Airconditioning en koeling bij RCC Cold and Air Treatment

Informatie over airconditioning, koeltechniek en koude, maar ook ventilatie, koeling en lucht

(artikel) Een warmtewisselaar zal op termijn niet meer optimaal functioneren als het materiaal niet is aangepast aan de omgeving. In dit artikel bespreken we corrosie in warmtewisselaars en de mogelijkheden om corrosie in luchtkoelers effectief tegen te gaan.

Tekst: Dr. Andreas Zürner

Alleen al het feit dat in de natuur geen gebruiksmetalen in significante hoeveelheden voorkomen – dus: in zuivere vorm – toont aan dat zelfs corrosiebestendige metalen zoals koper of aluminium op den duur vatbaar zijn voor omgevingsinvloeden. Met andere woorden, ze corroderen.

Chemische reactie 'in de tegenovergestelde richting' Simpel gezegd, bij deze vorm van corrosie verloopt de chemische reactie van het productieproces in de tegenovergestelde richting. Zo veranderen metalen en legeringen weer in erts, het materiaal waaruit ze oorspronkelijk werden gewonnen. Voorbeelden zijn aluminiumoxide en kopersulfiet. Dit proces verloopt meestal extreem langzaam en is nauwelijks merkbaar. Het is vooral zichtbaar op koperen daken en aluminium gevels. Vooral bij luchtkoelers kunnen de gebruiksomstandigheden corrosie zodanig versnellen dat prestatieverlies en zelfs lekken binnen korte tijd kunnen optreden.

Gedrag van atomen Om inzicht te krijgen in het proces maken we een uitstapje naar de chemie. Op microscopisch niveau is het oppervlak van een metaal niet statisch, maar onderhevig aan continue verandering. Terwijl de atomen aan de binnenkant aan alle kanten worden omsloten door andere metaalatomen en dus hun elektronen volledig kunnen verzadigen, missen sommige van de atomen aan het oppervlak de benodigde partners. Ze reageren hierop door moleculen uit de omgeving te binden aan het oppervlak van de vaste stof. De oppervlakte-atomen gaan deels nieuwe verbindingen aan met deze moleculen, waardoor ze hun 'metaalkarakter' verliezen.

Eerste stappen van corrosie? Bij alle verbruiksmetalen leidt dit binnen korte tijd tot een dunne laag in de lucht of onder water. Of het gaat om de eerste stappen van corrosie hangt af van meerdere factoren. Afhankelijk van het type metaal en de omgeving kan de laag de corrosie aanzienlijk vertragen (bijvoorbeeld bij aluminium), of een nauwelijks merkbare invloed hebben op de snelheid van de chemische processen die plaatsvinden op het oppervlak van het metaal (bijvoorbeeld met ongelegeerd staal).

Deze vijf soorten corrosie zijn allemaal terug te voeren op hetzelfde basisprincipe, namelijk dat van elektrochemische corrosie. Op het oppervlak van het metaal vinden twee deelreacties plaats. Enerzijds geeft het metaal aan de anodezijde twee deelreacties die door andere reactoren aan de kathodezijde worden opgevangen. Gewoonlijk is de reactor zuurstof:

O₂ 4e– 2H₂O → 4OH–

Water als elektrolyt Water speelt een bijzondere rol in dit proces. Het kan zouten oplossen en ionen geleiden. Het dient dus als elektrolyt (zie figuur 3). Rondom een ​​warmtewisselaar is altijd water beschikbaar, of dit nu in de vorm van condensatie, regen of vocht is. Hoe langer en hoe vaker vocht op een oppervlak inwerkt, hoe sneller het corrosieproces. Iets soortgelijks geldt voor de temperatuur: hoe hoger, hoe sneller het corrosieproces. Dit betekent dat luchtkoelers in koele ruimtes en ruimtes met een 'normale' temperatuur beter beschermd moeten worden dan vergelijkbare toestellen die in vriesruimtes staan.

Fig. 3. Het verloop van elektrochemische corrosie.

