導(dǎo)熱油黏溫關(guān)系試驗(yàn)研究

王柳磊 寇廣孝 尹湘

湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

黏度是導(dǎo)熱油重要的物性參數(shù)之一，其在溫度下的變化值更是決定著導(dǎo)熱油的品質(zhì)，黏度和溫度關(guān)系在研究導(dǎo)熱油中起著重要的作用[1]。但目前針對(duì)導(dǎo)熱油黏度和溫度關(guān)系的研究較少，其黏度和溫度關(guān)系大多是在原油和礦物油或潤(rùn)滑油等相近產(chǎn)品的基礎(chǔ)上推倒而來的。

國(guó)內(nèi)的張春明[2]選用了20種品種不同的原油做為試驗(yàn)樣品，利用黏度計(jì)分別測(cè)量了樣品在40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃的黏度值，然后采用相關(guān)模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)模型和指數(shù)模型有較好的相關(guān)性。國(guó)外的Ioana Stanciu[3]選用了一種無(wú)添加劑礦物油做為試驗(yàn)樣品，利用德國(guó)Haake VT550黏度計(jì)測(cè)量了樣品在溫度為40～90℃的范圍內(nèi)的黏度值，得到黏度和溫度的相應(yīng)數(shù)據(jù)，然后用Origin軟件將黏度和溫度相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸分析，最終得出了該種礦物油的黏溫關(guān)系式。

文中以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過選取兩種不同型號(hào)的導(dǎo)熱油，采用BSY-108A型高溫運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定儀測(cè)出導(dǎo)熱油在20～100℃溫度范圍內(nèi)的黏度，并用 Walther 黏溫公式進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證。相比于已有的研究，文中測(cè)試樣品為導(dǎo)熱油，且增大了測(cè)試溫度范圍，然后由試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出適用于導(dǎo)熱油的黏度與溫度關(guān)系式。

1 試驗(yàn)

1.1 油樣

導(dǎo)熱油屬于潤(rùn)滑劑的相關(guān)產(chǎn)品，按照不同的使用場(chǎng)合和最高的使用溫度可劃分為L(zhǎng)-QA、L-QB、L-QC、L-QD、L-QE等五類[4]。其中L-QB、L-QC、L-QD系列分別可用于最高使用溫度300℃以下，300～320℃和大于320℃的強(qiáng)制或非強(qiáng)制循環(huán)的閉式傳熱系統(tǒng)。按照產(chǎn)品類型和性能的差異導(dǎo)熱油可分為礦物型導(dǎo)熱油和合成型導(dǎo)熱油。根據(jù)本試驗(yàn)的特性和已有的試驗(yàn)研究基礎(chǔ)，文中分別選取具有優(yōu)異高溫?zé)岱€(wěn)定性和低溫流動(dòng)性好的L-QC320礦物型和L-QD330合成型兩種類型導(dǎo)熱油。

1.2 裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)由BSY-108A型高溫（測(cè)量溫度范圍為20～350℃）運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定儀、毛細(xì)管黏度計(jì)、橡皮球、橡膠導(dǎo)管、秒表等組成。

圖1 黏度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物圖

圖2 黏度測(cè)量系統(tǒng)原理圖

BSY-108A型高溫運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定儀采用PID自整定技術(shù)和模糊控制原理，溫度控制通過加熱管實(shí)現(xiàn)，定點(diǎn)控溫由智能控溫儀表電路實(shí)現(xiàn)[5]，實(shí)物圖如圖1所示，它主要有攪拌電機(jī)、恒溫浴、SSR（固體繼電器）、控溫儀等組成，其黏度測(cè)量系統(tǒng)原理具體可見圖2。

運(yùn)動(dòng)黏度按《石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定法和動(dòng)力黏度計(jì)算法（GB/T265-88）》[6]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定，即采用毛細(xì)管黏度計(jì)，毛細(xì)管內(nèi)徑及其測(cè)量樣品黏度范圍如表1：

