有机热载体导热系数测定方法探究

司 荣

(中国锅炉水处理协会 北京 100029)

有机热载体导热系数测定方法探究

司 荣

(中国锅炉水处理协会 北京 100029)

有机热载体因其使用温度高，且在高温状态下有不同程度的挥发，导致难以准确地测定其导热系数。本文采用稳态法的保护热流计法、非稳态法中的激光闪射法、瞬态热线法对有机热载体导热系数进行测试，结果表明：瞬态热线法可直接通过测量获得导热系数，避免挥发对测量造成的影响，具有较高的准确性。

有机热载体 导热系数 瞬态热线法

有机热载体又称为导热油、热传导液,因其在较低的压力下便可获得较高的工作温度,近年来在工业生产领域倍受青睐。有机热载体导热系数是反映介质换热能力的主要参数,关系到有机热载体炉的设计、制造以及有机热载体的应用等方面,具有重要的理论和实际意义。目前,有机热载体导热系数的获得方法主要为理论计算和产品的经验数据,但由于有机热载体的组成通常为复杂的混合物,难以从理论上计算出其准确的导热系数。而且,有机热载体使用温度较高,多为100～300℃,有的甚至可达400℃,在较高的温度下,有机热载体本身存在不同程度的挥发,因此很难准确地测定其相关的物性参数。中国原子能科学研究院赵可人、沙宏伟等人采用瞬态热丝法对变压器油的导热系数进行了研究,但仅对100℃以下的温度进行了测定［1］。目前,使用的某些产品的经验数据只能代表该类产品的导热性能,简单地使用该数据会造成设计制造与实际使用工况不相符,热效率计算不准确等问题。

导热系数的测定分为稳态法和非稳态法。稳态法先利用热源对样品进行加热,样品内部的温差使得热量从高温向低温传导,样品内部各点的温度将随着加热快慢和传热快慢的影响而变动,当样品内部温度达到平衡后,通过测量样品每单位面积的温度梯度和热流速率,计算出样品的导热系数。非稳态法测量样品的温度分布随时间变化,通过测量这种温度的变化来推算导热系数［2］。

目前,主要的导热系数测定仪器均可对液体导热系数进行测定。为选择适合有机热载体导热系数的测量方法,本文采用了稳态法中保护热流计法及非稳态法中激光闪射法、热线法对较为典型的两类有机热载体进行了常温及高温导热系数的测试。

1 实验部分

1.1 仪器

DTC300保护热流计法导热仪、Q50热重分析仪,美国TA仪器;

LFA 467闪射法导热仪;

TD 3000L热线法液体导热系数仪。

1.2 试剂

THERMINOL 66,苏州首诺导热油有限公司;

L-QB300,中国石化润滑油公司。

1.3 保护热流计法

●1.3.1 原理

被测试的样品置于上下加热板之间,上下板分别控制在不同的温度下。当热量从上板通过样品传递到下板时,就会形成一个轴向温度梯度。在已知厚度的情况下,通过测量整个样品的温度差以及热流计的输出,可以确定样品导热系数［2］。该方法测定固体、膏状、液体材料的导热系数,测试范围为0.1～40W/(m·K)。［3］

●1.3.2 试验操作

打开水浴,使水浴达到预设定的温度,将液体有机热载体装入液体样品盒内,加盖,在样品盒上下表面均匀地涂抹导热膏,将样品盒放入上下板之间,将炉体置于样品周围,至设定温度,开始实验。［3］

1.4 激光闪射法

●1.4.1 原理

激光闪射法直接测量材料的热扩散性能。在已知样品比热与密度的情况下,便可以得到样品的导热系数。激光闪射法,样品在炉体中被加热到所需的测试温度,随后由激光器产生的一束短促激光脉冲对样品的前表面进行加热。热量在样品中扩散,使样品背部的温度上升,测量温度随时间上升的关系。该方法可通过特殊的样品支架进行液体导热系数的测定,测定精度为0.1～2000W/(m·K)。

●1.4.2 试验操作

打开LFA467主机、水浴与计算机电源。为红外检测器充填液氮,使检测器单元复位,将液体样品放入高压坩埚内,加盖放入样品托盘内,用配套的镊子将样品托盘(带样品)放入样品托盘座,将上窗口盖回,升温测试。

1.5 瞬态热线法

●1.5.1 原理

热线法是在样品中插入一根热线,测试时,在热线上施加一个恒定的加热功率,使其温度上升。测量热线本身或与热线相隔一定距离的平板的温度随时间上升的关系。热线法适用于测量不同形状的各向同性的固体材料和液体。［4］

●1.5.2 试验操作

开机,用样品冲洗样品容器后,关闭进液阀、真空阀和排液阀后,注入样品,关闭进液阀,设定目标温度后,进行热平衡检测,当温度检测波动度小于±0.02mV/10分钟时,开始进行测试。［4］

2 结果与讨论

2.1 保护热流计法

本实验选取了两类常见的较为典型的有机热载体产品,THERMINOL 66为合成型产品主要成分为氢化三联苯,L-QB 300为矿物油型产品主要成分为长链烷烃。由于有机热载体导热系数的测定目前国内没有相应的标准化检测手段或方法,国外的相应的检测方法因各种原因未公开参考,国内几家大型企业提供给用户的有机热载体导热系数值是目前可获得的唯一途径,故本文以苏州首诺导热油有限公司THERMINOL 66的产品手册和中国石化润滑油公司L-QB300产品手册中的导热系数值作为文献参考值,评价不同检测方法测定有机热载体导热系数的准确性。

