畢勝山,趙貫甲,吳江濤,孟現(xiàn)陽(yáng)

(1.西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安;2.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院, 030024, 太原)

?

HFE7000、HFE7200的表面張力和黏度實(shí)驗(yàn)研究

畢勝山1,趙貫甲2,吳江濤1,孟現(xiàn)陽(yáng)1

(1.西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安;2.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院, 030024, 太原)

為了獲得氫氟醚HFE7000、HFE7200的表面張力和黏度參數(shù),補(bǔ)充現(xiàn)有數(shù)據(jù)不足,為其作為電子元器件的冷卻介質(zhì)、工業(yè)清洗劑等工程應(yīng)用提供技術(shù)支持,采用表面光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)HFE7000、HFE7200在293～393 K溫度范圍內(nèi)飽和狀態(tài)下的表面張力和黏度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,共計(jì)得到44組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),擬合得到了HFE7000、HFE7200的表面張力和黏度計(jì)算方程。其中,表面張力方程計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的絕對(duì)偏差在±0.1 mN·m-1以內(nèi),黏度方程計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的相對(duì)偏差在2%以內(nèi)。所獲得的表面張力和黏度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及計(jì)算方程,可為HFE7000、HFE7200的工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)熱物性數(shù)據(jù)。

氫氟醚;表面張力;黏度;表面光散射

氫氟醚HFE7000、HFE7200具有良好的物化性質(zhì)和環(huán)境性能[1],是多種化工合成物的原料。如表1所示,HFE7000、HFE7200的臭氧破壞潛能(ODP)均為0,溫室效應(yīng)潛能(GWP)分別為370和55,大氣壽命為4.9和0.77 a。此外,HFE7000、HFE7200還具有高揮發(fā)性、低表面張力,可作為電子元器件的冷卻介質(zhì)[2-3],還可以替代HCFC-141b、HFC-43-10mee作為工業(yè)清洗劑。在能源領(lǐng)域,HFE7000還可作為朗肯循環(huán)工質(zhì),用來(lái)回收低溫?zé)嵩吹牡推肺荒芰縖4]。

表1 HFE7000和HFE7200的基本性質(zhì)

注:μ為電偶極矩。

表面張力和黏度是流體重要的物性參數(shù),在工質(zhì)相變傳熱和傳質(zhì)過(guò)程的計(jì)算中具有重要的作用。目前,涉及HFE7000和HFE7200的熱物性數(shù)據(jù)均源于3M公司提供的產(chǎn)品說(shuō)明,且僅提供25 ℃下的單點(diǎn)值。從熱物性測(cè)量的角度分析,3M公司提供的數(shù)據(jù)并未給出測(cè)量方法和測(cè)量的不確定度,可信度較低。本課題組利用高壓振動(dòng)管密度計(jì)測(cè)量了HFE7000和HFE7200在283～363 K、0～100 MPa的密度[5-6]。本文采用表面光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了HFE7000、HFE7200在飽和狀態(tài)下、293～393 K溫度范圍的表面張力和黏度,為其進(jìn)一步的工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ)熱物性數(shù)據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

HFE7000、HFE7200由美國(guó)3M公司提供,純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為99.5%,采用水分分析儀測(cè)量得到含水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于0.01%。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

表面光散射理論可詳細(xì)參考文獻(xiàn)[7-9],這里只重點(diǎn)介紹如下。對(duì)于沒(méi)有外界振動(dòng)影響的氣液界面(純質(zhì)也稱為表面),由于分子的熱運(yùn)動(dòng)引起密度漲落會(huì)在液面上形成波動(dòng),即表面波。表面波的波長(zhǎng)為微米級(jí),振幅為納米級(jí)。表面波的波動(dòng)特性由液體的表面張力、黏度和密度性質(zhì)決定,通過(guò)對(duì)表面波色散方程的求解[10],即可以獲得液體的表面張力和黏度,如下式所示

(1)

式中:α=ω±iΓ為表面波復(fù)頻率,ω表征表面波單頻率,Γ=1/τc表征表面波衰減,τc為表面波衰減的特征時(shí)間;m=(q2+iαρ/η)1/2,m′=(q2+iαρ′/η′)1/2,其中未知參數(shù)q、η、η′、ρ、ρ′分別為表面波波數(shù)、液相黏度、氣相黏度、液相密度、氣相密度;σ為表面張力。

參數(shù)ω、τc和q通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法獲得。由于式(1)是復(fù)數(shù)方程,因此η、η′、ρ、ρ′和σ這5個(gè)參數(shù)知其中3個(gè)便可以求得剩余2個(gè)。對(duì)于HFE7000和HFE7200,其氣相參數(shù)η′和ρ′可以通過(guò)估算得到,ρ是采用實(shí)驗(yàn)室利用振動(dòng)管密度計(jì)已經(jīng)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),因此通過(guò)求解式(1)便可以獲得高精度的σ和η值。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,借助幾何光學(xué),q可由下式計(jì)算得到

