导热油黏温关系试验研究

王柳磊 寇广孝 尹湘

湖南工业大学土木工程学院

黏度是导热油重要的物性参数之一，其在温度下的变化值更是决定着导热油的品质，黏度和温度关系在研究导热油中起着重要的作用[1]。但目前针对导热油黏度和温度关系的研究较少，其黏度和温度关系大多是在原油和矿物油或润滑油等相近产品的基础上推倒而来的。

国内的张春明[2]选用了20种品种不同的原油做为试验样品，利用黏度计分别测量了样品在40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃的黏度值，然后采用相关模型对试验数据进行拟合,结果发现对数模型和指数模型有较好的相关性。国外的Ioana Stanciu[3]选用了一种无添加剂矿物油做为试验样品，利用德国Haake VT550黏度计测量了样品在温度为40～90℃的范围内的黏度值，得到黏度和温度的相应数据，然后用Origin软件将黏度和温度相关试验数据进行非线性回归分析，最终得出了该种矿物油的黏温关系式。

文中以试验为基础，通过选取两种不同型号的导热油，采用BSY-108A型高温运动黏度测定仪测出导热油在20～100℃温度范围内的黏度，并用 Walther 黏温公式进行数据验证。相比于已有的研究，文中测试样品为导热油，且增大了测试温度范围，然后由试验数据推导出适用于导热油的黏度与温度关系式。

1 试验

1.1 油样

导热油属于润滑剂的相关产品，按照不同的使用场合和最高的使用温度可划分为L-QA、L-QB、L-QC、L-QD、L-QE等五类[4]。其中L-QB、L-QC、L-QD系列分别可用于最高使用温度300℃以下，300～320℃和大于320℃的强制或非强制循环的闭式传热系统。按照产品类型和性能的差异导热油可分为矿物型导热油和合成型导热油。根据本试验的特性和已有的试验研究基础，文中分别选取具有优异高温热稳定性和低温流动性好的L-QC320矿物型和L-QD330合成型两种类型导热油。

1.2 装置

试验系统由BSY-108A型高温（测量温度范围为20～350℃）运动黏度测定仪、毛细管黏度计、橡皮球、橡胶导管、秒表等组成。

图1 黏度测量系统实物图

图2 黏度测量系统原理图

BSY-108A型高温运动黏度测定仪采用PID自整定技术和模糊控制原理，温度控制通过加热管实现，定点控温由智能控温仪表电路实现[5]，实物图如图1所示，它主要有搅拌电机、恒温浴、SSR（固体继电器）、控温仪等组成，其黏度测量系统原理具体可见图2。

运动黏度按《石油产品运动黏度测定法和动力黏度计算法（GB/T265-88）》[6]标准进行测定，即采用毛细管黏度计，毛细管内径及其测量样品黏度范围如表1：

表1 毛细管内径和测量黏度范围

根据表1毛细管内径和黏度范围表以及所选的导热油类型并结合已有的研究，文中选用的毛细管黏度计内径分别为0.6mm、0.8mm、1.2mm、1.5mm。毛细管黏度计按SY3067技术要求选取，并按《JJG155-1991工作毛细管粘度计检定规程》检定。

所选用的导热油在一定温度下密度为常数，为不可压缩流体，这也是毛细管测黏度的前提。测量的依据为哈根—泊肃叶定理[7]，即

式中：ν为流体的运动黏度，mm2/s；r为毛细管黏度计半径，mm；p1、p2为流体单元所受压强，Pa；τ为流体流出一定体积所用时间；Vt为在一定时间内流体流出的体积，m3；L为毛细管长度，mm。

1.3 试验方法

确定试验温度，根据已有的研究可知，导热油在使用温度处于0～350℃的范围内时，其黏度随温度的升高会急剧下降。其中在0～150℃黏度降低幅度远大于150～350℃温度范围内黏度的变化幅度。考虑到实测的难易程度和实用意义，文中所选择的测温范围为20～100℃，测量温差为20℃。所以本试验所选的恒定温度条件分别为20℃、40℃、60℃、80℃、100℃。

