噴霧水中溶解氧對冷凝器翅片的腐蝕性研究

王林平， 王松明， 鄭學(xué)林， 史 意， 臧建彬

（1.上海海事大學(xué)，上海 201306；2.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210001；3.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

0 引言

中央空調(diào)機(jī)組的耗電占建筑總耗電的比例更高達(dá)70%。因此，提高夏季空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行效率，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。為了在夏季高溫的環(huán)境中強(qiáng)化冷凝器的散熱性能，為空調(diào)系統(tǒng)增加噴霧冷卻裝置。本文主要通過實(shí)驗(yàn)分析空冷換熱器采用噴霧系統(tǒng)時引起的腐蝕問題，探究不同水質(zhì)及不同水溫對不同材質(zhì)的換熱器的腐蝕程度，通過電鏡掃描觀測分析采用何種水溫和水質(zhì)進(jìn)行噴霧對空冷換熱器的腐蝕程度最輕，為噴霧冷卻技術(shù)在空冷機(jī)組上的應(yīng)用起到一定的推廣作用。

1 腐蝕機(jī)理

1.1 溶解氧腐蝕

冷凝器翅片為鋁質(zhì)，管道為銅質(zhì)，自來水的pH值基本為中性，水中溶解有約2.5×104mol/L的氧氣，對金屬可能產(chǎn)生耗氧型腐蝕。水質(zhì)中造成金屬腐蝕的主要因素是氯離子、低pH值、溶解氧，而噴霧所用的自來水基本為中性，故氯離子和低pH值這兩項(xiàng)不做考慮。本試驗(yàn)重點(diǎn)考慮溶解氧對金屬材料的腐蝕影響。

降低水中含氧量常用的方法有物理除氧法、化學(xué)除氧法。物理除氧法主要是采取加熱的方法，水的溫度越高，其中氣體的溶解度越?。划?dāng)水溫達(dá)到沸點(diǎn)時，它就不再有溶解氣體的能力，這就是熱力除氧。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)施簡單可行，節(jié)省資源?；瘜W(xué)除氧法主要是采取投加化學(xué)試劑的方法，常用的試劑有亞硫酸鈉和聯(lián)氨，其缺點(diǎn)是造成水體污染，影響自然環(huán)境。綜合考慮本試驗(yàn)選擇物理方法除氧。由此引入了水溫變化與溶解氧的關(guān)系。

1.2 氧在水中的溶解度與水溫的函數(shù)關(guān)系

在標(biāo)準(zhǔn)海拔大氣壓（101.325kPa）下、在水蒸氣飽和的、含氧體積百分?jǐn)?shù)為20.94%（V/V）的空氣存在時，純水中氧的溶解度ρ（O）s，以每升純水中氧的毫克數(shù)表示。繪出其曲線如圖1所示，通過趨勢分析，得出多項(xiàng)式擬合曲線如下。

由此擬合曲線可得水溫在41～50℃，每升水中氧的溶解度見表1。

表1 水溫41～50℃時氧的溶解度

2 腐蝕試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計

如圖2所示，腐蝕試驗(yàn)由軟化設(shè)備、儲水箱、翅片管材料等組成。其中1#水箱盛自來水，2#水箱盛軟化水，每個水箱設(shè)有加熱裝置，用于提供不同溫度的水。試驗(yàn)臺原型如圖3所示。

2.2 試驗(yàn)材料

翅片管式換熱器的基本傳熱元件為翅片管，翅片管由基管和翅片組合而成，基管通常為圓管、橢圓管和扁平管，外面用機(jī)械脹管的方法套平行的連續(xù)翅片。腐蝕試驗(yàn)所用到的四種翅片，如圖4所示。

四種翅片尺寸相同：長220mm，寬57mm，厚0.01mm。

2.2.1 親水鋁翅片

按照同樣方法，本文計算了不同崗位的起薪中位數(shù)，如表6所示。商務(wù)人員的起薪最低，為4 500元。管理崗、設(shè)計人員以及工程技術(shù)人員等崗位起薪普遍較高，中位數(shù)達(dá)到9 000元，且管理崗和工程技術(shù)人員的薪酬在10 000元以上的比例均超過4成。

