سیستم‌های حرارتی خورشیدی متمرکز (CSP) از مخلوط‌های نمک مذاب (معمولاً 60٪ NaNO3 + 40٪ KNO3) به عنوان سیالات انتقال حرارت استفاده می‌کنند که در دماهای 500-600 درجه کار می‌کنند. بخاری های غوطه وری الکتریکی برای ذوب نمک، محافظت در برابر یخ زدگی و گرمایش تکمیلی مورد نیاز هستند. در این دماهای شدید، تیتانیوم استاندارد درجه 2 محدودیت های قابل توجهی را نشان می دهد. تیتانیوم درجه 9 (Ti-3Al-2.5V) یک آلیاژ آلفا-بتا است که در اصل برای لوله های هیدرولیک هوافضا ساخته شده است. در مقایسه با درجه 2 خالص تجاری، مقاومت در برابر خزش، مقاومت در برابر اکسیداسیون و استحکام در دمای بالا بسیار بالاتر است. درک اینکه چرا درجه 9 در 550 درجه از درجه 2 بهتر است برای قابلیت اطمینان سیستم CSP ضروری است.

مکانیسم تخریب تیتانیوم درجه 2 در 550 درجه

در دماهای بالاتر از حدود 400 درجه، تیتانیوم درجه 2 به سرعت در هوا شروع به اکسید شدن می کند. لایه اکسید (TiO2) به صورت سهموی رشد می کند و پس از 1000 ساعت در دمای 550 درجه به ضخامت 50-100 میکرومتر می رسد. این اکسید شکننده است و به دلیل عدم تطابق انبساط حرارتی می ریزد و فلز تازه را در معرض اکسیداسیون مداوم قرار می دهد. به طور همزمان، اکسیژن در زیرلایه فلزی پخش می‌شود و یک لایه آلفا{11}}غنی‌شده با اکسیژن تشکیل می‌دهد. این لایه سخت و شکننده است و شکل پذیری را نزدیک به صفر می کند. در چرخه حرارتی، ترک از طریق لایه آلفا{14}} رخ می دهد. درجه 2 نیز قدرت خزشی را به طور چشمگیری در بالای 400 درجه از دست می دهد، با کاهش قدرت تسلیم از 280 مگاپاسکال در دمای اتاق به تقریبا 70 مگاپاسکال در 550 درجه.

عملکرد برتر تیتانیوم درجه 9 در دمای بالا

درجه 9 حاوی 3٪ آلومینیوم (یک محلول جامد تقویت کننده و تثبیت کننده آلفا) و 2.5٪ وانادیوم (یک تثبیت کننده بتا) است. این آلیاژ چندین مزیت در 550 درجه دارد:

مقاومت در برابر اکسیداسیون: آلومینیوم یک لایه محافظ Al2O3 در مقیاس TiO2 تشکیل می دهد که نرخ اکسیداسیون را 60 تا 75 درصد در مقایسه با درجه 2 کاهش می دهد.

مقاومت مورد آلفا-: آلومینیوم انتشار اکسیژن در فلز را به تاخیر می اندازد و عمق آلفا{0}}را برای مدت زمان نوردهی تقریباً 50 درصد کاهش می دهد.

قدرت خزش: درجه 9 استحکام تسلیم تقریباً 200 مگاپاسکال را در 550 درجه حفظ می کند، تقریباً سه برابر درجه 2.

پایداری حرارتی: ریزساختار آلفا-بتا در دماهای بالا پایدارتر از ساختار آلفا درجه 2 است.

مقایسه کمی درجه 2 در مقابل درجه 9 در 550 درجه

آزمایش کنترل شده در نمک نیترات مذاب (60% NaNO3 + 40% KNO3) در دمای 550 درجه به مدت 2000 ساعت، تفاوت‌های عملکردی زیر را مشخص کرده است:

برنامه-انتخاب درجه تیتانیوم برای سرویس CSP

جدول زیر چارچوب تصمیم گیری را برای انتخاب مواد غلاف هیتر تیتانیوم بر اساس دمای نمک مذاب و الزامات عملیاتی ارائه می دهد:

مهندسی فراتر از انتخاب درجه

الزامات ضخامت دیوار بین دو درجه متفاوت است. درجه 2 به دیواره‌های ضخیم‌تر (2.0-2.5 میلی‌متر) نیاز دارد تا امکان اکسیداسیون فراهم شود و تردی آلفا{4}} جبران شود. درجه 9 می تواند از دیوارهای استاندارد (1.2 تا 1.5 میلی متر) استفاده کند زیرا نرخ اکسیداسیون کمتر است و خواص مکانیکی ثابت می ماند. ضریب انبساط حرارتی برای هر دو درجه مشابه است (تقریباً 9.0-9.5 × 10-6 / درجه)، بنابراین سازگاری فلنج نصب بدون تغییر است. جوشکاری درجه 9 به محافظ گاز خنثی تری نسبت به درجه 2 نیاز دارد، زیرا آلومینیوم با اکسیژن و نیتروژن واکنش نشان می دهد. عملیات حرارتی پس{17}جوش برای درجه 9 در سرویس CSP لازم نیست.

ساخت مشخصات آگاهانه

هنگام تعیین یک بخاری تیتانیوم برای نمک مذاب در سیستم‌های حرارتی خورشیدی متمرکز در دماهای بالاتر از 500 درجه، به تیتانیوم درجه 9 (Ti-3Al-2.5V) مطابق با ASTM B861 نیاز دارید. درخواست تأییدیه دمای اتاق{13}}و ویژگی‌های کششی در دمای بالا. حداقل ضخامت دیوار 1.5 میلی متر را برای درجه 9 (در مقابل{10}} میلی متر برای درجه 2) مشخص کنید. لازم است که تمام جوش ها با پاکسازی برگشتی با استفاده از آرگون با خلوص 99.999٪ انجام شود و رنگ جوش بیش از کاه روشن در AWS A5.16 نباشد. برای سیستم هایی که در 550 درجه به طور مداوم کار می کنند، برای کاهش بیشتر اکسیداسیون، یک پوشش انتشار آلومینید اضافی (که توسط سیمان کردن بسته اعمال می شود) مشخص کنید. در طول راه اندازی، دمای بخاری را به آرامی در 2 درجه در دقیقه به 550 درجه افزایش دهید تا امکان تشکیل اکسید پایدار فراهم شود. با انتخاب تیتانیوم درجه 9 نسبت به درجه 2، مهندس عملکرد بخاری قابل اعتماد را برای عمر طراحی 20 تا 30 ساله سیستم های حرارتی خورشیدی متمرکز تضمین می کند.