司 榮

(中國鍋爐水處理協(xié)會 北京 100029)

有機熱載體導熱系數(shù)測定方法探究

司 榮

(中國鍋爐水處理協(xié)會 北京 100029)

有機熱載體因其使用溫度高，且在高溫狀態(tài)下有不同程度的揮發(fā)，導致難以準確地測定其導熱系數(shù)。本文采用穩(wěn)態(tài)法的保護熱流計法、非穩(wěn)態(tài)法中的激光閃射法、瞬態(tài)熱線法對有機熱載體導熱系數(shù)進行測試，結(jié)果表明：瞬態(tài)熱線法可直接通過測量獲得導熱系數(shù)，避免揮發(fā)對測量造成的影響，具有較高的準確性。

有機熱載體 導熱系數(shù) 瞬態(tài)熱線法

有機熱載體又稱為導熱油、熱傳導液,因其在較低的壓力下便可獲得較高的工作溫度,近年來在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域倍受青睞。有機熱載體導熱系數(shù)是反映介質(zhì)換熱能力的主要參數(shù),關(guān)系到有機熱載體爐的設計、制造以及有機熱載體的應用等方面,具有重要的理論和實際意義。目前,有機熱載體導熱系數(shù)的獲得方法主要為理論計算和產(chǎn)品的經(jīng)驗數(shù)據(jù),但由于有機熱載體的組成通常為復雜的混合物,難以從理論上計算出其準確的導熱系數(shù)。而且,有機熱載體使用溫度較高,多為100～300℃,有的甚至可達400℃,在較高的溫度下,有機熱載體本身存在不同程度的揮發(fā),因此很難準確地測定其相關(guān)的物性參數(shù)。中國原子能科學研究院趙可人、沙宏偉等人采用瞬態(tài)熱絲法對變壓器油的導熱系數(shù)進行了研究,但僅對100℃以下的溫度進行了測定［1］。目前,使用的某些產(chǎn)品的經(jīng)驗數(shù)據(jù)只能代表該類產(chǎn)品的導熱性能,簡單地使用該數(shù)據(jù)會造成設計制造與實際使用工況不相符,熱效率計算不準確等問題。

導熱系數(shù)的測定分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法先利用熱源對樣品進行加熱,樣品內(nèi)部的溫差使得熱量從高溫向低溫傳導,樣品內(nèi)部各點的溫度將隨著加熱快慢和傳熱快慢的影響而變動,當樣品內(nèi)部溫度達到平衡后,通過測量樣品每單位面積的溫度梯度和熱流速率,計算出樣品的導熱系數(shù)。非穩(wěn)態(tài)法測量樣品的溫度分布隨時間變化,通過測量這種溫度的變化來推算導熱系數(shù)［2］。

目前,主要的導熱系數(shù)測定儀器均可對液體導熱系數(shù)進行測定。為選擇適合有機熱載體導熱系數(shù)的測量方法,本文采用了穩(wěn)態(tài)法中保護熱流計法及非穩(wěn)態(tài)法中激光閃射法、熱線法對較為典型的兩類有機熱載體進行了常溫及高溫導熱系數(shù)的測試。

1 實驗部分

1.1 儀器

DTC300保護熱流計法導熱儀、Q50熱重分析儀,美國TA儀器;

LFA 467閃射法導熱儀;

TD 3000L熱線法液體導熱系數(shù)儀。

1.2 試劑

THERMINOL 66,蘇州首諾導熱油有限公司;

L-QB300,中國石化潤滑油公司。

1.3 保護熱流計法

●1.3.1 原理

被測試的樣品置于上下加熱板之間,上下板分別控制在不同的溫度下。當熱量從上板通過樣品傳遞到下板時,就會形成一個軸向溫度梯度。在已知厚度的情況下,通過測量整個樣品的溫度差以及熱流計的輸出,可以確定樣品導熱系數(shù)［2］。該方法測定固體、膏狀、液體材料的導熱系數(shù),測試范圍為0.1～40W/(m·K)。［3］

●1.3.2 試驗操作

打開水浴,使水浴達到預設定的溫度,將液體有機熱載體裝入液體樣品盒內(nèi),加蓋,在樣品盒上下表面均勻地涂抹導熱膏,將樣品盒放入上下板之間,將爐體置于樣品周圍,至設定溫度,開始實驗。［3］

1.4 激光閃射法

●1.4.1 原理

激光閃射法直接測量材料的熱擴散性能。在已知樣品比熱與密度的情況下,便可以得到樣品的導熱系數(shù)。激光閃射法,樣品在爐體中被加熱到所需的測試溫度,隨后由激光器產(chǎn)生的一束短促激光脈沖對樣品的前表面進行加熱。熱量在樣品中擴散,使樣品背部的溫度上升,測量溫度隨時間上升的關(guān)系。該方法可通過特殊的樣品支架進行液體導熱系數(shù)的測定,測定精度為0.1～2000W/(m·K)。

