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使用耐腐蝕材料的玻璃鋼冷卻塔

傳統的玻璃冷卻塔是一種開放式的直接與外界環境接觸的冷卻設備。玻璃鋼冷卻塔將材料暴露在一個獨特的惡劣容易造成腐蝕環境中,腐蝕帶來了特殊的挑戰。每個冷卻塔必須承受不確定的水化學,高溫,恒定飽和度和連續自然曝氣的綜合腐蝕作用。此外,許多冷卻塔還必須應對其循環水中的潛在有害物質以及各種空氣污染物,如硫氧化物(SOx)和酸雨。只有仔細選擇材料才能顯著延緩或防止腐蝕的不利影響。有效的維護和水處理有助于延長任何冷卻塔的使用壽命,但只有在規格和安裝階段的良好選擇才能提供最長的使用壽命。
 
本文概述了現代暖通空調冷卻塔中使用的耐腐蝕材料,包括對用于選擇這些材料的標準的解釋以及對其演變的簡要歷史回顧。本討論和隨后的“正常”條件的定義將提供一個框架,以幫助評估冷卻塔供應商提供的各種材料在各種類型的裝置上的適用性。最后,本報告包括制定冷卻塔規格的材料要求部分的建議指南。

耐腐蝕玻璃鋼冷卻塔
 
什么是冷卻塔腐蝕
腐蝕定義為自由元素,離子或化合物(空氣或水溶液)與基礎材料的化學或電解反應,導致基材重量損失或基材損失物理性質。根據這個非常一般的定義,鋼部件上的銹蝕和對選擇不當的聚合物的化學侵蝕都被認為是腐蝕的形式。
 
存在大量描述各種來源的腐蝕機理的文獻。出于這個原因,這里沒有嘗試重復這些解釋。
一般而言,當基礎材料暴露于化學或電解不相容的物質時,很可能發生腐蝕,該物質必須以足夠的濃度存在以引發反應,在足夠的時間內使反應明顯進行,并且在反應將自發發生 - 即,不添加外部催化劑或外部熱源。適當的材料選擇包括仔細審查可能存在于給定冷卻塔中的特定腐蝕劑,冷卻塔中發生的條件以及所考慮材料的化學和物理性質。
 
例如,僅僅存在腐蝕劑,例如氯離子,即使在保護不良的鋼部件上也不足以引發顯著的腐蝕。在發生可測量的鋼降解之前,氯化物必須以足夠的濃度直接與未受保護的鋼接觸。在討論下面出現的“正常”情況時,這種區別將變得很重要。
材料選擇注意事項大多數人都非常熟悉鍍鋅冷卻塔,木質冷卻塔或玻璃纖維冷卻塔的一般概念。然而,這些描述僅適用于冷卻塔結構本身的部分,而各種不同的材料用于其他部件。讓我們回顧一下冷卻塔結構中使用的主要材料,并描述引導冷卻塔設計者使用這些材料的主要考慮因素。
 
對于此討論,請將冷卻塔視為具有三個不同的區域,每個區域都具有獨特的操作環境并具有自己的應用負載。這三個區域是結構,填充(傳熱介質)和“其他”組件,例如水分配和機械組件。
 
用于暖通空調項目的冷卻塔常用的結構材料包括鍍鋅鋼,不銹鋼和玻璃纖維(實際上是玻璃纖維增強聚酯的基質,本報告中使用術語“玻璃纖維”來描述復合材料 - 通常也稱為FRP) 。
 
冷卻塔實際上是在結構的各個部分中使用這些材料的一些組合的混合物。例如,帶有不銹鋼收集盆的鍍鋅冷卻塔是常見的。玻璃纖維外殼偶爾用于鍍鋅和不銹鋼冷卻塔。所有冷卻塔都用硬件螺栓連接在一起,硬件可以鍍鋅或鍍碳鋼或不銹鋼制成各種合金。
 
在選擇合適的材料時,設計者通常會考慮施加的載荷,暴露于腐蝕劑的類型,成本和可制造性(最終作為產品成本出現)。對每個冷卻塔中的每個部件施加的負荷是唯一的,因此這里將忽略它們。
 
結構部件的暴露可能會有所不同最終,取決于組件在冷卻塔內的位置。具有高水流速度的冷卻塔的部分,例如填充區域和開放的熱水分配盆,接收幾乎恒定的溫水浴,這傾向于阻止腐蝕產物的積聚。另一方面,冷水收集盆充當流速非常低的儲層,腐蝕劑有足夠的機會與盆地材料發生反應。冷卻塔增壓室部分,其中空氣在離開冷卻塔之前離開填充區域,傾向于在飽和期和相對干燥的條件期間交替。然而,在壓力通風系統中收集的水分通常是來自流出水蒸氣的冷凝物,其不含溶解的固體。
 
