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Aluminiumkorrosionsschutz für Kühlplatten und Lamellenwärmetauscher

Flüssigkeitsgekühltes Gehäuse

Aluminiumkühlplatten  und Lamellenwärmetauscher   werden normalerweise auf Grund ihrer Leichtigkeit und ihrer Höchstleistungen für die Flüssigkeitskühlung von Anwendungen beim Militär- und in der Luft- und Raumfahrt  verwendet. Viele Faktoren sind beim Design von Kühlplatten und Wärmetauscher zu berücksichtigen: Wärmeleistung, Größe, Flüssigkeitsdruckverlust, Gewicht, Berstdruck und Korrosionsschutz. Dieser Artikel bezieht sich auf die Berücksichtigung des Korrosionsschutzes bei der Entwicklung, Herstellung und Inbetriebnahme von Aluminiumkühlplatten und Lamellenwärmetauscher.

Korrosion von Aluminium

Aluminium ist für seinen Korrosionsschutz bekannt. Unter den richtigen Bedingungen entwickelt Aluminium schnell eine Oxid-Schutzschicht.  Gewöhnlich geschieht dies dann, wenn Sauerstoff zur Verfügung steht und das angrenzende Medium einen angemessenen pH-Wert aufweist. Es gibt zwei charakteristische Erscheinungsformen von Aluminiumkorrosion: Gleichförmige und lokale Korrosion. Gleichförmige Korrosion entsteht, wenn die Oxidschicht im Korrosionsmedium löslich ist1: „Der Oxidbelag ist in alkalinischen Lösungen und in kräftigen Säuren löslich…aber er ist im pH-Bereich von etwa 4,0 – 9,0 stabil."2 Bei gleichförmiger Korrosion wird die ganze Oxidschicht schneller entfernt als wie sie sich wieder zurückbildet. Lokale Korrosion, die gewöhnlich in Form einer Unebenheit auftritt, geschieht, wenn es eine Nicht-Gleichförmigkeit im unedlen Metall oder in der angrenzenden Umgebung gibt. Das Metall dürfte eine lokale Konzentration von Legierungselementen haben, die ein galvanisches Paar bilden. Die angrenzende Umgebung dürfte ebenfalls eine lokale Konzentration aktiver Elemente wie Chloride aufweisen.

  LamellenwärmetauscherWasser ist eine Flüssigkeit, die für Aluminiumkühlplatten  und Wärmetauscher  nicht verwendet werden sollte. Im Besonderen kann Leitungswasser aktive Ionen wie Kupfer, Bikarbonate, Chloride und/oder andere Fremdstoffe, die die Korrosion erleichtern, enthalten. Zudem bewirkt im Laufe der Zeit die Rückführung der selben Flüssigkeit innerhalb eines geschlossenen Kreislaufs, dass der gelöste Sauerstoff sich aus der Lösung entfernt. Der sich daraus entwickelnde Mangel an Sauerstoff wird die Bildung der Oxidschicht aufhalten. Nach einiger Zeit wird das Aluminium letztendlich korrodieren, wenn es von Sauerstoff ferngehalten und mangelhafter Wasserqualität ausgesetzt wird.

Wenn Wasser für Wärmetauschsysteme bevorzugt wird, wird gewöhnlich distilliertes Wasser mit Glykol gemischt, um den Gefrierpunkt abzusenken und den Siedepunkt zu erhöhen. Aus den Gründen, die oben erwähnt wurden, ist es wichtig, dass Korrosionsinhibitoren verwendet werden. Korrosionsinhibitoren stellen kontrollierte Mengen von aktiven Ionen (gewöhnlich Phosphaten) dar, die die Rolle des Sauerstoffs einnehmen, um die Korrosionsschutzschicht zu bilden. Da die Inhibitoren von der chemischen Reaktion mit dem Aluminium abhängen, würde die Verwendung von mangelhafter Wasserqualität wie Leitungswasser die Wirksamkeit der Inhibitoren reduzieren.

Entwicklung von Korrosionsschutz

Die Auswahl der Legierung ist ein Schlüsselfaktor für anhaltenden Korrosionsschutz. Die hartgelöteten Platten zum Beispiel, die die Flüssigkeitspassagen im Lamellenwärmetauscher voneinander trennen, bestehen aus einem inneren Kern und einer extern-plattierten Schicht, die gewöhnlich etwa 10% der gesamten Plattendicke ausmachen. Die plattierte Schicht ist eine verlötete Legierung, die die verlötete Platte sowohl mit den heißen und den kalten Lamellen als auch mit den hartgelöteten Platten der Seitenschienen verbindet. Für vakuumverlötete Legierungen werden Silikone und andere Elemente verwendet, um den Siedepunkt der Legierung abzusenken. Da die verlötete Legierung anodischer ist als der Kern, ermöglicht die verlötete Legierung einen kathodischen Schutz und daher Korrosionsschutz.  Kathodischer Schutz ist ein Konzept, das seit Jahrzehnte im Schiffsbau verwendet wurde. Für Stahlschiffsrümpfe wird ein Verschlusszapfen, der aus aktiven Elementen wie Zink besteht, benutzt, um den Rumpf zu schützen. Da Zink aktiver als Stahl ist, korridiert das Zink schneller als der Stahl. Unter den Aluminiumlegierungselementen weisen die Legierungen mit den kleinsten Anteilen an Kupfer und Eisen den besten Korrosionsschutz auf. 3 „Die 3xxx-Legierungsserien sind generell solche, die den stärksten allgemeinen Korrosionschutz aufweisen…Die 6xxx-Legierungen zeichnen sich ebenso durch einen hohen Schutz aus."4

