Las soluciones de agua y agua/glicol son fluidos comunes de transferencia de calor utilizados en sistemas de refrigeración y enfriadores de recirculación. Aunque los fluidos son el alma para sus aplicaciones de transferencia de calor, también pueden causar corrosión dentro de sus sistemas.
Prevención de la corrosión en los sistemas de refrigeración líquida
Proteger su sistema de fugas y degradación del rendimiento
Esta corrosión puede resultar en una reducción en el rendimiento térmico del sistema debido a la escala en la superficie de transferencia de calor, disminución del flujo debido a la reducción de los diámetros de las tuberías de los depósitos de corrosión, y en última instancia la necesidad de reemplazo de componentes del sistema debido a daños por corrosión.
La corrosión es la reacción química o electroquímica entre los materiales, generalmente un metal y su entorno, lo que resulta en el deterioro del metal y sus propiedades. Este artículo cubrirá la corrosión química. (Para obtener más información sobre la corrosión electroquímica o galvánica, consulte nuestra nota de aplicación "Evitar la corrosión galvánica.") La corrosión de los componentes metálicos es un problema inherente para los sistemas de refrigeración de agua y agua/glicol porque muchos metales tienden naturalmente a oxidarse en presencia de agua. El oxígeno disuelto en agua acelera la mayoría de los procesos de corrosión. En los sistemas de bucle cerrado, el oxígeno disuelto se consume con el tiempo y ya no representa un riesgo de corrosión. Para los sistemas de bucle abierto, sin embargo, la exposición continua al aire permite que el oxígeno se disuelva en el refrigerante. Por lo tanto, los sistemas de bucle abierto a menudo sufren más problemas de corrosión en comparación con las unidades cerradas.
La corrosión generalmente se clasifica como general o localizada. La corrosión general es la pérdida de metal distribuida uniformemente en toda una superficie. Por lo general, no conduce a un fallo rápido del sistema porque la tasa de pérdida de metal se puede descubrir antes de que el metal se rompa. La corrosión localizada, por otro lado, no es tan predecible. Por lo general aparece en forma de picadura, que puede penetrar el metal muy rápidamente, formando cavidades o agujeros. Otra forma común de corrosión localizada es la cavitación, que ocurre cuando se forman bolsas de vapor en un líquido. Este proceso se produce cuando la presión local cerca de la superficie metálica cae por debajo de la presión de vapor del líquido. Cuando estas burbujas de vapor colapsan o implosionan, generan grandes cantidades de energía. Esto causa graves picaduras a los componentes del sistema (como bombas), genera una gran cantidad de ruido y resulta en una disminución en la eficiencia de la bomba.
Posibles problemas de corrosión
La corrosión puede conducir a muchos problemas, siendo el más significativo la perforación que puede resultar en fugas de refrigerante. Otros problemas pueden incluir una reducción de la transferencia de calor causada por la escala de la superficie, que ocurre cuando el metal reacciona con oxígeno, cloruro y/o inhibidores en el refrigerante y se precipita de nuevo a la superficie metálica, creando una capa que actúa como barrera de transferencia de calor. Además, las preocupaciones incluyen la obstrucción de filtros de partículas y daños a los sellos mecánicos.
Cuando el cobre se corroe, a menudo se degrada por la corrosión general que por las picaduras. La corrosión general a menudo ataca el cobre expuesto al amoníaco, oxígeno o fluidos con alto contenido de azufre. Otra fuente de corrosión que afecta al cobre es la sal disuelta en el fluido, como cloruros, sulfatos y bicarbonatos.
Para el aluminio, la picadura es la forma más común de corrosión. El pitting suele ser producido por la presencia de iones de haluro, de los cuales cloruro (Cl-) es el más frecuentemente encontrado en bucles de enfriamiento líquido. La picadura de aluminio en soluciones de haluro abiertas al aire se produce porque, en presencia de oxígeno, el metal está fácilmente polarizado a su potencial de picadura y se penetra la capa o película de óxido protector natural. Esta película es estable en soluciones acuosas cuando el pH está entre aproximadamente 4.0 y 8.5. La película es naturalmente autorrepar y la abrasión accidental u otros daños mecánicos de la película de óxido superficial se repara rápidamente. Boyd strongly recommends an inhibitor when using water with aluminum to maintain a clean heat transfer surface.
