Evitar a corrosão em sistemas de arrefecimento por líquido

Água e soluções de água/glicol são os fluidos de transferência de calor padrão em circuitos industriais de refrigeração líquida, mas sua atividade eletroquímica também as torna corrosivas para os metais com os quais entram em contato. Este artigo aborda os três principais mecanismos de corrosão — corrosão química, corrosão galvânica e corrosão por erosão — juntamente com as decisões de projeto, a composição química do fluido refrigerante e as práticas de manutenção que controlam cada um deles. As orientações são mais relevantes para placas de frio líquido e trocadores de calor de placas aletadas Utilizado no gerenciamento térmico de baterias de veículos elétricos e no resfriamento de sistemas de armazenamento de energia. As faixas de pH, os limites de cloreto e os tipos de inibidores citados são pontos de partida de referência. Os valores reais devem ser validados de acordo com as especificações do fornecedor do fluido refrigerante, as ligas metálicas e os materiais de junção presentes, bem como as condições de operação.

Por que os circuitos de refrigeração líquida são inerentemente propensos à corrosão?

O risco de corrosão em circuitos de refrigeração líquida está inerente à composição química dos fluidos refrigerantes à base de água e dos metais com os quais entram em contato. O oxigênio dissolvido é o principal acelerador. Em sistemas de circuito fechado, ele é consumido durante as primeiras semanas de operação, após as quais a taxa de corrosão diminui substancialmente. Sistemas de circuito aberto repõem o oxigênio continuamente por meio da exposição ao ar, mantendo taxas de corrosão mais elevadas durante toda a vida útil.

O pH do fluido refrigerante, a condutividade, a concentração do inibidor, a temperatura, a velocidade do fluxo e a combinação específica dos materiais em contato com o fluido interagem para determinar qual mecanismo de corrosão predomina. Nenhum parâmetro isolado governa o comportamento da corrosão.

A corrosão é classificada como generalizada ou localizada. A corrosão generalizada produz perda uniforme de metal em toda a superfície — previsível e geralmente detectável antes da falha estrutural. A corrosão localizada, principalmente por pites, penetra rapidamente em componentes de paredes finas, como canais de placas frias, muitas vezes causando vazamentos antes que qualquer dano superficial seja visível.

Corrosão galvânica: metais diferentes e risco eletroquímico

A corrosão galvânica ocorre quando dois metais com potenciais eletroquímicos diferentes são conectados eletricamente em um fluido refrigerante condutor. O fluido refrigerante atua como eletrólito, e o metal menos nobre sofre corrosão preferencialmente. A taxa de corrosão depende da diferença de potencial, da condutividade do fluido refrigerante, do pH, da composição química do inibidor, da relação entre as áreas do ânodo e do cátodo, da temperatura e da existência de um caminho elétrico ininterrupto entre os componentes.

A combinação de alumínio e cobre em fluidos refrigerantes condutores à base de água apresenta alto risco. Sem a química inibidora apropriada ou isolamento galvânico, uma placa fria de alumínio conectada a componentes de cobre ou latão no mesmo circuito provavelmente sofrerá corrosão acelerada. A taxa real, no entanto, depende de todas as variáveis mencionadas. Circuitos que combinam alumínio com cobre ou latão devem ser avaliados de acordo com a formulação específica do fluido refrigerante, em vez de serem considerados universalmente proibidos. Alguns pacotes de inibidores são qualificados para circuitos com metais mistos. Quando metais diferentes não podem ser evitados, as junções dielétricas podem interromper o caminho elétrico nas transições de materiais.

O risco galvânico se estende a todos os componentes em contato com o fluido — conexões, conectores, válvulas e braçadeiras contribuem eletroquimicamente. A compatibilidade dos materiais deve ser avaliada para todo o percurso do fluido.