由表1、表2可看出,保护热流计法测定THERMINOL 66和L-QB 300在300℃下测量结果接近于零,通常这种情况是样品全部挥发所致。借助于热重实验,结果如图1所示。将样品从室温以10℃/min的升温速率,加热至450℃,发现样品A从150℃左右开始明显地热分解,到280℃基本热分解完毕。样品B从205℃开始明显地热分解,300℃热分解完毕。

保护热流计法测定结果准确度较差。THERMINOL 66测定温度在60～300℃时,导热系数的文献参考值为0.1158～0.094W/(m·K),采用保护热流计法测定结果为2.515～3.199 W/(m·K),误差大,无法准确测定;L-QB300测定温度在60～300℃时,导热系数参考值为0.131～0.113W/(m·K),采用保护热流计法测定结果为1.110～0.863W/(m·K),同样准确不高。

表1 保护热流计法测定THERMINOL 66导热系数结果 W/（m·K）

表2 保护热流计法测定L-QB 300导热系数结果 W/（m·K）

图1 THERMINOL 66（样品A）、 L-QB 300(样品B)热重分析

保护热流计法可用于测量多种材料的导热系数,导热系数的测定范围为0.1～40W/(m·K),测量的材料包括聚合物、陶瓷、复合材料、玻璃等,非固态样品如糊剂或液体可使用特殊容器进行测量,但对挥发性样品,该方法未能很好地解决测量过程中挥发导致热量损失带来的测量误差的问题,同时对于有机热载体其导热系数已经接近该方法测量下限,也很难准确测量。表1、表2误差较大的原因可能为有机热载体具有挥发性,加热过程中挥发导致质量及热量散失。

2.2 激光闪射法

同保护热流计法,由于样品挥发,激光闪射法无法测定有机热载体250℃以上导热系数。由表3、表4看出,相对于保护热流计法,激光闪射法测定结果准确度有所提高,THERMINOL 66测定温度在60～300℃时,激光闪射法测定结果为0.142～0.157W/(m·K),相对误差在23%～49%,激光闪射法较保护热流计法更接近参考值,激光闪射法测定结果在低温时较为接近文献值,随着测定温度的升高,结果偏离文献值越大;L-QB 300测定温度在60～300℃时,采用激光闪射法测定结果为0.139～0.154W/(m·K),相对误差在6%～27%,同样低温时较为接近文献值,随着测定温度的升高,结果偏离文献值越多。闪射法测量的是材料的热扩散系数,需要与相同温度下测得的比热及密度相乘获得导热系数,而现有测量手段中,高温密度的获得需要通过热膨胀仪测得相应温度下一定质量的体积,换算得到密度,对于导热系数较低的材料多次测量带入的多次误差,导致结果准确度降低。有机热载体导热系数应随温度的升高而降低,而激光闪射法测定结果随着温度的升高而升高,原因可能为有机热载体比热随温度升高而增大。

表3 激光闪射法测定THERMINOL 66导热系数结果 W/（m·K）

表4 激光闪射法测定L-QB 300导热系数结果 W/（m·K）

2.3 瞬态热线法

对于THERMINOL 66瞬态热线法与文献参考值有较好的吻合性,误差范围在±1.9%之间;对于L-QB 300误差范围在4%～20%之间,高温测定值较小,误差增大。但较上两种方法准确度有明显的提高。

表5 瞬态热线法测定THERMINOL 66导热系数结果 W/（m·K）

表6 瞬态热线法测定L-QB 300导热系数结果 W/（m·K）

由图2可看出采用不同方法测定有机热载体THERMINOL 66导热系数,瞬态热线法与文献参考值基本吻合。

图2 不同方法测定THERMINOL 66导热系数对比图

由图3可看出采用不同方法测定有机热载体L-QB 300导热系数,瞬态热线法与文献参考值较为接近,在高温段较其他方法准确度较高。

图3 不同方法测定L-Q B3 0 0导热系数对比图

3 结论

瞬态热线法测量时间短,在自然对流换热方式还没有出现时测量就已经结束,所以能够避免自然对流造成的影响,同时也避免了液体样品挥发对结果造成的影响,当温升停止增长甚至出现负增长时,代表了自然对流的出现,所以热线法可以清楚显示自然对流对于测量结果的影响,并通过选择合理的测试时间,避开自然对流的影响,该法测量温度可达300℃以上。

采用瞬态热线法测定有机热载体导热系数,可以避免挥发对测量造成的影响,同时该方法直接通过测量获得导热系数,避免了多次测量引入的误差,可准确测定不同温度下有机热载体的导热系数。

［1］ 赵可人，沙宏伟．用瞬态热丝法测定变压器油的热导率 ［J］．变压器，1990，(8)：33-37．

［2］ 闵凯，刘斌，温广．导热系数测量方法与应用分析［J］．保鲜与加工，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 技术手册 723946B Heat Transfer Fluids by Eastman［S］．

［6］ L-QB 300 导热油产品技术手册 长城润滑油 ［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

司荣（1983～)，女，硕士，工程师，从事锅炉传热介质的检测及研究工作。

司荣，E-mail： ccsirong@163．com。

国家质检总局2015年质检公益性行业科研专项项目（201510067）

2016-11-30）