HFE7100和HFE7500的熱物理性質(zhì)

畢勝山，崔軍衛(wèi)，馬綸建，趙貫甲，吳江濤

（1西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710049；2太原理工大學電氣與動力工程學院，山西 太原 030024）

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HFE7100和HFE7500的熱物理性質(zhì)

畢勝山1，崔軍衛(wèi)1，馬綸建1，趙貫甲2，吳江濤1

（1西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710049；2太原理工大學電氣與動力工程學院，山西 太原 030024）

為了獲得氫氟醚HFE7100、HFE7500的熱物理性質(zhì)參數(shù)，補充現(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)清洗劑等工程應用提供技術(shù)支持，利用瞬態(tài)熱線法測量了常壓下HFE7100和HFE7500的熱導率，并用表面光散射法測量了HFE7100和HFE7500的液相黏度和表面張力。HFE7100和HFE7500的熱導率和液相黏度均關聯(lián)成溫度的多項式函數(shù)，HFE7100熱導率和黏度的實驗值和關聯(lián)式的平均絕對偏差分別為0.37%和1.19%，HFE7500熱導率和黏度的實驗值和關聯(lián)式的平均絕對偏差分別0.08%和1.10%。利用改進的van der Waals關聯(lián)表面張力和溫度的關系，HFE7100和HFE7500的表面張力的實驗值和關聯(lián)式的平均絕對偏差分別為0.03 mN·m-1和0.02 mN·m-1。獲得的HFE7100和HFE7500的熱導率、黏度和表面張力實驗數(shù)據(jù)及方程，可為其工程應用提出數(shù)據(jù)支持。

HFE7100；HFE7500；熱導率；黏度；表面張力

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151505

引　言

在臭氧層破壞和全球變暖的雙重壓力下，目前替代工質(zhì)的進程被迫不斷提速。氫氟醚類（HFEs）物質(zhì)具有良好的環(huán)境性能［1］，臭氧破壞潛能（ODP）為 0，全球溫室效應潛能（GWP）很低，并且在大氣中停留時間短［2］，是多種化工合成物的原料。如表1所示，HFE7100和HFE7500具有優(yōu)良的物化性質(zhì)，可以用來作為朗肯循環(huán)的工質(zhì)，回收低溫熱源的低品位能量。Oliveira等［3］以5 kW電站為例，分析了HFE7100工質(zhì)的朗肯循環(huán)效率可達11.7%～17.8%。HFE7100和HFE7500 也可以作為電子元器件的冷卻介質(zhì)［4-6］和工業(yè)清洗劑［1］。

HFEs工質(zhì)的熱物理性質(zhì)是其工程應用設計中必不可少的基礎數(shù)據(jù)。目前，涉及HFE7100和HFE7500的熱物性數(shù)據(jù)主要源于3M公司提供的產(chǎn)品說明，3M公司提供的數(shù)據(jù)并未給出測量方法和測量的不確定度，從熱物性測量的角度分析可信度較低。本課題組對HFE7100和HFE7500的熱物性展開了一定的研究，利用高壓振動管密度計測量了HFE7100和HFE7500溫度范圍為283～363 K、壓力范圍為0～100 MPa的密度［7-8］；利用流動型量熱器法測量了HFE7500溫度范圍為245～353 K、最高壓力到15 MPa的比熱容［9］；利用毛細管法測量了HFE7100的表面張力［10］，其溫度范圍為279.15～321.15 K；利用振動弦黏度計測量了HFE7500的黏度，溫度范圍為253～363 K、壓力范圍從飽和態(tài)到100 MPa［11］。另外，An等［12］利用Burnett法測量了HFE7100在363～431 K的氣相pvT性質(zhì)。Outcalt等［13］利用U形振動管密度計測量了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的二元或三元物質(zhì)的相平衡性質(zhì)。

本文工作對HFE7100和HFE7500兩種物質(zhì)的熱導率、黏度和表面張力進行了全面的實驗研究，為其工程應用提供數(shù)據(jù)支持。

1　實　驗

1.1實驗材料

HFE7100、HFE7500由美國3M公司提供，純度（質(zhì)量分數(shù)）為99.5%，采用水分分析儀測量得到含水量（質(zhì)量分數(shù)）小于0.01%。