El acero inoxidable se utiliza típicamente en ambientes corrosivos pero, al igual que con el aluminio, es sensible a altas concentraciones de cloruros (>100 ppm) en un ambiente oxidante. El pitting permanece entre las formas más comunes y dañinas de corrosión en las aleaciones de acero inoxidable, pero se puede prevenir asegurándose de que el material esté expuesto al oxígeno y protegido del cloruro siempre que sea posible. Los aceros inoxidables ricos en cromo, y particularmente el molibdeno y el nitrógeno, son más resistentes a la corrosión por picaduras.
Corrosión causada por el etileno glicol desinhibido
Studies show that uninhibited ethylene glycol will degrade into five organic acids - glycolic, glyoxylic, formic, carbonic, and oxalic - in the presence of heat, oxygen, and common cooling system metals such as copper and aluminum. El cobre y el aluminio actúan como catalizador en presencia de etilenglicol desinhibido. Estos ácidos orgánicos atacarán químicamente el cobre y el aluminio en tan solo tres semanas en condiciones extremas (212°F y oxígeno burbujeando en la solución de etilenglicol desinhibido) para formar compuestos orgánicos metálicos en el fluido, lo que puede conducir a la obstrucción de tuberías, bombas, válvulas, etc.
Literature references often state that copper and aluminum are compatible with uninhibited ethylene glycol, but usually those recommendations are based on a two-week chemical compatibility study of various metals at different temperatures. El estudio anterior indica que el etilenglicol desinhibido normalmente no comienza a degradarse hasta después de tres semanas en esas condiciones extremas. En conclusión, los datos notificados se basan en la capacidad del etilenglicol para disolver el metal e ignoran la preocupación del etilenglicol degradado y ácido desinhibido y sus efectos sobre los metales. Este último es mucho más corrosivo hacia los metales.
Protección contra la corrosión
En general, la corrosión se puede reducir mediante el control del pH y el uso de inhibidores de corrosión. Los inhibidores se adhieren a las superficies metálicas para pasivarlas y prevenir la corrosión. También es importante mantener un flujo de agua estable para evitar zonas estancadas dentro del sistema de refrigeración, lo que puede causar corrosión.
La calidad del agua también debe tenerse en cuenta al tratar de prevenir la corrosión. El efecto corrosivo del agua natural puede variar considerablemente dependiendo de su composición química. Como se mencionó anteriormente en este artículo, cloruro es corrosivo y el uso de agua del grifo debe minimizarse o evitarse si contiene más de 100 ppm de cloruro. La dureza del agua también debe considerarse porque introduce calcio y magnesio, que forman escala en las superficies metálicas. Se recomienda encarecidamente el agua desionizada, el agua desmineralizada o el agua que se ha pasado a través de un proceso de ósmosis inversa para eliminar minerales y sales dañinos con el fin de evitar el cloruro y la acumulación de escamas. Se debe utilizar un inhibidor adecuado de la corrosión con agua desionizada o desmineralizada.
Hay diferentes inhibidores para su uso con diferentes metales, cada uno con sus ventajas y desventajas.
- El fosfato es un inhibidor eficaz de la corrosión para el hierro, el acero, la soldadura por plomo/estaño y la mayoría de los componentes de aluminio. También es un muy buen búfer para el control de pH. Una desventaja del fosfato es la precipitación con calcio en agua dura, que es una de las razones por las que el agua desionizada se utiliza para diluir un refrigerante de glicol/agua.
- Tolyltriazole es un inhibidor de corrosión común y altamente eficaz para el cobre y latón.
- Mercaptobenzothiazole también funciona para cobre y latón, pero no es tan estable como tolyltriazole.
- El nitrito es un excelente inhibidor de la corrosión para el hierro. A altas concentraciones, este inhibidor es corrosivo para la soldadura de plomo / estaño.
- El silicato es un inhibidor eficaz para la mayoría de los metales, pero tiende a formar depósitos gruesos en sistemas de refrigeración. Los inhibidores de la oxidación en la anticongelante automotriz pueden causar fallas prematuras en los sellos de la bomba. Los aceites cromosos y solubles se han utilizado en el pasado, pero su uso ha disminuido considerablemente debido a la toxicidad. Los inhibidores modernos los han reemplazado.
