HFE7000、HFE7200的表面張力和黏度實驗研究

畢勝山,趙貫甲,吳江濤,孟現(xiàn)陽

(1.西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室, 710049, 西安;2.太原理工大學電氣與動力工程學院, 030024, 太原)

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HFE7000、HFE7200的表面張力和黏度實驗研究

畢勝山1,趙貫甲2,吳江濤1,孟現(xiàn)陽1

(1.西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室, 710049, 西安;2.太原理工大學電氣與動力工程學院, 030024, 太原)

為了獲得氫氟醚HFE7000、HFE7200的表面張力和黏度參數(shù),補充現(xiàn)有數(shù)據(jù)不足,為其作為電子元器件的冷卻介質(zhì)、工業(yè)清洗劑等工程應(yīng)用提供技術(shù)支持,采用表面光散射實驗系統(tǒng),對HFE7000、HFE7200在293～393 K溫度范圍內(nèi)飽和狀態(tài)下的表面張力和黏度進行了實驗研究,共計得到44組實驗數(shù)據(jù)。利用得到的實驗數(shù)據(jù),擬合得到了HFE7000、HFE7200的表面張力和黏度計算方程。其中,表面張力方程計算值和實驗數(shù)據(jù)之間的絕對偏差在±0.1 mN·m-1以內(nèi),黏度方程計算值和實驗數(shù)據(jù)之間的相對偏差在2%以內(nèi)。所獲得的表面張力和黏度實驗數(shù)據(jù)以及計算方程,可為HFE7000、HFE7200的工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)熱物性數(shù)據(jù)。

氫氟醚;表面張力;黏度;表面光散射

氫氟醚HFE7000、HFE7200具有良好的物化性質(zhì)和環(huán)境性能[1],是多種化工合成物的原料。如表1所示,HFE7000、HFE7200的臭氧破壞潛能(ODP)均為0,溫室效應(yīng)潛能(GWP)分別為370和55,大氣壽命為4.9和0.77 a。此外,HFE7000、HFE7200還具有高揮發(fā)性、低表面張力,可作為電子元器件的冷卻介質(zhì)[2-3],還可以替代HCFC-141b、HFC-43-10mee作為工業(yè)清洗劑。在能源領(lǐng)域,HFE7000還可作為朗肯循環(huán)工質(zhì),用來回收低溫熱源的低品位能量[4]。

表1 HFE7000和HFE7200的基本性質(zhì)

注:μ為電偶極矩。

表面張力和黏度是流體重要的物性參數(shù),在工質(zhì)相變傳熱和傳質(zhì)過程的計算中具有重要的作用。目前,涉及HFE7000和HFE7200的熱物性數(shù)據(jù)均源于3M公司提供的產(chǎn)品說明,且僅提供25 ℃下的單點值。從熱物性測量的角度分析,3M公司提供的數(shù)據(jù)并未給出測量方法和測量的不確定度,可信度較低。本課題組利用高壓振動管密度計測量了HFE7000和HFE7200在283～363 K、0～100 MPa的密度[5-6]。本文采用表面光散射實驗系統(tǒng)研究了HFE7000、HFE7200在飽和狀態(tài)下、293～393 K溫度范圍的表面張力和黏度,為其進一步的工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ)熱物性數(shù)據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗材料

HFE7000、HFE7200由美國3M公司提供,純度(質(zhì)量分數(shù))為99.5%,采用水分分析儀測量得到含水量(質(zhì)量分數(shù))小于0.01%。

1.2 實驗原理

表面光散射理論可詳細參考文獻[7-9],這里只重點介紹如下。對于沒有外界振動影響的氣液界面(純質(zhì)也稱為表面),由于分子的熱運動引起密度漲落會在液面上形成波動,即表面波。表面波的波長為微米級,振幅為納米級。表面波的波動特性由液體的表面張力、黏度和密度性質(zhì)決定,通過對表面波色散方程的求解[10],即可以獲得液體的表面張力和黏度,如下式所示

(1)

式中:α=ω±iΓ為表面波復頻率,ω表征表面波單頻率,Γ=1/τc表征表面波衰減,τc為表面波衰減的特征時間;m=(q2+iαρ/η)1/2,m′=(q2+iαρ′/η′)1/2,其中未知參數(shù)q、η、η′、ρ、ρ′分別為表面波波數(shù)、液相黏度、氣相黏度、液相密度、氣相密度;σ為表面張力。

