Кварцові та графітові занурювальні нагрівачі: що краще для високотемпературного-розплаву солі?

Нітрати, хлориди та фториди є прикладами високо-температурних розплавлених солей, які стають все більш популярними для таких цілей, як сонячне теплове зберігання, високо-температурні хімічні процеси та сучасні ядерні реактори. Розплавлені солі є чудовими для зберігання енергії та переміщення тепла, але вони також ускладнюють матеріали, які використовуються для нагрівання зануренням. Кварц і графіт є двома прикладами не-металевих матеріалів, які часто використовують для нагрівання розплавлених солей. Це пояснюється тим, що вони дуже стійкі до високих температур і не піддаються корозії. Але кожен матеріал має свої плюси та мінуси, коли справа стосується перебування в розплавлених солях, особливо коли температура перевищує 500 градусів. У цій публікації ми порівняємо кварцові та графітові занурювальні нагрівачі на основі таких важливих факторів, як те, наскільки вони можуть нагріватися, наскільки добре вони працюють з хімікатами, наскільки добре вони проводять тепло, наскільки вони надійні та наскільки-рентабельні.

Пошук нагрівача розплавленої солі в тиглі екстремальної спеки
Використання розплавлених солей як рідини для передачі тепла створює велике навантаження на нагрівальні матеріали. Ці солі можуть сильно нагріватися, від 500 градусів до 800 градусів, і вони досить їдкі та хімічно реактивні, особливо в ситуаціях, які сильно окиснюють або дуже відновлюють. Важливо знати обмеження таких матеріалів, як кварц і графіт, оскільки все більше і більше накопичувачів енергії та хімічної обробки потребують розплавлених солей. Обидва матеріали чудово підходять для нагрівання речей, які не є металом, але вони працюють зовсім по-різному в екстремальних ситуаціях, наприклад, коли температура дійсно висока або коли є агресивне середовище розплавленої солі.

Розбір матеріалів: розгляд природних властивостей під мікроскопом
Якщо поглянути на кварц і графіт поруч, то можна побачити, що їхні природні властивості роблять їх придатними для використання при різних високих-температурах.

Кварц: кварц (SiO₂) — це аморфна речовина, яка не має чіткої форми. Він плавиться приблизно при 1700 градусах і погано окислюється при помірних температурах. Кварц не легко піддається корозії в умовах окислення, однак він стає м’якшим при вищих температурах, приблизно 1000 градусів. Кварц часто використовується в ситуаціях, коли дуже важливі його висока чистота і відсутність реакційної здатності. Він також добре працює при помірному нагріванні та є кращим у місцях, де важливий низький рівень забруднення, зокрема в напівпровідникових і фармацевтичних секторах. Кварц може мати проблеми в місцях із дуже високою температурою та хімічною реакційною здатністю, оскільки він не може добре витримувати сильні термічні удари та чутливий до деяких розплавлених солей, особливо до фторид-солей.

Графіт, кристалічна форма вуглецю, має температуру плавлення приблизно 3500 градусів, що значно вище, ніж у кварцу. Він також чудово витримує високі температури. Він набагато краще проводить тепло, ніж кварц (~1,4 Вт/м·K), оскільки має значно вищу теплопровідність (~100-150 Вт/м·K). Ось чому графіт чудово підходить для місць, де потрібно швидко передавати тепло. Але графіт слабкий, оскільки він реагує з киснем при температурах вище 450 градусів, що спричиняє його окислення та втрату продуктивності. Графіт найкраще працює в інертних або відновних атмосферах, але йому потрібні захисні покриття або середовища інертного газу, щоб залишатися стабільним протягом тривалого часу, коли присутні кисень або ворожі солі.

Виступ на Арені розплавленої солі: боротьба на багатьох рівнях
Тип використовуваного розплавленої солі має великий вплив на те, наскільки добре працюють кварцові та графітові нагрівачі в розплавлених солях.

