喷雾水中溶解氧对冷凝器翅片的腐蚀性研究

王林平， 王松明， 郑学林， 史 意， 臧建彬

（1.上海海事大学，上海 201306；2.江苏海事职业技术学院，江苏南京 210001；3.同济大学，上海 201804）

0 引言

中央空调机组的耗电占建筑总耗电的比例更高达70%。因此，提高夏季空调机组的运行效率，以实现节能减排。为了在夏季高温的环境中强化冷凝器的散热性能，为空调系统增加喷雾冷却装置。本文主要通过实验分析空冷换热器采用喷雾系统时引起的腐蚀问题，探究不同水质及不同水温对不同材质的换热器的腐蚀程度，通过电镜扫描观测分析采用何种水温和水质进行喷雾对空冷换热器的腐蚀程度最轻，为喷雾冷却技术在空冷机组上的应用起到一定的推广作用。

1 腐蚀机理

1.1 溶解氧腐蚀

冷凝器翅片为铝质，管道为铜质，自来水的pH值基本为中性，水中溶解有约2.5×104mol/L的氧气，对金属可能产生耗氧型腐蚀。水质中造成金属腐蚀的主要因素是氯离子、低pH值、溶解氧，而喷雾所用的自来水基本为中性，故氯离子和低pH值这两项不做考虑。本试验重点考虑溶解氧对金属材料的腐蚀影响。

降低水中含氧量常用的方法有物理除氧法、化学除氧法。物理除氧法主要是采取加热的方法，水的温度越高，其中气体的溶解度越小；当水温达到沸点时，它就不再有溶解气体的能力，这就是热力除氧。其优点是实施简单可行，节省资源。化学除氧法主要是采取投加化学试剂的方法，常用的试剂有亚硫酸钠和联氨，其缺点是造成水体污染，影响自然环境。综合考虑本试验选择物理方法除氧。由此引入了水温变化与溶解氧的关系。

1.2 氧在水中的溶解度与水温的函数关系

在标准海拔大气压（101.325kPa）下、在水蒸气饱和的、含氧体积百分数为20.94%（V/V）的空气存在时，纯水中氧的溶解度ρ（O）s，以每升纯水中氧的毫克数表示。绘出其曲线如图1所示，通过趋势分析，得出多项式拟合曲线如下。

由此拟合曲线可得水温在41～50℃，每升水中氧的溶解度见表1。

表1 水温41～50℃时氧的溶解度

2 腐蚀试验

2.1 试验设计

如图2所示，腐蚀试验由软化设备、储水箱、翅片管材料等组成。其中1#水箱盛自来水，2#水箱盛软化水，每个水箱设有加热装置，用于提供不同温度的水。试验台原型如图3所示。

2.2 试验材料

翅片管式换热器的基本传热元件为翅片管，翅片管由基管和翅片组合而成，基管通常为圆管、椭圆管和扁平管，外面用机械胀管的方法套平行的连续翅片。腐蚀试验所用到的四种翅片，如图4所示。

四种翅片尺寸相同：长220mm，宽57mm，厚0.01mm。

2.2.1 亲水铝翅片

按照同样方法，本文计算了不同岗位的起薪中位数，如表6所示。商务人员的起薪最低，为4 500元。管理岗、设计人员以及工程技术人员等岗位起薪普遍较高，中位数达到9 000元，且管理岗和工程技术人员的薪酬在10 000元以上的比例均超过4成。

亲水铝箔是对铝箔进行亲水处理，通过特殊工艺处理，在其表面覆膜一层亲水层，冷凝水在亲水铝箔上会迅速散开，不会凝结成水珠，增大热交换面积，加快制冷制热速度，还有效避免冷凝水阻碍空气流动而产生的噪音。

每种试验材料的化学成分见表2。

表2 每种试验材料的化学成分

2.3 水质要求

2.3.1 自来水

试验介质为：自来水与软化水，根据GB5749-2006规定，自来水水质常规指标及极限见表3。

表3 自来水水质常规指标及极限

2.3.2 软化水

软化水水质标准从以下几个方面规定：

（1）水的电阻值。在测定水的导电性能时，电阻值大，导电性能差，电阻值小，导电性能就良好。纯净的水电阻率很大，超纯水电阻率就更大。水越纯，电阻率越大。

（2）水的电导率。水的导电能力的强弱程度，反映了水中含盐量的多少，是水的纯净程度的一个重要指标。超纯水几乎不能导电。

（3）水的硬度。水中有些金属阳离子，同一些阴离子结合在一起，在加热过程中形成水垢，附着在受热面上而影响热传导。通常我们把Ca2+、Mg2+的总浓度看作水的硬度。

（4）水的pH值。表示水的酸碱度。

（5）水中的悬浮物。是微粒直径约在10-4mm以上的微粒，肉眼可见。悬浮物是造成混浊度、色度、气味的主要来源。可以通过过滤除去。

2.4 实验条件

在温度达到35℃及以上、相对湿度低于70%的条件下，喷雾冷却技术降温效果明显。参考《中国建筑热环境分析专用气象数据集》得到上海地区满足喷雾条件的小时数为127h。

