Hệ thống nhiệt mặt trời tập trung (CSP) sử dụng hỗn hợp muối nóng chảy (thường là 60% NaNO₃ + 40% KNO₃) làm chất lỏng truyền nhiệt, hoạt động ở nhiệt độ 500–600 độ. Cần có lò sưởi ngâm điện để làm tan chảy muối, bảo vệ chống đóng băng và sưởi ấm bổ sung. Ở những nhiệt độ khắc nghiệt này, titan loại 2 tiêu chuẩn có những hạn chế đáng kể. Titan cấp 9 (Ti-3Al-2.5V) là hợp kim alpha-beta ban đầu được phát triển cho ống thủy lực hàng không vũ trụ. Nó có khả năng chống rão, chống oxy hóa và độ bền nhiệt độ cao hơn đáng kể so với Cấp 2 thuần túy về mặt thương mại. Hiểu lý do tại sao Cấp 9 lại vượt trội hơn Cấp 2 ở nhiệt độ 550 độ là điều cần thiết cho độ tin cậy của hệ thống CSP.

Cơ chế phân hủy Titan cấp 2 ở 550 độ

Ở nhiệt độ trên khoảng 400 độ, titan loại 2 bắt đầu oxy hóa nhanh chóng trong không khí. Lớp oxit (TiO₂) phát triển theo hình parabol, đạt độ dày 50–100 µm sau 1.000 giờ ở nhiệt độ 550 độ. Oxit này giòn và bong ra do sự giãn nở nhiệt không khớp, khiến kim loại tươi tiếp tục bị oxy hóa. Đồng thời, oxy khuếch tán vào chất nền kim loại, tạo thành lớp vỏ alpha{10}được giàu oxy. Lớp này cứng và giòn, làm giảm độ dẻo đến gần bằng không. Trong chu kỳ nhiệt, vết nứt xảy ra thông qua lớp vỏ alpha. Loại 2 cũng mất đi độ bền rão đáng kể trên 400 độ, với độ bền chảy giảm từ 280 MPa ở nhiệt độ phòng xuống khoảng 70 MPa ở 550 độ.

Hiệu suất vượt trội của Titan lớp 9 ở nhiệt độ cao

Loại 9 chứa 3% nhôm (chất tăng cường dung dịch rắn và chất ổn định alpha) và 2,5% vanadi (chất ổn định beta). Hợp kim này cung cấp một số lợi thế ở 550 độ:

Chống oxy hóa: Nhôm tạo thành lớp Al₂O₃ bảo vệ trong thang TiO₂, giảm tốc độ oxy hóa từ 60–75% so với Lớp 2.

Khả năng kháng trường hợp Alpha-: Nhôm làm chậm quá trình khuếch tán oxy vào kim loại, làm giảm độ sâu trường hợp alpha- khoảng 50% trong cùng thời gian tiếp xúc.

Sức mạnh leo: Lớp 9 duy trì cường độ chảy khoảng 200 MPa ở 550 độ, gần gấp ba lần so với lớp 2.

Độ ổn định nhiệt: Cấu trúc vi mô alpha{0}}beta ổn định hơn ở nhiệt độ cao so với cấu trúc alpha Cấp 2.

So sánh định lượng của Lớp 2 so với Lớp 9 ở 550 độ

Thử nghiệm có kiểm soát trong muối nitrat nóng chảy (60% NaNO₃ + 40% KNO₃) ở nhiệt độ 550 độ trong 2.000 giờ đã xác định được những khác biệt về hiệu suất sau:

Ứng dụng-Lựa chọn cấp Titanium dựa trên ứng dụng cho dịch vụ CSP

Bảng sau đây cung cấp khung quyết định để lựa chọn vật liệu vỏ bọc lò sưởi titan dựa trên nhiệt độ muối nóng chảy và yêu cầu vận hành:

Kỹ thuật ngoài lựa chọn lớp

Yêu cầu về độ dày của tường khác nhau giữa hai loại. Cấp 2 yêu cầu thành dày hơn (2,0–2,5 mm) để cung cấp khả năng chống oxy hóa và bù đắp cho độ giòn của trường hợp alpha-. Lớp 9 có thể sử dụng vách tiêu chuẩn (1,2–1,5 mm) vì tốc độ oxy hóa thấp hơn và tính chất cơ học vẫn ổn định. Hệ số giãn nở nhiệt tương tự nhau đối với cả hai loại (khoảng 9,0–9,5 × 10⁻⁶ / độ), do đó khả năng tương thích của mặt bích lắp là không thay đổi. Hàn cấp 9 yêu cầu che chắn khí trơ cẩn thận hơn cấp 2, vì nhôm phản ứng với oxy và nitơ. Không cần{17}}xử lý nhiệt sau mối hàn đối với Cấp 9 trong dịch vụ CSP.

Thực hiện một đặc điểm kỹ thuật có hiểu biết

Khi chỉ định lò sưởi titan cho muối nóng chảy trong hệ thống nhiệt mặt trời tập trung ở nhiệt độ trên 500 độ, yêu cầu titan cấp 9 (Ti-3Al-2.5V) phù hợp với tiêu chuẩn ASTM B861. Yêu cầu chứng nhận về đặc tính kéo ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ cao. Chỉ định độ dày thành tối thiểu là 1,5 mm cho Cấp 9 (so với{10}} mm đối với Cấp 2). Yêu cầu tất cả các mối hàn phải được thực hiện bằng phương pháp tẩy ngược bằng argon có độ tinh khiết 99,999% và màu mối hàn không vượt quá màu rơm nhạt theo AWS A5.16. Đối với các hệ thống hoạt động liên tục ở nhiệt độ 550 độ, hãy chỉ định lớp phủ khuếch tán aluminide bổ sung (được áp dụng bằng cách xi măng gói) để giảm quá trình oxy hóa hơn nữa. Trong quá trình vận hành, từ từ tăng nhiệt độ bộ gia nhiệt ở mức 2 độ/phút lên 550 độ để cho phép hình thành oxit ổn định. Bằng cách chọn titan Lớp 9 thay vì Lớp 2, kỹ sư đảm bảo hiệu suất gia nhiệt đáng tin cậy trong vòng đời thiết kế 20–30 năm của các hệ thống nhiệt mặt trời tập trung.