Corrosie vermijden in vloeistofkoelsystemen

Water en water/glycol-oplossingen zijn de standaard warmteoverdrachtsvloeistoffen in industriële vloeistofkoelsystemen, maar hun elektrochemische activiteit maakt ze ook corrosief voor de metalen waarmee ze in contact komen. Dit artikel behandelt de drie belangrijkste corrosiemechanismen – chemische corrosie, galvanische corrosie en erosiecorrosie – samen met de ontwerpbeslissingen, de chemische samenstelling van de koelvloeistof en de onderhoudsprocedures die elk mechanisme beheersen. De richtlijnen zijn met name relevant voor vloeibare koude platen en plaat-vin warmtewisselaars Gebruikt voor thermisch beheer van EV-batterijen en koeling van energieopslagsystemen (ESS). De hier genoemde pH-waarden, chloridelimieten en inhibitortypes zijn referentiewaarden. Werkelijke waarden moeten worden gevalideerd aan de hand van de specificaties van de leverancier van de koelvloeistof, de aanwezige legeringen en verbindingsmaterialen, en de bedrijfsomstandigheden.

Waarom vloeistofkoelsystemen van nature gevoelig zijn voor corrosie

Het risico op corrosie in vloeistofkoelcircuits is inherent aan de chemische samenstelling van koelvloeistoffen op waterbasis en de metalen waarmee ze in contact komen. Opgeloste zuurstof is de belangrijkste versneller. In gesloten systemen wordt deze zuurstof verbruikt tijdens de eerste weken van gebruik, waarna de corrosiesnelheid aanzienlijk daalt. Open systemen vullen de zuurstof continu aan door blootstelling aan de lucht, waardoor de corrosiesnelheid gedurende de gehele levensduur hoger blijft.

De pH-waarde van de koelvloeistof, de geleidbaarheid, de concentratie van de corrosieremmer, de temperatuur, de stroomsnelheid en de specifieke combinatie van bevochtigde materialen spelen allemaal een rol bij het bepalen welk corrosiemechanisme dominant is. Geen enkele parameter bepaalt het corrosiegedrag op zichzelf.

Corrosie wordt onderverdeeld in algemene en gelokaliseerde corrosie. Algemene corrosie veroorzaakt een gelijkmatig metaalverlies over een oppervlak – voorspelbaar en doorgaans detecteerbaar voordat er structurele schade optreedt. Gelokaliseerde corrosie, voornamelijk putcorrosie, dringt snel door in dunwandige componenten zoals koelplaatkanalen, waardoor vaak lekkages ontstaan voordat er zichtbare oppervlakteschade is.

Galvanische corrosie: ongelijksoortige metalen en elektrochemisch risico

Galvanische corrosie treedt op wanneer twee metalen met verschillende elektrochemische potentialen elektrisch met elkaar verbonden zijn in een geleidende koelvloeistof. De koelvloeistof fungeert als elektrolyt en het minder edele metaal corrodeert bij voorkeur. De snelheid van de corrosie hangt af van het potentiaalverschil, de geleidbaarheid van de koelvloeistof, de pH-waarde, de chemische samenstelling van de corrosieremmer, de verhouding tussen het anode- en kathodeoppervlak, de temperatuur en of er een ononderbroken elektrisch pad bestaat tussen de componenten.

Aluminium en koper vormen een risicovolle combinatie in geleidende koelvloeistoffen op waterbasis. Zonder de juiste corrosieremmer of galvanische isolatie zal een aluminium koelplaat die is verbonden met koperen of messing componenten in hetzelfde circuit waarschijnlijk versneld corroderen. De werkelijke snelheid hangt echter af van alle bovengenoemde variabelen. Circuits die aluminium combineren met koper of messing moeten worden beoordeeld aan de hand van de specifieke samenstelling van de koelvloeistof, in plaats van ze als universeel verboden te beschouwen. Sommige corrosieremmers zijn geschikt voor circuits met gemengde metalen. Waar het gebruik van verschillende metalen niet kan worden vermeden, kunnen diëlektrische verbindingen het elektrische pad bij materiaalovergangen onderbreken.

Het galvanische risico strekt zich uit tot elk onderdeel dat in contact komt met de vloeistof: fittingen, connectoren, kleppen en klemmen dragen allemaal elektrochemisch bij. De materiaalcompatibiliteit moet voor het gehele vloeistofcircuit worden beoordeeld.

