氣液飽和溶液黏度實驗系統(tǒng)及其性能測試

張垚,朱山杉,孫艷軍,王曉坡

(西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室,710049,西安)

流體的熱物理性質(zhì)一直是石油化工、制冷空調(diào)、航天航空等領域不可缺少的基本參數(shù)。流體的黏度作為一種重要的遷移性質(zhì),經(jīng)過多年的發(fā)展,已有多種比較成熟的測試方法和手段,主要有毛細管法、振動法、落體法、旋轉(zhuǎn)法以及光學法等。這些方法不僅可用于流體純質(zhì)氣相或液相黏度的測量,還可用于流體混合物氣相或液相黏度的測量。

隨著各領域研究的不斷深入,氣體溶解到液體中達到飽和狀態(tài)時溶液(本文簡稱氣液飽和溶液)的黏度測試逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點,如在制冷空調(diào)領域,近年來制冷劑/離子液體工質(zhì)對被認為是一種非常有潛力的新型吸收式制冷工質(zhì)對。為了評價工質(zhì)對的性能,國內(nèi)外許多研究人員已對制冷劑與離子液體的相平衡性質(zhì)進行了深入的研究和分析[1-6],而進一步將工質(zhì)對應用到制冷循環(huán)中時,溶解到離子液體中的制冷劑與離子液體形成的飽和溶液的黏度則是必須已知的一個參數(shù),它對于制冷循環(huán)的優(yōu)化設計具有十分重要的作用。目前,國內(nèi)外對這一類氣液飽和溶液的黏度測試研究得非常少,僅有Ahosseini等研究了含飽和R134a的[Hmim][Tf2N]溶液、含飽和CO2的[Bmim][BF4]溶液等的黏度[7-9]。

由于氣液飽和溶液的特殊性,傳統(tǒng)的流體黏度單一的測量方法就有一定的困難。為了深入開展氣液飽和溶液黏度的研究工作,本文將相平衡裝置與雙毛細管法黏度實驗裝置進行集成,搭建了一套用于測量氣液飽和溶液黏度的實驗系統(tǒng),并對該系統(tǒng)進行了詳盡的性能測試。

1 氣液飽和溶液黏度測量原理

由于雙毛細管法相比單毛細管法,測試過程不需要知道毛細管長度、管徑等結構參數(shù),且不需要標定儀器常數(shù)[10-13],因此本文采用雙毛細管法。根據(jù)哈根-泊肅葉定律,牛頓流體在管道內(nèi)保持層流狀態(tài)時,流體黏度與體積流率、毛細管道內(nèi)徑和壓力降之間有如下關系

(1)

(2)

式中:Q表示流體的體積流率;r和L分別表示毛細管的內(nèi)徑和長度;p1和p2表示毛細管道前后端的壓力。采用雙毛細管測量流體黏度通常有兩種方法,在本文實驗工況下,毛細管膨脹造成的影響基本可以忽略,因此選用標準流體測試法。標準流體法是一種基于相對法的黏度測量方法,通過已知黏度的標準流體進行標定。

基于標準流體在前后端毛細管的質(zhì)量流量相等得到

(3)

式中:ΔpR,F和ΔpR,B分別表示標準流體流經(jīng)前后端毛細管的差壓;ηR,F和ηR,B分別表示標準流體流經(jīng)前后端毛細管時的黏度;ρR,F和ρR,B分別表示標準流體在前后端毛細管的密度;ZR,F和ZR,B分別表示前后端毛細管的結構系數(shù)。

同理,在保持同一個恒流源的情況下,測試流體經(jīng)過前后端毛細管的質(zhì)量流量相等,即

(4)

式中:ΔpE,F和ΔpE,B分別表示測試流體流經(jīng)前后端毛細管的差壓;ηE,F和ηE,B分別表示測試流體流經(jīng)前后端毛細管的黏度;ρE,F和ρE,B分別表示測試流體在前后端毛細管的密度。兩個毛細管采用相同規(guī)格且處于同一恒溫水浴,因此結構系數(shù)在計算時可以消去。由式(3)、式(4)得到

