溫度對冷卻液產(chǎn)品理化性能的影響研究

楊慧潔 樊秀菊

中國石化潤滑油有限公司北京研究院

冷卻液一般由水、防凍劑、添加劑3 部分組成，具有冷卻、防凍、防沸、防腐、防垢等作用，可以在設(shè)備工作時(shí)對溫度進(jìn)行合理地調(diào)節(jié)和控制，使設(shè)備各部件保持在正常的工作溫度。

冷卻液已經(jīng)廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，冷卻液逐漸應(yīng)用于更多的領(lǐng)域，如軌道交通、新能源汽車、清潔發(fā)電、數(shù)據(jù)中心等[1，2]。不同應(yīng)用領(lǐng)域冷卻液的工作條件不同，如工作溫度、涉及的金屬材料和非金屬材料等。溫度對冷卻液理化性能具有一定影響，溫度不同，冷卻液的理化性能不同。截至目前，未見有溫度對冷卻液理化性能影響的文獻(xiàn)報(bào)道。在工作溫度下，冷卻液產(chǎn)品理化性能需要滿足一定要求，才能使冷卻系統(tǒng)正常工作，因此有必要對溫度對冷卻液產(chǎn)品理化性能的影響進(jìn)行考察。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)的冷卻液溫度是80 ～90 ℃，電控發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)的冷卻液溫度是95 ～105 ℃，軌道交通牽引變流器正常工作時(shí)的冷卻液溫度是38 ～46 ℃，新能源汽車動(dòng)力電池正常工作時(shí)的冷卻液溫度是20 ～35 ℃，清潔發(fā)電變流器正常工作時(shí)的冷卻液溫度是20～55 ℃，數(shù)據(jù)中心機(jī)房正常工作時(shí)的冷卻液溫度是10 ～55 ℃[3～8]。本文以2 款典型的冷卻液產(chǎn)品為研究對象，1 款添加劑以有機(jī)羧酸復(fù)配技術(shù)的冷卻液（以下簡稱有機(jī)型冷卻液），1 款添加劑以無機(jī)鹽加有機(jī)羧酸復(fù)配技術(shù)的冷卻液（以下簡稱混合型冷卻液），對溫度對冷卻液理化性能的影響進(jìn)行了考察，為冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)以及不同工況下冷卻液的選用提供數(shù)據(jù)支持。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究溫度對冷卻液產(chǎn)品理化性能的影響，溫度范圍選擇20～100 ℃，間隔10 ℃，參考客戶關(guān)注的冷卻液理化性能指標(biāo)，選取運(yùn)動(dòng)黏度、密度、動(dòng)力黏度、電導(dǎo)率、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和飽和蒸氣壓。選用市場上常見的2 款以乙二醇作為防凍劑的冷卻液產(chǎn)品（分別為有機(jī)型和混合型）。冷卻液產(chǎn)品的常規(guī)典型數(shù)據(jù)見表1，冷卻液各項(xiàng)理化性能的試驗(yàn)方法見表2。

表1 有機(jī)型和混合型冷卻液產(chǎn)品的常規(guī)典型數(shù)據(jù)

表2 冷卻液各項(xiàng)理化性能的試驗(yàn)方法

溫度對冷卻液產(chǎn)品理化性能的影響

溫度對冷卻液產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度的影響

運(yùn)動(dòng)黏度一般是表示冷卻液內(nèi)部分子間相互作用力的大小，它是冷卻液內(nèi)部阻力的度量。測試?yán)鋮s液的運(yùn)動(dòng)黏度可以了解一定溫度下設(shè)備啟動(dòng)或工作時(shí)冷卻液的流動(dòng)狀態(tài)，確認(rèn)冷卻液可以正常流動(dòng)。冷卻液的運(yùn)動(dòng)黏度與冷卻液組成、溫度等相關(guān)。一般來說，冷卻液的運(yùn)動(dòng)黏度隨著溫度的升高而降低。

隨著溫度的升高，冷卻液內(nèi)部分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子間的相互作用力減弱，冷卻液的內(nèi)部阻力也隨之減小，運(yùn)動(dòng)黏度隨之降低。這種現(xiàn)象在大多數(shù)液體中都會(huì)出現(xiàn)，例如水、酒精、石油等。有機(jī)型冷卻液產(chǎn)品和混合型冷卻液產(chǎn)品的主要成分都是乙二醇防凍劑和水，添加劑比例較小，兩種冷卻液產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)黏度相近。