比較由這些材料制成的冷卻塔的成本并不總是容易的,因為它們的結構能力差別很大。對于每個爐膛及以下大約1500噸的冷卻塔,鍍鋅鋼具有固有的成本優勢,因為它有助于制造工廠組裝的單元。通常,具有FRP結構的冷卻塔比鍍鋅鋼稍貴,而不銹鋼更昂貴。木材和拉擠型FRP是一種實用材料,僅在該范圍的頂部附近,因為所需的現場勞動力通常非常昂貴。對于每個風扇電池超過1500噸的冷卻塔,木材成為最便宜的替代品,其次是鍍鋅鋼,玻璃鋼和不銹鋼。
 
硬件選擇通常與結構材料選擇一致。涂層碳鋼是最便宜的并且適用于大多數條件,假設涂層已經適當選擇和應用。 300系列不銹鋼以更高的價格提供額外的耐腐蝕性,而316不銹鋼以更高的價格提供更大的阻力。
 
拉擠FRP在典型的現場安裝的逆流冷卻塔中
 
橫流設計中的鍍鋅鋼結構和玻璃鋼外殼
鍍鋅鋼、不銹鋼,FRP和PVC使這個冷卻塔幾乎能達到絕對的防腐蝕
 
如果循環水中可能含有纖維狀,油脂狀,脂肪狀或焦油狀的懸浮固體,則應完全避免薄膜填充。這些類型的異物傾向于堵塞薄膜填充板之間的相對窄的通道,從而阻止填充板表面上的空氣和水的適當混合。 Splashtype填充為這種不尋常的項目提供了可接受的服務。飛濺填充物可以是木材,PVC或聚丙烯。同樣,PVC通常是首選材料,除非單個裝置上的某些其他條件決定不使用它。
 
其他組件使用具有非常適合其應用的特性的特定材料。例如,水分配噴嘴可以是聚丙烯,ABS或玻璃填充尼龍。這些材料在這種應用中表現良好,因為它們具有固有的抗化學侵蝕性,并且具有優異的抗侵蝕性。在飽和環境中必須承受極高操作負荷的風扇葉片通常是鋁合金,玻璃纖維增強聚酯,玻璃纖維增強環氧樹脂或玻璃纖維增強乙烯基酯。嚴苛的條件可能決定不銹鋼替代某些涂層碳鋼五金件和機械部件。然而,即使在最惡劣的條件下,對于大多數這些“其他”組件來說,微小的變化通常也足夠了。
 
冷卻塔材料的簡史今天的水冷卻塔與20世紀20年代和30年代的技術先驅幾乎沒有什么相似之處。蒸發冷卻設計的原始實例主要是木結構,通常是未經處理的紅木,含有一系列黃銅或青銅噴嘴,將水分散到木質集水盆上方的開放壓力通風系統中。幾年后,現場出現木屑飛濺,提高了傳熱效率。冷卻塔很大,而且一般來說,腐蝕比木材腐爛要小得多。
 
到20世紀40年代后期,水冷空調系統的新興市場需要比舊木制龐然大物更便宜和更標準化的產品。在這個新市場的指令中,工廠組裝和符合消防法規,然后在許多大城市變得越來越普遍。碳鋼成為滿足這些要求的首選材料。
 
早期的設計師認識到腐蝕會迅速破壞冷卻塔氣氛中未受保護的碳鋼。因此,他們選擇采用犧牲型涂層,通常是鍍鋅,以保護下面的材料。自那時以來,鍍鋅鋼在業內被廣泛認可為大多數暖通空調冷卻塔在“正常”條件下的首選材料。主要制造商在過去幾年中已經對G-235軋機電鍍進行了標準化尖嘯聲。名稱G-235指的是每平方英尺鋼的2.35盎司鋅涂層的涂層施加率,作為兩側的總量,這意味著每邊的標稱涂層厚度為2.0密耳(.002“)。偶爾供應商仍可提供標稱厚度僅為0.8密耳的G-90鍍鋅。僅比較鋅厚度,G-235鍍鋅提供的保護時間是G-90的2.6倍,而最終用戶只需要很少的額外成本。
 
