HFE7100和HFE7500的热物理性质

毕胜山，崔军卫，马纶建，赵贯甲，吴江涛

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



HFE7100和HFE7500的热物理性质

毕胜山1，崔军卫1，马纶建1，赵贯甲2，吴江涛1

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

为了获得氢氟醚HFE7100、HFE7500的热物理性质参数，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，利用瞬态热线法测量了常压下HFE7100和HFE7500的热导率，并用表面光散射法测量了HFE7100和HFE7500的液相黏度和表面张力。HFE7100和HFE7500的热导率和液相黏度均关联成温度的多项式函数，HFE7100热导率和黏度的实验值和关联式的平均绝对偏差分别为0.37%和1.19%，HFE7500热导率和黏度的实验值和关联式的平均绝对偏差分别0.08%和1.10%。利用改进的van der Waals关联表面张力和温度的关系，HFE7100和HFE7500的表面张力的实验值和关联式的平均绝对偏差分别为0.03 mN·m-1和0.02 mN·m-1。获得的HFE7100和HFE7500的热导率、黏度和表面张力实验数据及方程，可为其工程应用提出数据支持。

HFE7100；HFE7500；热导率；黏度；表面张力

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151505

引　言

在臭氧层破坏和全球变暖的双重压力下，目前替代工质的进程被迫不断提速。氢氟醚类（HFEs）物质具有良好的环境性能［1］，臭氧破坏潜能（ODP）为 0，全球温室效应潜能（GWP）很低，并且在大气中停留时间短［2］，是多种化工合成物的原料。如表1所示，HFE7100和HFE7500具有优良的物化性质，可以用来作为朗肯循环的工质，回收低温热源的低品位能量。Oliveira等［3］以5 kW电站为例，分析了HFE7100工质的朗肯循环效率可达11.7%～17.8%。HFE7100和HFE7500 也可以作为电子元器件的冷却介质［4-6］和工业清洗剂［1］。

HFEs工质的热物理性质是其工程应用设计中必不可少的基础数据。目前，涉及HFE7100和HFE7500的热物性数据主要源于3M公司提供的产品说明，3M公司提供的数据并未给出测量方法和测量的不确定度，从热物性测量的角度分析可信度较低。本课题组对HFE7100和HFE7500的热物性展开了一定的研究，利用高压振动管密度计测量了HFE7100和HFE7500温度范围为283～363 K、压力范围为0～100 MPa的密度［7-8］；利用流动型量热器法测量了HFE7500温度范围为245～353 K、最高压力到15 MPa的比热容［9］；利用毛细管法测量了HFE7100的表面张力［10］，其温度范围为279.15～321.15 K；利用振动弦黏度计测量了HFE7500的黏度，温度范围为253～363 K、压力范围从饱和态到100 MPa［11］。另外，An等［12］利用Burnett法测量了HFE7100在363～431 K的气相pvT性质。Outcalt等［13］利用U形振动管密度计测量了HFE7500在270～470 K、0.5～50 MPa的液相密度。Lee等［14］研究了在298.15 K和273.15 K下包含HFE7500和HFE7100的二元或三元物质的相平衡性质。

本文工作对HFE7100和HFE7500两种物质的热导率、黏度和表面张力进行了全面的实验研究，为其工程应用提供数据支持。

1　实　验

1.1实验材料

HFE7100、HFE7500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热导率测量

HFE7100和HFE7500的热导率采用瞬态热线法，温度范围分别为251.99～332.63 K和251.77～371.29 K，不确定度在2%以内。瞬态热线法是目前应用最广泛、测试精度最高的热导率测量方法，可以适用于固体、粉末、胶体和液体等材料。瞬态热线法的测量原理为对处于无限大介质中的无限长热源，在初始热平衡条件下，通过测量加热过程中线热源的温度变化情况来确定热导率。本文采用的热线采用直径25 μm，长度分别为30 mm和60 mm的两根钽丝，拉直焊接到1 mm粗的钽杆上。数据采集系统的基本结构是基于惠斯通电桥，由直流电阻箱、开关系统、可调精密直流电源、数字万用表、计算机以及数据采集控制软件所组成。电桥供电采用Keithley 2400电压源，采用4块6位半数字万用表Agilent 34410A分别采集两根热丝和标准电阻上的电压以及电桥的输出电压。温度控制采用Fluke公司生产的7037型标准恒温槽，采用铂电阻测温，不确定度在±10 mK以内。该系统已经成功用于醚酯类替代燃料的热导率测量［15-16］，详细的内容见文献［17］。