●1.4.2 試驗操作

打開LFA467主機、水浴與計算機電源。為紅外檢測器充填液氮,使檢測器單元復位,將液體樣品放入高壓坩堝內(nèi),加蓋放入樣品托盤內(nèi),用配套的鑷子將樣品托盤(帶樣品)放入樣品托盤座,將上窗口蓋回,升溫測試。

1.5 瞬態(tài)熱線法

●1.5.1 原理

熱線法是在樣品中插入一根熱線,測試時,在熱線上施加一個恒定的加熱功率,使其溫度上升。測量熱線本身或與熱線相隔一定距離的平板的溫度隨時間上升的關(guān)系。熱線法適用于測量不同形狀的各向同性的固體材料和液體。［4］

●1.5.2 試驗操作

開機,用樣品沖洗樣品容器后,關(guān)閉進液閥、真空閥和排液閥后,注入樣品,關(guān)閉進液閥,設定目標溫度后,進行熱平衡檢測,當溫度檢測波動度小于±0.02mV/10分鐘時,開始進行測試。［4］

2 結(jié)果與討論

2.1 保護熱流計法

本實驗選取了兩類常見的較為典型的有機熱載體產(chǎn)品,THERMINOL 66為合成型產(chǎn)品主要成分為氫化三聯(lián)苯,L-QB 300為礦物油型產(chǎn)品主要成分為長鏈烷烴。由于有機熱載體導熱系數(shù)的測定目前國內(nèi)沒有相應的標準化檢測手段或方法,國外的相應的檢測方法因各種原因未公開參考,國內(nèi)幾家大型企業(yè)提供給用戶的有機熱載體導熱系數(shù)值是目前可獲得的唯一途徑,故本文以蘇州首諾導熱油有限公司THERMINOL 66的產(chǎn)品手冊和中國石化潤滑油公司L-QB300產(chǎn)品手冊中的導熱系數(shù)值作為文獻參考值,評價不同檢測方法測定有機熱載體導熱系數(shù)的準確性。

由表1、表2可看出,保護熱流計法測定THERMINOL 66和L-QB 300在300℃下測量結(jié)果接近于零,通常這種情況是樣品全部揮發(fā)所致。借助于熱重實驗,結(jié)果如圖1所示。將樣品從室溫以10℃/min的升溫速率,加熱至450℃,發(fā)現(xiàn)樣品A從150℃左右開始明顯地熱分解,到280℃基本熱分解完畢。樣品B從205℃開始明顯地熱分解,300℃熱分解完畢。

保護熱流計法測定結(jié)果準確度較差。THERMINOL 66測定溫度在60～300℃時,導熱系數(shù)的文獻參考值為0.1158～0.094W/(m·K),采用保護熱流計法測定結(jié)果為2.515～3.199 W/(m·K),誤差大,無法準確測定;L-QB300測定溫度在60～300℃時,導熱系數(shù)參考值為0.131～0.113W/(m·K),采用保護熱流計法測定結(jié)果為1.110～0.863W/(m·K),同樣準確不高。

表1 保護熱流計法測定THERMINOL 66導熱系數(shù)結(jié)果 W/（m·K）

表2 保護熱流計法測定L-QB 300導熱系數(shù)結(jié)果 W/（m·K）

圖1 THERMINOL 66（樣品A）、 L-QB 300(樣品B)熱重分析

保護熱流計法可用于測量多種材料的導熱系數(shù),導熱系數(shù)的測定范圍為0.1～40W/(m·K),測量的材料包括聚合物、陶瓷、復合材料、玻璃等,非固態(tài)樣品如糊劑或液體可使用特殊容器進行測量,但對揮發(fā)性樣品,該方法未能很好地解決測量過程中揮發(fā)導致熱量損失帶來的測量誤差的問題,同時對于有機熱載體其導熱系數(shù)已經(jīng)接近該方法測量下限,也很難準確測量。表1、表2誤差較大的原因可能為有機熱載體具有揮發(fā)性,加熱過程中揮發(fā)導致質(zhì)量及熱量散失。