Vorming van metaalzouten Of een metaaloppervlak corrodeert of een beschermlaag vormt, hangt af van wat er met de metaalatomen gebeurt en welke elektronen daarbij vrijkomen. Slechts een deel van deze positief geladen metaalionen lost op in water. De rest reageert met in elektrolyten aanwezige negatief geladen ionen tot metaalzouten en vormt een toplaag aan de anodezijde. Als deze zouten niet goed hechten en poreus zijn, kunnen zuurstof en water vrijwel ongehinderd op het metaal inwerken en het steeds verder oplossen.

Roestbruine vlekken Een voorbeeld van dat laatste zijn de kenmerkende roestbruine vlekken die zich op delen van ongelegeerd staal vormen en soms zelfs vanzelf loslaten. Een ander voorbeeld is de groene uitslag die optreedt wanneer azijnzuren inwerken op koper en gemakkelijk oplosbaar zijn in water. Als de toplaag echter goed hecht en zo gesloten is dat de elektrolyt nauwelijks in het metaaloppervlak kan doordringen, worden de corrosieprocessen aanzienlijk vertraagd. Een zeer bekende vorm van zo'n beschermende toplaag is de patina, die bestaat uit kopersulfaat dat – in tegenstelling tot kopergroen – nauwelijks oplosbaar is in water (zie figuur 1, bovenaan dit artikel).

De rol van oxidelagen Zogenaamde 'passieve lagen' werken op dezelfde manier als koperpatina, maar zijn dunner. Ze vormen zich in korte tijd op bijvoorbeeld blank aluminium en chroomhoudend RVS (in de omgangstaal RVS genoemd). Deze deels slechts enkele nanometers dikke oxidelaag is een uiterst effectieve bescherming tegen corrosie. Er zijn echter twee beperkingen om rekening mee te houden. De oxidelagen zijn niet bij alle pH-waarden stabiel. Daarom wordt over het algemeen aanbevolen om aluminium alleen te gebruiken bij pH-waarden tussen 4,5 en 8,5. Tegelijkertijd vormt de oxidelaag, net als het oppervlak van het metaal, een zeer actieve grenslaag die voortdurend verandert en alle mogelijke ionen die in de elektrolyten aanwezig zijn probeert te binden. Als er op deze manier chloriden in de oxidelaag komen, wordt deze uiteindelijk aangevallen en lost het blanke metaal eronder op. Het ionenrooster is meestal plaatselijk op losse plaatsen aangetast. In een vergevorderd stadium is dit fenomeen zichtbaar als putcorrosie (Figuur 2, bovenaan dit artikel).

Concentratie van verbindingen De lokale concentratie van de moleculaire verbindingen heeft een grote invloed op de snelheid van het corrosieproces. In spleten, hoeken en onder aangekoekt vuil kunnen de concentraties van bepaalde stoffen sterk verschillen van de concentraties in de elektrolyten op andere plaatsen. Dit kan op deze plaatsen leiden tot een andere geleidbaarheid met als gevolg sterk afwijkende pH-waarden. Plaatselijk ontstaat dan een corrosief milieu, terwijl de oorspronkelijke samenstelling van de elektrolyten op geen enkele manier als corrosief kan worden beschouwd.

Corrosie door contactbewegingen Wanneer twee metalen tegen elkaar bewegen, bijvoorbeeld een aluminium vin tegen een koperen buis, worden de anode en kathode alleen gecreëerd door de elektrochemische potentiaal van beide metalen. Koper heeft een potentiaal van 0,1 V bij pH 7,5 (neutrale waarde), en aluminium heeft een potentiaal van -0,7 V. In deze combinatie fungeert koper als kathode en het meer basische aluminium als anode. Als de kathode (die elektronen aantrekt) een groot oppervlak heeft, doneert de anode bij voorkeur elektronen. De schade aan het metaal (corrosie) in het anodedeel is daardoor groter. De verhouding tussen kathode en anode is een belangrijke factor in de corrosiesnelheid (zie figuur 4).