溫度對冷卻液運(yùn)動(dòng)黏度的影響及擬合趨勢線如圖1 所示。

圖1 溫度對冷卻液運(yùn)動(dòng)黏度的影響及擬合趨勢線

由圖1 可以看出，隨著溫度從20 ℃升至100 ℃，有機(jī)型冷卻液的運(yùn)動(dòng)黏度從3.54 mm2/s 降至0.68 mm2/s，混合型冷卻液的運(yùn)動(dòng)黏度從3.68 mm2/s降至0.69 mm2/s，下降速率隨著溫度的升高逐漸降低，最終趨于平緩。從測試的結(jié)果可以看出，有機(jī)型冷卻液的運(yùn)動(dòng)黏度和混合型冷卻液的運(yùn)動(dòng)黏度相近，冷卻液的運(yùn)動(dòng)黏度在溫度變化時(shí)變化較大。

溫度對冷卻液產(chǎn)品密度的影響

密度一般是用來表示規(guī)定溫度下單位體積內(nèi)冷卻液的質(zhì)量。若已知冷卻液中二元醇的類型，測試?yán)鋮s液的密度可以大致確定冷卻液的二元醇的含量、冰點(diǎn)和沸點(diǎn)。冷卻液的密度與冷卻液組成、溫度、狀態(tài)等相關(guān)。一般來說，冷卻液的密度隨著溫度的升高而降低。

隨著溫度的升高，冷卻液發(fā)生熱脹冷縮，體積膨脹，質(zhì)量不變，密度隨之降低。有機(jī)型冷卻液產(chǎn)品和混合型冷卻液產(chǎn)品的主要成分都是乙二醇防凍劑和水，添加劑比例較小，兩種冷卻液產(chǎn)品的密度相近。

溫度對冷卻液密度的影響及擬合趨勢線如圖2 所示。

圖2 溫度對冷卻液密度的影響及擬合趨勢線

由圖2 可以看出，隨著溫度從20 ℃升至100 ℃，有機(jī)型冷卻液的密度從1 073 kg/m3降至1 023 kg/m3，混合型冷卻液的密度從1 071 kg/m3降至1 021 kg/m3，下降速率隨著溫度的升高逐漸升高。從測試的結(jié)果可以看出，有機(jī)型冷卻液的密度和混合型冷卻液的密度相近，冷卻液的密度在溫度變化時(shí)變化較小。

溫度對冷卻液產(chǎn)品動(dòng)力黏度的影響

動(dòng)力黏度一般是反映冷卻液在一定溫度下流動(dòng)的阻力大小，通常用來描述冷卻液的黏稠度。測試?yán)鋮s液的動(dòng)力黏度可以了解一定溫度下設(shè)備啟動(dòng)或工作時(shí)冷卻液的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，確認(rèn)冷卻液可以正常流動(dòng)。冷卻液的動(dòng)力黏度與冷卻液組成、溫度等相關(guān)。一般來說，冷卻液的動(dòng)力黏度隨著溫度的升高而降低。

隨著溫度的升高，液體分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子之間的相互作用力減弱，動(dòng)力黏度隨之降低。這種現(xiàn)象在大多數(shù)液體中都存在，但不同液體的溫度-動(dòng)力黏度關(guān)系卻有所不同。有機(jī)型冷卻液產(chǎn)品和混合型冷卻液產(chǎn)品的主要成分都是乙二醇防凍劑和水，添加劑比例較小，兩種冷卻液產(chǎn)品的動(dòng)力黏度相近。

溫度對冷卻液動(dòng)力黏度的影響及擬合趨勢線如圖3 所示。

圖3 溫度對冷卻液動(dòng)力黏度的影響及擬合趨勢線

由圖3 可以看出，隨著溫度從20 ℃升至100 ℃，有機(jī)型冷卻液的動(dòng)力黏度從3.8 mPa·s 降至0.7 mPa·s，混合型冷卻液的動(dòng)力黏度從3.9 mPa·s 降至0.7 mPa·s，下降速率隨著溫度的升高逐漸降低，最終趨于平緩。從測試的結(jié)果可以看出，有機(jī)型冷卻液的動(dòng)力黏度和混合型冷卻液的動(dòng)力黏度相近，冷卻液的動(dòng)力黏度在溫度變化時(shí)變化較大。