不銹鋼在邏輯上作為嚴重暴露的材料,并且今天作為適當尺寸的冷卻塔的適當材料受到腐蝕性氣氛或潛在有害的水化學作用仍然很受歡迎。
 
由間苯二甲酸聚酯樹脂配制的玻璃纖維增強聚酯已成為暴露于所有類型環境的HVAC冷卻塔的結構材料。 FRP設計的主要挑戰始終是使生產成本與其他材料保持一致,同時獲得合適的截面特性。填充材料通過類似的進化發展而來。 PVC,聚丙烯和其他聚合物在很大程度上取代了飛濺填充冷卻塔中的木質填充棒。
 
傳熱技術的進步導致逐漸接受由一些成形材料的平行板組成的薄膜填充物。早期的薄膜填充物是由各種易于形成的材料制成的,后來發現這些材料缺乏一種或多種對HVAC冷卻塔長期有效使用必不可少的特性。除了極少數高溫應用(120°-125°F以上)外,PVC作為所有類型HVAC項目的薄膜填充行業標準材料已獲得普遍認可。
 
聚丙烯,ABS和玻璃纖維填充的尼龍已經在很大程度上取代了早期冷卻塔的青銅噴嘴。 PVC和玻璃纖維管道已經取代了冷卻塔內的大多數鋼鐵管道。在較大的冷卻塔上,FRP風扇氣缸用于曾經常見的層壓木材。
這些改進都提供了更高的防腐蝕性能和更長的使用壽命,同時降低了產品成本。
 
現代化的冷卻塔采用玻璃纖維,不銹鋼和PVC等建筑材料
“正常”條件絕大多數HVAC和輕型到中型工業冷卻塔應用的水質和環境條件允許使用前述材料從標準冷卻塔結構獲得可接受的使用壽命。與這些“正常”條件的顯著偏差通常需要替代材料選擇。在大多數情況下,以下標準定義“正常”條件。
標準冷卻塔設計假定冷卻塔的熱水最高為120°F,包括系統擾動條件。溫度超過120°,即使持續時間很短,也可能對PVC填料,許多熱塑性組件和鍍鋅鋼造成破壞性影響。那些要求超過120°F的熱水的稀有應用通常受益于冷卻塔制造商的仔細審查,以確保從標準配置中適當的材料變化包含在初始購買規范中。
“正常”循環水化學屬于以下限制(注意循環水和補給水之間的區別):
pH值在6.5和8.0之間,但如果不存在鍍鋅鋼,則pH值可降至5.0。低pH值會侵蝕鍍鋅鋼,混凝土和水泥制品,玻璃纖維和鋁。高pH值會侵蝕木材,玻璃纖維,鋁和鍍鋅鋼。
?對于鍍鋅鋼冷卻塔,氯化物(表示為NaCl)低于750ppm,500ppm。 鈣(以CaCO3計)低于1200ppm-除了干旱氣候,其中水垢形成的臨界水平可能低得多。
如果鈣超過1200ppm,硫酸鹽應限制在800ppm(在干旱氣候中較少)以防止結垢。鍍鋅鋼冷卻塔限制在250 ppm。
硫化物低于1 ppm。 二氧化硅(作為SiO2)低于150ppm。 ?鐵含量低于3 ppm。
錳低于0.1 ppm。
朗格利爾飽和指數介于0.0和+ 1.0之間的負LSI表明可能存在腐蝕;陽性表明CaCO3可能會結垢嗎?
 如果固體是磨料,則懸浮固體低于150 ppm  - 如果固體是纖維狀,油脂狀,脂肪狀或焦油狀,則應避免填充薄膜(參見填充材料的討論)。
總溶解固體低于5000 ppm,如果超過5000 ppm可能導致熱性能降低。
如果油和油脂存在油脂,則會出現低于10 ppm的油脂或熱性能損失 - 避免薄膜填充。
沒有有機溶劑。
沒有有機營養素可以促進藻類或粘液的生長。
用于間歇處理的氯(來自水處理)低于1 ppm的游離殘留物;低于0.4 ppm的游離殘留物用于連續氯化。
 
這些條件定義了正常的循環水,包括由循環w引起的化學濃縮效應達到預定數量的濃度。
冷卻塔中的大部分熱傳遞通過蒸發一部分循環水而發生。蒸發的水作為純化蒸汽離開冷卻塔,留下溶解固體的負荷,其濃縮在循環水中。大多數操作人員通過將計算部分的循環水傾倒到儲罐或下水道來控制濃度的數量,這個過程通常被稱為“排污”。有關詳細說明以及用于計算排污量的公式,請參閱冷卻塔基礎知識。這里足以認識到補給水(通常是城市供水)將集中在冷卻塔上。凈效應是冷卻塔將暴露于腐蝕劑的濃度,腐蝕劑是其在化妝品供應中的濃度的倍數。這種濃縮效果的結果可能導致一些條件表明某些材料應該比標準冷卻塔上使用的材料更耐腐蝕。
 
