نمک‌های انتقال حرارت به دلیل داشتن نقطه ذوب پایین (288 درجه فارنهایت)، ضریب انتقال حرارت بالا، پایداری حرارتی و قیمت نسبتا پایین استفاده گسترده‌ای در صنعت مواد شیمیایی پیدا کرده‌اند. نمک انتقال حرارت غیر قابل اشتعال و غیر قابل انفجار است و بخارات سمی تولید نمی‌کند. هزینه‌های سرمایه گذاری و عملیاتی را به حداقل می‌رساند.
می‌توان از آن در فشار اتمسفر استفاده کرد که نیاز به تجهیزات گران قیمت و فشار بالا را از بین می‌برد. دارای درجه خورندگی کم نسبت به مصالح ساختمانی رایج است. برای مثال، فولاد کربنی ساده را می توان برای تاسیساتی که تا دمای 850 درجه فارنهایت (454 درجه سانتیگراد) کار می‌کنند، استفاده کرد.
به دلیل ضرایب انتقال حرارت بالا و ظرفیت حرارتی بالا اندازه تجهیزات و مساحت سطح برای انتقال حرارت را می توان به حداقل رساند. هزینه های تعمیر و نگهداری و برق برای گردش نمک به نسبت پایین است. نمک انتقال حرارت یک محیط انتقال حرارت مقرون به صرفه وکارآمد ایجاد می کند. در شکل 1 تصویر این نمک مشاهده می شود.این ماده از لحاظ شکل ظاهری مشابه اسید بوریک می‌باشد.
شکل1) نمک انتقال حرارت
نمک های انتقال حرارت یا همان نمک‌های مذاب می‌توانند جایگزین روغن های آلی یا مصنوعی در کاربردهای انتقال حرارت شوند که در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل 2- شماتیک نمک های مذاب
دسته بندی نمک‌های مذاب
هرچند نمک‌های مذاب دارای ساختارهای متفاوتی هستند، به همین دلیل دارای انواع متنوعی نیز می‌باشند. اما در یک دید کلی این ترکیبات را می‌توان به دو گونه زیر تقسیم بندی کرد:
- گروه اول: شامل هالیدهای فلز قلیایی
- گروه دوم: ترکیبات دارای پیوند کووالانسی
در ادامه به شرح هر کدام پرداخته خواهد شد.
اولین گروه نمک‌های مذاب
اولین گروه شامل ترکیباتی نظیر هالیدهای فلزات قلیایی است که بیشتر به وسیله نیروهای یونی پیوند شده‌اند. بر اثر ذوب شدن، تغییرات بسیار کمی در این مواد پدید می‌آید.
عدد کئوردیناسیون یون ها معمولا از شش در بلور به حدود چهار در مذاب سقوط می‌کند و نظم وسیع موجود در بلور از بین می‌رود، ولی نظم محلی که هر کاتیون توسط آنیون ها احاطه شده است هنوز هم وجود دارد.
نمک های مذاب همگی به علت وجود تعداد زیادی یون، الکترولیت های بسیار خوبی هستند. از لحاظ انجماد سنجی رفتاری عادی دارند. تعداد یون ها، در این سیستم ها را می‌توان مانند سیستم اسید سولفوریک تعیین کرد.
دومین گروه نمک‌های مذاب
گروه دوم شامل ترکیباتی است که در آن ها پیوند کووالانسی اهمیت دارد. این ترکیبات معمولا با تشکیل مولکول های مجزا ذوب می‌شوند، هر چند ممکن است خود یونیزاسیون هم صورت گیرد. این گروه به حلال های بی پروتون هالیدی شباهت دارد. ممکن است محلول های اسیدی را با افزایش غلظت و محلول های بازی را با زیاد کردن غلظت تهیه کرد و واکنش های خنثی بر اثر اختلاط این دو صورت می‌گیرند.
کاربردهای نمک مذاب
درواقع نمک هم به عنوان یک ماده خوراکی و هم یک ماده‌ی صنعتی کاربرد زیادی دارد. اما نمک مذاب به دلیل ساختار خاص، برای مقاصد خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد. گاهی سنگ نمک را برای درمان بیماری به کار می‌برند.