假设PVC水管上圆孔的直径为d，则从圆孔中向下流出的液滴质量为：

则与此对应的液滴直径为：

式中 σ—液滴的表面张力，N/m；

g—重力加速度，m2/s；

ρ—液滴密度，kg/m3。

可计算不同直径d对应的水滴直径和质量，取水滴的滴定速度为1滴/s，则可得出1h内所需水量和24h内总水量，从而得出水中的溶氧量见表4。

为了增大试验可比性，只选取10℃、30℃和50℃三种工况下的自来水和软化水作为比较。实验中的翅片始终处于流动浸润状态，水流出水孔径为3mm。

2.5 实验结果

经过127h的腐蚀实验。从宏观来看，对于相同水温下的腐蚀情况，自来水明显比软化水腐蚀情况严重，而对于相同水质下的腐蚀情况，水温为10℃时的腐蚀情况最为严重，其次是水温为30℃时的情况，50℃时腐蚀情况一般。其中一个重要的原因是高温水里的溶解氧含量比低温水的少，所以对空冷换热器进行喷雾冷却时，使用加热后的软化水为喷雾介质可以在一定程度上抑制空冷换热器的腐蚀，原则上是水温越高越好，但考虑到节能，建议采用30℃的软化水。

表4 腐蚀实验水量计算

3 腐蚀实验结果的表征与评价—扫描电镜实验

3.1 实验材料

从对实验结果的宏观观察，水温为10℃时腐蚀情况最为明显，故选择10℃时的自来水与软化水两种水质下的材料做SEM检测。每种水质有四个组合的样品，翅片加铜管，扫描时需将样品切割成小件，软化水质的样品对应编号A1～A8，自来水质的样品对应编号为B1～B8，见表5。

表5 扫描电镜材料编号

3.2 实验仪器

扫描电子显微镜S-2360N是用聚焦得很细的电子束照射被检测的试样表面，具有二次电子探测、背散射电子探测以及低真空模式，并可通过所附带的能谱分析仪进行微区成份分析。表6为此次试验所采用的SEM参数。

3.3 实验结果

16个样品借助电镜扫描，依次放大40倍、300倍后观察其表面形貌。其中A1～A8是试验介质为软化水的腐蚀情况，B1～B8是试验介质为自来水的腐蚀情况，很明显，后者的腐蚀程度比前者明显。

均匀腐蚀是最常见最简单的一种腐蚀形态。图5为涂层铝样品在10℃自来水作用下的腐蚀形态即为均匀腐蚀，发生均匀腐蚀的金属在化学成分、显微组织和受力状况方面在宏观尺度上是均匀的，腐蚀介质通常也是均匀的，而且可以无障碍地接触金属表面。发生腐蚀后的材料厚度在外观上可以增厚，也可以减薄，但剩余的金属厚度总是减薄的。同样的涂层铝在10℃软化水作用下，如图6所示，其表面基本上看不出腐蚀的痕迹。

表6 扫描电子显微镜参数

点蚀也是一种常见的腐蚀形态，如图7所示，素铝组合的铜管样品在10℃自来水作用下的腐蚀即为点蚀，这种形态的腐蚀通常发生在具有钝性的或有保护膜的金属上，而且环境的均匀腐蚀性相对较弱。点蚀的生长具有自催化能力，一旦开始生长，会加速生长。发生点蚀时，环境介质通常是静止的。同样的铜管样品在10℃软化水作用下，如图8所示，其表面也有少量点蚀情况，但不如前者严重和明显。

4 结语

对于相同水温下的情况，自来水明显比软化水腐蚀情况严重，而对于相同水质下的腐蚀情况，水温为10℃时的腐蚀情况最为严重，其次是水温为30℃时的情况，50℃时腐蚀情况一般。其中一个重要的原因是水里的溶解氧含量随温度的升高而降低，所以对空冷换热器进行喷雾冷却时，使用加热后的软化水为喷雾介质可以在一定程度上抑制空冷换热器的腐蚀，原则上是水温越高越好，但考虑到节能，建议采用30℃的软化水。

16个样品借助电镜扫描，依次放大40倍、300倍。其中A1～A8是试验介质为软化水的腐蚀情况，B1～B8是试验介质为自来水的腐蚀情况，很明显，后者的腐蚀程度比前者明显。涂层铝样品在10℃自来水作用下的均匀腐蚀程度比同样的涂层铝在10℃软化水作用下的均匀腐蚀程度严重。与素铝组合的铜管样品在10℃自来水作用下的点蚀情况明显且严重，同样的铜管样品在10℃软化水作用下，表面的点蚀情况不如前者严重。

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[1]史意.空冷换热器喷雾冷却技术及其腐蚀性研究[A].上海：同济大学，2012.

[2]周本省，中国腐蚀与防护学会.工业冷却水系统中金属的腐蚀与防护[M].北京：化学工业出版社，1993.1～281.

[3]李久青，杜翠薇.腐蚀试验方法及监测技术[M].北京：中国石化出版社，2007.

[4]中华人民共和国环境保护部.HJ 506-2009.中华人民共和国国家环境保护标准[S].北京：中国环境科学出版社，2009.

[5]中华人民共和国卫生部.GB5749-2006.生活饮用水卫生标准[S].北京：中国标准出版社，2007.