(2)

式中:λ0為入射光波長(zhǎng);Θi為入射角,本文取Θi=3°～4.5°,由高精度旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)量得到。

由于表面波信號(hào)較弱,在頻域范圍內(nèi)直接測(cè)量ω難度較大,因此采用被表面波散射的散射光的時(shí)間相關(guān)方程來(lái)描述表面波的頻率特征。對(duì)于本文研究的振蕩衰減的表面波,散射光強(qiáng)度時(shí)間相關(guān)方程可以表示

(3)

式中:A為相關(guān)函數(shù)的基線;B為比例常數(shù);φ為相位偏移量,表征了提取到的表面波功率譜相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)洛侖茲函數(shù)的偏差。因此,通過(guò)擬合散射光強(qiáng)度時(shí)間相關(guān)方程即可以獲得ω和τc。

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文采用的表面光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)光路、耐高壓實(shí)驗(yàn)本體、控溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成,圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖,詳細(xì)參見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。

圖1 表面光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

激光器采用低功率連續(xù)型固體激光器,λ0=532 nm。高精度旋轉(zhuǎn)臺(tái)的直徑為80 mm、角度分辨率為0.000 67°,經(jīng)過(guò)校正角度測(cè)量的精度可以達(dá)到±0.05%,數(shù)字相關(guān)器為ALV-LinCorr,可以計(jì)算兩路信號(hào)的相關(guān)函數(shù)。實(shí)驗(yàn)本體采用304號(hào)不銹鋼材料,內(nèi)部直徑為70 mm、容積為150 cm3,實(shí)驗(yàn)中所需的樣品體積約為50 cm3。實(shí)驗(yàn)本體可控制在溫度為250～400 K、壓力為0～10 MPa的范圍。實(shí)驗(yàn)本體溫度控制采用電加熱方式,采用Fluke2100溫控器控溫,采用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的Pt100鉑電阻溫度計(jì)和ASL的F200高精度測(cè)溫儀測(cè)溫,溫度測(cè)量的不確定度小于±30 mK。

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性,利用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)甲苯對(duì)裝置進(jìn)行了檢驗(yàn),結(jié)果表明表面張力和黏度的實(shí)驗(yàn)值與理論值最大偏差為1.3%和0.39%[11],可以滿足表面張力和黏度的高精度測(cè)試要求。

1.4 氣相參數(shù)估算

由式(1)可以求解表面波色散方程需要的ρ′和η′,本文中HFE7000和HFE7200在飽和狀態(tài)下的氣相密度由PR方程結(jié)合飽和蒸氣壓方程進(jìn)行估算,估算的預(yù)期不確定度為1%。

(4)

由文獻(xiàn)[13],對(duì)比黏度

(5)

其中

(6)

(7)

其中Zc為臨界壓縮因子,μr為對(duì)比偶極矩,定義為

(8)

對(duì)于極性化合物,利用對(duì)比態(tài)估算低壓氣相黏度的預(yù)期不確定度為4%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文對(duì)HFE7000和HFE7200在飽和狀態(tài)下293.17～393.00 K和293.27～393.35 K溫度區(qū)間的表面張力和黏度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果列于表2。

表面張力采用與溫度相關(guān)的van der Waals關(guān)聯(lián)式進(jìn)行擬合

(9)

式中:σ0和n是擬合參數(shù)。

黏度采用多項(xiàng)式擬合

(10)

表3列出了擬合得到的參數(shù)值。HFE7000、HFE7200表面張力實(shí)驗(yàn)值與擬合方程(9)的計(jì)算值的最大偏差分別為0.064 mN·m-1和0.068 mN·m-1,平均偏差分別為0.030 mN·m-1和0.024 mN·m-1。黏度實(shí)驗(yàn)值與擬合方程(10)的計(jì)算值的平均相對(duì)偏差分別為0.71%和0.36%,最大相對(duì)偏差分別為1.83%和0.63%。

圖2給出了HFE7000和HFE7200表面張力與溫度的關(guān)系以及實(shí)驗(yàn)值與擬合方程計(jì)算值的偏差。兩種氫氟醚的表面張力隨著溫度升高逐漸降低,且隨著相對(duì)分子質(zhì)量增大和臨界溫度升高,表面張力增大。在整個(gè)測(cè)量的溫度范圍內(nèi),實(shí)驗(yàn)值與方程計(jì)算值的偏差不超過(guò)±0.1 mN·m-1。