Fig. 4. Bij contactcorrosie bestaan ​​de anode en kathode uit verschillende metalen/legeringen met verschillende elektrochemische eigenschappen. Ze zijn geleidend met elkaar verbonden. De zwakste van de twee offert zich als het ware op.

Schadelijke omgevingsfactoren Zoals in het begin vermeld, is elk metaal van nature onderhevig aan veranderingen in het milieu. Hoe snel die veranderingen plaatsvinden, wordt grotendeels bepaald door omgevingsparameters, zoals temperatuur, vochtigheid, werkende chemicaliën, enzovoort. Met name het halfedelmetaal koper is tegenwoordig zo 'base' door sulfaten, acetaten, chloriden, ammoniak, stikstofoxiden, natronloog, hypochlorieten en soortgelijke stoffen dat het corrodeert en oplost in aanwezigheid van zuurstof. Bijzondere voorzichtigheid is dan ook geboden wanneer de warmtewisselaar wordt gebruikt in een ruimte waar rookwaren en zuren, vis, kaas, afvalwater, kookprocessen en agressieve reinigingsmiddelen worden gebruikt. Hierboven is al aangegeven dat aluminium geen hoge of lage pH-waarden verdraagt, noch grote hoeveelheden chloriden. Zonder extra bescherming tegen corrosie is het niet geschikt voor gebruik in ruimtes waar zure voedingsmiddelen (dressings, fruit) en vis worden verwerkt. Een zeeklimaat is ook niet goed voor de levensduur. Daarnaast is het niet goed als aluminium in contact komt met alkalische of sterk zure reinigingsmiddelen.

Corrosieweerstand van roestvrij chroom-nikkelstaal De hoge corrosieweerstand van roestvrij chroom-nikkelstaal is voornamelijk gebaseerd op de vorming van een passieve laag chroomoxide die zelfs bestand is tegen geconcentreerde alkaliën en zuren. Hoge concentraties halogeniden zoals fluor-, chloor- en broomionen verstoren echter de vorming van deze passieve laag. Ze maken deze staalsoorten zelfs gevoelig voor plaatselijke corrosieverschijnselen, zoals putcorrosie en spleetcorrosie. Dergelijke hoge concentraties kunnen snel worden bereikt bij gebruik van gechloreerde reinigingsmiddelen (hypochloride, actief chloor). Om deze reden moeten zelfs roestvrijstalen koelers na het reinigen met veel schoon water worden gespoeld, anders zal chloride zich na verloop van tijd plaatselijk ophopen in spleten en andere moeilijk bereikbare plaatsen. In dat geval wordt de kritische concentratie, van waaruit corrosieprocessen plaatsvinden, snel overschreden.

Preventieve maatregelen Omstandigheden die het gebruik van standaard luchtkoelers met koperen buizen, aluminium lamellen en gegalvaniseerde stalen behuizingen uitsluiten vanwege corrosie, vereisen passende beschermende maatregelen. Voorbeelden van enkele mogelijkheden zijn: • Verhoging van de materiaalsterkte • Gebruik van corrosiebestendige materialen (aluminiumlegering of roestvast staal) of materiaalcombinaties (koperen buis met koperen vin) • Coating van losse onderdelen of de gehele warmtewisselaar

Fig. 5. Een Coil Defender-warmtewisselaar in dwarsdoorsnede. De coating wordt gelijkmatig over het gehele oppervlak aangebracht en omsluit zowel de kernbuizen als de vin en de voorplaat.

Weerstand van materialen en materiaalcombinaties Güntner heeft in haar eigen test- en ontwikkelingslaboratorium uitgebreide tests uitgevoerd om de weerstand van verschillende materialen en materiaalcombinaties te vergelijken. Op deze manier en door tientallen jaren ervaring worden de producten continu en herhaaldelijk verbeterd. Gebleken is dat een verdubbeling van de materiaalsterkte de levensduur aanzienlijk verlengt, maar dit heeft ook effect op de prijs en het gewicht. Als roestvrij staal wordt gebruikt in plaats van koper, wordt de corrosieweerstand en daarmee de levensduur automatisch verlengd. De levensduur kan verdrievoudigen in vergelijking met die van een standaardapparaat. Deze oplossing gaat gepaard met een proportionele prijsverhoging. Niet in de laatste plaats omdat er 40 procent meer oppervlak nodig is om dezelfde prestatie te bereiken.