در واقع تمامی عناصر موجود در طبیعت هر کدام کارکرد خاص خود را دارند. نمک طعام برای ادامه حیات ضروری است، اما مصرف بیش از حد آن ضرر دارد. نمک‌های مذاب کاربردهای متفاوتی در صنایع مختلف دارند، که از جمله آنها می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد:
- به عنوان حمام برای عملیات حرارتی آلیاژها: مانند باز پخت فولاد
- ترکیب‌های نمک سیانید و کلرید برای بهبود سطح آلیاژها: مانند کربنیزه و نیتروکربنیزه کردن فولاد
- کرایولیت (نمک فلوراید) به‌عنوان حلال برای اکسید آلومینیوم: در تولید آلومینیوم در فرآیند هال – هرولت
- فلوراید: به‌عنوان حلال در فرآیندهای سوخت هسته‌ای
- کلرید: به‌عنوان حلال در فرآیندهای سوخت هسته‌ای
- نمک‌های هیدروکسید: به‌عنوان حلال در فرآیندهای سوخت هسته‌ای
- به‌عنوان سیالات انتقال حرارتی برای ذخیره حرارت
- به‌عنوان سیالات جهت انتقال جریان الکتریسیته
- به عنوان حلال در برخی سلول های سوختی
استفاده از نمک‌های انتقال حرارت در نیروگاههای خورشیدی
همانطور که در بخش قبل نیز به آن اشاره شده از نمک‌های مذاب مختلف مانند نمک‌های فلوراید، کلراید و نیترات به‌عنوان سیالات انتقال حرارتی برای ذخیره حرارت استفاده می‌شود.
این ذخیره حرارتی می‌تواند در نیروگاههای توان حرارتی خورشیدی استفاده شود. ذخیره انرژی در نمک مذاب پیش از این به صورت تجاری برای متمرکز سازی توان خورشیدی در نیروگاههای برق در دسترس قرار گرفته و امکان تولید برق خورشیدی را برحسب تقاضا، فراهم کرده است.
به دلیل محدود بودن نقطه ذوب مواد مختلف در دماهای بالا، نمی توان از سیالاتی همچون آب و روغن جهت انتقال حرارت استفاده نمود. بنابراین در دماهای بالا تا ℃550 از نمک مذاب به عنوان سیال انتقال حرارت استفاده می کنند. برای استفاده از نمک مذاب جهت بالابردن درجه حرارت، نیازی به بالا بردن فشار نمی باشد.
استفاده از نمک‌های انتقال حرارت در سیستم های گرمایش
سه نوع سیستم اصلی گرمایش نمک مذاب وجود دارد:
- گرمایش حمام نمک
- چرخش نمک مذاب
- حرارت دهی مستقیم برای کاربرد عملیات حرارتی
عملکرد و طراحی سیستم‌های حمام نمک
حمام نمک که گاهی اوقات با عنوان نمک مذاب معرفی می‌شوند خانواده‌ای از محصولات هستند که برای فرایندهای زیر استفاده می‌شود:
- حرارت دهی
- عملیات حرارتی
- ذخیره سازی حرارت
- انتقال حرارت
شکل (3): شمایی از فرآیند سیستم‌های حمام نمک
سیستم های گردش نمک مذاب برای توزیع نمک مایع به عنوان یک محیط حرارتی برای مبدل های حرارتی یا سایر مصرف کنندگان گرمایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این سیستم ها می تواند چالش های را به همراه داشته باشد که عبارتند است از:
- انتخاب اجزای سیستم
- ذوب شدن و تخلیه شدن
- متالورژی
- ساختمان سیستم گردش نمک مذاب
هنگامی که انرژی مورد نیاز باشد گردش نمک آغاز می‌شود. اکثر سیستم ها، نمک را بالاتر از نقطه انجماد خود نگه می‌دارند تا از فرایند ذوب مجدد جلوگیری کنند اما در هنگام راه اندازی یا شروع مجدد، نمک سرد در یک مخزن از دوباره ذوب می‌شود.