本试验所选的恒温浴液体为热稳定性和抗氧化性较好的硅油，试验时将硅油缓缓倒入恒温浴容器内，然后将导热油用橡皮球和橡胶导管引入到相对应的毛细管里，之后把毛细管黏度计缓慢浸入到硅油内，直至硅油没过毛细管黏度计三分之二以上，然后把毛细管黏度计固定在运动黏度测定仪上，最后通过控温仪调整恒温浴到指定温度。加热到指定温度，待温度恒定后释放导热油，同时按下秒表，记录下导热油从毛细管内所标定的初始位置到指定位置所用的时间，反复测量3～4次，然后继续加热到下一温度。改变硅油的温度，即可测得下个黏度。

2 试验结果与分析

2.1 结果

用上述方法测量并计算导热油 L-QC320 和L-QD330的黏度如表2：

表2 不同温度下两种导热油的黏度测定值（mm 2 /S）

从表2中可以看出，矿物型和合成型导热油在温度升高时黏度都会降低，但在同一温度下，合成型导热油的黏度要小于矿物型导热油的黏度，在相同的温度范围内，矿物型导热油L-QC320 的黏度降低幅度要大于合成型导热油L-QD330。在相同的条件下，矿物型导热油的黏度更易受温度的影响，而合成型导热油在温度变化的情况下热稳定性更好。

2.2 黏温关系式

定量描述导热油及其相关产品黏温特性的关系式已有多种，但对于较宽温度区域的黏温关系，目前最广泛使用的还是Walther的经验式：

式中：ν为黏度，mm2/s；T为绝对温度，K；a、b为经验常数；对于大多数石油产品，a＜1.0。

将表2 中的数据代入式（2），可 以得到该公式的相关系数、和，由 此可得到相应的黏温关系式，如 表3：

表3 两种导热油黏度回归分析结果

从表3中可以看出，导热油黏度的对数值与温度的对数纸呈线性关系。各参数随着导热油类别和使用温度的不同而出现小幅度的变化。其中经过计算的a值大小都在1.0的范围内，符合大多数石油产品的经验常数对a＜1.0的要求[8]。

b和m是与流体物性有关的常数，b值（截距）的大小会随着导热油品种的不同而出现不同的变化，合成型导热油L-QD330的b值大于矿物型导热油L-QC320，两类导热油的黏度都随b值的升高而降低。m的绝对值(斜率)的大小与油品的感温性能有关，其绝对值越小，感温性能越好，可以看出L-QC320的感温性能在所选的两种导热油当中较好。

根据导热油黏度回归分析表（表3）计算在设定温度情况下两种导热油的黏度如表4：

表4 不同温度下两种导热油的黏度拟合计算结果（mm 2 /S）

由表4可以看出，拟合公式计算的黏度值随温度的升降趋势与试验测量值相同，黏度都是随温度的升高而降低。由表3和表4计算可知，拟合公式所得出的黏度值和实测黏度相比平均偏差都在5%以内，其中矿物型导热油L-QC320的黏度计算偏差率随设定温度的升高而降低，而合成型导热油L-QD330黏度计算值的偏差率随使用温度的升高而升高。且矿物型导热油L-QC320黏度的计算平均偏差率要低于合成型导热油L-QD330的黏度计算偏差率。

总的来说，两种导热油实测和经拟合公式计算的数据都较好的符合了 Walther 公式黏温曲线，由Walther黏温公式回归分析得出的这两种导热油的拟合黏温公式所计算出的黏度偏差率小，精确度高，能较好的表达出该类型导热油黏度与温度的关系。

3 结论

文中以试验为基础，采用毛细管黏度计测出了L-QC320和L-QD330两种导热油的黏度，与拟合公式相对比分析，具体结论和分析如下：

1）合成型导热油L-QD330相比于矿物型导热油L-QC320 有更低的黏度，所以其低温流动性更好，适用于对能耗、稳定性、使用寿命要求高的行业。

2）两种导热油在所设定的温度范围内试验和拟合数据都符合液压流体黏度随温度升高而降低的特性。

3）以 Walther黏温公式为基础而拟合的公式在计算这两种导热油的黏度上具有准确的高的特性，计算误差在5%以内，在实测困难的情况下能较准确的预测导热油黏温特性。