Нітратні розплавлені солі: ці солі є дуже окислювальними і широко використовуються в сонячних системах зберігання тепла. Кварц добре працює з нітратними солями і є найкращим матеріалом для цих цілей. Він залишається стабільним у присутності цих солей при температурах до 800 градусів. Але коли є багато тепла та багато нітратних солей, кварц може руйнуватися через хімічні процеси, які утворюють розчинні силікати. Графіт добре витримує високі температури, але він не такий хороший для нітратних солей, оскільки він починає окислюватися при температурі вище 450 градусів, що погіршує його -довгострокову ефективність.

Хлоридні та карбонатні розплавлені солі: ці солі зазвичай використовуються в промислових процесах, які відбуваються при високих температурах і менш схильні до окислення. Графіт чудово підходить для цих цілей, оскільки він добре проводить тепло і не легко руйнується в інертному або деградуючому середовищі. Він добре працює навіть при температурі вище 600 градусів, коли кварц може почати втрачати свою стабільність. Але графіт потребує захисних покриттів, щоб він не окислювався під час контакту з киснем. Ці покриття можуть зробити операції складнішими та дорогими.

Розплавлені солі фтору: солі, що містять фторид, дуже корозійно впливають як на кварц, так і на графіт. Іони фтору дуже швидко пошкоджують обидва матеріали, викликаючи їх руйнування та вихід з ладу. Фторидна корозія надзвичайно шкідлива для кварцу, але графіт також дуже пористий і може поглинати ці шкідливі іони, що робить його таким же шкідливим. У цих високих умовах обидва матеріали потребують додаткового захисту, включаючи спеціальні покриття або сплави, які є більш стійкими до іонів фтору.

The Trade{0}}Off Table: список важливих речей, про які слід подумати, приймаючи рішення
Фактор у рішенні

Обігрівач з кварцом

Утеплювач для Графіту

Найвища температура, при якій він може працювати

Висока (близько 1000 градусів)

Very high (>1500 градусів у налаштуваннях з невеликим або без кисню)

Теплопровідність

Низький (близько 1,4 Вт/м·К)

Високий (близько 100–150 Вт/м·К)

Сумісність з окисним середовищем

чудово

Погано (потрібний захист понад 450 градусів)

Сумісність із менш забрудненим середовищем

добре

Дуже добре

Стійкість до термічного удару

Помірний (чутливий до різких змін температури)

Відмінно (оскільки він має велику провідність і гнучкий)

Чистота матеріалу та ризик забруднення

Дуже висока, без забруднення металами

Помірна, можлива втрата частинок вуглецю

Вартість в середньому

Дуже високий

Від високого до дуже високого, залежно від сорту графіту та способу його обробки.

Найкращий вид розплавленої солі

Нітрати і деякі хлориди, що мають більш низьку температуру

Хлориди та карбонати, стійкі при високих температурах (із захисним середовищем)

Вибір: сіль і температура мають значення
Є кілька важливих речей, про які слід подумати, вибираючи між кварцовими та графітовими нагрівачами.

Дізнайтеся, з чого складається розплавлена ​​сіль і в якій атмосфері вона знаходиться. Для окислювальних умов, таких як нітратні солі, використовуйте кварц. Для зменшення таких ситуацій, як хлориди та карбонати, використовуйте графіт.

Дізнайтеся робочу температуру: Графіт є кращим вибором, якщо температура залишається вище 800 градусів, оскільки він має кращу теплопровідність і може витримувати високі температури.

Перевірте складність системи: якщо ваша система піддається впливу кисню або агресивних хімікатів, для графіту можуть знадобитися більш складні захисні покриття або атмосфера інертного газу, що зробить систему дорожчою та складнішою.

Поговоріть із професіоналами: якщо ви використовуєте-сучасні або змішані розплавлені солі, радимо перевірити сумісність ваших матеріалів із вашим постачальником, щоб переконатися, що ваша система прослужить довго.

Висновок: два чемпіони для різних сфер екстриму
Підсумовуючи, і графіт, і кварц є хорошою альтернативою для високо-розплавленої солі. Однак їх переваги та недоліки багато в чому залежать від температури та хімічного середовища. Кварц найкраще підходить для ситуацій, які окислюються при помірних температурах, тоді як графіт найкраще підходить для середовищ, які відновлюються за високих температур. Вибір правильного залежить від знання конкретних потреб середовища розплавленої солі та довгострокових-термічних, хімічних і механічних властивостей, які йому необхідні.