L'acqua e le soluzioni di acqua/glicole sono i fluidi termovettori standard nei circuiti di raffreddamento a liquido industriali, ma la loro attività elettrochimica li rende anche corrosivi nei confronti dei metalli con cui entrano in contatto. Questo articolo tratta i tre principali meccanismi di corrosione: corrosione chimica, corrosione galvanica e corrosione da erosione, insieme alle decisioni di progettazione, alla chimica del refrigerante e alle pratiche di manutenzione che controllano ciascuno di essi. Le linee guida sono particolarmente rilevanti per piastre fredde liquide e scambiatori di calore a piastre e alette Utilizzato nella gestione termica delle batterie dei veicoli elettrici e nel raffreddamento dei sistemi di accumulo di energia (ESS). Gli intervalli di pH, i limiti di cloruri e i tipi di inibitori citati sono da intendersi come punti di riferimento. I valori effettivi devono essere verificati in base alle specifiche del fornitore del liquido refrigerante, alle leghe e ai materiali di giunzione presenti e alle condizioni operative.
Perché i circuiti di raffreddamento a liquido sono intrinsecamente soggetti a corrosione
Il rischio di corrosione nei circuiti di raffreddamento a liquido è intrinseco alla composizione chimica dei fluidi refrigeranti a base d'acqua e dei metalli con cui entrano in contatto. L'ossigeno disciolto è il principale fattore accelerante. Nei sistemi a circuito chiuso, viene consumato durante le prime settimane di funzionamento, dopodiché il tasso di corrosione diminuisce sostanzialmente. Nei sistemi a circuito aperto, l'ossigeno viene reintegrato continuamente attraverso l'esposizione all'aria, mantenendo tassi di corrosione più elevati per tutta la durata di esercizio.
Il pH del refrigerante, la conduttività, la concentrazione dell'inibitore, la temperatura, la velocità di flusso e la specifica combinazione di materiali a contatto interagiscono tra loro per determinare quale meccanismo di corrosione prevale. Nessun singolo parametro governa il comportamento della corrosione in modo isolato.
La corrosione si classifica in generale o localizzata. La corrosione generale produce una perdita uniforme di metallo su una superficie, risultando prevedibile e in genere rilevabile prima di un cedimento strutturale. La corrosione localizzata, principalmente di tipo vaiolatura, penetra rapidamente nei componenti a parete sottile, come i canali delle piastre di raffreddamento, causando spesso perdite prima che siano visibili danni superficiali.
Corrosione galvanica: metalli dissimili e rischio elettrochimico
La corrosione galvanica si verifica quando due metalli con diversi potenziali elettrochimici vengono collegati elettricamente all'interno di un liquido di raffreddamento conduttivo. Il liquido di raffreddamento funge da elettrolita e il metallo meno nobile si corrode preferenzialmente. La velocità di corrosione dipende dalla differenza di potenziale, dalla conduttività del liquido di raffreddamento, dal pH, dalla composizione chimica dell'inibitore, dal rapporto tra l'area dell'anodo e quella del catodo, dalla temperatura e dalla presenza o meno di un percorso elettrico ininterrotto tra i componenti.
L'alluminio e il rame rappresentano una combinazione ad alto rischio nei liquidi di raffreddamento conduttivi a base d'acqua. Senza un'adeguata chimica degli inibitori o un isolamento galvanico, una piastra di raffreddamento in alluminio collegata a componenti in rame o ottone nello stesso circuito è soggetta a un'accelerazione della corrosione. La velocità effettiva, tuttavia, dipende da tutte le variabili sopra menzionate. I circuiti che combinano alluminio con rame o ottone devono essere valutati in base alla specifica formulazione del liquido di raffreddamento, anziché essere considerati universalmente vietati. Alcuni pacchetti di inibitori sono qualificati per circuiti con metalli misti. Laddove non sia possibile evitare metalli diversi, i giunti dielettrici possono interrompere il percorso elettrico in corrispondenza delle transizioni tra i materiali.
Il rischio galvanico si estende a ogni componente a contatto con il fluido: raccordi, connettori, valvole e morsetti contribuiscono tutti al fenomeno elettrochimico. La compatibilità dei materiali deve essere valutata per l'intero percorso del fluido.
Erosione e corrosione: geometria del flusso, particelle e limiti di portata dei componenti
La corrosione da erosione si verifica quando la velocità del fluido di raffreddamento è sufficiente a rimuovere meccanicamente lo strato protettivo di ossido dalle superfici metalliche. Ciò espone il metallo di base all'attacco chimico prima che l'ossido possa riformarsi, e il processo si autoalimenta man mano che il flusso continua a rimuovere ogni nuovo strato che si forma. Il rischio si concentra dove la direzione o la velocità del flusso cambiano bruscamente: curve dei canali, collettori di ingresso, brusche transizioni di diametro e aree a valle di geometrie che generano turbolenza.
