高温相变材料Al-Si合金选择及其与金属容器相容性实验研究.pdf

第 2 7 卷第 1 期 2 0 0 6年 1 月 太阳能学报 AC TA E NERGI AE S 0I A RI S S I NI CA Vo 1 2 7 N o 1 J a n，2 0 0 6 高温相变材料 A 1 S i 合金选择及其与 金属容 器相容性 实验研 究 刘 靖 ，王 馨，曾大本2，郭旭涛2，张寅平，狄洪发，江 亿(1 清华大学建筑技术科学系，北京 1 0 0 0 8 4；2 清华大学机械工程系，北京 1 0 0 0 8 4)摘要：对高温相变材料铝硅合金的相变温度和潜热进行了分析测定，研究了其热稳定性，并对此类相变材料与 金属容器的相容性进行了实验研究。实验结果表明，相变材料 A 1 S i l 2相变温度适 中而潜热大，可作为蓄热介质来 储存太阳能；温度对 A 1 S i l 2 与不锈钢材料之间的扩散渗透影响显著。关键词：太阳能；蓄热；相变材料；相容性；金属材料 中图分类号：T K 5 1 2 3 文献标识码：A O 引 再 太阳能具有清洁无污染、取用方便的特点，但其 辐射强度不断变化，具有显著的间断性和不稳定性。因此需要蓄热系统来维持连续稳定的运行。高温太阳能蓄热技术可用于太 阳能热动力发电 系统(s D P s即 S o l a r D y n a mi c P o w e r S y s t e m)、贮能式 聚 光太阳灶等中。高温相变蓄热材料的选择及制备 是高温太阳能蓄热系统 的关键之一。国内外对 高温 相变材料 进行 了大量 的研究工 作，N A S A对氟盐及其共晶混合物进行了研究，并研 制出 8 0 5 L i F-1 9 5 C a-V 2 共晶盐作为 S D P S的蓄热材 料_2 。仝兆丰等提出金属 陶瓷复合材料作为蓄热 元件，对这种复合材料的反应动力学模型进行了研 究 J。王华等将高温熔融盐和陶瓷材料进行复合，研制了新型复合蓄热材料。综合研究进展情况，可用于高温太 阳能 蓄热系统 的相 变材料 有高温熔 盐、共晶盐和金属及合金，复合材料距实际应用还有 一段距离。盐类、金属及合金在高温下具有较强 的腐蚀性，合适的容器材料成为高温相变蓄热能否可行的关键 所在。盐类相变材料容器必须采用耐腐蚀的高温合 金。上世纪 6 0年代 N A S A在其 S D P S最初采用难熔 的铌锆合金，工作性能很好，但其焊接性能较差，容 器不易加工制造。8 O年代，美国 G a r r e tt 公司采用钴 收稿 目期：2 0 0 3 1 1 2 5 基合金(H a y n e s 1 8 8)容器、8 0 5 L i F 1 9 5 C a r 2 相变材料 完成了 5 6 8 1 次的热循环实验，表明容器与相变材料有 良好的相容性；洛克韦尔公司完成了 3 2 4 5 次、5 9 8 4 h的 热循环实验，结果表明，L i F-C a F 2 X H a y n e s 1 8 8的腐蚀 率为 0 0 1 m m a。1 9 9 4年 N A S A完成的 2 k W S D P S地面 样机 的吸收器 中，相变材料容器采用 了 Haynes1 8 8，并 经过实验证明工作 良好 J。2 0 0 1 年邢 玉明等对相变 材料 8 0 5 L i F-1 9 5 C a F，采用 H 8 6 1、H 8 0 0、3 C r 8 N i 2 5 S i 2(I n c l o y 8 0 0 H、Hayne s 1 8 8进行了容器热循环及相容性初 步试验_ 5 。本文选择 A l s i 合金作为相变材料，利用 D S C差 示扫描量热仪对不同配 比 A l、s i 合金的相变温度、相 变潜热进行了研究，进一步对其热稳定性进 行了分 析；着重研究 了相变材料与不锈钢$3 0 4、$3 1 6，耐热 钢4 2 C r M o 的相容性，以期找到可用于高温太阳能蓄 热 系统中相变材料 的容器。1 相变材料制备和热性能分析 本实验选用优质 A l、s i 和 A l s i 中间合金材料，分别熔炼 出相变 材料：A 1 S i 1 2、A 1 S i 2 0；使 用 S E T A R A M D O S A T D D S C设备，通过积分法精确测量 A I S i l 2 与 A 1 S i 2 0的潜热，确定相变温度；为了研究高温相变 材料 的热稳定性，把所选定 的相变材料置于如 图 1 所示的蓄热单元中，保持加热功率 1 5 0 0 W重复加热 蓄热单元，使相变材料反复熔化、凝固 5 个循环。