溫度對冷卻液產品理化性能的影響研究

楊慧潔 樊秀菊

中國石化潤滑油有限公司北京研究院

冷卻液一般由水、防凍劑、添加劑3 部分組成，具有冷卻、防凍、防沸、防腐、防垢等作用，可以在設備工作時對溫度進行合理地調節和控制，使設備各部件保持在正常的工作溫度。

冷卻液已經廣泛應用于發動機冷卻系統，隨著科學技術的發展，冷卻液逐漸應用于更多的領域，如軌道交通、新能源汽車、清潔發電、數據中心等[1，2]。不同應用領域冷卻液的工作條件不同，如工作溫度、涉及的金屬材料和非金屬材料等。溫度對冷卻液理化性能具有一定影響，溫度不同，冷卻液的理化性能不同。截至目前，未見有溫度對冷卻液理化性能影響的文獻報道。在工作溫度下，冷卻液產品理化性能需要滿足一定要求，才能使冷卻系統正常工作，因此有必要對溫度對冷卻液產品理化性能的影響進行考察。傳統發動機正常工作時的冷卻液溫度是80 ～90 ℃，電控發動機正常工作時的冷卻液溫度是95 ～105 ℃，軌道交通牽引變流器正常工作時的冷卻液溫度是38 ～46 ℃，新能源汽車動力電池正常工作時的冷卻液溫度是20 ～35 ℃，清潔發電變流器正常工作時的冷卻液溫度是20～55 ℃，數據中心機房正常工作時的冷卻液溫度是10 ～55 ℃[3～8]。本文以2 款典型的冷卻液產品為研究對象，1 款添加劑以有機羧酸復配技術的冷卻液（以下簡稱有機型冷卻液），1 款添加劑以無機鹽加有機羧酸復配技術的冷卻液（以下簡稱混合型冷卻液），對溫度對冷卻液理化性能的影響進行了考察，為冷卻系統設計開發以及不同工況下冷卻液的選用提供數據支持。

試驗設計

為了研究溫度對冷卻液產品理化性能的影響，溫度范圍選擇20～100 ℃，間隔10 ℃，參考客戶關注的冷卻液理化性能指標，選取運動黏度、密度、動力黏度、電導率、導熱系數、比熱容和飽和蒸氣壓。選用市場上常見的2 款以乙二醇作為防凍劑的冷卻液產品（分別為有機型和混合型）。冷卻液產品的常規典型數據見表1，冷卻液各項理化性能的試驗方法見表2。

表1 有機型和混合型冷卻液產品的常規典型數據

表2 冷卻液各項理化性能的試驗方法

溫度對冷卻液產品理化性能的影響

溫度對冷卻液產品運動黏度的影響

運動黏度一般是表示冷卻液內部分子間相互作用力的大小，它是冷卻液內部阻力的度量。測試冷卻液的運動黏度可以了解一定溫度下設備啟動或工作時冷卻液的流動狀態，確認冷卻液可以正常流動。冷卻液的運動黏度與冷卻液組成、溫度等相關。一般來說，冷卻液的運動黏度隨著溫度的升高而降低。

隨著溫度的升高，冷卻液內部分子的熱運動加劇，分子間的相互作用力減弱，冷卻液的內部阻力也隨之減小，運動黏度隨之降低。這種現象在大多數液體中都會出現，例如水、酒精、石油等。有機型冷卻液產品和混合型冷卻液產品的主要成分都是乙二醇防凍劑和水，添加劑比例較小，兩種冷卻液產品的運動黏度相近。

溫度對冷卻液運動黏度的影響及擬合趨勢線如圖1 所示。

圖1 溫度對冷卻液運動黏度的影響及擬合趨勢線

由圖1 可以看出，隨著溫度從20 ℃升至100 ℃，有機型冷卻液的運動黏度從3.54 mm2/s 降至0.68 mm2/s，混合型冷卻液的運動黏度從3.68 mm2/s降至0.69 mm2/s，下降速率隨著溫度的升高逐漸降低，最終趨于平緩。從測試的結果可以看出，有機型冷卻液的運動黏度和混合型冷卻液的運動黏度相近，冷卻液的運動黏度在溫度變化時變化較大。

溫度對冷卻液產品密度的影響

密度一般是用來表示規定溫度下單位體積內冷卻液的質量。若已知冷卻液中二元醇的類型，測試冷卻液的密度可以大致確定冷卻液的二元醇的含量、冰點和沸點。冷卻液的密度與冷卻液組成、溫度、狀態等相關。一般來說，冷卻液的密度隨著溫度的升高而降低。

隨著溫度的升高，冷卻液發生熱脹冷縮，體積膨脹，質量不變，密度隨之降低。有機型冷卻液產品和混合型冷卻液產品的主要成分都是乙二醇防凍劑和水，添加劑比例較小，兩種冷卻液產品的密度相近。