Non esiste una soglia di velocità di sicurezza universale per tutte le piastre di raffreddamento. La portata massima deve essere ricavata dalla scheda tecnica del fornitore del componente e convalidata in base alla geometria del canale, alla composizione chimica del fluido refrigerante, alla qualità della filtrazione e ai limiti di caduta di pressione per la specifica installazione.
Il liquido di raffreddamento contenente particelle in sospensione – derivanti da precedenti prodotti di corrosione, incrostazioni o filtrazione inadeguata – intensifica il meccanismo di erosione anche a basse velocità di flusso. I filtri antiparticolato sono quindi un componente per il controllo della corrosione, non solo una misura di pulizia.
Le misure di controllo includono curve a raggio maggiore, variazioni graduali del diametro agli ingressi del collettore, finiture interne dei canali lisce, riduzione dell'ossigeno disciolto e filtrazione adeguata alla geometria del canale. Le portate massime specificate per il componente non devono essere superate durante la messa in servizio o il lavaggio di manutenzione.
Chimica del liquido di raffreddamento: pH, inibitori e monitoraggio
Efficace selezione del liquido di raffreddamento Per le piastre di raffreddamento in alluminio, vengono presi in considerazione tre controlli interdipendenti: stabilità del pH, chimica dell'inibitore adatta ai metalli presenti e condizioni del glicole mantenute per tutta la durata di vita utile.
pH: Per i circuiti a piastra fredda prevalentemente in alluminio, molti fornitori di liquido refrigerante specificano un intervallo di pH da quasi neutro a leggermente alcalino, comunemente compreso tra 7,0 e 8,5. Questo protegge lo strato di ossido di alluminio sia dalla corrosione acida che dalla dissoluzione alcalina. I circuiti con metalli misti e i fluidi a base di glicole possono utilizzare intervalli diversi, ad esempio tra 8,0 e 10,5, a seconda del pacchetto di inibitori e dei materiali presenti. La specifica del fornitore del liquido refrigerante è il requisito determinante; gli intervalli sopra indicati sono solo punti di riferimento iniziali.
Selezione degli inibitori in base al metallo:
- Fosfati: Efficace su ferro, acciaio e sulla maggior parte dell'alluminio.
- Toliltriazolo (TT) / benzotriazolo (BT): Efficace su rame e ottone; standard nei pacchetti di inibitori di circuiti per metalli misti.
- Silicati: Ampio spettro d'azione a basse concentrazioni; rischio di depositi a concentrazioni più elevate o temperature elevate.
- Nitriti: Efficace sui metalli ferrosi; non adatto ad alte concentrazioni in presenza di saldatura stagno-piombo.
- Molibdati: Efficace sui metalli ferrosi; ampiamente utilizzato in sostituzione degli inibitori tradizionali a base di cromato.
Gli inibitori si esauriscono a causa del consumo chimico e della degradazione termica. La concentrazione deve essere verificata a intervalli programmati: il solo tempo trascorso non è un indicatore affidabile.
Monitoraggio: Un rifrattometro misura solo la concentrazione di glicole. La concentrazione di inibitore richiede un controllo separato: il kit di test del fornitore del refrigerante, un metodo colorimetrico o di titolazione, oppure un'analisi di laboratorio come ICP o cromatografia ionica laddove sia necessario un monitoraggio più accurato. Il pH e i livelli di inibitore devono essere riverificati entro 24-48 ore da qualsiasi lavaggio o rabbocco, una volta che il sistema ha raggiunto la temperatura di esercizio.
Norme e metodi di prova per il controllo della corrosione
La definizione delle misure di controllo della corrosione dovrebbe fare riferimento a metodi di prova e linee guida consolidate, piuttosto che basarsi su parametri generici:
| Standard/Linea guida | Applicazione |
|---|---|
| ASTM D8040 | Test di corrosione dei fluidi termovettori; adatti per la selezione iniziale dei refrigeranti |
| ASTM D1384 | Test di corrosione della vetreria per liquidi di raffreddamento dei motori; ampiamente utilizzato nella qualificazione dei fluidi di raffreddamento. |
| norma D4340 | Corrosione delle leghe di alluminio fuse in condizioni di dissipazione del calore; rilevante per la qualificazione delle piastre fredde |
| ASTM G1 / G31 / G102 | Preparazione dei campioni, prove di immersione e calcolo del tasso di corrosione |
| Linee guida OCP per il raffreddamento a liquido a base d'acqua/a base di glicole propilenico | Parametri del refrigerante, compatibilità dei materiali e monitoraggio dei circuiti delle piastre di raffreddamento |
| ASHRAE TC 9.9 | Contesto della progettazione del raffreddamento dei data center |
| Riferimenti AMPP/NACE | Terminologia relativa alla corrosione e dati sulla compatibilità dei materiali |
Per le applicazioni EV e ESS, la qualificazione del liquido di raffreddamento dovrebbe considerare anche le sollecitazioni dovute ai cicli termici sulle giunzioni a contatto con il fluido, l'esposizione alle vibrazioni e le prestazioni di protezione dal gelo, oltre alla resistenza alla corrosione.
