冷卻液超低冰點(diǎn)測試方法研究

朱天一

中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心

目前,發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液冰點(diǎn)的測試方法是SH/T 0090-91(2000)《發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液冰點(diǎn)測定法》,具體操作過程為:將一定量試樣注入帶有機(jī)械攪拌裝置的冷卻管中,降低試樣溫度,降溫速率控制在1 ℃/min,觀察其試樣溫度。該方法同時(shí)規(guī)定了判斷冷卻液冰點(diǎn)的方法,即以冷卻液開始結(jié)晶即開始緩慢降溫的溫度為試樣的冰點(diǎn)(方法一),或以冷卻液最初形成結(jié)晶后迅速回升所達(dá)到的最高溫度為試樣的冰點(diǎn)(方法二)。

如今,隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展,一些特殊行業(yè)領(lǐng)域?qū)鋮s液的要求越來越高,尤其是冷卻液的超低冰點(diǎn)性能,一般要求冰點(diǎn)在-50 ℃以下或者更低。因此,有必要對冷卻液超低冰點(diǎn)的測試方法開展研究。

冷卻液超低冰點(diǎn)測試試驗(yàn)

樣品調(diào)制

冷卻液由乙二醇、水和復(fù)合劑等組成。乙二醇與水以不同比例混合會使冷卻液有不同的冰點(diǎn),隨著乙二醇濃度的增加,冷卻液的冰點(diǎn)也隨之降低,但乙二醇達(dá)到一定濃度時(shí),冷卻液的冰點(diǎn)反而會升高。因此,乙二醇與水的合適配比十分重要。乙二醇型冷卻液中乙二醇濃度與冰點(diǎn)之間的關(guān)系見表1［1］。

表1 乙二醇濃度與冰點(diǎn)關(guān)系

參照表1調(diào)制了超低冰點(diǎn)冷卻液,各組分劑量見表2。應(yīng)指出的是,復(fù)合劑中的水和添加劑也會對冷卻液的冰點(diǎn)產(chǎn)生一定的影響。

試驗(yàn)儀器

利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的冷卻液自動(dòng)冰點(diǎn)測試儀(圖1)進(jìn)行超低冰點(diǎn)測試方法研究,此設(shè)備滿足SH/T 0090-91(2000)方法要求,為自動(dòng)型,利用冷卻液形成冰點(diǎn)的溫度變化工作原理,可以自動(dòng)判斷冷卻液冰點(diǎn)值，也可以手動(dòng)測試冰點(diǎn)值即人工通過溫度計(jì)數(shù)值判斷冷卻液的冰點(diǎn)值。

經(jīng)過咨詢儀器廠家,結(jié)合多次試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),將冷卻液結(jié)晶后溫度回升至最高點(diǎn)作為試樣的冰點(diǎn)值,或者利用冷卻液開始結(jié)晶時(shí)緩慢降溫即連續(xù)3個(gè)10 s試樣溫度沒有變化則判斷為冰點(diǎn)值。

結(jié)果及討論

分別按照手動(dòng)方式和自動(dòng)方式進(jìn)行冷卻液冰點(diǎn)測試試驗(yàn)。其中手動(dòng)方式按照試樣開始結(jié)晶溫度和結(jié)晶后回升到最高溫度2種方法考察冷卻液冰點(diǎn)值,見表3。

表2 調(diào)制超低冰點(diǎn)冷卻液各組分劑量

圖1 冷卻液自動(dòng)冰點(diǎn)測試儀

手動(dòng)、自動(dòng)方式測試試樣冰點(diǎn)值的比較

對于冷卻液1和冷卻液2,按照手動(dòng)方式測試試樣冰點(diǎn)值,試樣開始結(jié)晶溫度分別是-46.8 ℃和-49.4 ℃,自動(dòng)方式判斷其冰點(diǎn)值為-51.0 ℃和-51.5 ℃。2種方式判斷的試驗(yàn)結(jié)果不同,自動(dòng)方式測得的冰點(diǎn)值比手動(dòng)方式低,這是因?yàn)樗鼈冊陂_始結(jié)晶后15 min,儀器出現(xiàn)緩慢降溫即“連續(xù)3個(gè)10 s沒有溫度變化”現(xiàn)象,自動(dòng)判斷此溫度為冷卻液冰點(diǎn)值,之后隨著結(jié)晶的增多,溫度有一定回升,但是由于試樣溫度較低,不足以使試樣溫度回升到剛開始的結(jié)晶溫度。

對于冷卻液3、冷卻液4、冷卻液5、冷卻液6和冷卻液7,按照手動(dòng)方式測試冰點(diǎn)值,試樣開始結(jié)晶溫度為 -53.7 ℃、-55.3 ℃、-57.3 ℃、-59.2 ℃、-63.3 ℃,但是5個(gè)試樣在出現(xiàn)結(jié)晶后溫度并沒有回升,其原因是冷卻液溫度很低,結(jié)晶產(chǎn)生的熱量不足以使溫度回升。按照自動(dòng)方式測試?yán)鋮s液3、冷卻液4、冷卻液5、冷卻液6和冷卻液7冰點(diǎn)值,分別為-52.3 ℃、-53.9 ℃、-56.1 ℃、-56.4 ℃,-60.5 ℃,這5個(gè)冰點(diǎn)值與手動(dòng)方式測得的冰點(diǎn)值不同且偏高,這是由于這5個(gè)冷卻液的冰點(diǎn)值比冷卻液1、冷卻液2更低,試樣結(jié)晶前20 min左右,降溫速度就很緩慢,出現(xiàn)“3個(gè)連續(xù)10 s溫度不變化”現(xiàn)象,所以儀器自動(dòng)判斷此溫度為試樣冰點(diǎn)值。