(5)

當標準流體和測試流體流經(jīng)后端毛細管的差壓相等時,可得到

(6)

將式(6)代入式(5)并化簡可得

(7)

式中mR,B和mE,B分別為標準流體和測試流體流經(jīng)后端毛細管時的質(zhì)量流量,且由于前后端質(zhì)量流量相等(mE,B=mE,F,mR,B=mR,F),可得到計算測試流體黏度的公式為

(8)

2 氣液飽和溶液黏度實驗系統(tǒng)

2.1 實驗系統(tǒng)的建立

基于雙毛細管黏度計搭建的實驗系統(tǒng)主要由黏度測量裝置和平衡釜兩部分組成,其中黏度測量部分由平流泵、恒溫槽、毛細管、背壓閥、溫度測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等組成,具體如圖1所示。

圖1 流體黏度實驗測量系統(tǒng)

考慮到所測對象為氣液飽和態(tài),溫度的變化會造成其氣液溶解度的變化,為了消除這一影響,區(qū)別于傳統(tǒng)的雙毛細管法,本文將兩個毛細管以及平衡釜置于同一恒溫水浴中。

為了測量不同黏度范圍的流體,根據(jù)實驗測試流體黏度范圍分別選擇直徑為0.25 mm(長度為3 m)和直徑為1 mm(長度為1.5 m)的兩種毛細管。毛細管取壓端前后有0.15 m的直管段,以保證流體經(jīng)過差壓傳感器時流動狀態(tài)穩(wěn)定。毛細管壓力測量采用美國Omega公司生產(chǎn)的PX409系列差壓傳感器,差壓傳感器量程為0～345 kPa,測量精度為0.08%。背壓閥采用世偉洛克公司生產(chǎn)的KPB系列背壓閥,最大壓力為13.7 MPa,通過調(diào)節(jié)背壓閥控制流體在實驗管道的壓力。

氣液飽和溶液在平衡釜內(nèi)配置完成,平衡釜上方的壓力傳感器記錄平衡壓力。在溫度、壓力一定時,利用相平衡模型可以計算出此狀態(tài)下飽和溶液的溶解度。待平衡釜內(nèi)流體達到氣液相平衡時,通過恒流泵將平衡釜內(nèi)的氣液飽和溶液在一定壓力和流量下輸送到毛細管黏度測試管路,整個過程持續(xù)時間很短,通常只需幾秒鐘,以保證流體在進入管道時氣液飽和狀態(tài)不變。在黏度測試過程中,需要實時調(diào)整背壓閥控制流體在黏度測試管路的壓力為氣液平衡壓力,通過計算可得到飽和溶液的黏度。需要特別說明的是,本文所搭建的系統(tǒng)主要用于測量氣體溶解在液相達到飽和狀態(tài)且液相飽和蒸氣壓可忽略的流體的黏度。

恒流泵為神州微科2PB-1040系列,流量范圍0.01～10 mL/min。平衡釜采用304不銹鋼腔體和不銹鋼管路以及壓力傳感器組成,平衡釜腔體積約為500 cm3。黏度裝置和平衡釜都放置在恒溫槽中,恒溫槽的溫度波動度小于0.01 K。測溫時采用的是Pt100鉑電阻(Fluke 5608),其不確定度小于0.03 K(置信因子k=2)。壓力傳感器由北京遠東羅斯蒙特儀表有限公司生產(chǎn),型號Rosemount 3051T,最大量程5.5 MPa,傳感器精度為0.025%,不確定度為2 kPa(置信因子k=2)。

2.2 實驗系統(tǒng)不確定度分析

根據(jù)國際組織對標準不確定度的規(guī)定,實驗中測量值的合成不確定度可通過下式計算

(9)

式中:ui為各個誤差的標準差;uc為合成標準差;k為置信因子,本文取k=2(置信度為95%)。氣液飽和流體黏度實驗系統(tǒng)的不確定度由氣液平衡系統(tǒng)的不確定度和雙毛細管黏度測試的不確定度構成,具體不確定度分析如表1所示。