Es gibt andere Aspekte die hinsichtlich des Designs von Kühlplatten und Wärmetauscher berücksichtigt werden müssen. Interner statischer Flüssigkeitsdruck und externe Belastungen beanspruchen die Kernkomponenten. Diese Belastungen erfordern oft, dass hochfeste Legierungen (6xxx-Serien) für hartgelötete Platten und/oder Lamellen verwendet werden müssen. Die Dicke der hartgelöteten Platte stellt ein Kompromiss zwischen Leistung, Gewicht und Korrosionsschutz dar. Eine hartgelötete Platte, die dick ist, ist schwer und reduziert die thermische Leistung. Eine hartgelötete Platte, die dünn ist, hat weniger Stärke, um den Belastungen entgegenzuwirken, und weist weniger Korrosionsschutz auf.  Im Falle einer korrodierenden Umgebung können hartgelötete Platten, die dünn sind, einer Belastung kürzer standhalten als eine dicke Platte. Hartlötung im Vakuumofen 

Dichtheitsprüfung von Kühlplatten und Wärmetauscher

Während des Herstellungsprozesses dürften Kühlplatten und Wärmetauscher hydraulisch mit reinem Wasser getested werden. Das Wasser sollte jedoch in dem System nicht länger als notwendig bleiben, um den Test durchzuführen. Die Durchführung eines gründlichen Trockenvorgangs ist wichtig, um die Möglichkeit einer Wasserkorrosion auszuschließen. Eine „Blasen-Prüfung” oder mit einem Gas Druck auf das System ausüben und es unter Wasser setzen, sind Verfahren, die in der Branche weitverbreitet angewendet werden. Diese Verfahren erfordern, dass die externe Oberfläche nach dem Testen getrocknet wird.

Inbetriebnahme von Kühlplatten und Wärmetauscher

Wenn eine Wasser/Glykol-Kühlplatte oder ein Wärmetauscher in Betrieb ist, ist es wichtig einen Wartungsplan zu haben. Die typische Wartungstätigkeit besteht in der Spülung und der Auffüllung des Systems mit einer geeigneten Misching von hemmenden Ethylenglykol und Wasser. Dies sollte wiederholt in einem Zeitraum geschehen, der während der operativen Evaluisierungsphase durch das Testen auf der Systemebene festgelegt wird. Der flüssige pH-Wert und der Brechungsindex sollte in bestimmten Zeitabständen gemessen werden. Diese Messwerte werden sich im Laufe der Zeit ändern. Unter Berücksichtigung dieser Messwerte kann eine Spülfrequenz bestimmt werden.

Während der Aufstellung ist es üblich, dass die Kühlsysteme nachgefüllt werden. Dieses Verfahren dürfte die Kühlplatte oder den Wärmetauscher nicht beschädigen und zwar solange, bis die Glykol-Konzentration dermaßen verdünnt wird, dass der Inhibitor wirkungslos wird. Die Wirksamkeit des Inhibitors bestimmt sich durch die nachgefüllte Wasserqualität, durch andere Metallarten in dem flüssigen Kreislauf sowie durch die Dauer des Inhibitors im System. Wenn eine Nachfüllung erfolgt, ist es ratsam, den pH-Wert der Flüssigkeit zu kontrollieren. Wenn der pH-Wert unter 4,0 fällt oder über 9,0 steigt, sollte eine Spülung/Auffüllung so bald wie möglich erfolgen.

Korrosionsschutz beginnt mit dem Design der Kühlplatten oder des Wärmetauschers. Durch die Zusammenarbeit mit einem Hersteller, der Korrosion versteht und der weiß, wie diese vermieden werden kann, werden Sie ein besseres Produkt erhalten. Es ist auch bedeutsam Wartungsverfahren zu entwickeln, die die Lebensdauer der Aluminumkühlplatte oder des Wärmeaustauschers maximal verlängern.

1 Herausgeber J.R. Davis, ASM Metals Handbook, Desk Edition, Band 2, Materials Park, OH, 1998, Seite 501.
2Ibid, Seite 499.
3 Ibid.
4 Ibid.