微通道换热器耐中性盐雾腐蚀特性的试验研究

颜圣绿，刘志孝，王磊

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

微通道换热器耐中性盐雾腐蚀特性的试验研究

颜圣绿*，刘志孝，王磊

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

通过对空调用全铝微通道换热器进行盐雾腐蚀试验，分析腐蚀对换热器的换热性能、风阻、外观等影响。试验发现，加速腐蚀后换热器的翅片脱离扁管、翅片易折，两者几乎同时在局部发生；铝翅片由银色变为暗灰色；腐蚀持续30天时换热性能衰减18%，而50天时衰减38%；风阻在30天时增加为原来的4倍，之后趋于稳定。

腐蚀；微通道换热器；传热

0　引言

微通道换热器应用从最初的电子元件冷却到汽车空调，然后进入家用、商用制冷空调等领域［1-3］。相对于传统的铜铝翅片管换热器，它具有传热高效、结构紧凑、重量小、充注量少、成本优势明显等特点，带来换热器及相关产业的迅速发展。

微通道换热器多由廉价的铝材构成，结构简单（见图1）。以行业内常用的萨帕扁管材料AA3102（H112）为例，其电位约为-755 mV，常用的格朗吉斯翅片材料 AA3003，电位约为-800 mV，电位差约为45 mV，而材料间电位差小于50 mV时，电偶腐蚀的趋势弱到可以忽略［4］。尽管如此，在海盐离子丰富、湿度高的海洋大气环境下服役的飞机铝合金零件产生腐蚀，对腐蚀缝中掉落的腐蚀产物成分分析，发现有占比0.5%～1.7%的氯离子，分析是由点蚀引起后期的剥离腐蚀［5］。

图1　微通道换热器结构示意图

腐蚀能引起换热器表面材料结构及成分改变,从而导致传热及空气动力学参数变化，当风速为0.5 m/s～2.0 m/s时，盐雾腐蚀会使铝翅片管蒸发器空气侧传热系数变化-20.5%～36.8%，压降增大0～21.6%［6］。这些变化又延伸影响到整个空调制冷系统，带来系统运行参数变化，有可能超出了系统的运行范围或者使制冷系统运行于临界或者危险区域，使设备寿命降低，运行及维护成本上升等。综合现有研究方向，多针对于翅片管换热器，而微通道换热器腐蚀影响的研究试验周期较短，因此本文就腐蚀对微通道换热器的传热、风阻及失效过程特点进行较长时间的综合评估研究。

1　试验

1.1试验样品

为提高试验可信度，取2个样品作为平行试样（编号为1#和2#）进行试验，如图2所示，样品进出口焊接铜管及接头以备泄漏检测及性能检测，铜铝连接处用硅烷密封剂密封，防止铜铝连接处提前失效。样品参数详见表1。

图2　微通道换热器试样

表1　样品规格

1.2试验设备

1.2.1盐雾腐蚀试验箱

试验箱（见图 3）为志翔试验设备有限公司提供的型号ZXDR-1600L，箱内温度可控，溶液泵及雾化器可实现持续盐雾喷淋，顶盖嵌有可视窗口，试验箱符合GBT 5170.8-2008电工电子产品环境试验设备检验方法盐雾试验设备［7］的要求，可以进行持续喷淋的中性盐雾试验。

图3　盐雾箱

1.2.2换热器试验台

图4所示为制冷系统部件综合性能试验台测试现场，可以进行换热器、压缩机、阀等系统部件性能测试，对换热器的性能测试以空气侧焓差法为主，制冷剂侧为辅，主辅测量偏差≤5%，试验台重复性（1次装机，连续3次测量）误差≤±1.5%。试验测量的主要仪器参数见表2。

图4　换热器传热试验现场

表2　试验仪表量程及精度

1.3试验方法

测试以腐蚀试验为主，试验过程中定期取出烘干，对腐蚀形貌观察记录并进行样件泄漏检查，然后进行传热和风阻性能测试。

1.3.1腐蚀试验

为模拟实际大气环境应用时的腐蚀情况而进行加速腐蚀试验，预估产品寿命，需要针对换热器的材料、使用环境等选择合适的测试方法（标准）。全铝微通道换热器可以采用NSS、AASS、CASS、ASTM G85、GJB 150.11A-2009 A1等规定的试验方法。自腐蚀试验标准形成以来，很多材料都以中性盐雾腐蚀试验来评价，积累的腐蚀数据多，可参考对比性强，而且试验温度 35 ℃，pH值 6.5～7.2，盐雾溶液为（50±5）g/l的NaCl溶液，试验相对简单，所以选择中性盐雾腐蚀（NSS）测试。详细试验要求参考GB/T 10125-2012人造气氛腐蚀试验：盐雾试验［8］。

