TECHNIEK  
Cool and Comfort 84 – februari 2020

Corrosie bij luchtkoelers effectief tegengaan

De beste warmtewisselaar werkt op den lange duur niet goed als zijn materiaal niet is aangepast aan de omgeving. In het slechtste geval kan dat er toe leiden dat een apparaat, of delen ervan, in korte tijd corroderen en voortijdig moeten worden vervangen. Deze tekst geeft een overzicht over corrosie aan warmtewisselaars, gaat in op potentiële gevaren en laat mogelijkheden zien rond hoe corrosie bij luchtkoelers effectief kan worden bestreden.

Dr. Andreas Zürner, Forschung, Güntner GmbH & Co. KG

Alleen al het gegeven dat geen enkel gebruiksmetaal in de natuur in noemenswaardige hoeveelheden, dat wil zeggen: in de pure vorm voorkomen, laat zien dat zelfs corrosiebestendige metalen zoals koper of aluminium op den duur vatbaar zijn voor milieu-invloeden. Met andere woorden: ze corroderen. Eenvoudig gesteld, verloopt bij deze vorm van corrosie de chemische reactie van het productieproces in omgekeerde richting. Zo worden metalen en legeringen weer erts, waaruit ze oorspronkelijk gewonnen werden. Voorbeelden hiervan zijn aluminiumoxide of kopersulfiet. Dit proces geschiedt in de regel uiterst langzaam en is nauwelijks merkbaar – het is vooral goed te zien bij koperen daken en aluminium gevels. Juist bij luchtkoelers kan, door de gebruiksomstandigheden, de corrosie zo sterk versneld worden dat binnen korte tijd prestatieverlies en zelfs lekkages op kunnen treden.

Daartoe een uitstapje naar de scheikunde: op microscopisch niveau is het oppervlak van een metaal niet statisch, maar continu aan verandering onderhevig. Terwijl de atomen aan de binnenkant van alle kanten zijn omsloten door andere metaalatomen en zodoende hun elektronen volledig kunnen verzadigen, ontbreekt het de atomen aan de oppervlakte gedeeltelijk aan de daarvoor benodigde partners. Ze behelpen zich door moleculen uit de omgeving aan de oppervlakte van de vaste stof te binden. De oppervlakte-atomen gaan daarbij deels weer nieuwe verbindingen met deze moleculen aan en verliezen daarmee hun metaalkarakter. Bij alle gebruiksmetalen leidt dit er toe dat er aan de lucht of onder water binnen korte tijd een dun laagje wordt gevormd. Of het daarbij gaat om de eerste stappen van corrosie, hangt van verschillende factoren af. Afhankelijk van de metaalsoort en de omgeving kan deze laag de corrosie namelijk sterk vertragen (bijvoorbeeld aluminium) of ook een nauwelijks merkbare invloed hebben op de snelheid van de chemische processen die zich aan de oppervlakte van het metaal afspelen (bijvoorbeeld ongelegeerd staal).

De ene corrosie is de andere niet

Bij warmtewisselaars spelen van de in DIN EN ISO 8044 beschreven 56 vormen van corrosie met name vijf vormen een rol:

1. Gelijkmatige oppervlaktecorrosie;

2. Putcorrosie (putvormige corrosie);

3. Niet-uniforme corrosie;

4. Spleetcorrosie;

5. Contactcorrosie. (galvanische corrosie) Zie afbeeldingen.

De bovengenoemde corrosiesoorten zijn allemaal terug te voeren op hetzelfde basisprincipe, namelijk die van de elektrochemische corrosie. Op de oppervlakte van het metaal vinden telkens twee deelreacties plaats. Aan de ene kant geeft het metaal aan de anodekant twee deelreacties die door andere reactoren van de kathodekant worden opgenomen. Meestal is de reactor zuurstof.

O2 + 4e- + 2H2O  4 OH-

Water speelt in dit proces een bijzondere rol. Het kan zouten oplossen en kan ionen geleiden. Daarmee dient het als elektrolyt.

Rondom een warmtewisselaar is er altijd water voorhanden: of dat nu in de vorm van condens, regen of luchtvochtigheid is. Hoe langer en hoe vaker de vochtigheid op een oppervlakte inwerkt, des te sneller verloopt het corrosieproces. Iets soortgelijks geldt voor de temperatuur. Hoe hoger deze is, des te sneller verloopt het corrosieproces. Dit betekent dat luchtkoelers in normale en koele ruimtes sterker moeten worden beschermd dan vergelijkbare apparaten die zich in vriesruimtes bevinden.

Of een metalen oppervlakte corrodeert of een beschermingslaag vormt, hangt af van wat er met de metaalatomen gebeurt en welke elektronen worden afgegeven. Slechts een deel van deze positief geladen metaalionen lossen in water op. De rest reageert met in elektrolyten voorhanden, negatief geladen ionen, tot metaalzouten en vormt aan de anodekant een toplaag. Als deze slecht blijven hechten en poreus zijn, dan kunnen zuurstof en water vrijwel ongehinderd op het metaal inwerken en het steeds verder oplossen. Voorbeelden hiervan zijn de kenmerkende roestbruine plekken die zich op onderdelen van ongelegeerd staal vormen en voor een deel zelfs vanzelf afbladderen. Of groene uitslag die ontstaat als azijnzuren op koper inwerken en in niet onaanzienlijke mate oplosbaar is in water.