Corrosão por Erosão: Geometria do Fluxo, Partículas e Limites de Vazão dos Componentes

A corrosão por erosão ocorre quando a velocidade do fluido refrigerante é suficiente para remover mecanicamente a camada protetora de óxido das superfícies metálicas. Isso expõe o metal base ao ataque químico antes que o óxido possa se reformar, e o processo se autoalimenta à medida que o fluxo continua a remover cada camada recém-formada. O risco se concentra onde a direção ou a velocidade do fluxo mudam abruptamente — curvas de canais, coletores de admissão, transições abruptas de diâmetro e áreas a jusante de geometrias que geram turbulência.

Não existe um limite de velocidade seguro universal para todas as placas frias. A vazão máxima deve ser obtida na ficha técnica do fornecedor do componente e validada em relação à geometria do canal, à composição química do fluido refrigerante, à qualidade da filtragem e aos limites de perda de carga para a instalação específica.

O fluido refrigerante contendo partículas em suspensão — provenientes de produtos de corrosão anteriores, incrustações ou filtração inadequada — intensifica o mecanismo de erosão mesmo em baixas velocidades de fluxo. Portanto, os filtros de partículas são um componente de controle da corrosão, e não apenas uma medida de limpeza.

As medidas de controle incluem curvas de raio maior, mudanças graduais de diâmetro nas entradas do coletor, acabamentos internos suaves nos canais, redução do oxigênio dissolvido e filtração adequada à geometria do canal. As vazões máximas especificadas para cada componente não devem ser excedidas durante o comissionamento ou a lavagem de manutenção.

Química do líquido de arrefecimento: pH, inibidores e monitoramento

Eficaz seleção do líquido de arrefecimento Para placas frias de alumínio, são considerados três controles interdependentes: estabilidade do pH, química do inibidor adequada aos metais presentes e manutenção da condição do glicol durante sua vida útil.

pH: Para circuitos de placas frias com predominância de alumínio, muitos fornecedores de fluido refrigerante especificam uma faixa de pH próxima da neutralidade a levemente alcalina — geralmente de 7,0 a 8,5. Isso protege a camada de óxido de alumínio tanto da corrosão ácida quanto da dissolução alcalina. Circuitos com metais mistos e fluidos à base de glicol podem usar faixas diferentes, como de 8,0 a 10,5, dependendo do pacote de inibidores e dos materiais presentes. A especificação do fornecedor do fluido refrigerante é o requisito determinante; as faixas acima são apenas referências iniciais.

Seleção de inibidores por metal:

• Fosfatos: Eficaz em ferro, aço e na maioria dos alumínios.
• Toliltriazol (TT) / benzotriazol (BT): Eficaz em cobre e latão; padrão em embalagens de inibidores de circuito de metais mistos.
• Silicatos: Amplo espectro em baixas concentrações; risco de depósitos em concentrações mais elevadas ou temperaturas elevadas.
• Nitritos: Eficaz em metais ferrosos; não é adequado em altas concentrações onde haja solda de estanho-chumbo.
• Molibdatos: Eficaz em metais ferrosos; amplamente utilizado como substituto dos inibidores tradicionais à base de cromato.

Os inibidores se esgotam por consumo químico e degradação térmica. A concentração deve ser verificada em intervalos programados — o tempo decorrido por si só não é um indicador confiável.

Monitoramento: Um refratômetro mede apenas a concentração de glicol. A concentração de inibidor requer uma verificação separada — o kit de teste do fornecedor do fluido refrigerante, um método colorimétrico ou de titulação, ou análise laboratorial, como ICP ou cromatografia iônica, onde um monitoramento mais rigoroso é necessário. Os níveis de pH e inibidor devem ser verificados novamente dentro de 24 a 48 horas após qualquer lavagem ou reabastecimento, assim que o sistema atingir a temperatura de operação.

Normas e métodos de ensaio para controle da corrosão

A especificação do controle de corrosão deve fazer referência a métodos de teste e diretrizes estabelecidos, em vez de se basear em parâmetros genéricos:

Para aplicações em veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia, a qualificação do fluido refrigerante também deve abordar o estresse de ciclos térmicos nas juntas em contato com o fluido, a exposição à vibração e o desempenho de proteção contra congelamento, além da resistência à corrosão.

