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Korrosion in Kühlsystemen verhindern

Wasser und Wasser-Glykol-Lösungen werden häufig als Flüssigkeiten für die Wärmeübertragung in Kühlsystemen und Rückkühlern verwendet.  Obwohl die Flüssigkeiten das Lebenselixier Ihrer Wärmeübertragungsanwendungen sind, können sie auch Korrosionen innerhalb Ihres Systems verursachen. Diese Korrosion kann zu einer Verringerung der thermischen Leistung im System führen. Ursachen sind Ablagerungen auf der Wärmeübertragungsfläche sowie verminderte Strömung aufgrund der durch Korrosionsablagerungen verengten Rohrleitungen. Schließlich muss die Systemkomponente wegen Korrosionsschäden ersetzt werden.

KorrosionKorrosion ist eine chemische oder elektrochemische Reaktion zwischen Materialien, in der Regel zwischen einem Metall und seiner Umgebung. Diese zerstört das Metall und seine Eigenschaften. In diesem Artikel werden wir Sie über chemische Korrosion informieren. (Weitere Informationen finden Sie unter Anwendungshinweise über Elektrochemische oder Galvanische Korrosion ). Die Korrosion metallischer Komponenten ist ein natürliches Problem für Kühlsysteme, die auf Wasser und Wasser-Glykol-Gemischen basieren, weil viele Metalle von Natur aus dazu neigen, bei der Berührung mit Wasser zu oxidieren. Die im Wasser gelösten Sauerstoffteilchen beschleunigen die meisten Korrosionsprozesse. In geschlossenen Kühlsystemen wird der gelöste Sauerstoff mit der Zeit verbraucht und stellt dann kein Korrosionsrisiko mehr dar. Aber in offenen Kühlsystemen kann sich der Sauerstoff aufgrund der ständigen Berührung mit der Luft im Kühlmittel lösen. Darum sind offene Kühlsysteme oft anfälliger für Korrosionsprobleme als geschlossene Systeme.

Bei der Korrosion unterscheidet man normalerweise zwischen allgemeiner und lokaler Korrosion. Allgemeine Korrosion ist der gleichmäßig über eine ganze Fläche verteilte Metallverlust. Sie führt in der Regel nicht zum schnellen Versagen des Systems, weil die Metallverlustrate entdeckt werden kann, bevor das Metall bricht. Lokale Korrosion ist hingegen nicht so vorhersagbar. Sie zeigt sich in der Regel in Form von kleinen Vertiefungen, welche das Metall sehr schnell durchdringen und dabei Hohlräume oder Löcher bilden können. Eine weitere verbreitete Form der lokalen Korrosion ist die Aushöhlung, die auftritt, wenn sich in einer Flüssigkeit Dampftaschen bilden. Dazu kommt es, wenn der lokale Druck in der Nähe der Metallfläche unter den Dampfdruck der Flüssigkeit absinkt. Wenn diese Dampfblasen zerfallen oder implodieren, setzen sie große Energiemengen frei. Das verursacht schwere Vertiefungen in der Systemkomponente (z. B. bei Pumpen), macht ziemlich viel Lärm und führt zur Verminderung der Pumpeneffizienz.

Mögliche Korrosionsprobleme

Korrosion kann viele Probleme verursachen. Das größte Problem ist die Perforation, welche zu Leckagen der Kühlflüssigkeit führen kann. Weitere Probleme sind die verringerte Wärmeübertragung aufgrund von Ablagerungen auf der Oberfläche, wenn das Metall mit Sauerstoff, Chlor und/oder Hemmstoffen im Kühlmittel reagiert und sich das Reaktionsprodukt wieder auf der Metallfläche niederschlägt und so eine Schicht hinterlässt, die als Barriere für die Wärmeübertragung wirkt. Weitere Probleme ergeben sich, wenn die Teilchenfilter verstopfen und die mechanischen Dichtungen beschädigt werden.