Hecht de toplaag echter goed en is deze zo gesloten dat de elektrolyt nauwelijks in staat is om tot de metaaloppervlakte door te dringen, dan worden de corrosieprocessen aanzienlijk vertraagd. Een zeer bekende vorm van zo’n beschermende toplaag is de patina die bestaat uit kopersulfaat, die – in tegenstelling tot kopergroen – nauwelijks oplosbaar is in water.

Passieve laag

Zogenaamde passieve lagen functioneren op dezelfde manier als koperpatina, maar ze zijn dunner. Deze vormen zich in korte tijd op bijvoorbeeld blank aluminium en chroomhoudend edelstaal (in het dagelijks spraakgebruik ook wel aangeduid als roestvrij staal). Deze – deels slechts enkele nanometers dikke – oxidelaag is een uiterst effectieve bescherming tegen corrosie. Er zijn echter twee beperkingen, waarmee rekening dient te worden gehouden. De oxidelagen zijn niet bij alle pH-waarden stabiel. Dat is de reden dat in zijn algemeenheid voor aluminium wordt geadviseerd om deze alleen bij pH-waarden tussen 4,5 en 8,5 te gebruiken. Tegelijkertijd vormt de oxidelaag, evenals de oppervlakte van het metaal, een zeer actieve grenslaag, die voortdurend verandert en probeert alle mogelijke ionen, die zich in de elektrolyten bevinden, aan zich te binden. Als op deze manier chloriden in de oxidelaag terecht komen dan wordt deze op den duur aangetast en het daaronder liggende blanke metaal gaat oplossen. Het ionenrooster wordt daarbij meestal lokaal op losse plaatsen aangetast. In een voortgeschreden stadium is dit fenomeen zichtbaar als putcorrosie.

De lokale concentratie van de moleculaire verbindingen is van grote invloed op de snelheid van het corrosieproces. In spleten, hoeken en onder aangekoekt vuil kunnen concentraties van bepaalde stoffen duidelijk verschillen van de concentraties in de elektrolyten op andere plaatsen. Hierdoor kunnen op deze plekken een ander geleidingsvermogen en daardoor sterk afwijkende pH-waarden ontstaan. Lokaal ontstaat dan een corrosief milieu, terwijl de oorspronkelijke samenstelling van de elektrolyten geenszins als corrosief kan worden gekenschetst.

Contactcorrosie

Als twee metalen tegen elkaar bewegen – bijvoorbeeld een aluminium lamelle tegen een koperen buis – dan ontstaan anode en kathode alleen door het elektrochemische potentieel van beide metalen. Koper heeft bij pH 7,5 (neutrale waarde) een potentie van + 0,1 V en die van aluminium ligt bij – 0,7V. Koper functioneert in deze combinatie als kathode en het meer onedele aluminium als anode. Als de kathode (die elektronen aantrekt) een groot oppervlak heeft, staat de anode bij voorkeur elektronen af en de schade aan het metaal (de corrosie) in het anode deel is dan ook groter. De oppervlakteverhouding tussen kathode en anode is een belangrijke factor voor de corrosiesnelheid.

Schadelijke omgevingsfactoren

Zoals aan het begin vermeld, is ieder metaal van nature onderworpen aan milieutechnische veranderingen. Hoe snel die veranderingen plaatsvinden, wordt in belangrijke mate bepaald door de omgevingsparameters, zoals: temperatuur, vochtigheid, inwerkende chemicaliën etc.

Met name het halfedelmetaal koper wordt tegenwoordig door sulfaten, acetaten, chloriden, ammoniak, aminen, stikstofoxiden, natronlogen, hypochlorieten, formiaten e.d. zo “onedel” dat het bij aanwezigheid van zuurstof corrodeert en zich oplost. Bijzondere voorzichtigheid is daarom geboden, wanneer de warmtewisselaars gebruikt worden in een ruimte waarin met rookwaren en zuren, vis, kaas, afvalwater, gaarprocessen en agressieve reinigingsmiddelen wordt gewerkt.

Zoals hierboven reeds vermeld, verdraagt aluminium geen hoge of lage pH-waarden en ook geen grotere hoeveelheden chloriden. Zonder extra bescherming tegen corrosie is het niet geschikt voor gebruik in ruimten waarin zure levensmiddelen (dressings, vruchten) en vis worden verwerkt. Ook een maritiem klimaat is niet goed voor de levensduur. Bovendien is het niet goed als aluminium in contact komt met basische of sterk zure reinigingsmiddelen.

