導熱油黏溫關系試驗研究

王柳磊 寇廣孝 尹湘

湖南工業大學土木工程學院

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

國內的張春明[2]選用了20種品種不同的原油做為試驗樣品，利用黏度計分別測量了樣品在40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃的黏度值，然后采用相關模型對試驗數據進行擬合,結果發現對數模型和指數模型有較好的相關性。國外的Ioana Stanciu[3]選用了一種無添加劑礦物油做為試驗樣品，利用德國Haake VT550黏度計測量了樣品在溫度為40～90℃的范圍內的黏度值，得到黏度和溫度的相應數據，然后用Origin軟件將黏度和溫度相關試驗數據進行非線性回歸分析，最終得出了該種礦物油的黏溫關系式。

文中以試驗為基礎，通過選取兩種不同型號的導熱油，采用BSY-108A型高溫運動黏度測定儀測出導熱油在20～100℃溫度范圍內的黏度，并用 Walther 黏溫公式進行數據驗證。相比于已有的研究，文中測試樣品為導熱油，且增大了測試溫度范圍，然后由試驗數據推導出適用于導熱油的黏度與溫度關系式。

1 試驗

1.1 油樣

導熱油屬于潤滑劑的相關產品，按照不同的使用場合和最高的使用溫度可劃分為L-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℃的強制或非強制循環的閉式傳熱系統。按照產品類型和性能的差異導熱油可分為礦物型導熱油和合成型導熱油。根據本試驗的特性和已有的試驗研究基礎，文中分別選取具有優異高溫熱穩定性和低溫流動性好的L-QC320礦物型和L-QD330合成型兩種類型導熱油。

1.2 裝置

試驗系統由BSY-108A型高溫（測量溫度范圍為20～350℃）運動黏度測定儀、毛細管黏度計、橡皮球、橡膠導管、秒表等組成。

圖1 黏度測量系統實物圖

圖2 黏度測量系統原理圖

BSY-108A型高溫運動黏度測定儀采用PID自整定技術和模糊控制原理，溫度控制通過加熱管實現，定點控溫由智能控溫儀表電路實現[5]，實物圖如圖1所示，它主要有攪拌電機、恒溫浴、SSR（固體繼電器）、控溫儀等組成，其黏度測量系統原理具體可見圖2。

運動黏度按《石油產品運動黏度測定法和動力黏度計算法（GB/T265-88）》[6]標準進行測定，即采用毛細管黏度計，毛細管內徑及其測量樣品黏度范圍如表1：

表1 毛細管內徑和測量黏度范圍

根據表1毛細管內徑和黏度范圍表以及所選的導熱油類型并結合已有的研究，文中選用的毛細管黏度計內徑分別為0.6mm、0.8mm、1.2mm、1.5mm。毛細管黏度計按SY3067技術要求選取，并按《JJG155-1991工作毛細管粘度計檢定規程》檢定。

所選用的導熱油在一定溫度下密度為常數，為不可壓縮流體，這也是毛細管測黏度的前提。測量的依據為哈根—泊肅葉定理[7]，即

式中：ν為流體的運動黏度，mm2/s；r為毛細管黏度計半徑，mm；p1、p2為流體單元所受壓強，Pa；τ為流體流出一定體積所用時間；Vt為在一定時間內流體流出的體積，m3；L為毛細管長度，mm。

1.3 試驗方法

確定試驗溫度，根據已有的研究可知，導熱油在使用溫度處于0～350℃的范圍內時，其黏度隨溫度的升高會急劇下降。其中在0～150℃黏度降低幅度遠大于150～350℃溫度范圍內黏度的變化幅度。考慮到實測的難易程度和實用意義，文中所選擇的測溫范圍為20～100℃，測量溫差為20℃。所以本試驗所選的恒定溫度條件分別為20℃、40℃、60℃、80℃、100℃。

本試驗所選的恒溫浴液體為熱穩定性和抗氧化性較好的硅油，試驗時將硅油緩緩倒入恒溫浴容器內，然后將導熱油用橡皮球和橡膠導管引入到相對應的毛細管里，之后把毛細管黏度計緩慢浸入到硅油內，直至硅油沒過毛細管黏度計三分之二以上，然后把毛細管黏度計固定在運動黏度測定儀上，最后通過控溫儀調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熱油，同時按下秒表，記錄下導熱油從毛細管內所標定的初始位置到指定位置所用的時間，反復測量3～4次，然后繼續加熱到下一溫度。改變硅油的溫度，即可測得下個黏度。

2 試驗結果與分析

2.1 結果

用上述方法測量并計算導熱油 L-QC320 和L-QD330的黏度如表2：

表2 不同溫度下兩種導熱油的黏度測定值（mm 2 /S）

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

2.2 黏溫關系式

定量描述導熱油及其相關產品黏溫特性的關系式已有多種，但對于較寬溫度區域的黏溫關系，目前最廣泛使用的還是Walther的經驗式：

式中：ν為黏度，mm2/s；T為絕對溫度，K；a、b為經驗常數；對于大多數石油產品，a＜1.0。

將表2 中的數據代入式（2），可 以得到該公式的相關系數、和，由 此可得到相應的黏溫關系式，如 表3：

表3 兩種導熱油黏度回歸分析結果

從表3中可以看出，導熱油黏度的對數值與溫度的對數紙呈線性關系。各參數隨著導熱油類別和使用溫度的不同而出現小幅度的變化。其中經過計算的a值大小都在1.0的范圍內，符合大多數石油產品的經驗常數對a＜1.0的要求[8]。

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

根據導熱油黏度回歸分析表（表3）計算在設定溫度情況下兩種導熱油的黏度如表4：

表4 不同溫度下兩種導熱油的黏度擬合計算結果（mm 2 /S）

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

總的來說，兩種導熱油實測和經擬合公式計算的數據都較好的符合了 Walther 公式黏溫曲線，由Walther黏溫公式回歸分析得出的這兩種導熱油的擬合黏溫公式所計算出的黏度偏差率小，精確度高，能較好的表達出該類型導熱油黏度與溫度的關系。

3 結論

文中以試驗為基礎，采用毛細管黏度計測出了L-QC320和L-QD330兩種導熱油的黏度，與擬合公式相對比分析，具體結論和分析如下：

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

2）兩種導熱油在所設定的溫度范圍內試驗和擬合數據都符合液壓流體黏度隨溫度升高而降低的特性。

3）以 Walther黏溫公式為基礎而擬合的公式在計算這兩種導熱油的黏度上具有準確的高的特性，計算誤差在5%以內，在實測困難的情況下能較準確的預測導熱油黏溫特性。