HFE7000、HFE7200的表面张力和黏度实验研究

毕胜山,赵贯甲,吴江涛,孟现阳

(1.西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室, 710049, 西安;2.太原理工大学电气与动力工程学院, 030024, 太原)



HFE7000、HFE7200的表面张力和黏度实验研究

毕胜山1,赵贯甲2,吴江涛1,孟现阳1

(1.西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室, 710049, 西安;2.太原理工大学电气与动力工程学院, 030024, 太原)

为了获得氢氟醚HFE7000、HFE7200的表面张力和黏度参数,补充现有数据不足,为其作为电子元器件的冷却介质、工业清洗剂等工程应用提供技术支持,采用表面光散射实验系统,对HFE7000、HFE7200在293～393 K温度范围内饱和状态下的表面张力和黏度进行了实验研究,共计得到44组实验数据。利用得到的实验数据,拟合得到了HFE7000、HFE7200的表面张力和黏度计算方程。其中,表面张力方程计算值和实验数据之间的绝对偏差在±0.1 mN·m-1以内,黏度方程计算值和实验数据之间的相对偏差在2%以内。所获得的表面张力和黏度实验数据以及计算方程,可为HFE7000、HFE7200的工程应用提供基础热物性数据。

氢氟醚;表面张力;黏度;表面光散射

氢氟醚HFE7000、HFE7200具有良好的物化性质和环境性能[1],是多种化工合成物的原料。如表1所示,HFE7000、HFE7200的臭氧破坏潜能(ODP)均为0,温室效应潜能(GWP)分别为370和55,大气寿命为4.9和0.77 a。此外,HFE7000、HFE7200还具有高挥发性、低表面张力,可作为电子元器件的冷却介质[2-3],还可以替代HCFC-141b、HFC-43-10mee作为工业清洗剂。在能源领域,HFE7000还可作为朗肯循环工质,用来回收低温热源的低品位能量[4]。

表1 HFE7000和HFE7200的基本性质

注:μ为电偶极矩。

表面张力和黏度是流体重要的物性参数,在工质相变传热和传质过程的计算中具有重要的作用。目前,涉及HFE7000和HFE7200的热物性数据均源于3M公司提供的产品说明,且仅提供25 ℃下的单点值。从热物性测量的角度分析,3M公司提供的数据并未给出测量方法和测量的不确定度,可信度较低。本课题组利用高压振动管密度计测量了HFE7000和HFE7200在283～363 K、0～100 MPa的密度[5-6]。本文采用表面光散射实验系统研究了HFE7000、HFE7200在饱和状态下、293～393 K温度范围的表面张力和黏度,为其进一步的工程应用提供了基础热物性数据。

1 实 验

1.1 实验材料

HFE7000、HFE7200由美国3M公司提供,纯度(质量分数)为99.5%,采用水分分析仪测量得到含水量(质量分数)小于0.01%。

1.2 实验原理

表面光散射理论可详细参考文献[7-9],这里只重点介绍如下。对于没有外界振动影响的气液界面(纯质也称为表面),由于分子的热运动引起密度涨落会在液面上形成波动,即表面波。表面波的波长为微米级,振幅为纳米级。表面波的波动特性由液体的表面张力、黏度和密度性质决定,通过对表面波色散方程的求解[10],即可以获得液体的表面张力和黏度,如下式所示

(1)

式中:α=ω±iΓ为表面波复频率,ω表征表面波单频率,Γ=1/τc表征表面波衰减,τc为表面波衰减的特征时间;m=(q2+iαρ/η)1/2,m′=(q2+iαρ′/η′)1/2,其中未知参数q、η、η′、ρ、ρ′分别为表面波波数、液相黏度、气相黏度、液相密度、气相密度;σ为表面张力。

参数ω、τc和q通过实验的方法获得。由于式(1)是复数方程,因此η、η′、ρ、ρ′和σ这5个参数知其中3个便可以求得剩余2个。对于HFE7000和HFE7200,其气相参数η′和ρ′可以通过估算得到,ρ是采用实验室利用振动管密度计已经获得的实验数据,因此通过求解式(1)便可以获得高精度的σ和η值。

在实验过程中,借助几何光学,q可由下式计算得到

(2)

式中:λ0为入射光波长;Θi为入射角,本文取Θi=3°～4.5°,由高精度旋转台测量得到。

由于表面波信号较弱,在频域范围内直接测量ω难度较大,因此采用被表面波散射的散射光的时间相关方程来描述表面波的频率特征。对于本文研究的振荡衰减的表面波,散射光强度时间相关方程可以表示

(3)

式中:A为相关函数的基线;B为比例常数;φ为相位偏移量,表征了提取到的表面波功率谱相对于标准洛仑兹函数的偏差。因此,通过拟合散射光强度时间相关方程即可以获得ω和τc。

