Thermodynamic Property of Molten Salt Thermal Energy Storage Materials Using Drop Calorimetric Technique

doi:10.7503/cjcu20250170

Abstract

Abstract:

As heat storage media， molten salt thermal storage materials have received considerable attention in the field of high-temperature thermal storage technology. Research and understanding of their thermodynamic properties are fundamental to advancing molten salt thermal storage materials. In this study， a high-temperature drop calorimeter was developed for investigating the thermodynamic properties of molten salt thermal energy storage materials. The accuracy of the drop calorimeter was determined to be ±0.5% by measuring the enthalpy of the standard material of α-Al₂O₃. By measuring the enthalpy values of high-purity Sn before and after its solid-liquid phase transition， the measurement deviations for phase transition temperature and enthalpy from the differential scanning calorimetry（DSC） measurement results were determined to be ±0.12% and ±1.3%， respectively. The enthalpy values of NaNO₃， KNO₃， and solar salt（60%NaNO₃-40%KNO₃） were measured by the drop calorimeter in the temperature range of 350—750 K. Polynomial equations for the enthalpy of both the solid and liquid phases were obtained through data fitting， and the phase transition temperatures and enthalpy values were calculated. The results of this study indicate that the drop calorimetry method can accurately measure the enthalpy， phase transition temperature， phase transition enthalpy， and other thermodynamic properties of molten salt thermal storage materials， providing a reliable calorimetric experimental method for their thermodynamic research.

Key words: Drop calorimetric technique, Solar molten salt, Potassium nitrate, Sodium nitrate, Phase transition enthalpy, Phase transition temperature, Enthalpy

CLC Number:

O642

TrendMD:

WU Bing, YIN Nan, HU Jinling, WEI Xiaolan, ZHAO Hong, SHI Quan. Thermodynamic Property of Molten Salt Thermal Energy Storage Materials Using Drop Calorimetric Technique[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(11): 20250170.

Figures/Tables 14

Table 1 Measured enthalpy of KNO3， NaNO3 and 60%NaNO3-40%KNO3

NaNO₃		KNO₃		60%NaNO₃-40%KNO₃
T/K	$H 298.15 K T$ /（J·g^-1）	T/K	$H 298.15 K T$ /（J·g^-1）	T/K	$H 298.15 K T$ /（J·g^-1）
Solid		Solid		Solid
373.15	77.975	373.15	63.779	373.15	82.039
423.15	143.70	423.15	156.67	393.15	106.21
473.15	218.62	473.15	222.49	413.15	130.89
523.15	305.86	523.15	291.08	433.15	155.77
563.15	407.53	573.15	349.87	453.15	187.32
568.15	414.20	603.15	410.54	473.15	221.58
573.15	410.86			483.15	239.91
578.15	430.49			493.15	252.72
Liquid		Liquid		Liquid
583.15	615.97	608.15	466.07	503.15	337.74
588.15	627.27	613.15	522.74	513.15	387.99
593.15	633.82	618.15	529.66	523.15	409.59
598.15	638.71	623.15	534.91	533.15	424.68
603.15	639.44	673.15	602.57	553.15	456.57
623.15	684.98	723.15	669.12	573.15	486.16
673.15	761.24			593.15	520.78
723.15	842.46			613.15	549.55
				633.15	579.85
				653.15	609.26
				673.15	633.44

Table 1 Measured enthalpy of KNO3， NaNO3 and 60%NaNO3-40%KNO3

NaNO₃		KNO₃		60%NaNO₃-40%KNO₃
T/K	$H 298.15 K T$ /（J·g^-1）	T/K	$H 298.15 K T$ /（J·g^-1）	T/K	$H 298.15 K T$ /（J·g^-1）
Solid		Solid		Solid
373.15	77.975	373.15	63.779	373.15	82.039
423.15	143.70	423.15	156.67	393.15	106.21
473.15	218.62	473.15	222.49	413.15	130.89
523.15	305.86	523.15	291.08	433.15	155.77
563.15	407.53	573.15	349.87	453.15	187.32
568.15	414.20	603.15	410.54	473.15	221.58
573.15	410.86			483.15	239.91
578.15	430.49			493.15	252.72
Liquid		Liquid		Liquid
583.15	615.97	608.15	466.07	503.15	337.74
588.15	627.27	613.15	522.74	513.15	387.99
593.15	633.82	618.15	529.66	523.15	409.59
598.15	638.71	623.15	534.91	533.15	424.68
603.15	639.44	673.15	602.57	553.15	456.57
623.15	684.98	723.15	669.12	573.15	486.16
673.15	761.24			593.15	520.78
723.15	842.46			613.15	549.55
				633.15	579.85
				653.15	609.26
				673.15	633.44