De hoge corrosiebestendigheid van roestvrij chroom-nikkelstaal is vooral gebaseerd op de vorming van een passieve laag van chroomoxide die zelfs tegen geconcentreerde logen en zuren bestand is. Echter: hoge concentraties aan halogeniden, zoals: fluor , chloor- en bromiumionen verstoren de vorming van deze passieve laag en maken zelfs deze staalsoorten vatbaar voor lokale corrosieverschijnselen, zoals put- of spleetcorrosie. Dergelijke hoge concentraties kunnen bij het gebruik van chloorhoudende reinigingsmiddelen (hypochloride, actieve chloor) al zeer snel worden bereikt. Om die reden moeten zelfs koelers van roestvrij staal na reiniging worden nagespoeld met voldoende vers water, omdat zich anders mettertijd chloride in spleten en andere moeilijk toegankelijke plaatsen lokaal gaat ophopen. In dat geval is al snel de kritische concentratie, vanaf welke corrosieprocessen gaan plaatsvinden, overschreden.

Maatregelen ter voorkoming van corrosie

Omstandigheden die gebruik van standaard luchtkoelers met koperen buizen, aluminium lamellen en omhulsels van verzinkt staal als gevolg van corrosie uitsluiten, vereisen passende beschermingsmaatregelen. Voorbeelden van enkele mogelijkheden zijn:

• Verhoging van de materiaalsterkte;

• Gebruik van corrosiebestendige materialen (aluminiumlegering of edelstaal) of materiaalcombinaties (koperen buis met koperen lamelle);

• Aanbrengen van een laag op afzonderlijke onderdelen of de gehele warmtewisselaar

Güntner heeft in het eigen test- en ontwikkellaboratorium uitgebreide tests uitgevoerd om de bestendigheid van verschillende materialen en materiaalcombinaties te testen. Op deze manier – en door tientallen jaren ervaring – worden de producten continu en herhaaldelijk verbeterd. Het is gebleken dat een verdubbeling van de materiaalsterkte de levensduur weliswaar flink verlengt, maar dat dit ook zijn uitwerking heeft op de prijs en het gewicht.

Indien er roestvrij staal wordt gebruikt in plaats van koper, dan wordt automatisch de corrosiebestendigheid en daarmee de levensduur verlengd. De levensduur kan, in vergelijking met een standaard apparaat, verdriedubbelen. Deze oplossing gaat gepaard met een evenredige prijsstijging. Niet in de laatste plaats, omdat er 40% meer oppervlak nodig is om een gelijke prestatie te kunnen realiseren.

Güntner Coil Defender

Bij corrosiebescherming door coating, worden bij Güntner de afzonderlijke onderdelen van de behuizing van de luchtkoeler gemoffeld. Voor de lamellen met een epoxyharslaag worden voorbehandelde aluminium banden gebruikt. In navolging van DIN EN ISO 12944 voldoet de poedercoating – afhankelijk van de sterkte van de laag – zelfs aan de hoogste eisen met betrekking tot corrosiebescherming: C5M en C5I. Zelfs een laklaag van slechts enkele micrometers dik van met epoxyhars beklede lamellen overleeft zonder problemen 500 uur in een gestandaardiseerde corrosietest: de onafhankelijke zoutsproeitest conform DIN EN ISO 9227.

De nieuwe Güntner Coil Defender is een poedercoatlaag die gelijkmatig en achteraf wordt aangebracht en die de kernbuizen, de lamellen en voorplaat voorziet van een 200 µm (0,2 mm) sterke beschermingslaag. Met deze hoogwaardige coating tot aan de kernbuizen is het mogelijk om het warmteuitwisselingsblok van koper-aluminium van een standaard luchtkoeler een zelfde corrosiebestendigheid te verlenen als dezelfde apparaten met buizen van roestvrij staal. De kwaliteit van de coating is door de door Güntner ontwikkelde productietechnologie over de gehele diepte van het blok – dus ook in de kleinste ruimtes – gewaarborgd. De Güntner Coil Defender is bovendien ook toegelaten voor hooggevoelige productie-omgevingen in de levensmiddelensector, omdat de poedercoating door TÜV Süd als “HACCP-ready” is gecertificeerd (HACCP = Hazard Analysis and Critical Control Points).

Slotconclusie

Er zijn net zo veel mogelijkheden om corrosie effectief te bestrijden als er corrosiebevorderende factoren zijn bij de verwerking van levensmiddelen. Dit is enerzijds terug te voeren op de verschillende levensmiddelen die zijn opgeslagen of verwerkt moeten worden (zeevis, vlees, kaas, fruit, azijn, pekelzout) en op de gebruikte reinigingsmiddelen die vaak agressieve, sterk zure of alkalische stoffen bevat, anderzijds. Bovendien hebben ook luchtvochtigheid en ruimtetemperatuur een beslissende invloed op de corrosieprocessen.

Bij de zoektocht naar een luchtkoeler met een lange levensduur is een hoge productkwaliteit onontbeerlijk, maar een individuele oplossing op maat van de gebruiker is alleen mogelijk als er een dialoog is tussen de betrokken partners. De eisen die aan een apparaat gesteld worden zijn om die reden afhankelijk van de branche, de betreffende gebruikssituatie en de gebruiker.

Meer informatie over het thema is te vinden in de Güntnerbrochure “Materiaaladvies” en op de Güntnerapp. Deze kunnen worden gedownload van de homepagina van Güntner.

www.guentner.com