表1 黏度測試系統(tǒng)的不確定度

3 黏度實驗系統(tǒng)性能測試

為了驗證雙毛細管實驗裝置的可靠性,本文首先針對常規(guī)有機物的黏度進行性能測試。采用去離子水作為標準流體,對乙醇和正庚烷的黏度進行測試,得到了溫度在278.15～353.15 K范圍內(nèi)的乙醇和正庚烷的常壓黏度,并與REFPROP 9.1[14]中的值進行對比,結果列于表2和3。乙醇黏度的文獻值與實驗值的絕對平均偏差為1.13%,最大偏差為2.24%,正庚烷黏度的文獻值與實驗值的絕對平均偏差為0.89%,最大偏差為1.99%,測試結果驗證了雙毛細管測量裝置的可靠性。

眾所周知,離子液體的黏度比常規(guī)液體要高,因此為了保證實驗過程中測量管路差壓值的準確性和穩(wěn)定性,本文選取直徑為1 mm的管路并選用角鯊烷[15-16]作為標準流體進行測試,得到常壓(p=0.1 MPa)下溫度在283.15～353.15 K范圍內(nèi)的離子液體[Hmim][Tf2N]的黏度,

結果如表4所示。 離子

表3 正庚烷的黏度實驗值與文獻值[14]的對比

液體[Hmim][Tf2N]的黏度文獻值[17-21]與實驗值的絕對平均偏差為2.15%,最大偏差為6.07%。

在對雙毛細管黏度實驗裝置評估的基礎上,本文進一步驗證了雙毛細管和溶解度裝置集成后的系統(tǒng)測量氣液飽和溶液黏度的可靠性。選用角鯊烷作為標準流體, 實驗研究了溫度為298.15、323.15和343.15 K時制冷劑R134a與離子液體[Hmim][Tf2N]在不同溶解度下的氣液飽和溶液的黏度,結果如表5所示。

表4 [Hmim][Tf2N]的黏度實驗值與

圖2給出了R134a與[Hmim][Tf2N]飽和溶液在3個溫度下對應不同溶解度的黏度實驗值與文獻值的對比,從圖中可以看出,3個溫度下R134a與[Hmim][Tf2N]飽和溶液的黏度實驗值與文獻值的變化趨勢一致。

本文將測試得到的黏度實驗值擬合成如下的多項式形式[22]

[k20+k21T+k22T2]x2

(10)

式中:ηmix表示氣液混合物的黏度;ηp表示液相純質(zhì)的黏度;x為氣相摩爾分數(shù);kji通過混合物黏度實驗數(shù)據(jù)擬合得到,

具體取值如表6所示。 圖3給出了

圖2 R134a與[Hmim][Tf2N]飽和溶液在不同溶解度下的黏度實驗值與文獻值[8]的對比

本文實驗值與方程(10)計算值的偏差分布,同時也給出了文獻值[8]與方程(10)計算值的偏差情況。本文實驗值與計算值的絕對平均偏差為1.42%,最大偏差為2.86%;文獻值與計算值的絕對平均偏差為3.44%,最大偏差為9.73%。

表6 公式(10)中的參數(shù)取值

圖3 實驗值和文獻值[8]與計算值的偏差分布

4 結 論

將相平衡裝置與雙毛細管黏度測量系統(tǒng)進行了集成,搭建了一套可以用于測量氣液平衡狀態(tài)時飽和液相流體黏度的實驗系統(tǒng),經(jīng)評估,所搭建的實驗系統(tǒng)黏度測量的不確定度在4%以內(nèi)。采用不同管徑的毛細管測試了乙醇、正庚烷、離子液體[Hmim][Tf2N]的黏度,實驗值與文獻值的絕對平均偏差都小于3%,證明了黏度測試系統(tǒng)的可靠性。當溫度為298.15、323.15和343.15 K時,通過測量R134a氣體在離子液體[Hmim][Tf2N]中不同溶解度下對應的黏度,并與文獻值對比,證明了所提出的氣液平衡時飽和溶液黏度測量方法的可行性,為后續(xù)研究奠定了基礎。