新型太阳能发电换热器材料-ZrC/W复合材料

【引言】

提高涡轮机入口温度可有效地提高集中式太阳能发电的热电效率，但这需要改善换热器材料。通过使用闭式循环高压超临界二氧化碳（sCO₂）再压缩循环操作入口温度高于1023K的涡轮机，而不是使用入口温度低于823K的常规循环涡轮机，相对热量 - 电力转换效率可提高20％以上。然而，闭式循环高压sCO₂涡轮系统的入口温度受紧凑热交换器的热机械性能的限制。 相对于目前的金属合金基换热器，本文提供一种可以经济地制造具有增强的高温破坏强度，导热性和耐腐蚀性的换热器材料。

【成果简介】

美国普渡大学K. H. Sandhage（通讯作者）在Nature上发表一篇题为“Ceramic–metal composites for heat exchangers in  concentrated solar power plants”的文章。本文提供了一种新的ZrC/W复合材料，用于印刷电路型热交换器（>1023K）。并且提供了一种经济的制造该复合材料的方法。可通过多孔碳化钨板的形状和尺寸保持化学转化，制造具有可调通道图案的ZrC/W基换热板，实现在1073K时表现出超过350MPa的破坏强度，并且在该温度下热导率值比铁或镍基合金的热导率值高两到三倍。通过将铜层粘合到复合材料表面并向sCO2中添加50ppm的一氧化碳，实现了在1023K和20MPa下对sCO₂的耐腐蚀性。

【图文导读】

图一 致密，含通道图案的ZrC/W板

(a) 多孔刚性WC预成型板

(b-c) 预制件的断裂横截面的二次电子图像以及XRD

(d) 活性Zr₂Cu渗透到多孔WC预制件

图二 含Cu的ZrC/W复合材料在1,023 K下对缓冲的超临界含CO/CO2的流体的耐腐蚀性

(a) ZrC/W转化样品的Cu包封的图示。

(b) 暴露于sCO₂流体(含50 p.p.mCO)Cu包封的ZrC/W样品，实验条件：1023K，1000h，20MPa

图三 计算出的印刷电路型换热器的功率密度

文献链接：Ceramic–metal composites for heat exchangers in  concentrated solar power plants(Nature, 2018, DOI:10.1038/s41586-018-0593-1)

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