圖2 HFE7000、HFE7200表面張力與溫度的關(guān)系以及實(shí)驗(yàn)值與方程計(jì)算值的偏差

物質(zhì)T/Kρ/kg·m-3ρ'/kg·m-3η'/μPa·sν/mm2·s-1σ/mN·m-1HFE7000293.171421.94.511.00.318512.18303.231390.76.511.40.288411.10313.221359.89.311.80.260510.04323.201328.813.012.20.23829.08333.171297.917.912.50.20978.08343.151267.024.312.90.19337.18353.131236.032.713.30.17766.23363.091205.143.613.60.16145.37373.071174.257.914.00.15054.52383.041143.377.114.40.13343.69393.001112.4103.414.70.12322.91HFE7200293.271434.61.510.00.466313.75303.271412.12.210.30.412612.89313.221389.23.110.70.366211.91323.231365.64.411.00.328711.09333.241341.46.111.40.297110.28343.261316.68.311.70.26799.43353.271290.911.112.00.24518.62363.301264.414.712.40.22757.80373.321236.919.212.70.21486.96383.341208.524.913.10.20266.20393.351178.931.913.40.18995.43

表3 HFE7000和HFE7200表面張力和黏度擬合參數(shù)

圖3給出了HFE7000、HFE7200黏度與溫度的關(guān)系以及實(shí)驗(yàn)值與擬合方程計(jì)算值的偏差,結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)值與方程計(jì)算值的偏差均在±2%之內(nèi)。

根據(jù)誤差傳遞理論,本文實(shí)驗(yàn)測(cè)量的不確定度可由色散方程(1)中的各測(cè)量和輸入?yún)?shù)的不確定度引入,但由于式(1)沒(méi)有理論分析解,只能近似估算表面張力和黏度測(cè)量的不確定度。本文采用參考文獻(xiàn)[9]中推薦的方法,表面張力和黏度的測(cè)量不確定度近似表達(dá)式為

(11)

(12)

圖3 HFE7000、HFE7200黏度與溫度的關(guān)系 以及實(shí)驗(yàn)值與方程計(jì)算值的偏差

表4給出了式(11)、(12)中各參數(shù)對(duì)HFE7000和HFE7200表面張力和黏度在溫度上下限(T=293～393 K)的擴(kuò)展測(cè)量不確定度的貢獻(xiàn)。其中,兩種物質(zhì)在T=293 K時(shí),表面張力擴(kuò)展測(cè)量不確定度為0.33%,黏度擴(kuò)展測(cè)量不確定度分別為1.04%和1.03%;當(dāng)T=393 K時(shí),表面張力擴(kuò)展測(cè)量不確定度為0.33%,黏度擴(kuò)展測(cè)量不確定度分別為1.35%和1.13%;表面張力的不確定度保持不變,隨著溫度的升高,黏度測(cè)量的擴(kuò)展測(cè)量不確定度升高。越接近臨界溫度,氣相密度和黏度對(duì)擴(kuò)展測(cè)量不確定度的貢獻(xiàn)越大。因此,本文HFE7000和HFE7200表面張力的擴(kuò)展測(cè)量不確定度(置信因子k=2)估計(jì)為0.35%,黏度的擴(kuò)展測(cè)量不確定度(k=2)分別估計(jì)為1.35%和1.13%。

表4 各參數(shù)對(duì)HFE7000和HFE7200表面張力 和黏度測(cè)量不確定度的貢獻(xiàn) %

3 結(jié) 論

本文利用新搭建的表面光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量了兩種氫氟醚類物質(zhì)HFE7000和HFE7200在飽和狀態(tài)下的表面張力和黏度,溫度范圍均為293～393 K。利用獲得的數(shù)據(jù),擬合了表面張力和黏度的關(guān)聯(lián)式。HFE7000和HFE7200表面張力實(shí)驗(yàn)值與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值的平均偏差分別為0.030 mN·m-1和0.024 mN·m-1;HFE7000和HFE7200黏度實(shí)驗(yàn)值與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值的平均相對(duì)偏差分別為0.71%和0.36%。

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(編輯 荊樹(shù)蓉)

Experimental Research on the Surface Tension and Viscosity of HFE7000 and HFE7200

BI Shengshan1,ZHAO Guanjia2,WU Jiangtao1,MENG Xianyang1

(1. Key Laboratory of Thermal-Fluid Science and Engineering of MOE, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

HFE7000 and HFE7200 have been widely used as heat transfer fluids in semiconductor industry and cleaning solvents in electronic components because of their favorable thermophysical and environmental properties. To obtain their surface tension and viscosity data, HFE7000 and HFE7200 were measured in the temperature range from 293 to 393 K based on surface light scattering method in the present work. The obtained 44 experimental data were used to fit the equations of surface tension and viscosity. The absolute deviations between the calculated surface tension from the equations and the experimental results are within ±0.1 mN·m-1, and the relative deviations are within 2%. The experimental data of surface tension and viscosity and the equations obtained in this research can provide the basic thermal physical data for the engineering applications of HFE7000 and HFE7200.

HFE; surface tension; viscosity; surface light scattering

2014-10-28。

畢勝山(1978—),男,副教授。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51276142);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(XJJ2012jdhz37)。

時(shí)間:2015-04-21

10.7652/xjtuxb201507001

TK124

A

0253-987X(2015)07-0001-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150421.1711.006.html