نمک مذاب سپس از طریق یک سیستم محفظه بسته با استفاده از یک پمپ گردش مخصوص به گردش در می‌آید. مایع از مخزن داغ نمک به سیستم گرمایش گازی با برقی منتقل شده و به مصرف کننده گرمایش منتقل شده و دوباره به مخزن نمک منتقل می‌شود.
این سیستم به طور کلی به گونه ای طراحی شده است که در صورت خاموش شدن پمپ گردش، نمک مذاب به مخزن باز می‌گردد. این سیستم بخاطر نقطه انجماد نمک با سیستم‌های بسته دیگری متفاوت است. این سیستم باید با استفاده مخزن نمک مذاب طراحی شود و باید مخزن نمک پایین تر از خط جریان باشد تا نمک مذاب زمانی که پمپ خاموش شد به داخل مخزن برگردد.
این سیستم باید طوری طراحی شود که از انجماد یا شوک حرارتی به نمک در لوله های گردش جلوگیری کند. نمک مذاب در این سیستم با دمای 565 درجه سانتیگراد در فشار جو معمولی ذخیره می‌شود. در این سیستم، سنسورها برای اندازه گیری و نظارت به سطح مایع فشار و دما و نرخ جریان نصب شده‌اند.
سیستم‌های نمک مذاب در حال گردش می‌توانند گزینه ذخیره انرژی یکپارچه را برای کارخانجات فراهم کنند که برای کاربردهای خاص مورد نیاز است. این مفهوم ذخیره انرژی معمولا در نیروگاهای خورشیدی برای ذخیره انرژی گرمایی برای تولید برق در شب یا هوای ابری استفاده می‌شود.
مخزن نمک مذاب یک قسمت مهم از سیستم نمک مذاب در گردش است که به انتقال نمک مذاب از ژنراتور و سپس به تامین انرژی الکتریکی کمک می‌کند. سیستم‌های نمک مذاب معمولا با دو مخزن متفاوت در سطح و دمای مختلف گرم و سرد کار می‌کنند. نمک مذاب در مخزن سرد به انتهای سیکل به عقب بر می‌گردد. در حالی که نمک موجود در مخزن داغ برای تولید انرژی برای سیستم حرکت می‌کند.
پمپ‌های گردش نمک روی مخزن همراه با المنت الکتریکی یا لوله حرارتی برای ذوب نگه داشتن نمک نصب می‌شوند. این مخازن همچنین به طور مکرر تحت حرارت قرار می‌گیرند و آنها را می‌توان با مواد سرامیک عایق بندی کرد.
سیستم گرمایش حمام نمک، انتقال حرارت طبیعی بدون استفاده از پمپ گردش می‌باشد. این سیستم ها برای دماهای بالا طراحی شده اند تا انرژی لازم را برای کاربردهای مختلف فراهم کنند. کوره حمام نمک با گرم کردن یک ظرف توسط یک مشعل به سبک لوله آتشی یا المنت های الکتریکی غوطه ور در یک ظرف کار می‌کنند . نمک داغ سپس یک کویل غوطه وری را گرم می‌کند و لوله‌های کویل به عنوان مصرف کننده عمل می‌کنند.
در این سیستم ها بایستی ملاحظات طراحی به گونه ای در نظر گرفته شود که بارگیری و ذوب کردن نمک جامد بدون هیچ مشکلی انجام گیرد . یک طراحی ضعیف می تواند منجر به خسارت رساندن به حمام در زمان راه اندازی شود.
حمام نمک معمولا برای احیا مجدد گازها برای غربال گری مولکولی استفاده می‌شوند به طور کلی این سیستم ها قابلیت طراحی ساده سیستم گرمایش غیر‌مستقیم با قابلیت افزایش یا کاهش درجه حرارت را دارند.
ایمنی هنگام کار با نمک مذاب
درباره کار با نمک مذاب یک نکته ایمنی بسیار مهم وجود دارد و آن این است که هیچ وقت نباید برای خنک کردن یا بازگرداندن ماده به حالت جامد، درون ظرف شیشه‌ای پر از آب ریخته شود.
جهت خرید مواد شیمیایی نظیر بوراکس، نمک های مذاب و کلیه ی مواد پرکاربرد با کارشناسان ما در ارتباط باشید.