參數(shù)ω、τc和q通過實驗的方法獲得。由于式(1)是復數(shù)方程,因此η、η′、ρ、ρ′和σ這5個參數(shù)知其中3個便可以求得剩余2個。對于HFE7000和HFE7200,其氣相參數(shù)η′和ρ′可以通過估算得到,ρ是采用實驗室利用振動管密度計已經(jīng)獲得的實驗數(shù)據(jù),因此通過求解式(1)便可以獲得高精度的σ和η值。

在實驗過程中,借助幾何光學,q可由下式計算得到

(2)

式中:λ0為入射光波長;Θi為入射角,本文取Θi=3°～4.5°,由高精度旋轉(zhuǎn)臺測量得到。

由于表面波信號較弱,在頻域范圍內(nèi)直接測量ω難度較大,因此采用被表面波散射的散射光的時間相關(guān)方程來描述表面波的頻率特征。對于本文研究的振蕩衰減的表面波,散射光強度時間相關(guān)方程可以表示

(3)

式中:A為相關(guān)函數(shù)的基線;B為比例常數(shù);φ為相位偏移量,表征了提取到的表面波功率譜相對于標準洛侖茲函數(shù)的偏差。因此,通過擬合散射光強度時間相關(guān)方程即可以獲得ω和τc。

1.3 實驗系統(tǒng)

本文采用的表面光散射實驗系統(tǒng)由實驗光路、耐高壓實驗本體、控溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成,圖1為實驗系統(tǒng)示意圖,詳細參見文獻[9]。

圖1 表面光散射實驗系統(tǒng)示意圖

激光器采用低功率連續(xù)型固體激光器,λ0=532 nm。高精度旋轉(zhuǎn)臺的直徑為80 mm、角度分辨率為0.000 67°,經(jīng)過校正角度測量的精度可以達到±0.05%,數(shù)字相關(guān)器為ALV-LinCorr,可以計算兩路信號的相關(guān)函數(shù)。實驗本體采用304號不銹鋼材料,內(nèi)部直徑為70 mm、容積為150 cm3,實驗中所需的樣品體積約為50 cm3。實驗本體可控制在溫度為250～400 K、壓力為0～10 MPa的范圍。實驗本體溫度控制采用電加熱方式,采用Fluke2100溫控器控溫,采用經(jīng)過標定的Pt100鉑電阻溫度計和ASL的F200高精度測溫儀測溫,溫度測量的不確定度小于±30 mK。

為了檢驗系統(tǒng)的可靠性,利用標準物質(zhì)甲苯對裝置進行了檢驗,結(jié)果表明表面張力和黏度的實驗值與理論值最大偏差為1.3%和0.39%[11],可以滿足表面張力和黏度的高精度測試要求。

1.4 氣相參數(shù)估算

由式(1)可以求解表面波色散方程需要的ρ′和η′,本文中HFE7000和HFE7200在飽和狀態(tài)下的氣相密度由PR方程結(jié)合飽和蒸氣壓方程進行估算,估算的預期不確定度為1%。

(4)

由文獻[13],對比黏度

(5)

其中

(6)

(7)

其中Zc為臨界壓縮因子,μr為對比偶極矩,定義為

(8)

對于極性化合物,利用對比態(tài)估算低壓氣相黏度的預期不確定度為4%。

2 實驗結(jié)果及分析

本文對HFE7000和HFE7200在飽和狀態(tài)下293.17～393.00 K和293.27～393.35 K溫度區(qū)間的表面張力和黏度進行了實驗研究,結(jié)果列于表2。

表面張力采用與溫度相關(guān)的van der Waals關(guān)聯(lián)式進行擬合

(9)

式中:σ0和n是擬合參數(shù)。

黏度采用多項式擬合

(10)

表3列出了擬合得到的參數(shù)值。HFE7000、HFE7200表面張力實驗值與擬合方程(9)的計算值的最大偏差分別為0.064 mN·m-1和0.068 mN·m-1,平均偏差分別為0.030 mN·m-1和0.024 mN·m-1。黏度實驗值與擬合方程(10)的計算值的平均相對偏差分別為0.71%和0.36%,最大相對偏差分別為1.83%和0.63%。

圖2給出了HFE7000和HFE7200表面張力與溫度的關(guān)系以及實驗值與擬合方程計算值的偏差。兩種氫氟醚的表面張力隨著溫度升高逐漸降低,且隨著相對分子質(zhì)量增大和臨界溫度升高,表面張力增大。在整個測量的溫度范圍內(nèi),實驗值與方程計算值的偏差不超過±0.1 mN·m-1。