溫度對冷卻液產(chǎn)品電導(dǎo)率的影響

電導(dǎo)率一般是表示冷卻液傳導(dǎo)電流的能力，可以用來描述冷卻液中電荷流動(dòng)的難易程度。冷卻液的類型不同，電導(dǎo)率不同。冷卻系統(tǒng)金屬材料腐蝕、非金屬材料兼容性差、系統(tǒng)清洗不徹底等，都會(huì)使冷卻液的電導(dǎo)率上升。測試?yán)鋮s液的電導(dǎo)率可以了解冷卻液是否適用于某種設(shè)備或工況，確認(rèn)冷卻液電導(dǎo)率處于正常范圍。冷卻液的電導(dǎo)率與冷卻液組成、溫度等相關(guān)。一般來說，冷卻液的電導(dǎo)率隨著溫度的升高而升高。

隨著溫度的升高，冷卻液中離子遷移速度加快，電導(dǎo)率隨之升高。有機(jī)型冷卻液產(chǎn)品和混合型冷卻液產(chǎn)品的主要成分都是乙二醇防凍劑和水，添加劑比例較小，電導(dǎo)率主要來源于添加劑，兩種冷卻液產(chǎn)品的電導(dǎo)率有所差異。

溫度對冷卻液電導(dǎo)率的影響及擬合趨勢線如圖4 所示。

圖4 溫度對冷卻液電導(dǎo)率的影響及擬合趨勢線

由圖4 可以看出，隨著溫度從20 ℃升至80 ℃，有機(jī)型冷卻液的電導(dǎo)率從3 340 μS/cm 升至6 010 μS/cm，混合型冷卻液的電導(dǎo)率從3 730 μS/cm升至7 110 μS/cm，上升速率隨著溫度的升高逐漸升高。從測試的結(jié)果可以看出，有機(jī)型冷卻液的電導(dǎo)率比混合型冷卻液的電導(dǎo)率略低，冷卻液的電導(dǎo)率在溫度變化時(shí)變化較大，隨著溫度的升高，差距逐漸增大。

溫度對冷卻液產(chǎn)品導(dǎo)熱系數(shù)的影響

導(dǎo)熱系數(shù)一般是用來反映冷卻液的散熱能力，是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1 m 厚的冷卻液，兩側(cè)表面的溫差為1 K 或1 ℃，在1 h 內(nèi)，通過1 m2面積傳遞的熱量。導(dǎo)熱系數(shù)越大，冷卻液的散熱能力就越強(qiáng)，能夠更快地將冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的熱量散發(fā)出去，從而保證冷卻系統(tǒng)的正常工作。測試?yán)鋮s液的導(dǎo)熱系數(shù)可以了解冷卻液的散熱能力，保證冷卻液的導(dǎo)熱性能和散熱效果。冷卻液的導(dǎo)熱系數(shù)與冷卻液組成、溫度等相關(guān)。一般來說，冷卻液的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而升高。

隨著溫度的升高，分子在更高的溫度下移動(dòng)得更快，因此熱量將以更高的速率通過冷卻液傳遞，導(dǎo)熱系數(shù)隨之升高。有機(jī)型冷卻液產(chǎn)品和混合型冷卻液產(chǎn)品的主要成分都是乙二醇防凍劑和水，添加劑比例較小，兩種冷卻液產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)相近。

溫度對冷卻液導(dǎo)熱系數(shù)的影響及擬合趨勢線如圖5 所示。

圖5 溫度對冷卻液導(dǎo)熱系數(shù)的影響及擬合趨勢線

由圖5 可以看出，隨著溫度從20 ℃升至100 ℃，有機(jī)型冷卻液的導(dǎo)熱系數(shù)從0.37 W·(m·K)-1升至0.40 W·(m·K)-1，混合型冷卻液的導(dǎo)熱系數(shù)從0.38 W·(m·K)-1升至0.42 W·(m·K)-1，上升速率隨著溫度的升高逐漸降低，最終趨于平緩。從測試的結(jié)果可以看出，有機(jī)型冷卻液的導(dǎo)熱系數(shù)和混合型冷卻液的導(dǎo)熱系數(shù)相近，冷卻液的導(dǎo)熱系數(shù)在溫度變化時(shí)變化較小。