1.3黏度和表面张力测量

HFE7100和HFE7500的黏度和表面张力测量采用表面光散射法，温度范围分别为293.15～392.93 K和293.45～393.66 K，黏度的不确定度在Tr＜0.99时小于2%，Tr＞0.99时小于6%，表面张力在整个温度区间内小于1.5%。表面光散射法的优势是非接触、速度快，同时也是平衡态的测量，通过数值方法求解表面波色散方程，同时获得黏度和表面张力。表面光散射法已经成功应用于制冷剂、离子液体等物质的黏度和表面张力测量［18-19］。本文中所使用的表面光散射系统采用低功率连续型固体激光器，波长λ0=532 nm。高精度旋转台的直径为80 mm、角度分辨率为0.00067°，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公司的F200高精度测温仪测温，温度测量的不确定小于±30 mK。该实验系统已经成功地测量了多种制冷剂的黏度和表面张力［20-22］。表面光散射理论可见文献［20， 23-24］。

表1　RHFE7100、HFE7500的基本性质Table 1　Basic properties for HFE7100 and HFE7500

2　实验结果与讨论

2.1热导率

利用瞬态热线法热导率装置对常压下HFE7100、HFE7500的热导率进行了实验研究，温度范围分别为251.99～332.63 K、251.77～371.29 K，实验结果列于表2。

表2　RHFE7100和HFE7500热导率的实验结果Table 2　Experimental data of thermal conductivity for HFE7100 and HFE7500

将热导率实验数据表示为温度的多项式函数，如下

其中，B0、B1、B2、B3为拟合参数，列于表3。图1分别给出了HFE7100和HFE7500的热导率与温度的关系及与拟合方程的偏差。HFE7100热导率的实验值与拟合方程计算值的最大相对偏差为1.15%，平均绝对偏差为0.37%；HFE7500热导率的实验值与拟合方程计算值的最大绝对偏差为0.26%，平均绝对偏差0.08%。从图1可以看出，HFE7100和HFE7500的热导率随温度上升基本呈线性下降，并且前者下降的趋势更明显。曲线比较光滑，符合液相流体热导率随温度变化的规律，而且这两种物质的实验值与关联式的最大偏差均在不确定度范围内。

表3　RHFE7100和HFE7500热导率拟合参数Table 3　Fitting parameters of thermal conductivity for HFE7100 and HFE7500

图1　常压下HFE7100及HFE7500热导率及偏差Fig. 1　Deviations and thermal conductivity for HFE7100 and HFE7500 under atmosphere

表4　R HFE7100 和HFE7500 黏度和表面张力的实验结果Table 4 Experimental data of liquid viscosity and surface tension for HFE7100 and HFE7500

2.2黏度和表面张力

本文对HFE7100和HFE7500在饱和状态下293.15～392.93 K和293.45～393.66 K温度区间的黏度和表面张力进行了实验研究，结果列于表4。其中，HFE7100和HFE7500的液相密度引自实验室前期工作［7-8］，饱和态下的气相密度则采用PR方程计算，而气相黏度采用对比态法估算，具体可见文献［25-26］。

表面张力采用改进的van der Waals关联式［27］进行拟合

其中，σ0、σ1和σ2为拟合参数，列于表5，Tr（Tr=T/Tc）为对比温度，Tc为临界温度。

表5　RHFE7100 和 HFE7500 表面张力拟合参数Table 5　Fitting parameters of surface tension for HFE7100 and HFE7500

黏度采用多项式拟合

其中，νi为拟合参数，列于表6。

表6　RHFE7100 和 HFE7500 运动黏度拟合参数Table 6　Fitting parameters of kinematic viscosity for HFE7100 and HFE7500

图2示出了 HFE7100 黏度与温度关系以及实验值与拟合方程计算值的偏差，同时将本文数据和方程与文献值进行了比较。结果表明，本文实验数据与拟合方程的最大偏差为2.12%，平均绝对偏差为1.19%。Meng等［11］利用研制的振动弦黏度计测量了 HFE7100 在温度为 253～363 K 范围内的黏度。从图2可以看出，本文数据和方程与Meng等的数据吻合较好，除去293 K外，其余的数据与本文的偏差均在±2%之内。

