顏圣綠，劉志孝，王磊

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

微通道換熱器耐中性鹽霧腐蝕特性的試驗(yàn)研究

顏圣綠*，劉志孝，王磊

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

通過對(duì)空調(diào)用全鋁微通道換熱器進(jìn)行鹽霧腐蝕試驗(yàn)，分析腐蝕對(duì)換熱器的換熱性能、風(fēng)阻、外觀等影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加速腐蝕后換熱器的翅片脫離扁管、翅片易折，兩者幾乎同時(shí)在局部發(fā)生；鋁翅片由銀色變?yōu)榘祷疑桓g持續(xù)30天時(shí)換熱性能衰減18%，而50天時(shí)衰減38%；風(fēng)阻在30天時(shí)增加為原來的4倍，之后趨于穩(wěn)定。

腐蝕；微通道換熱器；傳熱

0　引言

微通道換熱器應(yīng)用從最初的電子元件冷卻到汽車空調(diào)，然后進(jìn)入家用、商用制冷空調(diào)等領(lǐng)域［1-3］。相對(duì)于傳統(tǒng)的銅鋁翅片管換熱器，它具有傳熱高效、結(jié)構(gòu)緊湊、重量小、充注量少、成本優(yōu)勢明顯等特點(diǎn)，帶來換熱器及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。

微通道換熱器多由廉價(jià)的鋁材構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單（見圖1）。以行業(yè)內(nèi)常用的薩帕扁管材料AA3102（H112）為例，其電位約為-755 mV，常用的格朗吉斯翅片材料 AA3003，電位約為-800 mV，電位差約為45 mV，而材料間電位差小于50 mV時(shí)，電偶腐蝕的趨勢弱到可以忽略［4］。盡管如此，在海鹽離子豐富、濕度高的海洋大氣環(huán)境下服役的飛機(jī)鋁合金零件產(chǎn)生腐蝕，對(duì)腐蝕縫中掉落的腐蝕產(chǎn)物成分分析，發(fā)現(xiàn)有占比0.5%～1.7%的氯離子，分析是由點(diǎn)蝕引起后期的剝離腐蝕［5］。

圖1　微通道換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

腐蝕能引起換熱器表面材料結(jié)構(gòu)及成分改變,從而導(dǎo)致傳熱及空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化，當(dāng)風(fēng)速為0.5 m/s～2.0 m/s時(shí)，鹽霧腐蝕會(huì)使鋁翅片管蒸發(fā)器空氣側(cè)傳熱系數(shù)變化-20.5%～36.8%，壓降增大0～21.6%［6］。這些變化又延伸影響到整個(gè)空調(diào)制冷系統(tǒng)，帶來系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)變化，有可能超出了系統(tǒng)的運(yùn)行范圍或者使制冷系統(tǒng)運(yùn)行于臨界或者危險(xiǎn)區(qū)域，使設(shè)備壽命降低，運(yùn)行及維護(hù)成本上升等。綜合現(xiàn)有研究方向，多針對(duì)于翅片管換熱器，而微通道換熱器腐蝕影響的研究試驗(yàn)周期較短，因此本文就腐蝕對(duì)微通道換熱器的傳熱、風(fēng)阻及失效過程特點(diǎn)進(jìn)行較長時(shí)間的綜合評(píng)估研究。

1　試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)樣品

為提高試驗(yàn)可信度，取2個(gè)樣品作為平行試樣（編號(hào)為1#和2#）進(jìn)行試驗(yàn)，如圖2所示，樣品進(jìn)出口焊接銅管及接頭以備泄漏檢測及性能檢測，銅鋁連接處用硅烷密封劑密封，防止銅鋁連接處提前失效。樣品參數(shù)詳見表1。

圖2　微通道換熱器試樣

表1　樣品規(guī)格

1.2試驗(yàn)設(shè)備

1.2.1鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱

試驗(yàn)箱（見圖 3）為志翔試驗(yàn)設(shè)備有限公司提供的型號(hào)ZXDR-1600L，箱內(nèi)溫度可控，溶液泵及霧化器可實(shí)現(xiàn)持續(xù)鹽霧噴淋，頂蓋嵌有可視窗口，試驗(yàn)箱符合GBT 5170.8-2008電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)方法鹽霧試驗(yàn)設(shè)備［7］的要求，可以進(jìn)行持續(xù)噴淋的中性鹽霧試驗(yàn)。

