摘要：表面張力的大小直接決定著熔鹽的熱傳輸能力。基于拉脫法測(cè)量表面張力的原理，改進(jìn)了測(cè)量高溫熔鹽表面張力的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；以化學(xué)純LiNO3進(jìn)行標(biāo)定獲得了儀器系數(shù)，然后分別以NaNO3和Solar salt混合鹽驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和拉脫法測(cè)量高溫熔鹽表面張力的可靠性。在此基礎(chǔ)上，以KBr、LiBr、NaBr、CaBr2為基礎(chǔ)配制了4種不同組分的混合溴化鹽，測(cè)量了4種混合溴化鹽在不同溫度下熔體的表面張力，擬合得到了4種混合溴化鹽表面張力隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明4種混合溴化鹽的表面張力隨溫度升高呈線性下降，與已知熔體表面張力隨溫度變化規(guī)律一致。

引言熔鹽是一種高效傳熱工質(zhì)，具有傳熱系數(shù)高、飽和蒸氣壓低、使用溫度范圍寬、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于傳熱領(lǐng)域如節(jié)能技術(shù)、工業(yè)過(guò)程余熱回收、高效傳熱等方面。液相傳輸系數(shù)N表征著液態(tài)傳熱工質(zhì)傳熱能力的高低，其值與傳熱工質(zhì)相應(yīng)溫度下的表面張力呈正比。因此表面張力是決定工質(zhì)熱傳輸能力的關(guān)鍵因素，確定表面張力對(duì)傳熱工質(zhì)的優(yōu)選及應(yīng)用具有科學(xué)意義。在熔鹽表面張力的理論研究方面，Janz等整合了多種單體熔鹽和部分混合熔鹽的表面張力數(shù)據(jù)，將熔鹽表面張力擬合為溫度的線性關(guān)聯(lián)式；文獻(xiàn)研究了熔鹽表面張力與其他熱物性參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，涉及的熔鹽種類范圍較小，如研究對(duì)象限定于堿金屬鹵化鹽或常見(jiàn)高離子化熔鹽；Aqra建立了計(jì)算熔鹽表面張力的理論模型，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值一致性較好；李志寶等提出了熔鹽表面張力的分子關(guān)聯(lián)模型，對(duì)多種二元混合熔鹽體系的表面張力進(jìn)行了預(yù)測(cè)和關(guān)聯(lián)。

實(shí)驗(yàn)研究方面，郭琦等對(duì)KNO3-NaNO2二元熔鹽體系的表面張力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明該二元硝酸鹽體系的表面張力與溫度呈線性關(guān)系且隨溫度升高而減小。許文江等對(duì)氟鉭酸鉀及其混合熔鹽體系表面張力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該混合熔鹽體系的表面張力大于單體氟鉭酸鉀熔鹽的表面張力。程進(jìn)輝改進(jìn)和研制了相關(guān)物性測(cè)量?jī)x器，測(cè)量了6個(gè)典型的硝酸鹽、碳酸鹽、氯化鹽和氟化鹽體系的包括表面張力在內(nèi)的熱物性參數(shù)，為這些熔鹽體系在傳蓄熱的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。盡管上述文獻(xiàn)對(duì)一些混合熔鹽隨溫度變化的表面張力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，但范圍較小，特別是對(duì)本文研究的四元混合溴化鹽還沒(méi)有開(kāi)展過(guò)實(shí)驗(yàn)或理論方面的研究。

四元混合溴化鹽熔體表面層情況更加復(fù)雜，表面張力大小與溫度、各組分濃度等有關(guān)，尚無(wú)可靠的理論模型可以準(zhǔn)確計(jì)算表面張力值，因此，對(duì)四元混合溴化鹽表面張力的研究仍然以實(shí)驗(yàn)測(cè)量為主。熔鹽液態(tài)時(shí)屬于高溫熔體，高溫條件增加了測(cè)量的難度和復(fù)雜性。目前，測(cè)量熔體表面張力的方法主要有最大氣泡法、拉脫法、電磁懸浮法和靜滴法。拉脫法是通過(guò)測(cè)量與液體表面接觸的垂直圓筒（環(huán)）拉離液面時(shí)的最大拉力來(lái)計(jì)算表面張力。相對(duì)其他方法，拉脫法實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理方便，應(yīng)用比較廣泛。因此，本文采用拉脫法對(duì)四元混合溴化鹽的表面張力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成與工作原理

為了提高搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的效率，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以RTW-10型熔體物性綜合測(cè)定儀為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)以提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度。RTW-10型熔體物性綜合測(cè)定儀采用可控硅溫控系統(tǒng)控制電路加熱溫度，基于拉脫法原理進(jìn)行熔體表面張力的測(cè)量。RTW-10型熔體物性綜合測(cè)定儀主要由測(cè)試系統(tǒng)、自動(dòng)化模塊和加熱系統(tǒng)組成，測(cè)試系統(tǒng)由電子天平、拉筒、熔體坩堝、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，自動(dòng)化模塊主要由控制電路板、升降臺(tái)等組成，加熱系統(tǒng)由交流電源、可控硅調(diào)壓器、溫度控制器、電加熱爐及熱電偶組成。

表面張力的測(cè)量需在恒溫狀態(tài)下進(jìn)行。初期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該儀器的可控硅溫控系統(tǒng)對(duì)高溫下實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果影響較大，測(cè)量數(shù)據(jù)分散性較大，分析認(rèn)為是溫控系統(tǒng)的周期性加熱在熔體內(nèi)產(chǎn)生的不穩(wěn)定對(duì)流影響的結(jié)果。為解決這一問(wèn)題，用可調(diào)壓輸出的直流電源替換了原有的溫控器和可控硅調(diào)壓器，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)并恒定直流電源的輸出電壓控制電加熱爐的加熱功率，使電加熱爐在不同的加熱功率下達(dá)到不同的熱平衡溫度。在每一個(gè)熱平衡工況點(diǎn)，電加熱爐輸入直流電壓保持恒定，避免坩堝中熔體內(nèi)部熱對(duì)流對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的較大影響。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，鉬筒底環(huán)平均半徑0.0065 m；剛玉坩堝高0.1 m，外徑0.05 m；坩堝內(nèi)熔鹽液面高度0.04～0.05 m；直流電源型號(hào)為安捷倫N5771A；熱電偶型號(hào)為K型；數(shù)據(jù)采集模塊采用研華ADAM4000系列；電子天平型號(hào)為JD200-3，精度0.001 g；電加熱爐內(nèi)徑0.06 m，外徑0.2 m，高0.3 m；變頻器型號(hào)為三菱D700。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物如圖2所示。

圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物