1.2熱導率測量

HFE7100和HFE7500的熱導率采用瞬態(tài)熱線法，溫度范圍分別為251.99～332.63 K和251.77～371.29 K，不確定度在2%以內(nèi)。瞬態(tài)熱線法是目前應用最廣泛、測試精度最高的熱導率測量方法，可以適用于固體、粉末、膠體和液體等材料。瞬態(tài)熱線法的測量原理為對處于無限大介質(zhì)中的無限長熱源，在初始熱平衡條件下，通過測量加熱過程中線熱源的溫度變化情況來確定熱導率。本文采用的熱線采用直徑25 μm，長度分別為30 mm和60 mm的兩根鉭絲，拉直焊接到1 mm粗的鉭桿上。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是基于惠斯通電橋，由直流電阻箱、開關系統(tǒng)、可調(diào)精密直流電源、數(shù)字萬用表、計算機以及數(shù)據(jù)采集控制軟件所組成。電橋供電采用Keithley 2400電壓源，采用4塊6位半數(shù)字萬用表Agilent 34410A分別采集兩根熱絲和標準電阻上的電壓以及電橋的輸出電壓。溫度控制采用Fluke公司生產(chǎn)的7037型標準恒溫槽，采用鉑電阻測溫，不確定度在±10 mK以內(nèi)。該系統(tǒng)已經(jīng)成功用于醚酯類替代燃料的熱導率測量［15-16］，詳細的內(nèi)容見文獻［17］。

1.3黏度和表面張力測量

HFE7100和HFE7500的黏度和表面張力測量采用表面光散射法，溫度范圍分別為293.15～392.93 K和293.45～393.66 K，黏度的不確定度在Tr＜0.99時小于2%，Tr＞0.99時小于6%，表面張力在整個溫度區(qū)間內(nèi)小于1.5%。表面光散射法的優(yōu)勢是非接觸、速度快，同時也是平衡態(tài)的測量，通過數(shù)值方法求解表面波色散方程，同時獲得黏度和表面張力。表面光散射法已經(jīng)成功應用于制冷劑、離子液體等物質(zhì)的黏度和表面張力測量［18-19］。本文中所使用的表面光散射系統(tǒng)采用低功率連續(xù)型固體激光器，波長λ0=532 nm。高精度旋轉(zhuǎn)臺的直徑為80 mm、角度分辨率為0.00067°，經(jīng)過校正角度測量的精度可以達到±0.05%，數(shù)字相關器為ALV-LinCorr，可以計算兩路信號的相關函數(shù)。實驗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)過標定的Pt100鉑電阻溫度計和ASL公司的F200高精度測溫儀測溫，溫度測量的不確定小于±30 mK。該實驗系統(tǒng)已經(jīng)成功地測量了多種制冷劑的黏度和表面張力［20-22］。表面光散射理論可見文獻［20， 23-24］。

表1　RHFE7100、HFE7500的基本性質(zhì)Table 1　Basic properties for HFE7100 and HFE7500

2　實驗結(jié)果與討論

2.1熱導率

利用瞬態(tài)熱線法熱導率裝置對常壓下HFE7100、HFE7500的熱導率進行了實驗研究，溫度范圍分別為251.99～332.63 K、251.77～371.29 K，實驗結(jié)果列于表2。

表2　RHFE7100和HFE7500熱導率的實驗結(jié)果Table 2　Experimental data of thermal conductivity for HFE7100 and HFE7500

將熱導率實驗數(shù)據(jù)表示為溫度的多項式函數(shù)，如下

其中，B0、B1、B2、B3為擬合參數(shù)，列于表3。圖1分別給出了HFE7100和HFE7500的熱導率與溫度的關系及與擬合方程的偏差。HFE7100熱導率的實驗值與擬合方程計算值的最大相對偏差為1.15%，平均絕對偏差為0.37%；HFE7500熱導率的實驗值與擬合方程計算值的最大絕對偏差為0.26%，平均絕對偏差0.08%。從圖1可以看出，HFE7100和HFE7500的熱導率隨溫度上升基本呈線性下降，并且前者下降的趨勢更明顯。曲線比較光滑，符合液相流體熱導率隨溫度變化的規(guī)律，而且這兩種物質(zhì)的實驗值與關聯(lián)式的最大偏差均在不確定度范圍內(nèi)。

表3　RHFE7100和HFE7500熱導率擬合參數(shù)Table 3　Fitting parameters of thermal conductivity for HFE7100 and HFE7500

圖1　常壓下HFE7100及HFE7500熱導率及偏差Fig. 1　Deviations and thermal conductivity for HFE7100 and HFE7500 under atmosphere

表4　R HFE7100 和HFE7500 黏度和表面張力的實驗結(jié)果Table 4 Experimental data of liquid viscosity and surface tension for HFE7100 and HFE7500

2.2黏度和表面張力

本文對HFE7100和HFE7500在飽和狀態(tài)下293.15～392.93 K和293.45～393.66 K溫度區(qū)間的黏度和表面張力進行了實驗研究，結(jié)果列于表4。其中，HFE7100和HFE7500的液相密度引自實驗室前期工作［7-8］，飽和態(tài)下的氣相密度則采用PR方程計算，而氣相黏度采用對比態(tài)法估算，具體可見文獻［25-26］。