圖3　鹽霧箱

1.2.2換熱器試驗(yàn)臺(tái)

圖4所示為制冷系統(tǒng)部件綜合性能試驗(yàn)臺(tái)測試現(xiàn)場，可以進(jìn)行換熱器、壓縮機(jī)、閥等系統(tǒng)部件性能測試，對(duì)換熱器的性能測試以空氣側(cè)焓差法為主，制冷劑側(cè)為輔，主輔測量偏差≤5%，試驗(yàn)臺(tái)重復(fù)性（1次裝機(jī)，連續(xù)3次測量）誤差≤±1.5%。試驗(yàn)測量的主要儀器參數(shù)見表2。

圖4　換熱器傳熱試驗(yàn)現(xiàn)場

表2　試驗(yàn)儀表量程及精度

1.3試驗(yàn)方法

測試以腐蝕試驗(yàn)為主，試驗(yàn)過程中定期取出烘干，對(duì)腐蝕形貌觀察記錄并進(jìn)行樣件泄漏檢查，然后進(jìn)行傳熱和風(fēng)阻性能測試。

1.3.1腐蝕試驗(yàn)

為模擬實(shí)際大氣環(huán)境應(yīng)用時(shí)的腐蝕情況而進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)，預(yù)估產(chǎn)品壽命，需要針對(duì)換熱器的材料、使用環(huán)境等選擇合適的測試方法（標(biāo)準(zhǔn)）。全鋁微通道換熱器可以采用NSS、AASS、CASS、ASTM G85、GJB 150.11A-2009 A1等規(guī)定的試驗(yàn)方法。自腐蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)形成以來，很多材料都以中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)來評(píng)價(jià)，積累的腐蝕數(shù)據(jù)多，可參考對(duì)比性強(qiáng)，而且試驗(yàn)溫度 35 ℃，pH值 6.5～7.2，鹽霧溶液為（50±5）g/l的NaCl溶液，試驗(yàn)相對(duì)簡單，所以選擇中性鹽霧腐蝕（NSS）測試。詳細(xì)試驗(yàn)要求參考GB/T 10125-2012人造氣氛腐蝕試驗(yàn)：鹽霧試驗(yàn)［8］。

1.3.2傳熱試驗(yàn)

樣品腐蝕前后測試?yán)淠龘Q熱性能，評(píng)價(jià)腐蝕對(duì)換熱的影響程度。測試工質(zhì)選擇環(huán)保制冷劑R410A，參考 JB-T 7659.4-2013氟代烴類制冷裝置用輔助設(shè)備-第四部分：翅片式換熱器［9］要求，確定傳熱性能測試條件如表3所示，按照GB/T 23130-2008房間空調(diào)器用熱交換器［10］標(biāo)準(zhǔn)的附錄B進(jìn)行測試。

表3　換熱性能設(shè)定工況

1.3.3風(fēng)阻測試

樣品腐蝕帶來的換熱器表面粗糙度增加，一些腐蝕產(chǎn)物和鹽晶沉積附著，這都引起了空氣側(cè)的阻力變化。利用制冷系統(tǒng)綜合性能試驗(yàn)臺(tái)、排風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力、風(fēng)箱測量風(fēng)量及壓力等，在1個(gè)大氣壓，空氣干球/濕球溫度為21 ℃/15 ℃下測試，迎面風(fēng)速按照空調(diào)換熱器常用風(fēng)速范圍，設(shè)定為 1.8 m/s、2.0 m/s、2.2 m/s、2.4 m/s、2.6 m/s，試驗(yàn)測試前需要對(duì)樣品進(jìn)行烘干處理，按照GB/T 23130-2008房間空調(diào)器用熱交換器［10］標(biāo)準(zhǔn)的附錄B進(jìn)行測試。