Wenn Kupfer korrodiert, ist es eher von allgemeiner Korrosion als von lokalen Vertiefungen betroffen. Allgemeine Korrosion greift oft Kupfer an, das Ammoniak, Sauerstoff oder stark schwefelhaltigen Flüssigkeiten ausgesetzt ist. Eine weitere Ursache für Kupferkorrosion sind in der Flüssigkeit gelöste Salze, wie zum Beispiel Chloride, Sulfate und Bikarbonate.

Bei Aluminium ist die Bildung von lokalen Vertiefungen die häufigste Form der Korrosion. Die Vertiefungen entstehen in der Regel durch die Präsenz von Halogenidionen, von denen Chlorid (Cl-) am häufigsten in Flüssigkühlsystemen vorkommt. Zur Bildung von lokalen Vertiefungen bei Aluminium in Halogenidlösungen, das der Luft ausgesetzt ist, kommt es, weil das Metall unter dem Einfluss von Sauerstoff leicht in sein korrodierendes Potential polarisiert wird, so dass die natürliche Oxidschutzschicht durchdrungen wird. Diese Schicht ist in wässrigen Lösungen stabil, wenn der pH-Wert etwa zwischen 4,0 und 8,5 liegt. Die Schicht erneuert sich von Natur aus selbst und wenn die Oberfläche unbeabsichtigt verkratzt wird oder sonstige mechanische Schäden erleidet, wird der Sauerstofffilm auf der Oberfläche schnell wiederhergestellt. Lytron empfiehlt unbedingt, einen Korrosionshemmer zu applizieren, wenn Wasser mit Aluminium verwendet wird, um die Wärmeübertragungsfläche sauber zu halten.

Edelstahl wird normalerweise in korrosiven Umgebungen verwendet, aber wie Aluminium auch ist er anfällig für hohe Chloridkonzentrationen (> 100 ppm) in oxidierender Umgebung. Eine der am meisten verbreiteten und schädlichsten Formen der Korrosion bei Edelstahllegierungen ist die Bildung von Vertiefungen, die jedoch verhindert werden kann, indem das Material Sauerstoff ausgesetzt und vor Chlorid geschützt wird, wo immer es möglich ist. Edelstähle mit hohem Chromgehalt, und insbesondere Molybdän und Stickstoff, sind resistenter gegen lokale Korrosion.

Korrosion durch Ethylenglykol ohne Zusatz von Korrosionshemmern

Wissenschaftliche Studien1 haben gezeigt, dass Ethylenglykol ohne Zusatz von Korrosionshemmern unter Einfluss von Wärme, Sauerstoff und in Kühlsystemen oft verwendeten Metallen wie Kupfer und Aluminium in fünf organische Säuren abgebaut wird: Glykol-, Glyoxyl-, Ameisen-, Kohlen- und Oxalsäure. Kupfer und Aluminium wirken in der Gegenwart von Ethylenglykol ohne Zusatz von Korrosionshemmern als Katalysator. Diese organischen Säuren greifen dann unter extremen Bedingungen (118 °C und Bildung von Sauerstoffblasen in Ethylenglykollösung ohne Zusatz von Korrosionshemmern) in nur drei Wochen chemisch Kupfer und Aluminium an, so dass sich in der Flüssigkeit metall-organische Verbindungen bilden, die dann Rohre, Pumpen, Ventile etc. verstopfen können.

In der Fachliteratur2 wird oft darauf hingewiesen, dass Kupfer und Aluminium mit Ethylenglykol ohne Zusatz von Korrosionshemmern verträglich sind, aber diese Empfehlungen basieren oft auf einer zweiwöchigen chemischen Verträglichkeitsstudie verschiedener Metalle bei unterschiedlichen Temperaturen. Die oben zitierte Studie weist darauf hin, dass Ethylenglykol ohne Zusatz von Korrosionshemmern unter jenen extremen Bedingungen normalerweise erst nach drei Wochen abgebaut wird. Als Fazit kann man feststellen, dass die berichteten Daten auf der Fähigkeit von Ethylenglykol basieren, das Metall aufzulösen, und dass sie nicht auf das Problem von abgebautem, saurem Ethylenglykol ohne Zusatz von Korrosionshemmern und seiner Auswirkungen auf Metalle eingehen. Dieses ist jedoch wesentlich korrosiver für Metalle.