表1 毛細(xì)管內(nèi)徑和測(cè)量黏度范圍

根據(jù)表1毛細(xì)管內(nèi)徑和黏度范圍表以及所選的導(dǎo)熱油類型并結(jié)合已有的研究，文中選用的毛細(xì)管黏度計(jì)內(nèi)徑分別為0.6mm、0.8mm、1.2mm、1.5mm。毛細(xì)管黏度計(jì)按SY3067技術(shù)要求選取，并按《JJG155-1991工作毛細(xì)管粘度計(jì)檢定規(guī)程》檢定。

所選用的導(dǎo)熱油在一定溫度下密度為常數(shù)，為不可壓縮流體，這也是毛細(xì)管測(cè)黏度的前提。測(cè)量的依據(jù)為哈根—泊肅葉定理[7]，即

式中：ν為流體的運(yùn)動(dòng)黏度，mm2/s；r為毛細(xì)管黏度計(jì)半徑，mm；p1、p2為流體單元所受壓強(qiáng)，Pa；τ為流體流出一定體積所用時(shí)間；Vt為在一定時(shí)間內(nèi)流體流出的體積，m3；L為毛細(xì)管長(zhǎng)度，mm。

1.3 試驗(yàn)方法

確定試驗(yàn)溫度，根據(jù)已有的研究可知，導(dǎo)熱油在使用溫度處于0～350℃的范圍內(nèi)時(shí)，其黏度隨溫度的升高會(huì)急劇下降。其中在0～150℃黏度降低幅度遠(yuǎn)大于150～350℃溫度范圍內(nèi)黏度的變化幅度?？紤]到實(shí)測(cè)的難易程度和實(shí)用意義，文中所選擇的測(cè)溫范圍為20～100℃，測(cè)量溫差為20℃。所以本試驗(yàn)所選的恒定溫度條件分別為20℃、40℃、60℃、80℃、100℃。

本試驗(yàn)所選的恒溫浴液體為熱穩(wěn)定性和抗氧化性較好的硅油，試驗(yàn)時(shí)將硅油緩緩倒入恒溫浴容器內(nèi)，然后將導(dǎo)熱油用橡皮球和橡膠導(dǎo)管引入到相對(duì)應(yīng)的毛細(xì)管里，之后把毛細(xì)管黏度計(jì)緩慢浸入到硅油內(nèi)，直至硅油沒過毛細(xì)管黏度計(jì)三分之二以上，然后把毛細(xì)管黏度計(jì)固定在運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定儀上，最后通過控溫儀調(diào)整恒溫浴到指定溫度。加熱到指定溫度，待溫度恒定后釋放導(dǎo)熱油，同時(shí)按下秒表，記錄下導(dǎo)熱油從毛細(xì)管內(nèi)所標(biāo)定的初始位置到指定位置所用的時(shí)間，反復(fù)測(cè)量3～4次，然后繼續(xù)加熱到下一溫度。改變硅油的溫度，即可測(cè)得下個(gè)黏度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 結(jié)果

用上述方法測(cè)量并計(jì)算導(dǎo)熱油 L-QC320 和L-QD330的黏度如表2：

表2 不同溫度下兩種導(dǎo)熱油的黏度測(cè)定值（mm 2 /S）

從表2中可以看出，礦物型和合成型導(dǎo)熱油在溫度升高時(shí)黏度都會(huì)降低，但在同一溫度下，合成型導(dǎo)熱油的黏度要小于礦物型導(dǎo)熱油的黏度，在相同的溫度范圍內(nèi)，礦物型導(dǎo)熱油L-QC320 的黏度降低幅度要大于合成型導(dǎo)熱油L-QD330。在相同的條件下，礦物型導(dǎo)熱油的黏度更易受溫度的影響，而合成型導(dǎo)熱油在溫度變化的情況下熱穩(wěn)定性更好。

2.2 黏溫關(guān)系式

定量描述導(dǎo)熱油及其相關(guān)產(chǎn)品黏溫特性的關(guān)系式已有多種，但對(duì)于較寬溫度區(qū)域的黏溫關(guān)系，目前最廣泛使用的還是Walther的經(jīng)驗(yàn)式：