2　試驗(yàn)分析

2.1形貌分析

試驗(yàn)前后對(duì)換熱器外觀形貌進(jìn)行記錄，從宏觀上了解腐蝕引起的變化。腐蝕試驗(yàn)前，即0天時(shí)，換熱器表面泛著銀色金屬光澤，光滑無附著物，如圖4（a）所示；腐蝕進(jìn)行30天時(shí)，腐蝕形貌如圖4（b）所示，可以看出，翅片及扁管表面金屬色澤開始消退，由銀色變?yōu)榛疑?；呈現(xiàn)白色的鹽漬及腐蝕產(chǎn)物附著于換熱器表面；用手指按壓翅片，翅片結(jié)合力明顯下降，尤其是釬焊節(jié)點(diǎn)處；當(dāng)腐蝕試驗(yàn)持續(xù)到50天時(shí)，換熱器表面顏色完全變?yōu)榘岛谏?；表面附著更多腐蝕產(chǎn)物及鹽晶，釬焊點(diǎn)處最嚴(yán)重；換熱器部分邊緣區(qū)域出現(xiàn)翅片完全脫離扁管；一些翅片出現(xiàn)易折情況；持續(xù) 78天時(shí)，換熱器表面腐蝕產(chǎn)物及鹽晶更多附著，表面泛白，翅片脫離和易折現(xiàn)象面積更大。腐蝕試驗(yàn)截止 78天，預(yù)充壓縮空氣的換熱器均未出現(xiàn)泄露。

圖4　腐蝕形貌變化

換熱器在中性鹽霧試驗(yàn)過程中失效形式主要表現(xiàn)為翅片脫離扁管與翅片易折，脫離是因?yàn)榻M成微通道換熱器的翅片、扁管、釬料電位不同，通過保護(hù)優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)，優(yōu)先保護(hù)扁管，因此電位最大，其次是釬焊點(diǎn)，最后是翅片，因此造成釬焊節(jié)點(diǎn)和翅片最先腐蝕。

2.2傳熱性能分析

圖5所示為換熱器樣品1#和2#的冷凝換熱能力變化，可以看出，隨腐蝕時(shí)間增加，換熱能力不斷下降，且衰減程度呈現(xiàn)增長趨勢；腐蝕30天后，換熱量衰減18.32%，50天后衰減38.32%。

腐蝕由表及里發(fā)生，在電位差大、氧濃度差大、敏感的區(qū)域最先開始，逐步擴(kuò)散至整個(gè)換熱器表面，隨腐蝕時(shí)間增加，腐蝕影響面越廣。腐蝕發(fā)生初期表面氧化層厚度有微小增幅，后期金屬表面腐蝕鹽類氧化物等形成沉積，如噴Zn扁管上的氧化鋅、碳酸鋅等［11］，翅片與釬焊節(jié)點(diǎn)表面的Al（OH）3、Al（OH）xCl3-x（x≤3）等。鹽類及氧化物導(dǎo)熱系數(shù)一般在10-1以下的數(shù)量級(jí)，而鋁的導(dǎo)熱系數(shù)在102數(shù)量級(jí)，因此傳熱性能下降。隨著腐蝕進(jìn)行，處于腐蝕敏感區(qū)域的釬焊節(jié)點(diǎn)處結(jié)合力下降，原來的冶金結(jié)合點(diǎn)變?yōu)楦g產(chǎn)物附著點(diǎn)，且鹽類產(chǎn)物容易吸潮膨脹，加劇了節(jié)點(diǎn)脫離，翅片與扁管接觸面積減小，如圖6所示，帶來換熱性能迅速下降。

圖5　冷凝換熱量變化

圖6　換熱器釬焊節(jié)點(diǎn)腐蝕變化示意圖

2.3傳熱系數(shù)變化

根據(jù)傳熱公式、試驗(yàn)測得的換熱量、管外表面面積，以及空氣流通換熱器前后溫度和制冷劑飽和溫度計(jì)算的對(duì)數(shù)平均傳熱溫差，得到總傳熱系數(shù)的計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：

Q——換熱量，W；

k——總傳熱系數(shù)，W/m2·℃；

A——換熱器管外表面積，m2；

ΔTm——換熱流體間的對(duì)數(shù)平均溫差，℃。

腐蝕試驗(yàn)前后 1#和 2#樣品的傳熱系數(shù)衰減變化如圖7。曲線顯示，隨腐蝕持續(xù)，傳熱系數(shù)下降，30天時(shí)衰減了16%～17%，50天時(shí)衰減了36%～38%。引起這些變化的主要原因是換熱器熱阻增加，如腐蝕性物質(zhì)附著、翅片與換熱管松動(dòng)脫離等。