Erosiecorrosie: stromingsgeometrie, deeltjes en beperkingen van de componentdoorstroomsnelheid

Erosiecorrosie treedt op wanneer de koelvloeistofsnelheid hoog genoeg is om de beschermende oxidelaag mechanisch van metalen oppervlakken te verwijderen. Hierdoor wordt het basismetaal blootgesteld aan chemische aantasting voordat de oxidelaag zich opnieuw kan vormen. Het proces versterkt zichzelf doordat de stroming elke nieuw gevormde laag verder verwijdert. Het risico is het grootst waar de stromingsrichting of -snelheid abrupt verandert, zoals in kanaalbochten, inlaatspruitstukken, bij abrupte diameterveranderingen en in gebieden stroomafwaarts van turbulentie-genererende geometrie.

Er bestaat geen universele veilige snelheidsdrempel voor alle koelplaten. De maximale doorstroomsnelheid moet worden afgelezen uit het specificatieblad van de componentleverancier en worden gevalideerd aan de hand van de kanaalgeometrie, de koelvloeistofsamenstelling, de filterkwaliteit en de drukvallimieten voor de specifieke installatie.

Koelvloeistof die zwevende deeltjes bevat – afkomstig van eerdere corrosieproducten, kalkaanslag of onvoldoende filtratie – versterkt het erosieproces, zelfs bij lage stroomsnelheden. Deeltjesfilters zijn daarom een onderdeel van de corrosiebestrijding, en niet alleen een maatregel om de vloeistof schoon te houden.

Controlemaatregelen omvatten bochten met een grotere radius, geleidelijke diameterveranderingen bij de ingangen van het verdeelstuk, gladde binnenafwerkingen van de kanalen, een verlaagd gehalte aan opgeloste zuurstof en filtratie die is afgestemd op de kanaalgeometrie. De voor de componenten gespecificeerde maximale debieten mogen tijdens de inbedrijfstelling of het doorspoelen voor onderhoud niet worden overschreden.

Koelvloeistofchemie: pH, inhibitoren en monitoring

Effectief koelvloeistofselectie Voor aluminium koelplaten zijn drie onderling samenhangende factoren van belang: pH-stabiliteit, de chemische samenstelling van de inhibitor afgestemd op de aanwezige metalen en het behoud van de glycolconditie gedurende de levensduur.

pH: Voor koelcircuits met een overwegend aluminium koelplaat specificeren veel leveranciers van koelvloeistoffen een pH-bereik dat dicht bij neutraal tot licht alkalisch ligt, meestal tussen 7,0 en 8,5. Dit beschermt de aluminiumoxidelaag tegen zowel zure putcorrosie als alkalische oplossing. Bij circuits met gemengde metalen en vloeistoffen op basis van glycol kunnen andere bereiken worden gebruikt, zoals 8,0 tot 10,5, afhankelijk van het inhibitorpakket en de aanwezige materialen. De specificatie van de leverancier van de koelvloeistof is doorslaggevend; de bovenstaande bereiken dienen slechts als uitgangspunt.

Selectie van remmers op basis van metaal:

• Fosfaten: Effectief op ijzer, staal en de meeste soorten aluminium.
• Tolyltriazol (TT) / benzotriazol (BT): Effectief op koper en messing; standaard in pakketten voor circuitremmers van gemengde metalen.
• Silicaten: Breed spectrum bij lage concentraties; risico op afzettingen bij hogere concentraties of verhoogde temperaturen.
• Nitrieten: Effectief op ferrometalen; niet geschikt bij hoge concentraties waar tin-loodsoldeer aanwezig is.
• Molybdaten: Effectief op ferrometalen; wordt veel gebruikt als vervanging voor traditionele chroomhoudende corrosieremmers.

Remstoffen raken uitgeput door chemisch verbruik en thermische degradatie. De concentratie moet op vaste intervallen worden gecontroleerd; de verstreken tijd alleen is geen betrouwbare indicator.

Monitoring: Een refractometer meet alleen de glycolconcentratie. De inhibitorconcentratie vereist een aparte controle: de testkit van de koelvloeistofleverancier, een colorimetrische of titratiemethode, of laboratoriumanalyse zoals ICP of ionchromatografie, waarbij nauwkeurigere monitoring nodig is. De pH-waarde en de inhibitorconcentratie moeten binnen 24-48 uur na het doorspoelen of bijvullen opnieuw worden gecontroleerd, zodra het systeem de bedrijfstemperatuur heeft bereikt.

Normen en testmethoden voor corrosiebestrijding

Bij het specificeren van corrosiebestrijding moet worden verwezen naar vastgestelde testmethoden en richtlijnen, in plaats van te vertrouwen op algemene parameters:

Voor elektrische voertuigen (EV's) en energieopslagsystemen (ESS) moet de kwalificatie van koelvloeistoffen naast corrosiebestendigheid ook rekening houden met thermische belasting op de contactvlakken, blootstelling aan trillingen en vorstbescherming.