Considerazioni sulla progettazione delle leghe di alluminio e della brasatura
La resistenza alla corrosione nelle piastre di raffreddamento in alluminio dipende da design della piastra fredda Le decisioni riguardano la selezione della lega, la progettazione della brasatura, le condizioni della superficie e la compatibilità del liquido di raffreddamento, non solo la composizione chimica del liquido di raffreddamento.
- Selezione delle leghe: Le leghe della serie 3xxx (a base di manganese) sono ampiamente utilizzate negli scambiatori di calore e nelle lamiere per brasatura grazie alla loro resistenza alla corrosione in diversi ambienti di raffreddamento. Le leghe della serie 6xxx (magnesio-silicio) offrono una maggiore resistenza strutturale e sono comunemente impiegate in corpi di piastre di raffreddamento lavorate o estruse. Il loro comportamento alla corrosione deve essere validato in base al livello di cloruri, al pH, al trattamento superficiale e al processo di giunzione utilizzato.
- Rivestimento brasato: In alcune configurazioni di lamiere brasate, lo strato di rivestimento è formulato per essere leggermente più anodico rispetto alla lega del nucleo. Ciò fornisce un certo grado di protezione sacrificale per il materiale strutturale, simile in linea di principio agli anodi di zinco nella protezione dalla corrosione marina. Tuttavia, questo non deve essere dato per scontato per tutte le lamiere brasate a freddo. La lega di rivestimento, la lega di riempimento, la composizione della lega del nucleo e le condizioni superficiali post-brasatura devono essere specificate e validate per l'applicazione prevista.
- Finitura superficiale: La rugosità della superficie interna dei canali crea turbolenze localizzate che accelerano l'erosione e la corrosione alle velocità di flusso operative. Finiture interne lisce e transizioni graduali tra le porte riducono questo rischio senza compromettere le prestazioni termiche.
Le nostre piastre di raffreddamento ad acqua sono realizzate con leghe di alluminio selezionate per ambienti EV e ESS, con geometria dei canali e specifiche superficiali sviluppate per una resistenza alla corrosione a lungo termine.
Programma di manutenzione per il controllo della corrosione a lungo termine
Il seguente programma supporta durata di servizio dell'ESS individuando i problemi chimici del liquido di raffreddamento prima che causino danni ai componenti.
| Fase | Controlli consigliati |
|---|---|
| Messa in servizio | pH, conducibilità, cloruri, durezza, TSS/TDS, concentrazione di glicole, livello di inibitore, ioni metallici di base (Al, Cu, Fe, Zn) |
| Primo mese | pH settimanale, conducibilità, ispezione visiva, pressione differenziale del filtro |
| primo trimestre | Concentrazione mensile di sostanze chimiche e inibitori |
| Funzionamento stabile | Test trimestrali in loco; analisi ICP/cromatografia ionica di laboratorio semestrali o annuali. |
| Dopo il lavaggio o il riempimento | Ricontrollare pH, conducibilità, inibitore e ioni metallici entro 24-48 ore alla temperatura di esercizio. |
Un pH al di fuori dell'intervallo specificato dal fornitore del liquido di raffreddamento dovrebbe comportare un lavaggio e un rabbocco immediati. Tentare di correggere il pH in loco continuando a operare accelera i danni da corrosione, che risulteranno irreversibili.
Conclusione
Il controllo della corrosione nei circuiti di raffreddamento a liquido in alluminio richiede che la composizione chimica del refrigerante, la selezione dei materiali e le pratiche di manutenzione siano adattate alle condizioni specifiche di ciascun sistema. Le modalità di guasto che più frequentemente causano interruzioni di servizio nelle applicazioni per veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia (EV e ESS) – vaiolatura dovuta a contaminazione da alogenuri, attacco galvanico in corrispondenza delle giunzioni tra metalli diversi ed erosione nella geometria dei canali ad alta velocità – hanno ciascuna dei controlli ingegneristici ben definiti. Questi controlli risultano più efficaci se affrontati in fase di progettazione.