與正常水的偏差通常是區域性的,并且在該區域內廣泛已知必要的調整。類似地,大多數冷卻塔用戶在3-5個循環濃度范圍內操作其冷卻塔。然而,諸如供水或下水道使用限制等區域性問題可能會導致非常高的循環水濃度。在任何一種情況下,不熟悉這些條件對冷卻塔的影響的工程師將受益于與一個或多個知識淵博的冷卻塔供應商討論具體應用。
 
可能要求使用非標準建筑材料的常見環境條件包括靠近鹽水體,腐蝕性蒸汽(如化學或鋼鐵廠)的存在以及以SOx,硫化氫形式存在的異常密集的空氣污染(H2S)或潛在的腐蝕性微粒。再一次,不熟悉這些條件的工程師通常會在項目的規范階段咨詢Marley銷售代表。
說明者指南如前所述,大多數項目符合“正常”條件的定義。實際上,使用標準材料的標準冷卻塔,此類別中的所有項目都將享有較長的使用壽命。
 
超出這些限制的冷卻塔在規格階段需要更加小心。
區域性問題的解決方案,例如不尋常的當地水化學或接近鹽水,通常是眾所周知的。更加不尋常的條件可能需要更加注重細節,以確保冷卻塔在合理的使用壽命內成功運行。
對于所有這些情況,以下指南通常會確保冷卻塔用戶將獲得一個冷卻塔,以合理的價格提供長期耐腐蝕服務:
  指定適合現場條件的冷卻塔。如果條件“正常”,標準冷卻塔將很好地服務。由其他材料制成的冷卻塔可能適合于滿足其他設計考慮 - 例如建筑美學 - 但在這些情況下腐蝕防護不是決定因素。如果條件更嚴重,請選擇性地選擇材料。
?指定真實的設計條件。通常,為最可能的情況準備規范,而不是最壞的情況。例如,溫度偏移超過120°-125°F,持續相當長的時間需要大量且昂貴的材料變化。除非一些可能的事件序列可能導致其發生,否則不要指定這樣的條件。類似的邏輯適用于循環水供應中腐蝕劑的潛在累積。
 
任何適用的當地火災或建筑規范。有些代碼實際上排除了FRP結構,其他代碼強加了最大火焰蔓延等級,還有一些沒有限制。在規范階段徹底定義這些要求將有助于避免在驗收過程中出現任何可能的障礙。
從上述討論中可以看出,例如,對“全玻璃纖維冷卻塔”的要求實際上毫無意義。規范應定義主要材料要求,以便在冷卻塔到達作業現場時不會出現意外情況。典型的規范要求應定義結構材料要求,結構硬件材料要求,填充材料要求以及工程師在特定類型的安裝中使用冷卻塔的經驗所建議的任何其他特定要求。
 
不要過度指定。如果研究表明兩種或多種材料看起來合適,請在規范中使用所有適當的材料。讓冷卻塔供應商選擇能夠提供最經濟有效的材料每個特定安裝的解決方案。
 
對于特殊情況,請根據條件請求選擇。當最佳選擇不明確時,不是任意指定材料,而是向潛在供應商提供現場條件的列舉。包括補給水分析,濃度循環次數,使用的水處理類型,設計冷熱水溫度,以及盡可能完整地描述冷卻塔周圍的大氣。仔細檢查材料建議,牢記經濟和服務生活中經常出現的相反目標。根據最合理的建議準備最終規范。
 
遵守規范。一旦定義了適當的材料,要求最終產品選擇符合這些要求。如果現場條件要求使用更耐腐蝕的材料,例如FRP結構,則可以合理地預期至少一個潛在供應商將為更標準的冷卻塔提供更低的價格。從長遠來看,冷卻塔用戶通常會支付更多費用,但維護成本較高,冷卻塔更換成本可能較高。
 
最近的過去在冷卻塔技術的所有領域都取得了快速進展。從用戶的角度來看,最引人注目的改進可能是本文所述的各種耐腐蝕材料的引入和廣泛應用。材料研究和水處理研究的步伐繼續加快。



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