Sistema de refrigeración líquida erosión-corrosión
Garantizar una vida útil más larga mediante la gestión de la erosión-corrosión
Intercambiadores de calor y placas frías se utilizan en aplicaciones de refrigeración para eliminar y transferir calor de un lugar a otro utilizando un fluido de transferencia de calor como agua, etilenglicol y solución de agua, aceite, etc. Hay miles de combinaciones de fluidos y materiales de trayectoria fluida utilizados en estas aplicaciones. Uno de los principales criterios para seleccionar los materiales de trayectoria de fluido en estos componentes debe ser la capacidad de los materiales para resistir la corrosión. La corrosión viene en muchas formas diferentes, incluyendo "erosión-corrosión". Es importante conocer las propiedades del fluido, así como las propiedades del material con el fin de minimizar la erosión-corrosión y optimizar el rendimiento y la vida del sistema.
¿Qué es la erosión-corrosión?
La erosión-corrosión es una aceleración en la tasa de corrosión en el metal debido al movimiento relativo de un fluido y una superficie metálica. Normalmente ocurre en curvas de tuberías y codos, constricciones de tubos y otras estructuras que alteran la dirección o velocidad del flujo. El mecanismo para este tipo de corrosión es el flujo continuo de fluido, que elimina cualquier película protectora o óxido metálico de la superficie metálica. Puede ocurrir tanto en presencia como en ausencia de materia suspendida en el flujo. En presencia de materia suspendida, el efecto es muy similar al chorro de arena, e incluso las películas fuertes se pueden eliminar a velocidades de fluido relativamente bajas. Una vez expuesta la superficie metálica, es atacada por los medios corrosivos y erosionada por la fricción del fluido. Si la capa pasiva de óxido metálico no se puede regenerar lo suficientemente rápido, puede producirse un daño significativo.
Algunos materiales son más resistentes que otros a la erosión-corrosión en las mismas condiciones de fluido. La erosión-corrosión es más frecuente en las aleaciones blandas, como el cobre y el aluminio. Aunque aumentar el caudal del fluido en la aplicación de refrigeración puede aumentar su rendimiento, también puede aumentar la erosión-corrosión. Por lo tanto, es importante determinar cuán grande será el impacto que el aumento del caudal tendrá en su rendimiento térmico, ya que puede ver una mejora mínima en el rendimiento con una caída significativa en la longevidad de su intercambiador de calor o placa fría.
El siguiente gráfico muestra los efectos de la velocidad del fluido en el rendimiento y la erosión en un intercambiador de calor líquido a aire de aleta de tubo de cobre de 3/8". El gráfico muestra que en la región turbulenta de flujo (Re > 4000) y a caudales volumétricos de menos de 2 gpm, las velocidades del agua están dentro de los valores recomendados de menos de 8 pies / seg (2 gpm) para tubos de cobre (ver Tabla 1). Dado el mismo diámetro de tubería, duplicar el caudal en la región turbulenta de flujo no resulta en el doble del rendimiento térmico. Sin embargo, duplicar el caudal en las regiones laminares y de transición puede duplicar con más del doble el rendimiento de los intercambiadores de calor.
Tabla 1
| Agua | Maximum Recommended Water Velocities |
|---|---|
| Acero bajo en carbono | 10 pies/seg |
| Acero inoxidable | 15 pies/seg |
| Aluminio | 6 pies/seg |
| Cobre | 8 pies/seg |
| 90-10 Cupronickel | 10/ ft/seg |
| 70-30 Cupronickel | 15 pies/seg |
Control de la erosión-corrosión
Algunos métodos para minimizar la erosión-corrosión incluyen mejorar las líneas de flujo dentro de la tubería mediante el desbarbado (es decir, suavizar las irregularidades), permitir que las curvas tengan ángulos más grandes y cambiar los diámetros de las tuberías gradualmente en lugar de abruptamente. Otros métodos incluyen ralentizar el caudal (minimizar las turbulencias), reducir la cantidad de oxígeno disuelto, cambiar el pH y cambiar el material de la tubería a un metal o aleación diferente.