Nelle piastre di raffreddamento che progettiamo per la gestione termica delle batterie dei veicoli elettrici e dei sistemi di accumulo di energia, tre variabili determinano in modo più costante la resistenza alla corrosione a lungo termine: le specifiche della lega e del rivestimento di brasatura, la qualità dell'acqua in ingresso al momento della messa in servizio e la composizione chimica degli inibitori mantenuta per tutta la durata di esercizio. I sistemi che entrano in servizio entro l'intervallo di pH e di inibitori specificato dal fornitore del refrigerante, e che vengono mantenuti in tale intervallo tramite monitoraggio programmato, raggiungono regolarmente la loro vita utile prevista senza guasti dovuti alla corrosione.
Gli ingegneri che valutano le opzioni di piastre di raffreddamento per applicazioni EV o ESS sensibili alla corrosione sono invitati a contattarci fornendoci l'architettura del circuito, la composizione chimica del refrigerante, l'elenco dei materiali e le condizioni operative per una verifica di compatibilità. Piastre di raffreddamento ad acqua Sono disponibili con supporto di ingegneria applicativa che comprende la selezione delle leghe, i test di pressione e la compatibilità con il liquido di raffreddamento.
FAQ
Quale liquido di raffreddamento è raccomandato per le piastre di raffreddamento in alluminio nei sistemi di veicoli elettrici e di accumulo di energia?
Le miscele standard di glicole etilenico o propilenico inibito con acqua prevedono un pacchetto di inibitori qualificato per la compatibilità con l'alluminio. Le specifiche del fornitore del liquido di raffreddamento, che includono intervallo di pH, concentrazione dell'inibitore, limite di cloruri, conducibilità e rapporto glicole/alluminio, determinano la compatibilità dei materiali per lo specifico circuito. Le specifiche generiche dei liquidi di raffreddamento non sostituiscono la validazione a livello di applicazione.
È possibile utilizzare alluminio e rame nello stesso circuito di raffreddamento a liquido?
L'alluminio e il rame presentano un elevato rischio galvanico nei liquidi di raffreddamento a base d'acqua conduttivi. L'idoneità di un circuito specifico dipende dalla conduttività del liquido di raffreddamento, dalla composizione chimica degli inibitori, dal rapporto tra l'area dell'anodo e quella del catodo, dalla temperatura e dalla continuità elettrica tra i componenti. Alcuni pacchetti di inibitori sono qualificati per circuiti alluminio-rame. La compatibilità deve essere confermata con il fornitore del liquido di raffreddamento prima di optare per una configurazione con metalli misti.
Qual è il livello di cloruro sicuro per le piastre di alluminio per il raffreddamento ad acqua?
Non esiste un singolo livello di cloruri sicuro per tutte le piastre di raffreddamento in alluminio. Il limite accettabile dipende dalla lega, dal materiale di brasatura, dai tipi di acciaio inossidabile, dalla temperatura di esercizio, dal pH e dalla composizione chimica degli inibitori. Il fornitore del liquido di raffreddamento dovrebbe definire il limite di cloruri per il circuito di destinazione. Le applicazioni con piastre di raffreddamento per batterie di veicoli elettrici richiedono in genere un controllo rigoroso dei cloruri, a basse concentrazioni (ppm).
Come faccio a testare il liquido di raffreddamento per verificare la presenza di inibitori di corrosione?
Un rifrattometro misura solo la concentrazione di glicole, non i livelli di inibitori. Per la concentrazione di inibitori, utilizzare il kit di test del fornitore del refrigerante o un metodo colorimetrico/di titolazione. L'analisi ICP o la cromatografia ionica possono quantificare i componenti specifici degli inibitori e le tendenze degli ioni metallici, il che è utile per la definizione dei parametri di riferimento e per l'individuazione precoce della corrosione.
Quali norme si applicano ai test di corrosione del liquido di raffreddamento per le piastre di raffreddamento?
Le norme ASTM D8040 e D1384 riguardano lo screening della corrosione del liquido di raffreddamento. La norma ASTM D4340 tratta la corrosione dell'alluminio in condizioni di dissipazione del calore. La norma ASTM G31 riguarda le prove di immersione. Le linee guida OCP per i liquidi di raffreddamento a base d'acqua e a base di glicole propilenico forniscono parametri di riferimento e protocolli di monitoraggio specifici per i circuiti a piastra fredda. È opportuno farvi riferimento durante la qualificazione del liquido di raffreddamento, anziché basarsi esclusivamente sui valori riportati nelle schede tecniche.