親水鋁箔是對鋁箔進(jìn)行親水處理，通過特殊工藝處理，在其表面覆膜一層親水層，冷凝水在親水鋁箔上會迅速散開，不會凝結(jié)成水珠，增大熱交換面積，加快制冷制熱速度，還有效避免冷凝水阻礙空氣流動而產(chǎn)生的噪音。

每種試驗(yàn)材料的化學(xué)成分見表2。

表2 每種試驗(yàn)材料的化學(xué)成分

2.3 水質(zhì)要求

2.3.1 自來水

試驗(yàn)介質(zhì)為：自來水與軟化水，根據(jù)GB5749-2006規(guī)定，自來水水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)及極限見表3。

表3 自來水水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)及極限

2.3.2 軟化水

軟化水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)從以下幾個方面規(guī)定：

（1）水的電阻值。在測定水的導(dǎo)電性能時，電阻值大，導(dǎo)電性能差，電阻值小，導(dǎo)電性能就良好。純凈的水電阻率很大，超純水電阻率就更大。水越純，電阻率越大。

（2）水的電導(dǎo)率。水的導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱程度，反映了水中含鹽量的多少，是水的純凈程度的一個重要指標(biāo)。超純水幾乎不能導(dǎo)電。

（3）水的硬度。水中有些金屬陽離子，同一些陰離子結(jié)合在一起，在加熱過程中形成水垢，附著在受熱面上而影響熱傳導(dǎo)。通常我們把Ca2+、Mg2+的總濃度看作水的硬度。

（4）水的pH值。表示水的酸堿度。

（5）水中的懸浮物。是微粒直徑約在10-4mm以上的微粒，肉眼可見。懸浮物是造成混濁度、色度、氣味的主要來源。可以通過過濾除去。

2.4 實(shí)驗(yàn)條件

在溫度達(dá)到35℃及以上、相對濕度低于70%的條件下，噴霧冷卻技術(shù)降溫效果明顯。參考《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》得到上海地區(qū)滿足噴霧條件的小時數(shù)為127h。

假設(shè)PVC水管上圓孔的直徑為d，則從圓孔中向下流出的液滴質(zhì)量為：

則與此對應(yīng)的液滴直徑為：

式中 σ—液滴的表面張力，N/m；

g—重力加速度，m2/s；

ρ—液滴密度，kg/m3。

可計算不同直徑d對應(yīng)的水滴直徑和質(zhì)量，取水滴的滴定速度為1滴/s，則可得出1h內(nèi)所需水量和24h內(nèi)總水量，從而得出水中的溶氧量見表4。

為了增大試驗(yàn)可比性，只選取10℃、30℃和50℃三種工況下的自來水和軟化水作為比較。實(shí)驗(yàn)中的翅片始終處于流動浸潤狀態(tài)，水流出水孔徑為3mm。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過127h的腐蝕實(shí)驗(yàn)。從宏觀來看，對于相同水溫下的腐蝕情況，自來水明顯比軟化水腐蝕情況嚴(yán)重，而對于相同水質(zhì)下的腐蝕情況，水溫為10℃時的腐蝕情況最為嚴(yán)重，其次是水溫為30℃時的情況，50℃時腐蝕情況一般。其中一個重要的原因是高溫水里的溶解氧含量比低溫水的少，所以對空冷換熱器進(jìn)行噴霧冷卻時，使用加熱后的軟化水為噴霧介質(zhì)可以在一定程度上抑制空冷換熱器的腐蝕，原則上是水溫越高越好，但考慮到節(jié)能，建議采用30℃的軟化水。

表4 腐蝕實(shí)驗(yàn)水量計算

3 腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表征與評價—掃描電鏡實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

從對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的宏觀觀察，水溫為10℃時腐蝕情況最為明顯，故選擇10℃時的自來水與軟化水兩種水質(zhì)下的材料做SEM檢測。每種水質(zhì)有四個組合的樣品，翅片加銅管，掃描時需將樣品切割成小件，軟化水質(zhì)的樣品對應(yīng)編號A1～A8，自來水質(zhì)的樣品對應(yīng)編號為B1～B8，見表5。