Además del material de trayectoria fluida utilizado, también es importante tener en cuenta la temperatura del fluido. A temperaturas más altas, los caudales deben reducirse para minimizar la erosión-corrosión. Por ejemplo, como regla general, las velocidades de flujo de agua no deben exceder los 8 pies/seg para el agua fría y 5 pies/seg para el agua caliente (hasta aproximadamente 140 °F). En sistemas donde las temperaturas del agua superan rutinariamente los 140 °F, las velocidades de flujo no deben exceder los 3 pies/seg. Para obtener las velocidades máximas recomendadas de agua en otros materiales típicos del tubo, consulte la Tabla 1. Para otros fluidos, la velocidad máxima permitida del fluido se puede calcular a partir de:
Velocidad permitida para el fluido dado] = [Velocidad permitida para el agua] x [Densidad de agua/densidad del líquido dado] 1/2.
Siempre habrá una compensación entre el rendimiento térmico y la fiabilidad / longevidad en cualquier sistema de refrigeración. El aumento del flujo de fluidos le dará más refrigeración o rendimiento sólo hasta un punto. Después de eso, el aumento de las velocidades de fluido puede comenzar rápidamente a erosionarse y corroer la superficie metálica interior del tubo. Los diseñadores deben considerar muchos factores diferentes, como los mencionados anteriormente, con el fin de determinar la mejor solución para su aplicación.
Evitar la corrosión galvánica
Cómo se produce la corrosión en los bucles de refrigeración líquida
Al seleccionar componentes para el bucle de refrigeración líquida, debe tener en cuenta su compatibilidad de materiales, así como el rendimiento individual. Aunque una placa fría con tubos de aluminio emparejada con un intercambiador de calor con tubos de cobre podría satisfacer sus requisitos térmicos, no es un circuito de refrigeración confiable. El cobre y el aluminio tienen potenciales electroquímicos muy diferentes, por lo que cuando se combinan en un sistema de refrigeración, es probable que la corrosión galvánica. La corrosión galvánica (también llamada corrosión metálica disímil) erosiona el metal, causando fugas con el tiempo.En un bucle de refrigeración, los materiales metálicos en contacto electroquímico pueden formar una célula galvánica, o batería (fig. 1). En una célula galvánica, cuando dos metales con diferentes potenciales eléctricos están conectados, hay una diferencia potencial en ellos. El metal con mayor potencial eléctrico se convierte en el ánodo, y cuanto más bajo, el cátodo. Una corriente fluirá desde el ánodo hasta el cátodo. El ánodo se disuelve, o corroe, para formar iones. Estos iones se desvían hacia el agua donde permanecen en solución o reaccionan con otros iones en el electrolito. Este proceso se conoce como corrosión galvánica.
Una célula galvánica requiere tres elementos:
- Two electrochemically dissimilar metals
- Un camino eléctricamente conductor entre los dos metales, y
- Un electrolito para permitir el flujo de iones metálicos.
La tasa de corrosión galvánica depende del potencial eléctrico entre los dos metales. La Serie Galvánica (fig. 2) ordena metales basados en el potencial que exhiben en el agua de mar que fluye. Los más reactivos están en la parte superior de la tabla y los menos reactivos en la parte inferior.
Las temperaturas elevadas, que son probables en bucles de enfriamiento, aceleran la corrosión galvánica. Un aumento de 10 °C en la temperatura puede aproximadamente duplicar la tasa de corrosión. Los inhibidores de la corrosión se pueden añadir al agua de refrigeración.
Esto ralentiza, pero no elimina, la corrosión galvánica. Los inhibidores de la corrosión se unen con los iones en solución para neutralizarlos. Los inhibidores se consumen en este proceso por lo que necesitan ser reemplazados regularmente. Los refrigerantes no acuosos, como los aceites, eliminan la corrosión galvánica porque no admiten iones. Sin embargo, el rendimiento térmico se sacrifica, ya que las conductividades térmicas de los aceites de transferencia de calor son generalmente significativamente más bajas que los refrigerantes a base de agua.