图3示出了HFE7100 表面张力与温度关系以及实验值与拟合方程计算值的偏差，同时将本文数据和方程与文献值进行了比较，结果表明，本文数据与拟合方程的最大偏差为0.09 mN·m-1，平均绝对偏差为0.03 mN·m-1。李新等［10］利用毛细上升法测量了HFE7100 在温度为279～321 K范围内的表面张力。如图3所示，本文数据和方程与李新等的数据偏差在0.7～0.9 mN·m-1内。毛细上升法的不确定在0.2 mN·m-1，李新等的工作中直接忽略了气相密度对实验结果有一定的影响。

图4和图5分别给出了HFE7500的黏度及表面张力与温度的关系及与拟合方程的偏差，HFE7500表面张力的实验值与拟合方程计算值的最大绝对偏差为0.05 mN·m-1，平均绝对偏差为0.02 mN·m-1；HFE7500黏度的实验值与拟合方程计算值的最大相对偏差为2.10%，平均绝对偏差1.10%。从图中可以看出，HFE7500的黏度和表面张力随温度分别呈指数和线性衰减，符合饱和态下流体黏度和表面张力随温度的变化。

图2　HFE7100液相黏度的拟合偏差及与文献值的比较Fig. 2　Deviations of experimental kinematic viscosity of this work for HFE7100 and comparison with literature data

图3　HFE7100表面张力的拟合偏差及与文献值的比较Fig. 3　Deviations of experimental surface tension of this work for HFE7100 and comparison with literature data

图4　饱和态HFE7500液相黏度及偏差Fig. 4　Deviations and liquid kinematic viscosity for HFE7500 under saturation condition

图5　饱和态HFE7500表面张力及偏差Fig. 5　Deviations and surface tension for HFE7500 under saturation condition

3　结　论

（1）采用热线法测量了HFE7100及HFE7500的热导率，温度范围为251.99～332.63 K和251.77～371.29 K，利用实验数据拟合了热导率方程，实验数据与方程的偏差在实验不确定度范围内。

（2）采用表面光散射法测量了HFE7100及HFE7500的液相黏度和表面张力，温度范围为293.15～392.93 K和293.45～393.66 K，利用实验数据拟合了黏度和表面张力计算方程。其中，黏度方程与实验值的平均绝对偏差分别为1.19%和1.10%；表面张力方程与实验值的绝对偏差分别为0.03 mN·m-1和0.02 mN·m-1。

（3）本文获得的HFE7100和HFE7500的热导率、黏度和表面张力实验数据及方程，可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。

符号说明

η' ——气相黏度，μPa·s

λ ——热导率，W·m-1·K-1

ν ——液相运动黏度，mm2·s-1

ρ ——饱和液相密度，kg·m-3

ρ' ——饱和气相密度，kg·m-3

σ ——表面张力，mN·m-1

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Thermophysical properties of HFE7100 and HFE7500

BI Shengshan1， CUI Junwei1， MA Lunjian1， ZHAO Guanjia2， WU Jiangtao1
（1Key Laboratory of Thermal-Fluid Science and Engineering of Ministry of Education， Xi'an Jiaotong University， Xi'an 710049，Shaanxi， China；2College of Electrical and Power Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， Shanxi， China）

Due to their favorable thermophysical and environmental properties HFE7100 and HFE7500 are extensively applied as heat transfer fluids in semiconductor industry and cleaning solvents in electronic components. Thermal conductivity of HFE7100 and HFE7500 under atmospheric pressure was measured by a transient hot-wire technique， as well as their liquid viscosity and surface tension by the surface light scattering（SLS） method. Thermal conductivity and liquid viscosity were correlated with temperature as polynomial functions. The average absolute deviations between correlations and experimental data of thermal conductivity and liquid viscosity are 0.37% and 1.19% for HFE7100， and 0.08% and 1.10% for HFE7500， respectively. A modified correlation based on van der Waals was used for that of surface tension as a function of temperature， by which the average absolute deviations of surface tension are 0.03 and 0.02 mN·m-1for HFE7100 and HFE7500， respectively. In this study， the experimental and correlation data of conductivity， viscosity and surface tension can be supportive for engineering application.

HFE7100； HFE7500； thermal conductivity； viscosity； surface tension

date： 2015-09-28.

BI shengshan， associate professor， bss@mail. xjtu. edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China （51276142）.

TB 61+2

A

0438—1157（2016）05—1680—07

2015-09-28收到初稿，2015-11-06收到修改稿。

联系人及第一作者：毕胜山（1978—），男，博士，副教授。

国家自然科学基金项目（51276142）。