溫度對冷卻液產(chǎn)品比熱容的影響

比熱容是表示冷卻液提高溫度所需熱量的能力，而不是吸熱或者散熱能力。它指單位質(zhì)量冷卻液改變單位溫度時(shí)吸收或放出的熱量。冷卻液的比熱容越大，相同質(zhì)量和溫升時(shí)，需要的熱量越多。測試?yán)鋮s液的比熱容可以了解一定溫度下冷卻液提高溫度所需熱量的能力。冷卻液的比熱容與冷卻液組成、溫度等相關(guān)。一般來說，冷卻液的比熱容隨著溫度的升高而升高。

隨著溫度的升高，分子在更高的溫度下移動(dòng)得更快，溫度再升高，破壞分子間作用力需要的熱量越多，比熱容隨之升高。有機(jī)型冷卻液產(chǎn)品和混合型冷卻液產(chǎn)品的主要成分都是乙二醇防凍劑和水，添加劑比例較小，兩種冷卻液產(chǎn)品的比熱容相近。

溫度對冷卻液比熱容的影響及擬合趨勢線如圖6 所示。

圖6 溫度對冷卻液比熱容的影響及擬合趨勢線

由圖6 可以看出，隨著溫度從20 ℃升至100 ℃，有機(jī)型冷卻液的比熱容從3.3 kJ·(kg·K)-1升至3.6 kJ·(kg·K)-1，混合型冷卻液的比熱容從3.3 kJ·(kg·K)-1升至3.6 kJ·(kg·K)-1，冷卻液比熱容與溫度保持線性關(guān)系，上升速率穩(wěn)定。從測試的結(jié)果可以看出，有機(jī)型冷卻液的比熱容和混合型冷卻液的比熱容相近，冷卻液的比熱容在溫度變化時(shí)變化較小。

溫度對冷卻液產(chǎn)品飽和蒸氣壓的影響

飽和蒸氣壓是表示在密閉條件中，在一定溫度下，與冷卻液處于相平衡的蒸氣所具有的壓強(qiáng)。測試?yán)鋮s液的飽和蒸氣壓可以了解一定溫度下設(shè)備工作時(shí)冷卻液的蒸發(fā)情況，確認(rèn)冷卻液的蒸發(fā)情況。冷卻液的飽和蒸氣壓與冷卻液組成、溫度等相關(guān)。一般來說，冷卻液的飽和蒸氣壓隨著溫度的升高而升高。

隨著溫度的升高，分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子之間的作用力減小，導(dǎo)致蒸氣分子容易從冷卻液中逃逸，形成飽和蒸氣，飽和蒸氣壓隨之升高。有機(jī)型冷卻液產(chǎn)品和混合型冷卻液產(chǎn)品的主要成分都是乙二醇防凍劑和水，添加劑比例較小，兩種冷卻液產(chǎn)品的飽和蒸氣壓相近。

溫度對冷卻液飽和蒸氣壓的影響及擬合趨勢線如圖7 所示。

圖7 溫度對冷卻液飽和蒸氣壓的影響及擬合趨勢線

由圖7 可以看出，隨著溫度從50 ℃升至130 ℃，有機(jī)型冷卻液的飽和蒸氣壓從9.3 kPa 升至213.6 kPa，混合型冷卻液的飽和蒸氣壓從9.5 kPa 升至213.8 kPa，上升速率隨著溫度的升高逐漸升高。從測試的結(jié)果可以看出，有機(jī)型冷卻液的飽和蒸氣壓和混合型冷卻液的飽和蒸氣壓相近，冷卻液的飽和蒸氣壓在溫度變化時(shí)變化較大。

結(jié)論

在市場上常見的以乙二醇作為防凍劑的冷卻液產(chǎn)品中選取2 款（有機(jī)型和混合型），研究了溫度對冷卻液產(chǎn)品理化性能的影響，結(jié)果表明：

☆在各試驗(yàn)溫度下，2 款冷卻液產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)黏度、密度、動(dòng)力黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、飽和蒸氣壓相近，沒有明顯差異；電導(dǎo)率有一定差距，有機(jī)型冷卻液產(chǎn)品的電導(dǎo)率低于混合型冷卻液產(chǎn)品的電導(dǎo)率，隨著溫度的升高，差距逐漸增大。

☆隨著溫度的升高，2 款冷卻液產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)黏度、密度、動(dòng)力黏度降低，電導(dǎo)率、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、飽和蒸氣壓升高；其中運(yùn)動(dòng)黏度、動(dòng)力黏度、電導(dǎo)率、飽和蒸氣壓變化較大，密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容變化較小。