通 维普资讯 http:/ 1 期 刘靖等：高温相变材料 A 1-S i 合金选择及其与金属容器相容性实验研究 3 7 过测定各个循环相 变材料温度(测点 2)，绘制 相变 材料温度曲线来 分析该相变材 料的热稳定性；测定 测点 1、3点温度值，来验证相变材料导热性能。其 中，相变材料质量为 2 5 k g，电加热器每支加热功率为 7 5 0 W，陶瓷容器尺寸为 5 8 03 2 08 0 m m，保温层材 料为硅酸钙保温板，厚度 6 0 m m。电加热器 电加热器。ol 稍 j 变材料 a 一 僦 图中 1、2、3为热 电偶分布 温层 瓷容器 图 1 蓄热单元，下意图 F i g 1 T h e s c h e ma ti c o f t h e r ma l e n e r g y s t o r a g e u n i t 1 1 相变温度和相变潜热 相变材料的潜热和相变温度是重要 的热物性参 数。采用 S E T A R A M D O S A T D D S C设备通过积 分法 精确测量合金潜热、相变温度，测得曲线如图 2、3。赠 赠 图 2 A 1 S i l 2的D S C曲线 时间 s 图3 A I S i 2 0的D S C曲线 F ig 3 T h e D S C c u r v e o f A 1 S i 2 0 O 2 避 蕞 堪，蕞 根据两种相变材料 的 D S C曲线，得到相应的潜 热、相变温度和相变温区，数据见表 1。由表中数据 可看 出，相变材料 A 1 S i l 2相变温区窄、相变温度低而 潜热大(其潜热是冰水相变潜热的 1 7 倍)，满足高 温相变蓄热介质 的要求。通过本实验研究，确定 S i l 2 可作为高温太阳能蓄热系统的蓄热材料。表 1 A I S i l 2与 A I S i 2 0相变相关数据 T a b l e 1 T h e p h a s e c h a n g e d a t a o f A 1 S i l 2 a n d AI S i 2 0 1 2 A l s i 1 2的导热性能和热稳定性 查文献 6 得 A 1 S i l 2固体 导热系数为 1 6 0 W(m )。A 1 S i l 2 具有优 良的导热性能，有利于蓄热系 统的快速充放热。为 了验证 A 1 S i l 2的导热性能，本 实验测定了图 1 所示蓄热单元内两点(1、3点)的温 度。图 4为一个 重放热过程 1、3点 的温度 变化 曲 线。由图4 可见，1、3 点温度曲线基本完全重合，因 此 A 1 S i l 2具有优 良的导热性能。赠 O 2 4 6 8 1 O 1 2 1 4 1 6 1 8 2 O 2 2 2 4 时 间 1 1 图4 充放热过程 A l i l 2 不同点的温度曲线 F i g 4 T h e d iffe r e n t p o i n t s t e mp e r a t u r e c u r v e o f A 1 S i l 2 赠 图 5 A 1 S i l 2 温度曲线 F i g 5 T h e t e mp e r a t u r e c u r v e o fA I S i l 2 图 5 示 出蓄热单元 5次充放热循环过程 A 1 S i l 2 维普资讯 http:/ 3 8 太 阳 能 学 报 2 7卷 温度曲线；图 6示 出了 A 1 S i l 2各次充放热循环时 的 潜热变化。由图 5、6可见，相变材料 A 1 S i l 2在充放 热过程重复性好；经过 5次充放热循环后潜热 变化 很小(变化 0 4)。图6 A 1 S i l 2 潜热变化曲线 F i g 6 T h e l a t e n t h e a t v a ri e ty o f A 1 S i l 2 2 A I S i l 2与金属容器相容性研究 采用钢材作为容器材料进行研究。2 1 容器材料选择 实验中选择代表性马氏体 s 3 0 4、奥氏体不锈钢 材料$3 1 6、耐热钢材料 4 2 C r M o 进行高温腐蚀实验，以便确定容器材料。3 种钢材试样进行相变材料液 体中浸泡，8 h 为一浸泡周期，使试样反复室温一一 液相的升 降温过程。分别进行 了相变 材料液体 7 5 0 时 S 3 0 4与$3 1 6、7 0 0 时 s 3 l 6与 4 2 C r M o及 6 5 0 时$3 1 6与 4 2 C r Mo的腐蚀对比实验。利用视频 金相显微仪观测腐蚀情况。实验结果见表 2 4。