Schutz gegen Korrosion

Im allgemeinen kann Korrosion durch die Kontrolle des pH-Werts und den Einsatz eines Korrosionshemmers verringert werden. Die Hemmer verbinden sich mit den Metalloberflächen und passivieren diese, wodurch Korrosion verhindert wird. Es ist auch wichtig, einen konstanten Wasserfluss zu unterhalten, um stagnierende Zonen innerhalb des Kühlsystems zu vermeiden, da diese ebenfalls die Korrosion begünstigen.

Die Wasserqualität ist ein weiterer Faktor, der berücksichtigt werden muss, wenn man Korrosion vermeiden will. Die korrosive Wirkung von natürlichem Wasser kann beträchtlich variieren, je nachdem, wie es chemisch zusammengesetzt ist. Wie schon vorher in diesem Artikel erwähnt, ist Chlorid korrosiv und der Gebrauch von Leitungswasser sollte auf ein Minimum beschränkt oder vermieden werden, wenn dieses über 100 ppm Chlorid enthält. Die Wasserhärte muss auch berücksichtigt werden, weil hartes Wasser Kalzium und Magnesium enthält, das auf den Metalloberflächen abgelagert wird. Deionisiertes Wasser, entmineralisiertes Wasser oder Wasser, das einen umgekehrten Osmoseprozess durchlaufen hat, um schädliche Mineralien und Salze zu entfernen, ist äußerst empfehlenswert, um die Ansammlung von Chlorid und Ablagerungen zu verhindern. Mit deionisiertem oder entmineralisiertem Wasser muss ein geeigneter Korrosionshemmer verwendet werden.

Es gibt verschiedene Hemmer für die einzelnen Metalle, und jeder hat seine Vor- und Nachteile.

  • Phosphat ist ein wirksamer Korrosionshemmer für Eisen, Stahl, Blei/Lötzinn und die meisten Aluminiumverbindungen. Es ist ebenfalls ein sehr guter Puffer für die pH-Kontrolle. Ein Nachteil von Phosphat ist seine Ablagerung mit Kalzium in hartem Wasser. Das ist ein Grund dafür, dass deionisiertes Wasser zum Lösen von Glykol-Wasser-Kühlmitteln verwendet wird.
  • Tolyltriazol ist ein weit verbreiteter und hochwirksamer Korrosionshemmer für Kupfer und Messing.
  • Mercaptobenzothiazol funktioniert ebenfalls mit Kupfer und Messing, ist aber weniger stabil als Tolyltriazol.
  • Nitrit ist ein exzellenter Korrosionshemmer für Eisen. In hohen Konzentrationen ist dieser Hemmer allerdings korrosiv für Blei/Lötzinn.
  • Silikat ist ein wirksamer Hemmer für die meisten Metalle, neigt aber zur Bildung von dicken Ablagerungen in Kühlsystemen. Rosthemmer in Kfz-Frostschutzmitteln können zum frühzeitigen Versagen der Pumpendichtungen führen.
  • Chromate und lösliche Öle wurden in der Vergangenheit verwendet, aber wegen ihrer Toxizität sind sie heute kaum noch in Gebrauch. Sie sind durch moderne Hemmer ersetzt worden.

Summary

Obwohl wir Korrosion nicht vollständig verhindern können, gibt es Möglichkeiten, sie beträchtlich einzuschränken. Durch die Auswahl geeigneter Materialien für die Flüssigkeitswege, Überwachung der chemischen Eigenschaften der Lösungen (insbesondere pH-Werte und Wasserqualität) und durch Auswahl der richtigen Hemmer können Sie korrosionsbedingte Kosten auf ein Minimum reduzieren und den effektiven Betrieb Ihrer Flüssigkühlschleife über Jahre gewährleisten.

1"Korrosion verhindern". Kühlprozess und Ausstattung. Juli 1, 2005.

2 "Technische Einblicke in Ethylenglykol ohne Zusatz von Korrosionshemmern". Kühlprozess und Ausstattung. Juli 1, 2002.