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Considerações de projeto sobre ligas de alumínio e brasagem

A resistência à corrosão em placas frias de alumínio depende de conceção da placa fria As decisões envolvem a seleção da liga, o projeto da brasagem, a condição da superfície e a compatibilidade com o fluido refrigerante, e não apenas a composição química do fluido refrigerante.

• Seleção da liga: As ligas da série 3xxx (à base de manganês) são amplamente utilizadas em trocadores de calor e em aplicações de brasagem de chapas devido ao seu desempenho em relação à corrosão em diversos ambientes de fluido refrigerante. As ligas da série 6xxx (magnésio-silício) oferecem maior resistência estrutural e são comuns em corpos de placas frias usinadas ou extrudadas. Seu comportamento em relação à corrosão deve ser validado considerando o nível de cloreto, o pH, o tratamento superficial e o processo de união utilizado.
• Revestimento por brasagem: Em alguns projetos de chapas brasadas, a camada de revestimento é formulada para ser ligeiramente mais anódica do que a liga do núcleo. Isso proporciona um certo grau de proteção sacrificial para o material estrutural — semelhante, em princípio, aos ânodos de zinco na proteção contra corrosão marinha. Essa característica não deve ser assumida para todas as chapas brasadas a frio. A liga de revestimento, a liga de enchimento, a composição da liga do núcleo e a condição da superfície após a brasagem devem ser especificadas e validadas para a aplicação pretendida.
• Acabamento da superfície: A rugosidade da superfície interna do canal cria turbulência localizada que acelera a corrosão por erosão em velocidades de fluxo operacionais. Acabamentos internos lisos e transições graduais entre as portas reduzem esse risco sem comprometer o desempenho térmico.

Nossas placas de resfriamento a água são fabricadas com ligas de alumínio selecionadas para ambientes de veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia, com geometria de canal e especificações de superfície desenvolvidas para resistência à corrosão a longo prazo.

Cronograma de manutenção para controle de corrosão a longo prazo

O seguinte cronograma oferece suporte vida útil do ESS Ao detectar problemas na composição química do líquido de arrefecimento antes que causem danos aos componentes.

Um pH fora da faixa especificada pelo fornecedor do fluido refrigerante deve acionar a lavagem e o reabastecimento imediatos. Tentar corrigir o pH no local, enquanto o equipamento continua em operação, acelera os danos por corrosão, que são irreversíveis posteriormente.

Conclusão

O controle da corrosão em circuitos de refrigeração líquida de alumínio exige a adequação da composição química do fluido refrigerante, da seleção de materiais e das práticas de manutenção às condições específicas de cada sistema. Os modos de falha que mais frequentemente causam interrupções de serviço em aplicações de veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia — corrosão por pites devido à contaminação por haletos, ataque galvânico em junções de metais mistos e erosão em geometrias de canais de alta velocidade — possuem controles de engenharia definidos. Estes são mais eficazes quando abordados na fase de projeto.

Nas placas frias que projetamos para gerenciamento térmico de baterias de veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia, três variáveis determinam de forma mais consistente a resistência à corrosão a longo prazo: especificação da liga e do revestimento de brasagem, qualidade da água de entrada no comissionamento e química do inibidor mantida durante toda a operação. Os sistemas que entram em operação dentro da faixa de pH e inibidor especificada pelo fornecedor do fluido refrigerante — e são mantidos dentro dessa faixa por meio de monitoramento programado — geralmente atingem sua vida útil projetada sem falhas relacionadas à corrosão.

Engenheiros que avaliam opções de placas frias para aplicações em veículos elétricos ou sistemas de armazenamento de energia sensíveis à corrosão podem entrar em contato conosco, informando a arquitetura do circuito, a composição química do fluido refrigerante, a lista de materiais e as condições de operação, para uma análise de compatibilidade. Placas de arrefecimento de água Estão disponíveis com suporte de engenharia de aplicação, abrangendo seleção de ligas, testes de pressão e compatibilidade com fluido refrigerante.

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