圖7　換熱系數(shù)衰減曲線

2.4風(fēng)阻分析

圖8所示為1#和2#換熱器樣品風(fēng)阻隨腐蝕時(shí)間變化曲線。由圖可知，風(fēng)阻隨迎面風(fēng)速增加而增加，腐蝕引起換熱器風(fēng)阻急劇升高，30天后阻力增加為原來的4倍，之后趨于穩(wěn)定。風(fēng)阻增加是因?yàn)楦g造成換熱器表面腐蝕產(chǎn)物和鹽晶附著，引起表面粗糙度增加，空氣流通通道變小，同樣風(fēng)量下，通道空氣流通速度增加，阻力增加。隨著試驗(yàn)進(jìn)行，表面腐蝕產(chǎn)物覆蓋換熱器表面，阻止腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生，如圖4所示，因此對(duì)風(fēng)阻的影響減弱，趨于穩(wěn)定。

圖8　腐蝕對(duì)換熱器阻力的影響曲線

3　結(jié)論

1）微通道換熱器中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)后，腐蝕產(chǎn)物及鹽晶附著于換熱器表面，尤其是釬焊節(jié)點(diǎn)處，導(dǎo)致翅片脫離扁管且易折。

2）腐蝕產(chǎn)物導(dǎo)熱性能迅速下降，帶來空氣側(cè)傳熱系數(shù)下降，換熱性能衰減，30天時(shí)冷凝換熱衰減18%，50天時(shí)衰減38%。

3）腐蝕產(chǎn)物附著于換熱器表面，表面粗糙度增加，且流通截面降低，流速上升，引起風(fēng)阻增加，30天時(shí)變?yōu)樵瓉淼?倍，之后趨于穩(wěn)定。

［1］ 汪年結(jié), 王穎, 李峰, 等. 微通道換熱器在家用空調(diào)上的應(yīng)用研究［J］. 制冷技術(shù), 2014, 34（2）: 47-50.

［2］ 李峰, 徐博, 楊濤, 等. 家用空調(diào)微通道換熱器流量分配特性研究［J］. 制冷技術(shù), 2012, 32（9）: 13-17.

［3］ 葛方根, 汪峰, 鐘建法, 等. 采用微通道冷凝器的商用空調(diào)系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)研究［J］. 制冷技術(shù), 2014, 34（2）: 16-19.

［4］ 林玉珍, 楊德鈞. 腐蝕和腐蝕控制原理［M］. 北京: 中國石化出版社, 2007.

［5］ 黃領(lǐng)才, 谷岸, 劉慧叢, 等. 海洋環(huán)境下服役飛機(jī)鋁合金零件腐蝕失效分析［J］. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 34（10）: 1217-1221.

［6］ 浦暉. 翅片管蒸發(fā)器空氣側(cè)長效傳熱與壓降特性研究［D］. 上海: 上海交通大學(xué), 2011.

［7］ GB/T 5170.8-2008 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)方法鹽霧試驗(yàn)設(shè)備［S］.

［8］ GB/T 10125-2012 人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)［S］.

［9］ JB-T 7659.4-2013 氟代烴類制冷裝置用輔助設(shè)備-第四部分: 翅片式換熱器［S］.

［10］ GB/T 23130-2008 房間空調(diào)器用熱交換器［S］.

［11］ 章小鴿. 鋅的腐蝕與電化學(xué)［M］. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2008.

Experimental Investigation on Performance of Neutral Salt Spraying Resistance for Microchannel Heat Exchanger

YAN Sheng-lü*, LIU Zhi-xiao , WANG Lei
（Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai, Zhuhai, Guangdong 519070, China）

Neutral salt spraying（NSS）tests were taken to analyze the corrosion influence on the performance, the air resistance and the appearance in the aluminium microchannel heat exchanger for air conditioners. It was found that, the fins in the quickly corroded heat exchanger depart from the flat tubes, and are easily broken； these phenomena occur almost at a certain local part at the same time； the argent aluminium fins would turn to taupe. The performance of the heat exchanger was decreased by 18% and 38% for the continuous corrosion time of 30 and 50 days, respectively. The air resistance was increased up to 4 times of the original values after 30 days, and then became to be steady.

Corrosion； Microchannel heat exchanger； Heat transfer

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.05.104

*顏圣綠（1987-），女，助理工程師，學(xué)士。研究方向：制冷空調(diào)設(shè)備。聯(lián)系地址：廣東珠海香洲前山金雞西路。聯(lián)系電話：18023036790。E-mail：cfflu820@163.com。