1.3 实验系统

本文采用的表面光散射实验系统由实验光路、耐高压实验本体、控温系统和数据采集与处理系统组成,图1为实验系统示意图,详细参见文献[9]。

图1 表面光散射实验系统示意图

激光器采用低功率连续型固体激光器,λ0=532 nm。高精度旋转台的直径为80 mm、角度分辨率为0.000 67°,经过校正角度测量的精度可以达到±0.05%,数字相关器为ALV-LinCorr,可以计算两路信号的相关函数。实验本体采用304号不锈钢材料,内部直径为70 mm、容积为150 cm3,实验中所需的样品体积约为50 cm3。实验本体可控制在温度为250～400 K、压力为0～10 MPa的范围。实验本体温度控制采用电加热方式,采用Fluke2100温控器控温,采用经过标定的Pt100铂电阻温度计和ASL的F200高精度测温仪测温,温度测量的不确定度小于±30 mK。

为了检验系统的可靠性,利用标准物质甲苯对装置进行了检验,结果表明表面张力和黏度的实验值与理论值最大偏差为1.3%和0.39%[11],可以满足表面张力和黏度的高精度测试要求。

1.4 气相参数估算

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在饱和状态下的气相密度由PR方程结合饱和蒸气压方程进行估算,估算的预期不确定度为1%。

(4)

由文献[13],对比黏度

(5)

其中

(6)

(7)

其中Zc为临界压缩因子,μr为对比偶极矩,定义为

(8)

对于极性化合物,利用对比态估算低压气相黏度的预期不确定度为4%。

2 实验结果及分析

本文对HFE7000和HFE7200在饱和状态下293.17～393.00 K和293.27～393.35 K温度区间的表面张力和黏度进行了实验研究,结果列于表2。

表面张力采用与温度相关的van der Waals关联式进行拟合

(9)

式中:σ0和n是拟合参数。

黏度采用多项式拟合

(10)

表3列出了拟合得到的参数值。HFE7000、HFE7200表面张力实验值与拟合方程(9)的计算值的最大偏差分别为0.064 mN·m-1和0.068 mN·m-1,平均偏差分别为0.030 mN·m-1和0.024 mN·m-1。黏度实验值与拟合方程(10)的计算值的平均相对偏差分别为0.71%和0.36%,最大相对偏差分别为1.83%和0.63%。

图2给出了HFE7000和HFE7200表面张力与温度的关系以及实验值与拟合方程计算值的偏差。两种氢氟醚的表面张力随着温度升高逐渐降低,且随着相对分子质量增大和临界温度升高,表面张力增大。在整个测量的温度范围内,实验值与方程计算值的偏差不超过±0.1 mN·m-1。

图2 HFE7000、HFE7200表面张力与温度的关系以及实验值与方程计算值的偏差

物质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表面张力和黏度拟合参数

图3给出了HFE7000、HFE7200黏度与温度的关系以及实验值与拟合方程计算值的偏差,结果表明,实验值与方程计算值的偏差均在±2%之内。

根据误差传递理论,本文实验测量的不确定度可由色散方程(1)中的各测量和输入参数的不确定度引入,但由于式(1)没有理论分析解,只能近似估算表面张力和黏度测量的不确定度。本文采用参考文献[9]中推荐的方法,表面张力和黏度的测量不确定度近似表达式为

(11)

(12)

图3 HFE7000、HFE7200黏度与温度的关系 以及实验值与方程计算值的偏差

表4给出了式(11)、(12)中各参数对HFE7000和HFE7200表面张力和黏度在温度上下限(T=293～393 K)的扩展测量不确定度的贡献。其中,两种物质在T=293 K时,表面张力扩展测量不确定度为0.33%,黏度扩展测量不确定度分别为1.04%和1.03%;当T=393 K时,表面张力扩展测量不确定度为0.33%,黏度扩展测量不确定度分别为1.35%和1.13%;表面张力的不确定度保持不变,随着温度的升高,黏度测量的扩展测量不确定度升高。越接近临界温度,气相密度和黏度对扩展测量不确定度的贡献越大。因此,本文HFE7000和HFE7200表面张力的扩展测量不确定度(置信因子k=2)估计为0.35%,黏度的扩展测量不确定度(k=2)分别估计为1.35%和1.13%。

表4 各参数对HFE7000和HFE7200表面张力 和黏度测量不确定度的贡献 %

3 结 论

本文利用新搭建的表面光散射实验系统测量了两种氢氟醚类物质HFE7000和HFE7200在饱和状态下的表面张力和黏度,温度范围均为293～393 K。利用获得的数据,拟合了表面张力和黏度的关联式。HFE7000和HFE7200表面张力实验值与关联式计算值的平均偏差分别为0.030 mN·m-1和0.024 mN·m-1;HFE7000和HFE7200黏度实验值与关联式计算值的平均相对偏差分别为0.71%和0.36%。

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(编辑 荆树蓉)

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。

毕胜山(1978—),男,副教授。

国家自然科学基金资助项目(51276142);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(XJJ2012jdhz37)。

时间:2015-04-21

10.7652/xjtuxb201507001

TK124

A

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

网络出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150421.1711.006.html