Para evitar la corrosión galvánica, recomendamos encarecidamente el uso de los mismos materiales, o materiales con un potencial eléctrico similar, a lo largo de su bucle de refrigeración. Debe asegurarse de que la fontanería, los conectores y otros componentes no introducen un metal reactivo en el sistema.
El uso de los mismos materiales en todo el circuito no significa que deba sacrificar el rendimiento. Boyd ofrece intercambiadores de calor de alto rendimiento y placas frías con trayectorias fluidas de aluminio, cobre y acero inoxidable.
Los ingenieros de aplicaciones de Boyd están disponibles para consultar sobre la compatibilidad de materiales de componentes. Con un diseño cuidadoso y una selección de componentes, puede garantizar años de servicio fiable y libre de corrosión desde su bucle de refrigeración.
Resistencia a la corrosión de aluminio para placas frías líquidas e intercambiadores de calor placa-fin
Al seleccionar componentes para el bucle de refrigeración líquida, debe tener en cuenta su compatibilidad de materiales, así como el rendimiento individual. Aunque una placa fría con tubos de aluminio emparejada con un intercambiador de calor con tubos de cobre podría satisfacer sus requisitos térmicos, no es un circuito de refrigeración confiable. El cobre y el aluminio tienen potenciales electroquímicos muy diferentes, por lo que cuando se combinan en un sistema de refrigeración, es probable que la corrosión galvánica. La corrosión galvánica (también llamada corrosión metálica disímil) erosiona el metal, causando fugas con el tiempo.
Corrosión del aluminio en placas frías líquidas
El aluminio es conocido por su resistencia a la corrosión. En las condiciones adecuadas, el aluminio forma rápidamente una capa protectora de óxido. Generalmente, esto ocurre cuando el oxígeno está disponible y el medio circundante tiene un pH moderado. Hay dos manifestaciones típicas de corrosión de aluminio: corrosión uniforme y corrosión local. Uniform corrosion happens when the oxide layer is soluble in the corrosive medium. "The oxide film is soluble in alkaline solutions and in strong acids…but is stable over a pH range of approximately 4.0 - 9.0." In uniform corrosion, the entire oxide layer is being stripped away faster than it can reform. La corrosión local, generalmente en forma de fosa, ocurre cuando no hay uniformidad en el metal base o en el entorno circundante. El metal puede tener una concentración local de elementos de aleación que crea una pareja galvánica. Del mismo modo, el entorno circundante puede tener una concentración local de elementos activos como cloruros.
Las placas frías líquidas y los intercambiadores de calor se utilizan con muchos fluidos diferentes y normalmente implican la recirculación del mismo líquido. Un fluido que no debe utilizarse en placas frías de aluminio e intercambiadores de calor es el agua. El agua del grifo puede contener iones activos, como cobre, bicarbonatos, cloruros y/u otras impurezas que facilitan la corrosión. Además, la recirculación del mismo líquido con el tiempo en un bucle cerrado hará que el oxígeno disuelto salga de la solución. La consiguiente falta de oxígeno inhibirá la formación de la capa de óxido. Dado el tiempo suficiente, el aluminio eventualmente se corroerá si está aislado de oxígeno y expuesto a agua de baja calidad.
Cuando el agua es la opción preferida para un sistema de transferencia de calor, el agua destilada generalmente se combina con un glicol para reducir su punto de congelación y aumentar su punto de ebullición. Por las razones mencionadas anteriormente, es fundamental que se utilicen inhibidores de la corrosión. Los inhibidores de la corrosión son cantidades controladas de iones activos (generalmente fosfatos) que asumen el papel del oxígeno en la formación de una capa resistente a la corrosión. Dado que estos inhibidores dependen de una reacción química con el aluminio, el uso de agua de baja calidad como el agua del grifo reduciría la eficacia de los inhibidores.
Diseño para resistencia a la corrosión
La selección de aleaciones es un factor clave en la alta resistencia a la corrosión. Por ejemplo, las láminas de soldadura fuerte, que separan los pasajes fluidos en intercambiadores de calor de aleta de placa, consisten en un núcleo interno y una capa revestida externa que generalmente representa aproximadamente el 10% del grosor total de la hoja. La capa revestida es una aleación de soldadura fuerte que une la hoja de soldadura fuerte a las aletas calientes y frías y la hoja de soldadura fuerte a las barras laterales. Las aleaciones de soldadura fuerte al vacío utilizan silicona y otros elementos para bajar el punto de fusión de la aleación. Dado que la aleación de soldadura fuerte es más anódica que el núcleo, la aleación braze proporciona protección catódica, y por lo tanto protección contra la corrosión.