冷卻曲線分析

根據(jù)SH/T 0090-91(2000)要求,針對冷卻液5、冷卻液7的超低冰點(diǎn)試驗(yàn)過程,繪制了冷卻液溫度隨試驗(yàn)時(shí)間變化的冷卻曲線,見圖2、圖3。

圖2 冷卻液5超低冰點(diǎn)試驗(yàn)過程的冷卻曲線

圖3 冷卻液7超低冰點(diǎn)試驗(yàn)過程的冷卻曲線

從圖2可以看出,隨著試驗(yàn)時(shí)間增加,冷卻液溫度逐漸降低。當(dāng)冷卻液溫度降低到-50 ℃及以下,它的降溫速率變得越來越緩慢,試樣結(jié)晶后并無溫度回升或者明顯的降溫速率變化。此時(shí),自動(dòng)方式判斷冷卻液冰點(diǎn)不準(zhǔn)確。

從圖3可以看出,由于冷卻液7的冰點(diǎn)達(dá)到-63.3℃,其在-52 ℃以下降溫緩慢,基本呈一條直線,同樣試樣結(jié)晶后并無溫度回升或者降溫速率變化。此時(shí),自動(dòng)方式判斷冷卻液冰點(diǎn)值比實(shí)際冰點(diǎn)值偏高。

小結(jié)

自動(dòng)方式判斷冷卻液冰點(diǎn)值,是根據(jù)冷卻液開始結(jié)晶緩慢降溫(儀器自身程序)或者出現(xiàn)結(jié)晶后溫度上升來判斷的。試樣溫度在-50 ℃左右及以下本身下降緩慢,不同冰點(diǎn)的冷卻液結(jié)晶后降溫速率也不一致,大部分冷卻液結(jié)晶后溫度無回升且降溫速率無明顯變化,因此,自動(dòng)方式利用緩慢降溫速率來判斷冷卻液冰點(diǎn)值不準(zhǔn)確。根據(jù)SH/T 0090-91(2000)中規(guī)定的冰點(diǎn)判斷方式,即冰點(diǎn)值為試樣開始結(jié)晶的溫度或結(jié)晶后溫度回升的最高溫度,認(rèn)為手動(dòng)測試中開始結(jié)晶溫度即是冷卻液的實(shí)際冰點(diǎn)值,即冷卻液1～冷卻液7的冰點(diǎn)值分別為-46.8 ℃、-49.4 ℃、-53.7 ℃、-55.3 ℃、-57.3 ℃、-59.2 ℃、-63.3 ℃。

重復(fù)性與再現(xiàn)性驗(yàn)證

重復(fù)性試驗(yàn)

對7個(gè)冷卻液試樣進(jìn)行了超低冰點(diǎn)測試重復(fù)性試驗(yàn)(手動(dòng)方式),結(jié)果見表4。

由表4可見,所有7個(gè)試樣的冰點(diǎn)測試結(jié)果均滿足重復(fù)性要求。

再現(xiàn)性試驗(yàn)

將實(shí)驗(yàn)室調(diào)制的超低冰點(diǎn)的冷卻液送至外部實(shí)驗(yàn)室測試?yán)鋮s液超低冰點(diǎn)。外部實(shí)驗(yàn)室冰點(diǎn)儀器X通過手動(dòng)方式測試?yán)鋮s液超低冰點(diǎn)值再現(xiàn)性試驗(yàn)結(jié)果見表5。

由表5可見,通過將外部/內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行比對,所有7個(gè)試樣的冰點(diǎn)測試結(jié)果均滿足試驗(yàn)方法再現(xiàn)性要求。

表4 冷卻液超低冰點(diǎn)測試重復(fù)性試驗(yàn)

表5 冷卻液超低冰點(diǎn)測試再現(xiàn)性試驗(yàn)

結(jié)論與建議

☆冷卻液在-50 ℃左右及以下,由于其試樣本身降溫緩慢,冰點(diǎn)儀器自動(dòng)判斷超低冰點(diǎn)值并不準(zhǔn)確。對于冷卻液超低冰點(diǎn)值,可以采用手動(dòng)方式,利用試樣開始結(jié)晶的溫度進(jìn)行判斷,即將冷卻液出現(xiàn)第一個(gè)“冰晶”時(shí)的溫度作為冷卻液的冰點(diǎn)。但是由于在低溫環(huán)境下,冷卻液的黏度也逐漸增大,存在著攪拌較困難、開始結(jié)晶不明顯等現(xiàn)象,所以研究一種自動(dòng)測試?yán)鋮s液超低冰點(diǎn)的方法極為關(guān)鍵。

☆研究一種可以自動(dòng)測試?yán)鋮s液超低冰點(diǎn)的方法,對冷卻液超低冰點(diǎn)測試及研究工作有著重大意義。建議未來探索冷卻液超低冰點(diǎn)自動(dòng)測試方法時(shí),可以考慮利用溫度和光電結(jié)合的方法,進(jìn)行冷卻液超低冰點(diǎn)性能研究。當(dāng)試樣開始出現(xiàn)結(jié)晶時(shí),針對試樣的狀態(tài)變化,利用光反射原理進(jìn)行冷卻液超低冰點(diǎn)的判斷,以較準(zhǔn)確地判斷其冰點(diǎn)值。