---

Ontwerpoverwegingen met betrekking tot aluminiumlegeringen en solderen

De corrosiebestendigheid van aluminium koelplaten hangt af van ontwerp van koude schijven Het gaat om beslissingen zoals legeringskeuze, soldeerontwerp, oppervlakteconditie en compatibiliteit met koelvloeistof, en niet alleen om de chemische samenstelling van de koelvloeistof.

• Legeringskeuze: Legeringen uit de 3xxx-serie (op basis van mangaan) worden veel gebruikt in warmtewisselaars en voor het solderen van platen vanwege hun corrosiebestendigheid in diverse koelvloeistofomgevingen. Legeringen uit de 6xxx-serie (magnesium-silicium) bieden een hogere structurele sterkte en worden vaak gebruikt in machinaal bewerkte of geëxtrudeerde koelplaten. Hun corrosiegedrag moet worden gevalideerd aan de hand van het chloridegehalte, de pH-waarde, de oppervlaktebehandeling en het gebruikte verbindingsproces.
• Soldeerbekleding: Bij sommige ontwerpen voor gesoldeerde platen is de bekledingslaag iets anodischer dan de kernlegering. Dit biedt een zekere mate van opofferingsbescherming voor het constructiemateriaal – vergelijkbaar met zinkanodes in maritieme corrosiebescherming. Dit mag echter niet voor alle gesoldeerde koudgewalste platen worden aangenomen. De samenstelling van de bekledingslegering, de vullegering, de kernlegering en de oppervlakteconditie na het solderen moeten allemaal worden gespecificeerd en gevalideerd voor de beoogde toepassing.
• Oppervlakteafwerking: Ruwheid van het binnenoppervlak van het kanaal veroorzaakt plaatselijke turbulentie die erosiecorrosie versnelt bij de bedrijfsstroomsnelheden. Gladde binnenoppervlakken en geleidelijke overgangen tussen de poorten verminderen dit risico zonder dat dit ten koste gaat van de thermische prestaties.

Onze waterkoelingsplaten worden vervaardigd uit aluminiumlegeringen die zijn geselecteerd voor gebruik in elektrische voertuigen en energieopslagsystemen, met een kanaalgeometrie en oppervlaktespecificaties die zijn ontwikkeld voor langdurige corrosiebestendigheid.

Onderhoudsschema voor corrosiebestrijding op lange termijn

Het volgende schema ondersteunt ESS-levensduur door problemen met de koelvloeistofchemie op te sporen voordat ze schade aan componenten veroorzaken.

Een pH-waarde buiten het door de leverancier van de koelvloeistof gespecificeerde bereik vereist onmiddellijke spoeling en bijvulling. Pogingen tot pH-correctie ter plaatse tijdens bedrijf versnellen corrosieschade die achteraf niet meer kan worden hersteld.

Conclusie

Corrosiebeheersing in aluminium vloeistofkoelcircuits vereist dat de chemische samenstelling van de koelvloeistof, de materiaalkeuze en het onderhoud worden afgestemd op de specifieke omstandigheden van elk systeem. De meest voorkomende storingen die leiden tot serviceonderbrekingen in elektrische voertuigen en energieopslagsystemen – putcorrosie door halogeenverontreiniging, galvanische corrosie bij metaalverbindingen en erosie bij hogesnelheidskanalen – hebben elk specifieke technische beheersmaatregelen. Deze zijn het meest effectief wanneer ze in de ontwerpfase worden aangepakt.

Bij de koelplaten die we ontwerpen voor thermisch beheer van EV-batterijen en ESS, bepalen drie variabelen het meest consistent de corrosiebestendigheid op lange termijn: de specificatie van de legering en de soldeerlaag, de kwaliteit van het inlaatwater bij ingebruikname en de chemische samenstelling van de corrosieremmer gedurende de gehele levensduur. Systemen die in gebruik worden genomen binnen het door de leverancier van de koelvloeistof gespecificeerde pH- en corrosieremmerbereik – en daar door middel van periodieke monitoring binnen blijven – bereiken doorgaans hun ontwerplevensduur zonder corrosiegerelateerde storingen.

Ingenieurs die koelplaatopties evalueren voor corrosiegevoelige EV- of ESS-toepassingen, kunnen contact met ons opnemen en hun circuitarchitectuur, koelvloeistofsamenstelling, materiaallijst en bedrijfsomstandigheden doorgeven voor een compatibiliteitsbeoordeling. Waterkoelingsplaten zijn beschikbaar met technische ondersteuning op het gebied van legeringsselectie, druktesten en compatibiliteit met koelvloeistoffen.

FAQ