式中：ν為黏度，mm2/s；T為絕對(duì)溫度，K；a、b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；對(duì)于大多數(shù)石油產(chǎn)品，a＜1.0。

將表2 中的數(shù)據(jù)代入式（2），可 以得到該公式的相關(guān)系數(shù)、和，由 此可得到相應(yīng)的黏溫關(guān)系式，如 表3：

表3 兩種導(dǎo)熱油黏度回歸分析結(jié)果

從表3中可以看出，導(dǎo)熱油黏度的對(duì)數(shù)值與溫度的對(duì)數(shù)紙呈線性關(guān)系。各參數(shù)隨著導(dǎo)熱油類別和使用溫度的不同而出現(xiàn)小幅度的變化。其中經(jīng)過計(jì)算的a值大小都在1.0的范圍內(nèi)，符合大多數(shù)石油產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)對(duì)a＜1.0的要求[8]。

b和m是與流體物性有關(guān)的常數(shù)，b值（截距）的大小會(huì)隨著導(dǎo)熱油品種的不同而出現(xiàn)不同的變化，合成型導(dǎo)熱油L-QD330的b值大于礦物型導(dǎo)熱油L-QC320，兩類導(dǎo)熱油的黏度都隨b值的升高而降低。m的絕對(duì)值(斜率)的大小與油品的感溫性能有關(guān)，其絕對(duì)值越小，感溫性能越好，可以看出L-QC320的感溫性能在所選的兩種導(dǎo)熱油當(dāng)中較好。

根據(jù)導(dǎo)熱油黏度回歸分析表（表3）計(jì)算在設(shè)定溫度情況下兩種導(dǎo)熱油的黏度如表4：

表4 不同溫度下兩種導(dǎo)熱油的黏度擬合計(jì)算結(jié)果（mm 2 /S）

由表4可以看出，擬合公式計(jì)算的黏度值隨溫度的升降趨勢(shì)與試驗(yàn)測(cè)量值相同，黏度都是隨溫度的升高而降低。由表3和表4計(jì)算可知，擬合公式所得出的黏度值和實(shí)測(cè)黏度相比平均偏差都在5%以內(nèi)，其中礦物型導(dǎo)熱油L-QC320的黏度計(jì)算偏差率隨設(shè)定溫度的升高而降低，而合成型導(dǎo)熱油L-QD330黏度計(jì)算值的偏差率隨使用溫度的升高而升高。且礦物型導(dǎo)熱油L-QC320黏度的計(jì)算平均偏差率要低于合成型導(dǎo)熱油L-QD330的黏度計(jì)算偏差率。

總的來說，兩種導(dǎo)熱油實(shí)測(cè)和經(jīng)擬合公式計(jì)算的數(shù)據(jù)都較好的符合了 Walther 公式黏溫曲線，由Walther黏溫公式回歸分析得出的這兩種導(dǎo)熱油的擬合黏溫公式所計(jì)算出的黏度偏差率小，精確度高，能較好的表達(dá)出該類型導(dǎo)熱油黏度與溫度的關(guān)系。

3 結(jié)論

文中以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用毛細(xì)管黏度計(jì)測(cè)出了L-QC320和L-QD330兩種導(dǎo)熱油的黏度，與擬合公式相對(duì)比分析，具體結(jié)論和分析如下：

1）合成型導(dǎo)熱油L-QD330相比于礦物型導(dǎo)熱油L-QC320 有更低的黏度，所以其低溫流動(dòng)性更好，適用于對(duì)能耗、穩(wěn)定性、使用壽命要求高的行業(yè)。

2）兩種導(dǎo)熱油在所設(shè)定的溫度范圍內(nèi)試驗(yàn)和擬合數(shù)據(jù)都符合液壓流體黏度隨溫度升高而降低的特性。

3）以 Walther黏溫公式為基礎(chǔ)而擬合的公式在計(jì)算這兩種導(dǎo)熱油的黏度上具有準(zhǔn)確的高的特性，計(jì)算誤差在5%以內(nèi)，在實(shí)測(cè)困難的情況下能較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)導(dǎo)熱油黏溫特性。