Nieuwe poedercoating Voor corrosiebescherming door coating worden de afzonderlijke delen van de luchtkoelerbehuizing bij Güntner geëmailleerd. Voor de lamellen worden voorbehandelde aluminium banden gebruikt met een epoxyharslaag. Volgens DIN EN ISO 12944 voldoet de poedercoating – afhankelijk van de laagsterkte – zelfs aan de hoogste corrosiebeschermingseisen: C5M en C5I. Zelfs een coating van slechts enkele micrometers dik van epoxyhars-gecoate lamellen overleeft 500 uur zonder problemen in een gestandaardiseerde corrosietest: de onafhankelijke zoutsproeitest volgens de norm DIN EN ISO 9227.

Fig. 6. Microscopische opname van de dwarsdoorsnede van een lamel, met 200 µm corrosiewerende poedercoating van de Güntner Coil Defender.

Corrosiebestendig door poedercoating De nieuwe Güntner Coil Defender (Figuur 5) is een gelijkmatige, achteraf aangebrachte poedercoating die de kernbuizen, vinnen en frontplaat voorziet van een 200 µm (0,2 mm) sterke beschermlaag (Figuur 6). Met deze hoogwaardige coating tot aan de kernbuizen is het mogelijk om het koper-aluminium warmtewisselaarblok van een standaard luchtkoeler dezelfde corrosiebestendigheid te geven als dezelfde apparaten met roestvrijstalen buizen. Dankzij de door Güntner ontwikkelde productietechnologie is de kwaliteit van de coating gegarandeerd over de volledige diepte van het blok, zelfs in de kleinste ruimtes. De Güntner Coil Defender is ook goedgekeurd voor zeer gevoelige productieomgevingen in de voedingssector, omdat de poedercoating door TÜV Süd is gecertificeerd als 'HACCP-ready' (Hazard Analysis and Critical Control Points).

Eindconclusie Er zijn net zoveel mogelijkheden om corrosie effectief te bestrijden als corrosiebevorderende factoren bij de verwerking van voedingsmiddelen. Dit komt enerzijds door de verschillende voedingsmiddelen die worden opgeslagen of verwerkt (zeevis, vlees, kaas, fruit, azijn, pekel) en anderzijds door de gebruikte schoonmaakmiddelen, die vaak agressieve, sterk zure of alkalische stoffen. Daarnaast hebben ook vochtigheid en kamertemperatuur een beslissende invloed op de corrosieprocessen. Een hoge productkwaliteit is onmisbaar bij het zoeken naar een luchtkoeler met een lange levensduur. Een individuele oplossing op maat van de gebruiker is echter alleen mogelijk als er een dialoog is tussen de betrokken partners. De eisen die aan een apparaat worden gesteld, zijn daarom afhankelijk van de branche, de betreffende toepassingssituatie en de gebruiker.

Tags: warmtewisselaar, klimaattechniek, anti-corrosie, industriële koeling

Zeer interessant artikel, dat gebaseerd is op goede scheikundekennis en praktijk! Vooral figuur 4 laat zien wat in de praktijk vaak voorkomt, vooral bij droge koelers, zeker als ook waterverneveling op de lamellenrollen wordt toegepast! Het zogenaamde “Misting” om energiezuinig extra capaciteit te winnen. Wel met de nodige corrosie gevolgen. Een goed periodiek chemisch-technisch reinigingsplan en een bewezen goede coilcoating (of condensorcoating) is daarom noodzakelijk!

De koelsector doet te weinig om jonge professionals aan te trekken

Schrijf je in voor de Cold and Air Treatment nieuwsbrief