表面張力采用改進的van der Waals關聯(lián)式［27］進行擬合

其中，σ0、σ1和σ2為擬合參數(shù)，列于表5，Tr（Tr=T/Tc）為對比溫度，Tc為臨界溫度。

表5　RHFE7100 和 HFE7500 表面張力擬合參數(shù)Table 5　Fitting parameters of surface tension for HFE7100 and HFE7500

黏度采用多項式擬合

其中，νi為擬合參數(shù)，列于表6。

表6　RHFE7100 和 HFE7500 運動黏度擬合參數(shù)Table 6　Fitting parameters of kinematic viscosity for HFE7100 and HFE7500

圖2示出了 HFE7100 黏度與溫度關系以及實驗值與擬合方程計算值的偏差，同時將本文數(shù)據(jù)和方程與文獻值進行了比較。結(jié)果表明，本文實驗數(shù)據(jù)與擬合方程的最大偏差為2.12%，平均絕對偏差為1.19%。Meng等［11］利用研制的振動弦黏度計測量了 HFE7100 在溫度為 253～363 K 范圍內(nèi)的黏度。從圖2可以看出，本文數(shù)據(jù)和方程與Meng等的數(shù)據(jù)吻合較好，除去293 K外，其余的數(shù)據(jù)與本文的偏差均在±2%之內(nèi)。

圖3示出了HFE7100 表面張力與溫度關系以及實驗值與擬合方程計算值的偏差，同時將本文數(shù)據(jù)和方程與文獻值進行了比較，結(jié)果表明，本文數(shù)據(jù)與擬合方程的最大偏差為0.09 mN·m-1，平均絕對偏差為0.03 mN·m-1。李新等［10］利用毛細上升法測量了HFE7100 在溫度為279～321 K范圍內(nèi)的表面張力。如圖3所示，本文數(shù)據(jù)和方程與李新等的數(shù)據(jù)偏差在0.7～0.9 mN·m-1內(nèi)。毛細上升法的不確定在0.2 mN·m-1，李新等的工作中直接忽略了氣相密度對實驗結(jié)果有一定的影響。

圖4和圖5分別給出了HFE7500的黏度及表面張力與溫度的關系及與擬合方程的偏差，HFE7500表面張力的實驗值與擬合方程計算值的最大絕對偏差為0.05 mN·m-1，平均絕對偏差為0.02 mN·m-1；HFE7500黏度的實驗值與擬合方程計算值的最大相對偏差為2.10%，平均絕對偏差1.10%。從圖中可以看出，HFE7500的黏度和表面張力隨溫度分別呈指數(shù)和線性衰減，符合飽和態(tài)下流體黏度和表面張力隨溫度的變化。

圖2　HFE7100液相黏度的擬合偏差及與文獻值的比較Fig. 2　Deviations of experimental kinematic viscosity of this work for HFE7100 and comparison with literature data

圖3　HFE7100表面張力的擬合偏差及與文獻值的比較Fig. 3　Deviations of experimental surface tension of this work for HFE7100 and comparison with literature data

圖4　飽和態(tài)HFE7500液相黏度及偏差Fig. 4　Deviations and liquid kinematic viscosity for HFE7500 under saturation condition

圖5　飽和態(tài)HFE7500表面張力及偏差Fig. 5　Deviations and surface tension for HFE7500 under saturation condition

3　結(jié)　論

（1）采用熱線法測量了HFE7100及HFE7500的熱導率，溫度范圍為251.99～332.63 K和251.77～371.29 K，利用實驗數(shù)據(jù)擬合了熱導率方程，實驗數(shù)據(jù)與方程的偏差在實驗不確定度范圍內(nèi)。

（2）采用表面光散射法測量了HFE7100及HFE7500的液相黏度和表面張力，溫度范圍為293.15～392.93 K和293.45～393.66 K，利用實驗數(shù)據(jù)擬合了黏度和表面張力計算方程。其中，黏度方程與實驗值的平均絕對偏差分別為1.19%和1.10%；表面張力方程與實驗值的絕對偏差分別為0.03 mN·m-1和0.02 mN·m-1。

（3）本文獲得的HFE7100和HFE7500的熱導率、黏度和表面張力實驗數(shù)據(jù)及方程，可為其作為電子元器件的冷卻介質(zhì)、工業(yè)清洗劑等工程應用提供技術(shù)支持。

符號說明

η' ——氣相黏度，μPa·s

λ ——熱導率，W·m-1·K-1

ν ——液相運動黏度，mm2·s-1

ρ ——飽和液相密度，kg·m-3

ρ' ——飽和氣相密度，kg·m-3

σ ——表面張力，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。

聯(lián)系人及第一作者：畢勝山（1978—），男，博士，副教授。

國家自然科學基金項目（51276142）。