La protección catódica es un concepto que se ha utilizado en el negocio de la construcción de barcos durante décadas. Para los cascos de acero, se utiliza un tapón hecho de un elemento activo, como el zinc, para proteger el casco. Debido a que el zinc es más activo que el acero, el zinc se corroe más rápido que el acero. Among the alloying elements of aluminum, the alloys with a minimum of copper and iron have the best corrosion resistance. "3xxx series alloys are generally among those having the highest general corrosion resistance…The 6xxx alloys also have high resistance."
Hay otras consideraciones en el diseño de placas frías e intercambiadores de calor. La presión estática interna del fluido y las tensiones externas ponen los componentes principales bajo estrés. Estas tensiones a menudo requieren que las aleaciones de alta resistencia (serie 6xxx) se utilicen para láminas y/o aletas braze. El grosor de la hoja braze es una compensación entre el rendimiento, el peso y la protección contra la corrosión. Una gruesa lámina de soldadura fuerte es pesada y reduce el rendimiento térmico. Una fina lámina de soldadura fuerte tiene menos resistencia para soportar tensiones y ofrece menos protección contra la corrosión. Si hay un entorno corrosivo, las láminas de soldadura fuerte delgada soportarán un ataque durante menos tiempo que una hoja más gruesa.
Pruebas de fugas de placas frías y intercambiadores de calor
Durante su proceso de fabricación, las placas frías y los intercambiadores de calor pueden ser probados hidráulicamente con agua pura. Sin embargo, el agua no debe permanecer en la unidad más tiempo del necesario para llevar a cabo las pruebas. A thorough drying process is critical to eliminate the possibility of water corrosion. “Bubble testing,” or pressurizing a unit with a gas and submerging it in water, is used widely throughout the industry. Esta práctica requiere que las superficies externas se sequen después de la prueba. Learn Más sobre los servicios y procedimientos de pruebas de Boyd.
Operación de placas frías líquidas y intercambiadores de calor
Al operar una placa fría de agua/glicol o intercambiador de calor, es importante tener un plan de mantenimiento. La actividad de mantenimiento típica es enjuagar y rellenar el sistema con la mezcla adecuada de etilenglicol inhibido y agua. Esto debe hacerse periódicamente a intervalos determinados a través de pruebas a nivel de sistema durante la fase de evaluación operativa. Periódicamente, se debe medir el pH fluido y el índice de refracción. Estas mediciones cambiarán con el tiempo. A partir de estas mediciones, se pudo determinar una frecuencia de vaciado.
Durante la implementación, es común que los sistemas de refrigerante se "rematan". Esta práctica no debe dañar la placa fría o el intercambiador de calor, siempre y cuando la concentración de glicol no se diluya hasta el punto de hacer que el inhibidor sea ineficaz. La eficacia del inhibidor es una función de la calidad del agua de arriba a la baja, otros tipos de metales en el bucle de fluidos, y la edad del inhibidor en el sistema. Si se emplea "cobertura", es recomendable controlar el pH del fluido. Si el pH cae por debajo de 4.0 o se eleva por encima de 9.0, un sistema de descarga/ llenado debe tener lugar tan pronto como sea posible.
La resistencia a la corrosión comienza con el diseño de placas frías o intercambiadores de calor. También es importante desarrollar procedimientos de mantenimiento que maximicen la vida útil de la placa fría de aluminio o intercambiador de calor.
Resumen de prevención de la corrosión
Aunque no podemos detener la corrosión todos juntos, hay maneras de limitarla significativamente. Al seleccionar materiales adecuados de trayectoria de fluidos, monitorear la química de la solución (específicamente los niveles de pH y la calidad del agua), y elegir inhibidores apropiados, puede minimizar el impacto en el costo debido a la corrosión y garantizar el funcionamiento efectivo de su bucle de enfriamiento líquido durante años.