1.3.2传热试验

样品腐蚀前后测试冷凝换热性能，评价腐蚀对换热的影响程度。测试工质选择环保制冷剂R410A，参考 JB-T 7659.4-2013氟代烃类制冷装置用辅助设备-第四部分：翅片式换热器［9］要求，确定传热性能测试条件如表3所示，按照GB/T 23130-2008房间空调器用热交换器［10］标准的附录B进行测试。

表3　换热性能设定工况

1.3.3风阻测试

样品腐蚀带来的换热器表面粗糙度增加，一些腐蚀产物和盐晶沉积附着，这都引起了空气侧的阻力变化。利用制冷系统综合性能试验台、排风机提供动力、风箱测量风量及压力等，在1个大气压，空气干球/湿球温度为21 ℃/15 ℃下测试，迎面风速按照空调换热器常用风速范围，设定为 1.8 m/s、2.0 m/s、2.2 m/s、2.4 m/s、2.6 m/s，试验测试前需要对样品进行烘干处理，按照GB/T 23130-2008房间空调器用热交换器［10］标准的附录B进行测试。

2　试验分析

2.1形貌分析

试验前后对换热器外观形貌进行记录，从宏观上了解腐蚀引起的变化。腐蚀试验前，即0天时，换热器表面泛着银色金属光泽，光滑无附着物，如图4（a）所示；腐蚀进行30天时，腐蚀形貌如图4（b）所示，可以看出，翅片及扁管表面金属色泽开始消退，由银色变为灰色；呈现白色的盐渍及腐蚀产物附着于换热器表面；用手指按压翅片，翅片结合力明显下降，尤其是钎焊节点处；当腐蚀试验持续到50天时，换热器表面颜色完全变为暗黑色；表面附着更多腐蚀产物及盐晶，钎焊点处最严重；换热器部分边缘区域出现翅片完全脱离扁管；一些翅片出现易折情况；持续 78天时，换热器表面腐蚀产物及盐晶更多附着，表面泛白，翅片脱离和易折现象面积更大。腐蚀试验截止 78天，预充压缩空气的换热器均未出现泄露。

图4　腐蚀形貌变化

换热器在中性盐雾试验过程中失效形式主要表现为翅片脱离扁管与翅片易折，脱离是因为组成微通道换热器的翅片、扁管、钎料电位不同，通过保护优先级设计，优先保护扁管，因此电位最大，其次是钎焊点，最后是翅片，因此造成钎焊节点和翅片最先腐蚀。

2.2传热性能分析

图5所示为换热器样品1#和2#的冷凝换热能力变化，可以看出，随腐蚀时间增加，换热能力不断下降，且衰减程度呈现增长趋势；腐蚀30天后，换热量衰减18.32%，50天后衰减38.32%。

腐蚀由表及里发生，在电位差大、氧浓度差大、敏感的区域最先开始，逐步扩散至整个换热器表面，随腐蚀时间增加，腐蚀影响面越广。腐蚀发生初期表面氧化层厚度有微小增幅，后期金属表面腐蚀盐类氧化物等形成沉积，如喷Zn扁管上的氧化锌、碳酸锌等［11］，翅片与钎焊节点表面的Al（OH）3、Al（OH）xCl3-x（x≤3）等。盐类及氧化物导热系数一般在10-1以下的数量级，而铝的导热系数在102数量级，因此传热性能下降。随着腐蚀进行，处于腐蚀敏感区域的钎焊节点处结合力下降，原来的冶金结合点变为腐蚀产物附着点，且盐类产物容易吸潮膨胀，加剧了节点脱离，翅片与扁管接触面积减小，如图6所示，带来换热性能迅速下降。

