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滑油等相近產(chǎn)品的基礎(chǔ)上推倒而來的。

國內(nèi)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(guān)模型對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果發(fā)現(xiàn)對數(shù)模型和指數(shù)模型有較好的相關(guān)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(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。

文中以試驗為基礎(chǔ)，通過選取兩種不同型號的導(dǎo)熱油，采用BSY-108A型高溫運(yùn)動黏度測定儀測出導(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)驗證。相比于已有的研究，文中測試樣品為導(dǎo)熱油，且增大了測試溫度范圍，然后由試驗數(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

1.1 油樣

導(dǎo)熱油屬于潤滑劑的相關(guān)產(chǎn)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(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)本試驗的特性和已有的試驗研究基礎(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

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

圖1 黏度測量系統(tǒng)實物圖

圖2 黏度測量系統(tǒng)原理圖

BSY-108A型高溫運(yùn)動黏度測定儀采用PID自整定技術(shù)和模糊控制原理，溫度控制通過加熱管實現(xiàn)，定點(diǎn)控溫由智能控溫儀表電路實現(xiàn)[5]，實物圖如圖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，其黏度測量系統(tǒng)原理具體可見圖2。

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

表1 毛細(xì)管內(nèi)徑和測量黏度范圍

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)管黏度計內(nèi)徑分別為0.6mm、0.8mm、1.2mm、1.5mm。毛細(xì)管黏度計按SY3067技術(shù)要求選取，并按《JJG155-1991工作毛細(xì)管粘度計檢定規(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)管測黏度的前提。測量的依據(jù)為哈根—泊肅葉定理[7]，即

式中：ν為流體的運(yùn)動黏度，mm2/s；r為毛細(xì)管黏度計半徑，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間；Vt為在一定時間內(nèi)流體流出的體積，m3；L為毛細(xì)管長度，mm。

1.3 試驗方法

確定試驗溫度，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，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(yuǎn)大于150～350℃溫度范圍內(nèi)黏度的變化幅度?？紤]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(wěn)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(nèi)，然后將導(dǎo)熱油用橡皮球和橡膠導(dǎo)管引入到相對應(yīng)的毛細(xì)管里，之后把毛細(xì)管黏度計緩慢浸入到硅油內(nèi)，直至硅油沒過毛細(xì)管黏度計三分之二以上，然后把毛細(xì)管黏度計固定在運(yùn)動黏度測定儀上，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間，反復(fù)測量3～4次，然后繼續(xù)加熱到下一溫度。改變硅油的溫度，即可測得下個黏度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 結(jié)果

用上述方法測量并計算導(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)熱油在溫度升高時黏度都會降低，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)驗式：

式中：ν為黏度，mm2/s；T為絕對溫度，K；a、b為經(jīng)驗常數(shù)；對于大多數(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)熱油黏度的對數(shù)值與溫度的對數(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)驗常數(shù)對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的絕對值(斜率)的大小與油品的感溫性能有關(guān)，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(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)熱油的黏度擬合計算結(jié)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(nèi)，其中礦物型導(dǎo)熱油L-QC320的黏度計算偏差率隨設(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黏度的計算平均偏差率要低于合成型導(dǎo)熱油L-QD330的黏度計算偏差率。

總的來說，兩種導(dǎo)熱油實測和經(jīng)擬合公式計算的數(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

文中以試驗為基礎(chǔ)，采用毛細(xì)管黏度計測出了L-QC320和L-QD330兩種導(dǎo)熱油的黏度，與擬合公式相對比分析，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，所以其低溫流動性更好，適用于對能耗、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)而擬合的公式在計算這兩種導(dǎo)熱油的黏度上具有準(zhǔn)確的高的特性，計算誤差在5%以內(nèi)，在實測困難的情況下能較準(zhǔn)確的預(yù)測導(dǎo)熱油黏溫特性。