000 ciklusa za 1,5 mm debljine stjenke i 20% kalcijeve soli.

Utjecaj promjene temperature i vremena ciklusa na brzinu spalacije

Na intenzitet ljuskanja snažno utječu veličina promjene temperature i trajanje ciklusa. Okidanje oksida je 8–15 μm po 100 ciklusa za 10% sadržaja kalcija uz temperaturnu fluktuaciju od 375 stupnjeva (25 stupnjeva do 400 stupnjeva), ili 3300–6300 ciklusa za uklanjanje 0,5 mm metala. Povećanje zamaha na 500 stupnjeva (100 stupnjeva na 600 stupnjeva) pri istoj koncentraciji kalcija povećava pucanje na 20-40 µm/100 ciklusa. Time se ciklusi do 0,5 mm gubitka smanjuju na 1250-2500. Lomljenje 30-50 µm po 100 ciklusa za 20% kalcija, zaokret od 375 stupnjeva 1000-1700 ciklusa do gubitka od 0,5 mm S 20% kalcija i zamahom od 500 stupnjeva, ljuštenje je 50-80 µm za 100 ciklusa, a samo 600–1 000 ciklusi su potrebni za gubitak od 0,5 mm. Produženo vrijeme zadržavanja na temperaturi (8 h u odnosu na . 2 h) rezultira 30-50% većim pucanjem zbog povećane proizvodnje kalcijevog titanata.

Grijači s nitratnom soli Referenca sadržaja kalcija i životnog ciklusa

Preporuke za prihvatljivi sadržaj kalcija u nitratnoj soli prema očekivanom broju ciklusa smrzavanja-odmrzavanja, željenom vijeku trajanja grijača i debljini stjenke za titan 2. stupnja dane su u tablici 1.

Broj ciklusa smrzavanja-odmrzavanja/godina Potreban vijek trajanja (godine) Maksimalno dopušteni sadržaj kalcija (%) Očekivani gubitak metala po godini (mm) Preporučena debljina stijenke (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 Inženjering izvan kontrole sadržaja kalcija

Kvaliteta titana važna je za otpornost na pucanje. Stupanj 7 (stabiliziran paladijem) razvija prianjajući oksid zbog obogaćivanja paladijem na granici kamenca-metala i pokazuje smanjenje lomljenja od 30-50% u usporedbi s stupnjem 2 pri jednakim razinama kalcija. Debljina stijenke je rezerva materijala. Na primjer, stijenka od 2,0 mm s gubitkom metala od 0,10 mm godišnje zbog pucanja traje 20 godina. Na pucanje utječu brzine zagrijavanja i hlađenja, pri čemu sporo povećanje od 2 stupnja/min smanjuje toplinska naprezanja i pucanje za 50-70% u usporedbi s brzim povećanjem od 10 stupnjeva/min. Inhibitori, kao što je magnezijev oksid dodan u količini od 0,5 do 1,0 posto u sol, natječu se s kalcijem u reakciji s titanovim oksidom i tako smanjuju stvaranje kalcijevog titanata.

Izrada dobro{0}}informirane specifikacije

Ako se predviđa više od 100 ciklusa godišnje, ograničite sadržaj kalcija na najviše 10% za stupanj 2 ili 15% za stupanj 7. • Ternarna nitratna sol s ciklusima smrzavanja i odmrzavanja • Titanska toplinska šipka Za dnevno ciklusiranje (365 ciklusa godišnje), preporučujemo binarnu sol (NaNO3-KNO3, 0% kalcija) ili stupanj 7 grijač debljine stijenke 2,5 mm. Kako biste spriječili toplinski udar tijekom rada, kontrolirajte stope grijanja i hlađenja na 2-3 stupnja/min. 4.1.3. Odvod soli i jednom godišnje pregledajte površinu grijača na vidljivo pucanje oksida u obliku ljuskica ili prašine i/ili ultrazvučno izmjerite debljinu stijenke ako postoji. Ako gubitak metala premašuje 0,2 mm godišnje, sadržaj kalcija mora se smanjiti ili se koristi stupanj 7. Inženjeri kontroliraju stope pucanja oksida i produžuju vijek trajanja titanovih toplinskih šipki u ciklusu smrzavanja i odmrzavanja mijenjanjem sadržaja kalcijevih iona u smjesi nitratne soli.