表 2$3 0 4与$3 1 6的对比实验 1(7 S 0 C)T a b l e 2 P e rf o r m a n c e s c o m p a ri s o n o f S 3 o 4 a n d$3 1 6(7 5 0)表 3$3 1 6与 4 2 C r Mo的对比实验 2(7 0 0 C)T abl e 3 P e rf o r m a n c e s c o m p a r i son o f$3 1 6 and 4 2 C r M o(7 0 0)由实验结果可见，在所选材料 中，奥氏体不锈钢$3 1 6表现出较好的抗热蚀性能；温度对金属腐蚀影 响显著，低温有利于钢铁容器材料抗腐蚀。金相观 察发现，4 2 C r Mo 试样 熔蚀不均匀，最 大熔蚀与最小 熔蚀差约 l m m，但是 4 2 C r Mo 试样与 A 1 S i l 2 合金反应 层 比较致密且厚，$3 1 6试样与 A 1 S i l 2合金反应层较 薄。$3 1 6 不锈钢与 4 2 C r M o 耐热钢的抗腐蚀能力基 本相 当，考虑 到 4 2 C r M o耐热钢综合高温性能 良好，维普资讯 http:/ 1 期 刘靖等：高温相变材料 一 合金选择及其与金属容器相容性实验研究 3 9 适宜选用 4 2 C r M o耐热钢作为相变容器材料。2 2 A I S i l 2与容器相容性研究 采用 4 2 C r M o耐热钢制作容 器，容器尺寸：外径 1 5 0 m m，高 2 0 0 n u n，壁厚 5 m m。将 相变材料 A 1 S i l 2 4 k g 装入容器，容器置入加热炉，加热炉内炉气温度 6 5 0。加热炉在 5 0 0 一6 5 0 反复 3轮循环，每 轮 1 0次，每次在 6 5 0 C保温 3 h，确保 A 1 S i l 2完全熔 化，在 5 0 0 炉内冷却 2 h，确保 A 1 S i l 2 完全凝固。容 S i l 2 作用。3轮循环完 毕，在 A l S i l 2液态 时取 出容 器并倒空，利用视频金相显微仪观测容器内壁面腐 蚀情况。容器在加热炉中的热疲劳测试结果见表 5。A 1 S i l 2在 4 2 C r Mo制作 的容器 内经过 3轮共计 3 0次熔化、凝 固循环过程后，利用视频金 相显微仪 观测表明：上述实验条件下，A 1 S i l 2相变材料对容器 不浸润。由表 5可见，高温下容器外表面氧化严重，器材料外表面与高温炉气发生腐蚀，内表面与 A l 一 涂抹专用涂料可以缓解氧化。表 5 容器热疲劳测试 实验 T a b l e 5 T h e t e s t o f c o n t a i n e r S w e a r 3 结 论 1)A I S i l 2 是一 种性能优 良的 高温相变材料，其 潜热大、热稳定性高且导热性能好；2)温度对 A l S i l 2与金属材料之间的扩散渗透影 响显著，低温反应慢，高温反应快；3)金属容器用 于高温太 阳蓄热系统中时，相变 材料的加热最高温度不宜超过 6 5 0 C；温度变化小 有利于容器材料抗热疲劳。考虑到使用安全，如温 度不能严格控制，则金属容器无 法作 为相变材料容 器应用于高温太阳蓄热系统 中。参考文献 1 黄志光，等 聚光太阳能灶用金属相变贮能装置的研究 J 太阳能学报，1 9 9 2，1 3(3)：2 7 1 2 7 5 1 1 J H u a n g Z h i g h a n g，e t a 1 The r m a l s t o r a g e o f p h a s e c h a n g e m e t a l f o r c o n c e n t r a t i n g s o l ar c o r k e r J A C r A E n e r g i a e Sol a r i s S i n i c a，1 9 9 2，1 3(3)：2 7 1 2 7 5 2 侯欣宾，崔海亭 高温相变蓄热在空间太阳能热动力 发电系统的应用 J 河北科技大学学报，2 0 0 1，2 2(2)：l 7 3 仝兆丰，孔祥东，刘民义 高温金属 陶瓷蓄热材料及其。