表5 掃描電鏡材料編號

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器

掃描電子顯微鏡S-2360N是用聚焦得很細(xì)的電子束照射被檢測的試樣表面，具有二次電子探測、背散射電子探測以及低真空模式，并可通過所附帶的能譜分析儀進(jìn)行微區(qū)成份分析。表6為此次試驗(yàn)所采用的SEM參數(shù)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

16個樣品借助電鏡掃描，依次放大40倍、300倍后觀察其表面形貌。其中A1～A8是試驗(yàn)介質(zhì)為軟化水的腐蝕情況，B1～B8是試驗(yàn)介質(zhì)為自來水的腐蝕情況，很明顯，后者的腐蝕程度比前者明顯。

均勻腐蝕是最常見最簡單的一種腐蝕形態(tài)。圖5為涂層鋁樣品在10℃自來水作用下的腐蝕形態(tài)即為均勻腐蝕，發(fā)生均勻腐蝕的金屬在化學(xué)成分、顯微組織和受力狀況方面在宏觀尺度上是均勻的，腐蝕介質(zhì)通常也是均勻的，而且可以無障礙地接觸金屬表面。發(fā)生腐蝕后的材料厚度在外觀上可以增厚，也可以減薄，但剩余的金屬厚度總是減薄的。同樣的涂層鋁在10℃軟化水作用下，如圖6所示，其表面基本上看不出腐蝕的痕跡。

表6 掃描電子顯微鏡參數(shù)

點(diǎn)蝕也是一種常見的腐蝕形態(tài)，如圖7所示，素鋁組合的銅管樣品在10℃自來水作用下的腐蝕即為點(diǎn)蝕，這種形態(tài)的腐蝕通常發(fā)生在具有鈍性的或有保護(hù)膜的金屬上，而且環(huán)境的均勻腐蝕性相對較弱。點(diǎn)蝕的生長具有自催化能力，一旦開始生長，會加速生長。發(fā)生點(diǎn)蝕時，環(huán)境介質(zhì)通常是靜止的。同樣的銅管樣品在10℃軟化水作用下，如圖8所示，其表面也有少量點(diǎn)蝕情況，但不如前者嚴(yán)重和明顯。

4 結(jié)語

對于相同水溫下的情況，自來水明顯比軟化水腐蝕情況嚴(yán)重，而對于相同水質(zhì)下的腐蝕情況，水溫為10℃時的腐蝕情況最為嚴(yán)重，其次是水溫為30℃時的情況，50℃時腐蝕情況一般。其中一個重要的原因是水里的溶解氧含量隨溫度的升高而降低，所以對空冷換熱器進(jìn)行噴霧冷卻時，使用加熱后的軟化水為噴霧介質(zhì)可以在一定程度上抑制空冷換熱器的腐蝕，原則上是水溫越高越好，但考慮到節(jié)能，建議采用30℃的軟化水。

16個樣品借助電鏡掃描，依次放大40倍、300倍。其中A1～A8是試驗(yàn)介質(zhì)為軟化水的腐蝕情況，B1～B8是試驗(yàn)介質(zhì)為自來水的腐蝕情況，很明顯，后者的腐蝕程度比前者明顯。涂層鋁樣品在10℃自來水作用下的均勻腐蝕程度比同樣的涂層鋁在10℃軟化水作用下的均勻腐蝕程度嚴(yán)重。與素鋁組合的銅管樣品在10℃自來水作用下的點(diǎn)蝕情況明顯且嚴(yán)重，同樣的銅管樣品在10℃軟化水作用下，表面的點(diǎn)蝕情況不如前者嚴(yán)重。

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[1]史意.空冷換熱器噴霧冷卻技術(shù)及其腐蝕性研究[A].上海：同濟(jì)大學(xué)，2012.

[2]周本省，中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會.工業(yè)冷卻水系統(tǒng)中金屬的腐蝕與防護(hù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993.1～281.

[3]李久青，杜翠薇.腐蝕試驗(yàn)方法及監(jiān)測技術(shù)[M].北京：中國石化出版社，2007.

[4]中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.HJ 506-2009.中華人民共和國國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2009.

[5]中華人民共和國衛(wèi)生部.GB5749-2006.生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.