溫度對冷卻液密度的影響及擬合趨勢線如圖2 所示。

圖2 溫度對冷卻液密度的影響及擬合趨勢線

由圖2 可以看出，隨著溫度從20 ℃升至100 ℃，有機型冷卻液的密度從1 073 kg/m3降至1 023 kg/m3，混合型冷卻液的密度從1 071 kg/m3降至1 021 kg/m3，下降速率隨著溫度的升高逐漸升高。從測試的結果可以看出，有機型冷卻液的密度和混合型冷卻液的密度相近，冷卻液的密度在溫度變化時變化較小。

溫度對冷卻液產品動力黏度的影響

動力黏度一般是反映冷卻液在一定溫度下流動的阻力大小，通常用來描述冷卻液的黏稠度。測試冷卻液的動力黏度可以了解一定溫度下設備啟動或工作時冷卻液的運動狀態，確認冷卻液可以正常流動。冷卻液的動力黏度與冷卻液組成、溫度等相關。一般來說，冷卻液的動力黏度隨著溫度的升高而降低。

隨著溫度的升高，液體分子的熱運動加劇，分子之間的相互作用力減弱，動力黏度隨之降低。這種現象在大多數液體中都存在，但不同液體的溫度-動力黏度關系卻有所不同。有機型冷卻液產品和混合型冷卻液產品的主要成分都是乙二醇防凍劑和水，添加劑比例較小，兩種冷卻液產品的動力黏度相近。

溫度對冷卻液動力黏度的影響及擬合趨勢線如圖3 所示。

圖3 溫度對冷卻液動力黏度的影響及擬合趨勢線

由圖3 可以看出，隨著溫度從20 ℃升至100 ℃，有機型冷卻液的動力黏度從3.8 mPa·s 降至0.7 mPa·s，混合型冷卻液的動力黏度從3.9 mPa·s 降至0.7 mPa·s，下降速率隨著溫度的升高逐漸降低，最終趨于平緩。從測試的結果可以看出，有機型冷卻液的動力黏度和混合型冷卻液的動力黏度相近，冷卻液的動力黏度在溫度變化時變化較大。

溫度對冷卻液產品電導率的影響

電導率一般是表示冷卻液傳導電流的能力，可以用來描述冷卻液中電荷流動的難易程度。冷卻液的類型不同，電導率不同。冷卻系統金屬材料腐蝕、非金屬材料兼容性差、系統清洗不徹底等，都會使冷卻液的電導率上升。測試冷卻液的電導率可以了解冷卻液是否適用于某種設備或工況，確認冷卻液電導率處于正常范圍。冷卻液的電導率與冷卻液組成、溫度等相關。一般來說，冷卻液的電導率隨著溫度的升高而升高。

隨著溫度的升高，冷卻液中離子遷移速度加快，電導率隨之升高。有機型冷卻液產品和混合型冷卻液產品的主要成分都是乙二醇防凍劑和水，添加劑比例較小，電導率主要來源于添加劑，兩種冷卻液產品的電導率有所差異。

溫度對冷卻液電導率的影響及擬合趨勢線如圖4 所示。

圖4 溫度對冷卻液電導率的影響及擬合趨勢線

由圖4 可以看出，隨著溫度從20 ℃升至80 ℃，有機型冷卻液的電導率從3 340 μS/cm 升至6 010 μS/cm，混合型冷卻液的電導率從3 730 μS/cm升至7 110 μS/cm，上升速率隨著溫度的升高逐漸升高。從測試的結果可以看出，有機型冷卻液的電導率比混合型冷卻液的電導率略低，冷卻液的電導率在溫度變化時變化較大，隨著溫度的升高，差距逐漸增大。

溫度對冷卻液產品導熱系數的影響

導熱系數一般是用來反映冷卻液的散熱能力，是指在穩定傳熱條件下，1 m 厚的冷卻液，兩側表面的溫差為1 K 或1 ℃，在1 h 內，通過1 m2面積傳遞的熱量。導熱系數越大，冷卻液的散熱能力就越強，能夠更快地將冷卻系統內部的熱量散發出去，從而保證冷卻系統的正常工作。測試冷卻液的導熱系數可以了解冷卻液的散熱能力，保證冷卻液的導熱性能和散熱效果。冷卻液的導熱系數與冷卻液組成、溫度等相關。一般來說，冷卻液的導熱系數隨著溫度的升高而升高。

隨著溫度的升高，分子在更高的溫度下移動得更快，因此熱量將以更高的速率通過冷卻液傳遞，導熱系數隨之升高。有機型冷卻液產品和混合型冷卻液產品的主要成分都是乙二醇防凍劑和水，添加劑比例較小，兩種冷卻液產品的導熱系數相近。