Table 2 Polynomial fitting parameters of KNO3， NaNO3 and 60%NaNO3-40%KNO3

		$H 298.15 K T$ =AT³+BT²+CT+D
Sample	Phase	A	B	C	D
NaNO₃	Solid	5.1446×10^-6	-4.1454×10^-3	2.1327	-407.49
NaNO₃	Liquid	-1.4824×10^-5	-2.9202×10^-2	-17.496	3829.30
KNO₃	Solid	2.2397×10^-5	-3.3356×10^-2	17.757	-3081.60
KNO₃	Liquid		-1.5164	-1.5021	-356.76
60%NaNO₃⁃40%KNO₃	Solid	-1.0931×10^-5	1.7355×10^-2	-7.4096	-999.64
60%NaNO₃⁃40%KNO₃	Liquid	-8.4975×10^-6	1.4252×10^-2	-6.3846	-1065.50

Table 2 Polynomial fitting parameters of KNO3， NaNO3 and 60%NaNO3-40%KNO3

		$H 298.15 K T$ =AT³+BT²+CT+D
Sample	Phase	A	B	C	D
NaNO₃	Solid	5.1446×10^-6	-4.1454×10^-3	2.1327	-407.49
NaNO₃	Liquid	-1.4824×10^-5	-2.9202×10^-2	-17.496	3829.30
KNO₃	Solid	2.2397×10^-5	-3.3356×10^-2	17.757	-3081.60
KNO₃	Liquid		-1.5164	-1.5021	-356.76
60%NaNO₃⁃40%KNO₃	Solid	-1.0931×10^-5	1.7355×10^-2	-7.4096	-999.64
60%NaNO₃⁃40%KNO₃	Liquid	-8.4975×10^-6	1.4252×10^-2	-6.3846	-1065.50

Table 3 Comparison of the phase transition temperatures and phase transition enthalpies of KNO3， NaNO3 and 60%NaNO3-40%KNO3 with literature values

Sample	T_m/K		Deviation （%）	ΔH_tr/（J·g^-1）		Deviation （%）
Sample	The study	Ref.	Deviation （%）	The study	Ref.	Deviation （%）
KNO₃	607.53 （603—613）	607.00^［7，20］	0.09	96.25	95.20^［18］	1.09
		609.15^［19］	-0.27		101.24^［22］	-5.18
		610.15^［22］	-0.43		96.60^［21］	-0.36
		607.60^［18］	-0.01		96.50^［29］	-0.26
		610.15^［23］	-0.43		96.00^［25］	0.26
		607.40^［21］	0.02		99.80^［20］	-3.69
		606.55^［29］	0.16
NaNO₃	579.51 （578—583）	579.00^［7］	0.09	174.72	167.00^［8］	4.42
		583.35^［8］	-0.66		182.39^［18］	-4.39
		581.15^［19］	-0.28		178.00^［22］	-1.88
		579.15^［23］	0.06		173.00^［21］	0.98
		579.00^［18］	0.09		166.40^［29］	4.76
		577.50^［21］	0.35		174.00^［27］	0.41
		580.15^［22］	-0.11		172.00^［28］	1.56
		580.00^［20］	-0.08		176.30^［20］	-0.90
		578.55^［29］	0.17
60%NaNO₃⁃40%KNO₃	501.98 （493—513）	493.60^［26］	1.67	106.56	107.87^［26］	-1.23
		504.00^［12］	-0.40		102.00^［12］	4.28
		501.35^［10］	0.13		113.03^［10］	-6.07
		515.00^［24］	-2.59		107.00^［24］	-0.41
		494.15^［25］	1.56		96.00^［25］	9.91

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