圖2 HFE7000、HFE7200表面張力與溫度的關(guān)系以及實驗值與方程計算值的偏差

物質(zhì)T/Kρ/kg·m-3ρ'/kg·m-3η'/μPa·sν/mm2·s-1σ/mN·m-1HFE7000293.171421.94.511.00.318512.18303.231390.76.511.40.288411.10313.221359.89.311.80.260510.04323.201328.813.012.20.23829.08333.171297.917.912.50.20978.08343.151267.024.312.90.19337.18353.131236.032.713.30.17766.23363.091205.143.613.60.16145.37373.071174.257.914.00.15054.52383.041143.377.114.40.13343.69393.001112.4103.414.70.12322.91HFE7200293.271434.61.510.00.466313.75303.271412.12.210.30.412612.89313.221389.23.110.70.366211.91323.231365.64.411.00.328711.09333.241341.46.111.40.297110.28343.261316.68.311.70.26799.43353.271290.911.112.00.24518.62363.301264.414.712.40.22757.80373.321236.919.212.70.21486.96383.341208.524.913.10.20266.20393.351178.931.913.40.18995.43

表3 HFE7000和HFE7200表面張力和黏度擬合參數(shù)

圖3給出了HFE7000、HFE7200黏度與溫度的關(guān)系以及實驗值與擬合方程計算值的偏差,結(jié)果表明,實驗值與方程計算值的偏差均在±2%之內(nèi)。

根據(jù)誤差傳遞理論,本文實驗測量的不確定度可由色散方程(1)中的各測量和輸入?yún)?shù)的不確定度引入,但由于式(1)沒有理論分析解,只能近似估算表面張力和黏度測量的不確定度。本文采用參考文獻[9]中推薦的方法,表面張力和黏度的測量不確定度近似表達式為

(11)

(12)

圖3 HFE7000、HFE7200黏度與溫度的關(guān)系 以及實驗值與方程計算值的偏差

表4給出了式(11)、(12)中各參數(shù)對HFE7000和HFE7200表面張力和黏度在溫度上下限(T=293～393 K)的擴展測量不確定度的貢獻。其中,兩種物質(zhì)在T=293 K時,表面張力擴展測量不確定度為0.33%,黏度擴展測量不確定度分別為1.04%和1.03%;當T=393 K時,表面張力擴展測量不確定度為0.33%,黏度擴展測量不確定度分別為1.35%和1.13%;表面張力的不確定度保持不變,隨著溫度的升高,黏度測量的擴展測量不確定度升高。越接近臨界溫度,氣相密度和黏度對擴展測量不確定度的貢獻越大。因此,本文HFE7000和HFE7200表面張力的擴展測量不確定度(置信因子k=2)估計為0.35%,黏度的擴展測量不確定度(k=2)分別估計為1.35%和1.13%。

表4 各參數(shù)對HFE7000和HFE7200表面張力 和黏度測量不確定度的貢獻 %

3 結(jié) 論

本文利用新搭建的表面光散射實驗系統(tǒng)測量了兩種氫氟醚類物質(zhì)HFE7000和HFE7200在飽和狀態(tài)下的表面張力和黏度,溫度范圍均為293～393 K。利用獲得的數(shù)據(jù),擬合了表面張力和黏度的關(guān)聯(lián)式。HFE7000和HFE7200表面張力實驗值與關(guān)聯(lián)式計算值的平均偏差分別為0.030 mN·m-1和0.024 mN·m-1;HFE7000和HFE7200黏度實驗值與關(guān)聯(lián)式計算值的平均相對偏差分別為0.71%和0.36%。

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(編輯 荊樹蓉)

Experimental Research on the Surface Tension and Viscosity of HFE7000 and HFE7200

BI Shengshan1,ZHAO Guanjia2,WU Jiangtao1,MENG Xianyang1

(1. Key Laboratory of Thermal-Fluid Science and Engineering of MOE, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

HFE7000 and HFE7200 have been widely used as heat transfer fluids in semiconductor industry and cleaning solvents in electronic components because of their favorable thermophysical and environmental properties. To obtain their surface tension and viscosity data, HFE7000 and HFE7200 were measured in the temperature range from 293 to 393 K based on surface light scattering method in the present work. The obtained 44 experimental data were used to fit the equations of surface tension and viscosity. The absolute deviations between the calculated surface tension from the equations and the experimental results are within ±0.1 mN·m-1, and the relative deviations are within 2%. The experimental data of surface tension and viscosity and the equations obtained in this research can provide the basic thermal physical data for the engineering applications of HFE7000 and HFE7200.

HFE; surface tension; viscosity; surface light scattering

2014-10-28。

畢勝山(1978—),男,副教授。

國家自然科學基金資助項目(51276142);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(XJJ2012jdhz37)。

時間:2015-04-21

10.7652/xjtuxb201507001

TK124

A

0253-987X(2015)07-0001-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150421.1711.006.html