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， 鄭學林， 史 意， 臧建彬

（1.上海海事大學，上海 201306；2.江蘇海事職業技術學院，江蘇南京 210001；3.同濟大學，上海 201804）

0 引言

中央空調機組的耗電占建筑總耗電的比例更高達70%。因此，提高夏季空調機組的運行效率，以實現節能減排。為了在夏季高溫的環境中強化冷凝器的散熱性能，為空調系統增加噴霧冷卻裝置。本文主要通過實驗分析空冷換熱器采用噴霧系統時引起的腐蝕問題，探究不同水質及不同水溫對不同材質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進行噴霧對空冷換熱器的腐蝕程度最輕，為噴霧冷卻技術在空冷機組上的應用起到一定的推廣作用。

1 腐蝕機理

1.1 溶解氧腐蝕

冷凝器翅片為鋁質，管道為銅質，自來水的pH值基本為中性，水中溶解有約2.5×104mol/L的氧氣，對金屬可能產生耗氧型腐蝕。水質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值這兩項不做考慮。本試驗重點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小；當水溫達到沸點時，它就不再有溶解氣體的能力，這就是熱力除氧。其優點是實施簡單可行，節省資源。化學除氧法主要是采取投加化學試劑的方法，常用的試劑有亞硫酸鈉和聯氨，其缺點是造成水體污染，影響自然環境。綜合考慮本試驗選擇物理方法除氧。由此引入了水溫變化與溶解氧的關系。

1.2 氧在水中的溶解度與水溫的函數關系

在標準海拔大氣壓（101.325kPa）下、在水蒸氣飽和的、含氧體積百分數為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表示。繪出其曲線如圖1所示，通過趨勢分析，得出多項式擬合曲線如下。

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

2.1 試驗設計

如圖2所示，腐蝕試驗由軟化設備、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，每個水箱設有加熱裝置，用于提供不同溫度的水。試驗臺原型如圖3所示。

2.2 試驗材料

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，外面用機械脹管的方法套平行的連續翅片。腐蝕試驗所用到的四種翅片，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，如表6所示。商務人員的起薪最低，為4 500元。管理崗、設計人員以及工程技術人員等崗位起薪普遍較高，中位數達到9 000元，且管理崗和工程技術人員的薪酬在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生的噪音。

每種試驗材料的化學成分見表2。

表2 每種試驗材料的化學成分

2.3 水質要求

2.3.1 自來水

試驗介質為：自來水與軟化水，根據GB5749-2006規定，自來水水質常規指標及極限見表3。

表3 自來水水質常規指標及極限

2.3.2 軟化水

軟化水水質標準從以下幾個方面規定：

（1）水的電阻值。在測定水的導電性能時，電阻值大，導電性能差，電阻值小，導電性能就良好。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）水的電導率。水的導電能力的強弱程度，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。超純水幾乎不能導電。

（3）水的硬度。水中有些金屬陽離子，同一些陰離子結合在一起，在加熱過程中形成水垢，附著在受熱面上而影響熱傳導。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 實驗條件

在溫度達到35℃及以上、相對濕度低于70%的條件下，噴霧冷卻技術降溫效果明顯。參考《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》得到上海地區滿足噴霧條件的小時數為127h。

假設PVC水管上圓孔的直徑為d，則從圓孔中向下流出的液滴質量為：

則與此對應的液滴直徑為：

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對應的水滴直徑和質量，取水滴的滴定速度為1滴/s，則可得出1h內所需水量和24h內總水量，從而得出水中的溶氧量見表4。

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

2.5 實驗結果

經過127h的腐蝕實驗。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重，而對于相同水質下的腐蝕情況，水溫為10℃時的腐蝕情況最為嚴重，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行噴霧冷卻時，使用加熱后的軟化水為噴霧介質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，但考慮到節能，建議采用30℃的軟化水。

表4 腐蝕實驗水量計算

3 腐蝕實驗結果的表征與評價—掃描電鏡實驗

3.1 實驗材料

從對實驗結果的宏觀觀察，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下的材料做SEM檢測。每種水質有四個組合的樣品，翅片加銅管，掃描時需將樣品切割成小件，軟化水質的樣品對應編號A1～A8，自來水質的樣品對應編號為B1～B8，見表5。

表5 掃描電鏡材料編號

3.2 實驗儀器

掃描電子顯微鏡S-2360N是用聚焦得很細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行微區成份分析。表6為此次試驗所采用的SEM參數。

3.3 實驗結果

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是試驗介質為軟化水的腐蝕情況，B1～B8是試驗介質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。圖5為涂層鋁樣品在10℃自來水作用下的腐蝕形態即為均勻腐蝕，發生均勻腐蝕的金屬在化學成分、顯微組織和受力狀況方面在宏觀尺度上是均勻的，腐蝕介質通常也是均勻的，而且可以無障礙地接觸金屬表面。發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

點蝕也是一種常見的腐蝕形態，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蝕，這種形態的腐蝕通常發生在具有鈍性的或有保護膜的金屬上，而且環境的均勻腐蝕性相對較弱。點蝕的生長具有自催化能力，一旦開始生長，會加速生長。發生點蝕時，環境介質通常是靜止的。同樣的銅管樣品在10℃軟化水作用下，如圖8所示，其表面也有少量點蝕情況，但不如前者嚴重和明顯。

4 結語

對于相同水溫下的情況，自來水明顯比軟化水腐蝕情況嚴重，而對于相同水質下的腐蝕情況，水溫為10℃時的腐蝕情況最為嚴重，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行噴霧冷卻時，使用加熱后的軟化水為噴霧介質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是試驗介質為軟化水的腐蝕情況，B1～B8是試驗介質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重。與素鋁組合的銅管樣品在10℃自來水作用下的點蝕情況明顯且嚴重，同樣的銅管樣品在10℃軟化水作用下，表面的點蝕情況不如前者嚴重。

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

[2]周本省，中國腐蝕與防護學會.工業冷卻水系統中金屬的腐蝕與防護[M].北京：化學工業出版社，1993.1～281.

[3]李久青，杜翠薇.腐蝕試驗方法及監測技術[M].北京：中國石化出版社，2007.

[4]中華人民共和國環境保護部.HJ 506-2009.中華人民共和國國家環境保護標準[S].北京：中國環境科學出版社，2009.

[5]中華人民共和國衛生部.GB5749-2006.生活飲用水衛生標準[S].北京：中國標準出版社，2007.