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Erosionskorrosion in Kühlsystemen

Wärmetauscher und Kühlplatten  werden in Anwendungen eingesetzt, in denen die Verlustleistung von einem Ort zu einem anderen mit Hilfe einer Kühlflüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, Ethylen-Glykol-Wasser Gemischen, Öl, etc. übertragen werden soll. Dabei gibt es tausende Kombinationen von Flüssigkeiten und Materialien für die Flüssigkeitswege. Einer der Hauptkriterien bei der Auswahl des Materials für die Flüssigkeitswege in den Komponenten ist dessen Fähigkeit, Korrosion zu verhindern. Korrosion tritt in unterschiedlichen Formen auf, einschliesslich als Erosionskorrosion. Es ist wichtig sowohl die Eigenschaften der Kühlflüssigkeit als auch die des Materials zu verstehen, um Erosionskorrision zu minimieren und die Systemleistung und –lebenszeit zu optimieren.

Was ist Erosionskorrosion?

Erosionskorrosion ist die Beschleunigung der Korrosionsrate eines Metalls aufgrund der relativen Bewegung einer Flüssigkeit über einer Metalloberfläche. Es tritt häufig in Rohrbögen, Rohrengstellen und anderen Strukturen auf, die die Flussrichtung oder –geschwindigkeit beeinflussen. Der grundlegende Mechanismus dieser Art Korrosion ist, dass ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrom die schützende Film -oder Oxidschicht von einer Metalloberfläche entfernt. Sie kann sowohl in Gegenwart als auch in Abwesenheit von Schwebstoffen im Fluss auftreten. In der Gegenwart von Schwebstoffen gleicht der Effekt dem Sandstrahlen, der selbst hartnäckige Filme bei relativ geringen Fliessgeschwindigkeiten entfernen kann. Wenn einmal die Metalloberfläche ungeschützt ist, wird sie vom korrosiven Medium angegriffen und korrodiert durch die Reibung der Flüssigkeit. Wenn sich die passive Metalloxidschicht nicht schnell genug wieder bildet, kann es zu erheblichen Schäden führen.

Manche Materialien sind unter den gleichen Bedingungen gegenüber Erosionskorrosion beständiger. Erosionskorrosion ist weiter verbreitet in weichen Metalllegierungen, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium. Obgleich eine Zunahme der Durchflussgeschwingkeit die thermische Leistung ihrer Anwendung verbessern kann, erhöht sie auch das Risiko der Erosionskorrosion. Daher gilt es die realtiv positiven Auswirkungen einer Erhöhung der Durchflussgeschwindigkeit vorsichtig mit der Lebenszeitreduktion einer Kühlplatte oder eines Wärmetauschers abzuwägen.

Die folgende Graphik illustriert den Effekt der Durchflussgeschwindigkeit gegenüber der Leistung und der Erosionskorrosion anhand eines Kühlrippenrohrwärmetauschers mit 9,5 mm (3/8”) AD Kupferröhren. Der Graph verdeutlicht, dass die Strömungsgeschwindigkeit im turbulenten Bereich des Flusses (Re > 4000) und einem Volumenstrom von weniger als 7,6 l/min (2 gpm) sich innerhalb der empfohlenen Werte von 2,44 m/s (7,6 l/min oder 2 gpm) für Kupferrohre befindet (siehe auch Tabelle 1). Eine Verdopplung der Durchflussgeschwindigkeit bei gleichem Rohrdurchmesser führt nicht zu einer Verdopplung der thermischen Leistung. Allerdings kann eine Verdopplung der Strömungsgeschwindigkeit im Laminarbereich oder im Übergangsbereich zu mehr als der doppelten Wärmetauscherleistung führen.

Abbildung 1 – Effekt der Strömungsgeschwindigkeit auf die thermische Leistung und ErosionAbbildung 1 – Effekt der Strömungsgeschwindigkeit auf die thermische Leistung und Erosion


Kühlmedium: Wasser

 Schmiedeeisen

3,05 m/s

 Edelstahl

4,57 m/s

 Aluminium

1,83 m/s

 Kupfer

2,44 m/s
90-10 Kupfernickel 3,05 m/s
70-30 Kupfernickel 4,57 m/s
Tabelle 1 – Maximal empfohlene Wassergeschwindigkeiten für bestimmte Metalle

Kontrolle von Erosionskorrosion

Die gängigen Methoden zur Minimierung von Erosionskorrosion schliessen die Winkelvergrösserung von Rohrbögen, die schrittweise (und nicht abrupte) Vergrösserung des Rohrdurchmessers und die Verbesserung der Flüssigkeitswege durch Entgratung, d.h. das Abschleifen von Unregelmässigkeiten, ein. Andere Methoden sind z.B. die Verringerung des Anteils am gelösten Sauerstoff, Regelung des pH Wertes und den Wechsel des Rohrmaterials zu einem anderen Metall oder einer anderen Legierung.

Neben den verwendeten Materialien für die Flüssigkeitswege sollte auch die Temperatur der Kühlflüssigkeit berücksichtigt werden. Bei höheren Temperaturen sollte die Durchflussgeschwindigkeit verringert werden, um die Erosionskorrosion zu minimieren. Als Faustregel gilt, dass die Strömungsgeschwindigkeit für das oben erwähnte Beispiel 2,44 m/s für kaltes Wasser und 1,52 m/s für heisses Wasser (bis zu 60°C) nicht überschreiten sollte. In Systemen wo die Wassertemperatur regelmässig 60°C überschreitet, sollte die Strömungsgeschwindigkeit nicht höher als 0,91 m/s sein. Werte für die maxmial empfohlenen Wasserströmungsgeschwindigkeiten für unterschiedliche Rohrmaterialien sind in Tabelle 1 ersichtlich. Für andere Flüssigkeiten kann man die maximal zulässige Strömungsgeschwindigkeit mit folgender Formel errechnen:

Zulässige Strömungsgeschwindigkeit für eine bestimme Flüssigkeit] = [Zulässige Strömungsgeschwindigkeit für Wasser] x [Dichte von Wasser / Dichte der Flüssigkeit] 1/2

Es wird immer ein Kompromiss zwischen der thermischen Leistung und der Zuverlässigkeit/Lebensdauer eines Kühlsystems geben. Die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit wird die thermische Leistung nur bis zu einem gewissen Punkt effektiv erhöhen. Ab diesem Punkt können die höheren Flussgeschwindigkeiten erodieren und die inneren Metaloberflächen schnell korrodieren lassen. Die Entwickler sollten daher alle Faktoren in ihre Überlegungen mit einbeziehen, einschliesslich der oben diskutierten, um die beste Lösung für die jeweilige Anwendung zu ermitteln.