图5　冷凝换热量变化

图6　换热器钎焊节点腐蚀变化示意图

2.3传热系数变化

根据传热公式、试验测得的换热量、管外表面面积，以及空气流通换热器前后温度和制冷剂饱和温度计算的对数平均传热温差，得到总传热系数的计算公式如式（1）所示。

式中：

Q——换热量，W；

k——总传热系数，W/m2·℃；

A——换热器管外表面积，m2；

ΔTm——换热流体间的对数平均温差，℃。

腐蚀试验前后 1#和 2#样品的传热系数衰减变化如图7。曲线显示，随腐蚀持续，传热系数下降，30天时衰减了16%～17%，50天时衰减了36%～38%。引起这些变化的主要原因是换热器热阻增加，如腐蚀性物质附着、翅片与换热管松动脱离等。

图7　换热系数衰减曲线

2.4风阻分析

图8所示为1#和2#换热器样品风阻随腐蚀时间变化曲线。由图可知，风阻随迎面风速增加而增加，腐蚀引起换热器风阻急剧升高，30天后阻力增加为原来的4倍，之后趋于稳定。风阻增加是因为腐蚀造成换热器表面腐蚀产物和盐晶附着，引起表面粗糙度增加，空气流通通道变小，同样风量下，通道空气流通速度增加，阻力增加。随着试验进行，表面腐蚀产物覆盖换热器表面，阻止腐蚀的进一步发生，如图4所示，因此对风阻的影响减弱，趋于稳定。

图8　腐蚀对换热器阻力的影响曲线

3　结论

1）微通道换热器中性盐雾腐蚀试验后，腐蚀产物及盐晶附着于换热器表面，尤其是钎焊节点处，导致翅片脱离扁管且易折。

2）腐蚀产物导热性能迅速下降，带来空气侧传热系数下降，换热性能衰减，30天时冷凝换热衰减18%，50天时衰减38%。

3）腐蚀产物附着于换热器表面，表面粗糙度增加，且流通截面降低，流速上升，引起风阻增加，30天时变为原来的4倍，之后趋于稳定。

［1］ 汪年结, 王颖, 李峰, 等. 微通道换热器在家用空调上的应用研究［J］. 制冷技术, 2014, 34（2）: 47-50.

［2］ 李峰, 徐博, 杨涛, 等. 家用空调微通道换热器流量分配特性研究［J］. 制冷技术, 2012, 32（9）: 13-17.

［3］ 葛方根, 汪峰, 钟建法, 等. 采用微通道冷凝器的商用空调系统性能的实验研究［J］. 制冷技术, 2014, 34（2）: 16-19.

［4］ 林玉珍, 杨德钧. 腐蚀和腐蚀控制原理［M］. 北京: 中国石化出版社, 2007.

［5］ 黄领才, 谷岸, 刘慧丛, 等. 海洋环境下服役飞机铝合金零件腐蚀失效分析［J］. 北京航空航天大学学报, 2008, 34（10）: 1217-1221.

［6］ 浦晖. 翅片管蒸发器空气侧长效传热与压降特性研究［D］. 上海: 上海交通大学, 2011.

［7］ GB/T 5170.8-2008 电工电子产品环境试验设备检验方法盐雾试验设备［S］.

［8］ GB/T 10125-2012 人造气氛腐蚀试验盐雾试验［S］.

［9］ JB-T 7659.4-2013 氟代烃类制冷装置用辅助设备-第四部分: 翅片式换热器［S］.

［10］ GB/T 23130-2008 房间空调器用热交换器［S］.

［11］ 章小鸽. 锌的腐蚀与电化学［M］. 北京: 冶金工业出版社, 2008.

Experimental Investigation on Performance of Neutral Salt Spraying Resistance for Microchannel Heat Exchanger

YAN Sheng-lü*, LIU Zhi-xiao , WANG Lei
（Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai, Zhuhai, Guangdong 519070, China）

Neutral salt spraying（NSS）tests were taken to analyze the corrosion influence on the performance, the air resistance and the appearance in the aluminium microchannel heat exchanger for air conditioners. It was found that, the fins in the quickly corroded heat exchanger depart from the flat tubes, and are easily broken； these phenomena occur almost at a certain local part at the same time； the argent aluminium fins would turn to taupe. The performance of the heat exchanger was decreased by 18% and 38% for the continuous corrosion time of 30 and 50 days, respectively. The air resistance was increased up to 4 times of the original values after 30 days, and then became to be steady.

Corrosion； Microchannel heat exchanger； Heat transfer

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.05.104

*颜圣绿（1987-），女，助理工程师，学士。研究方向：制冷空调设备。联系地址：广东珠海香洲前山金鸡西路。联系电话：18023036790。E-mail：cfflu820@163.com。