地溫式中央空調(diào)冷媒系統(tǒng)腐蝕性

吳晉英，車春鴻，孫彩霞，張 敏，陳燕敏，徐會武，黃長山

（1.河南省科學(xué)院 能源研究所，鄭州450008；2.河南省博物院，鄭州450002）

地溫中央空調(diào)是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源（也稱地能）既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，是一種新型的節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟、可靠的空調(diào)方式。由于地下水冬熱夏冷，地溫中央空調(diào)以其為冷熱源，從而能實現(xiàn)夏季供冷，冬季供熱。由于使用方便、節(jié)能，受到用戶的歡迎。

地溫中央空調(diào)近年來的應(yīng)用日趨廣泛，但在使用過程中存在較多問題：大部分地溫空調(diào)只能利用地下水作為水源，地下水源的水量、水質(zhì)、供水穩(wěn)定性對中央地溫空調(diào)運行的穩(wěn)定性具有很大的影響，地下水質(zhì)狀況甚至?xí)芫€造成嚴重腐蝕引發(fā)事故，造成不必要的經(jīng)濟損失和環(huán)境危害。其原因是地下水的水溫一般在60℃左右，為了達到很好的冷熱交換，設(shè)備所用的銅管都比一般中央空調(diào)的管壁薄，而地下水含有大量的礦物質(zhì)和泥沙，日積月累形成污泥，造成污泥對銅管的腐蝕。

從接觸到的地溫中央空調(diào)腐蝕的案例中挑出兩個：一個是風(fēng)機盤管在使用一年后腐蝕漏水；另一個是空調(diào)主機在使用半年多后蒸發(fā)器銅管腐蝕，氟利昂泄露。為了探討其腐蝕原因，筆者進行了以下幾個方面的研究。

1 試驗

1.1 地溫空調(diào)水源水質(zhì)分析

對客戶提供的地下補充水進行了化驗，并按照國家標(biāo)準對地溫空調(diào)水源水質(zhì)進行pH、硬度、氯離子、Fe2＋、溶解氧分析，此外對標(biāo)準紫銅片做了60℃下銅的腐蝕性試驗，結(jié)果見表1。

1.2 Fe2＋對銅腐蝕試驗

由于地下水中的鐵離子主要以Fe2＋形式存在，故在實驗室通過在自來水中加入不同含量的Fe2＋做金屬銅的腐蝕掛片試驗和電化學(xué)腐蝕試驗，來驗證鐵離子對銅的腐蝕情況。

（1）失重法試驗 以自來水（水質(zhì)分析見表2）為水源，實驗室用硫酸鐵銨配成不同F(xiàn)e2＋的標(biāo)準水樣其中Fe2＋含量分別為：0mg·mL-1，0.4mg·mL-1，0.8mg·mL-1，1.0mg·mL-1，1.2mg·mL-1，1.4mg·mL-1，1.6mg·mL-1。采用紫銅標(biāo)準試片作為試驗材料，將新試片用丙酮和乙醇處理后，放在干燥器中備用。所用設(shè)備為RCC-1型旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕儀（江蘇高郵新郵儀器廠），試驗溫度為60℃，試驗時間為72h。對掛片試驗后試片用相機和SEM（JEOL 6510）進行宏觀形貌、微觀形貌及能譜分析。

（2）電化學(xué)測試 采用三電極法進行極化曲線測量。工作電極為紫銅，工作面積為0.5cm2，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為鉑電極。試驗前將試樣用砂紙逐級打磨至1000＃，直至露出光亮均勻的金屬面，自來水沖洗后用蒸餾水沖洗，濾紙吸干，無水乙醇、丙酮擦拭后放入待測體系，待穩(wěn)定后，開始極化測量，掃描范圍為從陽極到陰極（-0.1～0.1V）掃描速率為0.5mV·s-1。

表1 地溫空調(diào)補充水和冷媒水水質(zhì)

表2 自來水水質(zhì)分析結(jié)果

2 結(jié)果與討論

2.1 地溫空調(diào)水源水質(zhì)分析

按國標(biāo)GB／5950055-2007《水處理設(shè)計規(guī)范之要求》規(guī)定：工業(yè)循環(huán)水中總鐵含量小于1mg·L-1，對銅腐蝕率不大于0.005mm·a-1。由表1可見，兩種補充水中總鐵含量分別為1.27mg·L-1和1.6mg·L-1，大于國家標(biāo)準；對銅腐蝕率用銅管做分別為0.039 6mm·a-1和0.060 2mm·a-1，鐵離子含量高，對銅腐蝕率也變大。