2.2 激光閃射法

同保護熱流計法,由于樣品揮發(fā),激光閃射法無法測定有機熱載體250℃以上導熱系數(shù)。由表3、表4看出,相對于保護熱流計法,激光閃射法測定結(jié)果準確度有所提高,THERMINOL 66測定溫度在60～300℃時,激光閃射法測定結(jié)果為0.142～0.157W/(m·K),相對誤差在23%～49%,激光閃射法較保護熱流計法更接近參考值,激光閃射法測定結(jié)果在低溫時較為接近文獻值,隨著測定溫度的升高,結(jié)果偏離文獻值越大;L-QB 300測定溫度在60～300℃時,采用激光閃射法測定結(jié)果為0.139～0.154W/(m·K),相對誤差在6%～27%,同樣低溫時較為接近文獻值,隨著測定溫度的升高,結(jié)果偏離文獻值越多。閃射法測量的是材料的熱擴散系數(shù),需要與相同溫度下測得的比熱及密度相乘獲得導熱系數(shù),而現(xiàn)有測量手段中,高溫密度的獲得需要通過熱膨脹儀測得相應溫度下一定質(zhì)量的體積,換算得到密度,對于導熱系數(shù)較低的材料多次測量帶入的多次誤差,導致結(jié)果準確度降低。有機熱載體導熱系數(shù)應隨溫度的升高而降低,而激光閃射法測定結(jié)果隨著溫度的升高而升高,原因可能為有機熱載體比熱隨溫度升高而增大。

表3 激光閃射法測定THERMINOL 66導熱系數(shù)結(jié)果 W/（m·K）

表4 激光閃射法測定L-QB 300導熱系數(shù)結(jié)果 W/（m·K）

2.3 瞬態(tài)熱線法

對于THERMINOL 66瞬態(tài)熱線法與文獻參考值有較好的吻合性,誤差范圍在±1.9%之間;對于L-QB 300誤差范圍在4%～20%之間,高溫測定值較小,誤差增大。但較上兩種方法準確度有明顯的提高。

表5 瞬態(tài)熱線法測定THERMINOL 66導熱系數(shù)結(jié)果 W/（m·K）

表6 瞬態(tài)熱線法測定L-QB 300導熱系數(shù)結(jié)果 W/（m·K）

由圖2可看出采用不同方法測定有機熱載體THERMINOL 66導熱系數(shù),瞬態(tài)熱線法與文獻參考值基本吻合。

圖2 不同方法測定THERMINOL 66導熱系數(shù)對比圖

由圖3可看出采用不同方法測定有機熱載體L-QB 300導熱系數(shù),瞬態(tài)熱線法與文獻參考值較為接近,在高溫段較其他方法準確度較高。

圖3 不同方法測定L-Q B3 0 0導熱系數(shù)對比圖

3 結(jié)論

瞬態(tài)熱線法測量時間短,在自然對流換熱方式還沒有出現(xiàn)時測量就已經(jīng)結(jié)束,所以能夠避免自然對流造成的影響,同時也避免了液體樣品揮發(fā)對結(jié)果造成的影響,當溫升停止增長甚至出現(xiàn)負增長時,代表了自然對流的出現(xiàn),所以熱線法可以清楚顯示自然對流對于測量結(jié)果的影響,并通過選擇合理的測試時間,避開自然對流的影響,該法測量溫度可達300℃以上。

采用瞬態(tài)熱線法測定有機熱載體導熱系數(shù),可以避免揮發(fā)對測量造成的影響,同時該方法直接通過測量獲得導熱系數(shù),避免了多次測量引入的誤差,可準確測定不同溫度下有機熱載體的導熱系數(shù)。

［1］ 趙可人，沙宏偉．用瞬態(tài)熱絲法測定變壓器油的熱導率 ［J］．變壓器，1990，(8)：33-37．

［2］ 閔凱，劉斌，溫廣．導熱系數(shù)測量方法與應用分析［J］．保鮮與加工，2005，（6）：35-38．

［3］ ASTM D2717—95 Standard Test Method for Thermal Conductivity of Liquids［S］．

［4］ ASTM E1530—06 Standard Test Method for Evaluating the Resistance to Thermal Transmission of Materials by the Guarded Heat Flow Meter Technique1［S］．

［5］ THERMINOL 66 技術(shù)手冊 723946B Heat Transfer Fluids by Eastman［S］．

［6］ L-QB 300 導熱油產(chǎn)品技術(shù)手冊 長城潤滑油 ［S］．

Investigation on Measurement of Thermal Conductivity of Organic Heat Transfer Fluids

Si Rong
(China Boiler Water Quality Association Beijing 100029)

It is difficult to measure the thermal conductivity of organic heat transfer fluids at high temperatures precisely due to volatility. Several different thermal conductivity testing methods were investigated in this article, and the results showed that the transient hot wire method was the best method among the steady state protective heat fl ow meter method, non-steady state laser scattering method, and the transient hot wire method.

Organic heat transfer fl uids Thermal conductivity Transient hot wire method

X924

：B

1673-257X(2017)07-0062-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.07.014

司榮（1983～)，女，碩士，工程師，從事鍋爐傳熱介質(zhì)的檢測及研究工作。

司榮，E-mail： ccsirong@163．com。

國家質(zhì)檢總局2015年質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項項目（201510067）

2016-11-30）