溫度對冷卻液導熱系數的影響及擬合趨勢線如圖5 所示。

圖5 溫度對冷卻液導熱系數的影響及擬合趨勢線

由圖5 可以看出，隨著溫度從20 ℃升至100 ℃，有機型冷卻液的導熱系數從0.37 W·(m·K)-1升至0.40 W·(m·K)-1，混合型冷卻液的導熱系數從0.38 W·(m·K)-1升至0.42 W·(m·K)-1，上升速率隨著溫度的升高逐漸降低，最終趨于平緩。從測試的結果可以看出，有機型冷卻液的導熱系數和混合型冷卻液的導熱系數相近，冷卻液的導熱系數在溫度變化時變化較小。

溫度對冷卻液產品比熱容的影響

比熱容是表示冷卻液提高溫度所需熱量的能力，而不是吸熱或者散熱能力。它指單位質量冷卻液改變單位溫度時吸收或放出的熱量。冷卻液的比熱容越大，相同質量和溫升時，需要的熱量越多。測試冷卻液的比熱容可以了解一定溫度下冷卻液提高溫度所需熱量的能力。冷卻液的比熱容與冷卻液組成、溫度等相關。一般來說，冷卻液的比熱容隨著溫度的升高而升高。

隨著溫度的升高，分子在更高的溫度下移動得更快，溫度再升高，破壞分子間作用力需要的熱量越多，比熱容隨之升高。有機型冷卻液產品和混合型冷卻液產品的主要成分都是乙二醇防凍劑和水，添加劑比例較小，兩種冷卻液產品的比熱容相近。

溫度對冷卻液比熱容的影響及擬合趨勢線如圖6 所示。

圖6 溫度對冷卻液比熱容的影響及擬合趨勢線

由圖6 可以看出，隨著溫度從20 ℃升至100 ℃，有機型冷卻液的比熱容從3.3 kJ·(kg·K)-1升至3.6 kJ·(kg·K)-1，混合型冷卻液的比熱容從3.3 kJ·(kg·K)-1升至3.6 kJ·(kg·K)-1，冷卻液比熱容與溫度保持線性關系，上升速率穩定。從測試的結果可以看出，有機型冷卻液的比熱容和混合型冷卻液的比熱容相近，冷卻液的比熱容在溫度變化時變化較小。

溫度對冷卻液產品飽和蒸氣壓的影響

飽和蒸氣壓是表示在密閉條件中，在一定溫度下，與冷卻液處于相平衡的蒸氣所具有的壓強。測試冷卻液的飽和蒸氣壓可以了解一定溫度下設備工作時冷卻液的蒸發情況，確認冷卻液的蒸發情況。冷卻液的飽和蒸氣壓與冷卻液組成、溫度等相關。一般來說，冷卻液的飽和蒸氣壓隨著溫度的升高而升高。

隨著溫度的升高，分子的熱運動加劇，分子之間的作用力減小，導致蒸氣分子容易從冷卻液中逃逸，形成飽和蒸氣，飽和蒸氣壓隨之升高。有機型冷卻液產品和混合型冷卻液產品的主要成分都是乙二醇防凍劑和水，添加劑比例較小，兩種冷卻液產品的飽和蒸氣壓相近。

溫度對冷卻液飽和蒸氣壓的影響及擬合趨勢線如圖7 所示。

圖7 溫度對冷卻液飽和蒸氣壓的影響及擬合趨勢線

由圖7 可以看出，隨著溫度從50 ℃升至130 ℃，有機型冷卻液的飽和蒸氣壓從9.3 kPa 升至213.6 kPa，混合型冷卻液的飽和蒸氣壓從9.5 kPa 升至213.8 kPa，上升速率隨著溫度的升高逐漸升高。從測試的結果可以看出，有機型冷卻液的飽和蒸氣壓和混合型冷卻液的飽和蒸氣壓相近，冷卻液的飽和蒸氣壓在溫度變化時變化較大。

結論

在市場上常見的以乙二醇作為防凍劑的冷卻液產品中選取2 款（有機型和混合型），研究了溫度對冷卻液產品理化性能的影響，結果表明：

☆在各試驗溫度下，2 款冷卻液產品的運動黏度、密度、動力黏度、導熱系數、比熱容、飽和蒸氣壓相近，沒有明顯差異；電導率有一定差距，有機型冷卻液產品的電導率低于混合型冷卻液產品的電導率，隨著溫度的升高，差距逐漸增大。

☆隨著溫度的升高，2 款冷卻液產品的運動黏度、密度、動力黏度降低，電導率、導熱系數、比熱容、飽和蒸氣壓升高；其中運動黏度、動力黏度、電導率、飽和蒸氣壓變化較大，密度、導熱系數、比熱容變化較小。