工业节能应用前景 J 节能，1 9 9 5，1 0：一1 0 4 王华，n o Y，N o h r i a T，等新型陶瓷与熔融盐复合蓄 热材料优化组合的数值模拟 J 有色金属学报，2 0 0 2，2(3)：5 5 一 5 5 5 5 邢玉明，袁修干，王长合 空间站高温固液相变蓄热容 器的实验研究 J 航空动力学报，1 6(1)：7 5 _7 9 6 陆文华，李隆盛，黄 良余 铸造合金及其熔炼 M 北 京：机械工业出版社，1 9 9 6 7 张寅平，胡汉平，孔 祥，等相变贮能一 理论 和应用 M 合肥：中国科学技术大学出版社，1 9 9 6 8 田文华 空间太阳能动力装置吸热一储热器 M 北 京：空间技术情报研究所，1 9 9 2 1 9 J A n t h o n y P，S t e v e n T S p a c e s ta t i o n b r a y t o n p o w e r s y s t e m R I E C E C P a por 8 5 9 1 4 1 1 0 J J e ff r i e s K S S o l ar d y m,i c pow e r s y s t e m d e v e l o p m e n t f o r s pac e s ta ti o n fr e e d o m R N A S A R P-1 3 1 0，1 9 9 3 1 1 S h a m S N，S p a r r o w E M A n a l y s i s o f m u l t i d i m e n s i o n a l c o n d u e t i o n p h a s e e h a n g e v i a t h e e n t h a l p y m o d e l J A S ME J o u ma l o f H e a t T m mf e r，1 9 9 5，9 7(5)：3 3 3 3 4 0 维普资讯 http:/ 太 阳 能 学 报 2 7 卷 T HE S EL ECTNES S oF H1 l H T E【】ERATURE P I|S E CHANGE M-AT ERI AL Al S i AL LoY AND EXP ERD御 AI RES EARCH oN 唧CoNTAD R L i u J i n g。，Wa n g X i n。，Z e n g D a b e n ，G u o X u t a d，Z h ang Y i n p i n g。，D i H o n g f a。，J i ang Y i。(1 D e p a r t m e n t o fB u i ld i n g S c i e n c e，T s i ngh u a U ni n h y，B e ing 1 0 0 0 8 4，C h in a；2 D ，ofMe c h a n i c a l E n g i r ing，T s i ngh u a U n i v e r s i t y，B d j ing 1 0 0 0 8 4，Chn a)Ab s t r a c t：T h e p h a s e c h an g e t e mp e rat u r e an d l a t e n t h e a t o f h i g h t e mp e rat u r e p h a s e c h an g e ma t e r i a l A1 S i a l l o y we r e me g s u r e d，an d i t s t h e r ma l s t a bi l i t yWas s t u d i e dTh e a c q u a i n t an c e o fPC M an d c o nt a i n e rWas r e s e a r c h ed Th e r e s u l t s s h o wed tha t the p h a s e c h an g e t e mp e rat u r e o f A1 S i l 2 i s mo d e rat e，the p hase c h an g e l a t e n t h e a t i s l a r g e，an d i t c a n b e the the r ma l e n e r g y s t o r a g e ma t e r i a l t o be u s e d i n s o l a r e n e r g y s t o r a g eTh e c a u s t i c i t y o f A 1 S i l 2 w e r e a ff e c t ed b y i t s t e mp e r a t u r e Ke y wo r d s：s o l a r e n e r g y；t h e r ma l e n e r g y s t o r ag e；PC M；a c q u a i n t a n c e；me t a l ma t e r i a l 联 系人：E-ma i l：l i u i 0 l m a i l s t s i n g h u a edu c n 维普资讯 http:/