2.2 Fe2＋含量對銅旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕結(jié)果

圖1為Fe2＋含量對銅旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕結(jié)果，從圖1可見，在［Fe2＋］≤1.4mg·L-1時，銅片的腐蝕速率以很小的速率增加，基本上成直線關(guān)系。但當(dāng)［Fe2＋］超過1.4mg·L-1時，腐蝕速率急劇增加。

圖1 水中Fe2＋含量對銅旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕結(jié)果

圖2 為掛片前后試片的宏觀形貌照片，由圖2可見，在［Fe2＋］＜1mg·L-1時，試片從宏觀形貌上看失去了紫銅本身的光澤，腐蝕不嚴重，但是當(dāng)［Fe2＋］≥1mg·L-1時，整個試片表現(xiàn)為灰色，嚴重腐蝕。

圖2 銅在不同F(xiàn)e2＋含量水中掛片后宏觀照片圖

圖3 ，圖5和圖4，圖6分別為掛片前后的SEM圖及能譜結(jié)果。由圖3可見，試片掛片前具有均勻光滑的紋理形貌。掛片后的SEM（圖4）顯示，試片表面被均勻腐蝕，并且產(chǎn)生了凸起和凹陷，且這些凸起和凹陷不規(guī)則。通過對選定區(qū)域的表面進行面掃得到原始試片和掛片后試片的能譜結(jié)果，從圖5看出原始試片表面含有大量碳、銅元素，其中部分碳來源于空氣中的吸附，其余元素為銅，表明原始試片為金屬銅。從能譜結(jié)果上還可以看到少量砷，可能為金屬銅中的雜質(zhì)元素。圖6看出掛片后有大量氧元素出現(xiàn)，但由于是面掃結(jié)果，銅和氧并不成一定的原子配比關(guān)系，說明銅沒有均勻地轉(zhuǎn)化成CuO。

2.3 Fe2＋含量對銅腐蝕電化學(xué)測試結(jié)果的影響

圖7為銅在不同F(xiàn)e2＋含量水樣中的極化曲線。由圖7可見，隨著Fe2＋含量增加，銅的極化曲線右移。表3為圖7所示的Tafel曲線擬合得出的數(shù)據(jù)。由表3可見，隨著Fe2＋含量的增加，自腐蝕電位E0負移，自腐蝕電流密度J0增加，說明銅在不同的Fe2＋溶液中表現(xiàn)出不同的腐蝕穩(wěn)定性，銅在高Fe2＋溶液中更容易被腐蝕。

圖7 Cu在不同濃度Fe2＋溶液中極化曲線圖

2.4 地下泥沙的影響

由于地溫中央空調(diào)使用的是地下水，雖然在進入空調(diào)系統(tǒng)時經(jīng)過了沉沙處理，但還是有大量的細泥沙進入蒸發(fā)器。泥沙的進入對蒸發(fā)器造成兩種損害：對銅管的腐蝕，造成管壁穿孔；由于銅管壁薄，對銅管的摩擦造成銅管壁擦傷，氟利昂泄漏情況見圖8。這是因為，地溫式中央蒸發(fā)器是銅管外面走水，管內(nèi)是氟利昂，在管外為了使水流減速，增大交換效率，在銅管外和管壁外設(shè)置很多擋流板，使水流成波浪形，從而增加了熱交換率。正是這種結(jié)構(gòu)使地溫中央空調(diào)蒸發(fā)器中積聚了大量的泥沙和污泥，在蒸發(fā)器中無法帶走，日積月累，從而造成細菌等對蒸發(fā)器的腐蝕。

表3 銅在不同F(xiàn)e2＋中擬合得到的J0和E0

圖8 蒸發(fā)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)束語

地下水中鐵離子和高泥沙不能排出是造成地溫空調(diào)蒸發(fā)器腐蝕的原因，為避免該腐蝕的發(fā)生，應(yīng)加入循環(huán)水緩蝕劑對循環(huán)水進行處理，以減少腐蝕的發(fā)生。