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使用耐腐蚀材料的玻璃钢冷却塔

传统的玻璃冷却塔是一种开放式的直接与外界环境接触的冷却设备。玻璃钢冷却塔将材料暴露在一个独特的恶劣容易造成腐蚀环境中,腐蚀带来了特殊的挑战。每个冷却塔必须承受不确定的水化学,高温,恒定饱和度和连续自然曝气的综合腐蚀作用。此外,许多冷却塔还必须应对其循环水中的潜在有害物质以及各种空气污染物,如硫氧化物(SOx)和酸雨。只有仔细选择材料才能显着延缓或防止腐蚀的不利影响。有效的维护和水处理有助于延长任何冷却塔的使用寿命,但只有在规格和安装阶段的良好选择才能提供最长的使用寿命。
 
本文概述了现代暖通空调冷却塔中使用的耐腐蚀材料,包括对用于选择这些材料的标准的解释以及对其演变的简要历史回顾。本讨论和随后的“正常”条件的定义将提供一个框架,以帮助评估冷却塔供应商提供的各种材料在各种类型的装置上的适用性。最后,本报告包括制定冷却塔规格的材料要求部分的建议指南。

耐腐蚀玻璃钢冷却塔
 
什么是冷却塔腐蚀
腐蚀定义为自由元素,离子或化合物(空气或水溶液)与基础材料的化学或电解反应,导致基材重量损失或基材损失物理性质。根据这个非常一般的定义,钢部件上的锈蚀和对选择不当的聚合物的化学侵蚀都被认为是腐蚀的形式。
 
存在大量描述各种来源的腐蚀机理的文献。出于这个原因,这里没有尝试重复这些解释。
一般而言,当基础材料暴露于化学或电解不相容的物质时,很可能发生腐蚀,该物质必须以足够的浓度存在以引发反应,在足够的时间内使反应明显进行,并且在反应将自发发生 - 即,不添加外部催化剂或外部热源。适当的材料选择包括仔细审查可能存在于给定冷却塔中的特定腐蚀剂,冷却塔中发生的条件以及所考虑材料的化学和物理性质。
 
例如,仅仅存在腐蚀剂,例如氯离子,即使在保护不良的钢部件上也不足以引发显着的腐蚀。在发生可测量的钢降解之前,氯化物必须以足够的浓度直接与未受保护的钢接触。在讨论下面出现的“正常”情况时,这种区别将变得很重要。
材料选择注意事项大多数人都非常熟悉镀锌冷却塔,木质冷却塔或玻璃纤维冷却塔的一般概念。然而,这些描述仅适用于冷却塔结构本身的部分,而各种不同的材料用于其他部件。让我们回顾一下冷却塔结构中使用的主要材料,并描述引导冷却塔设计者使用这些材料的主要考虑因素。
 
对于此讨论,请将冷却塔视为具有三个不同的区域,每个区域都具有独特的操作环境并具有自己的应用负载。这三个区域是结构,填充(传热介质)和“其他”组件,例如水分配和机械组件。
 
用于暖通空调项目的冷却塔常用的结构材料包括镀锌钢,不锈钢和玻璃纤维(实际上是玻璃纤维增强聚酯的基质,本报告中使用术语“玻璃纤维”来描述复合材料 - 通常也称为FRP) 。
 
冷却塔实际上是在结构的各个部分中使用这些材料的一些组合的混合物。例如,带有不锈钢收集盆的镀锌冷却塔是常见的。玻璃纤维外壳偶尔用于镀锌和不锈钢冷却塔。所有冷却塔都用硬件螺栓连接在一起,硬件可以镀锌或镀碳钢或不锈钢制成各种合金。
 
在选择合适的材料时,设计者通常会考虑施加的载荷,暴露于腐蚀剂的类型,成本和可制造性(最终作为产品成本出现)。对每个冷却塔中的每个部件施加的负荷是唯一的,因此这里将忽略它们。
 
结构部件的暴露可能会有所不同最终,取决于组件在冷却塔内的位置。具有高水流速度的冷却塔的部分,例如填充区域和开放的热水分配盆,接收几乎恒定的温水浴,这倾向于阻止腐蚀产物的积聚。另一方面,冷水收集盆充当流速非常低的储层,腐蚀剂有足够的机会与盆地材料发生反应。冷却塔增压室部分,其中空气在离开冷却塔之前离开填充区域,倾向于在饱和期和相对干燥的条件期间交替。然而,在压力通风系统中收集的水分通常是来自流出水蒸气的冷凝物,其不含溶解的固体。
 
比较由这些材料制成的冷却塔的成本并不总是容易的,因为它们的结构能力差别很大。对于每个炉膛及以下大约1500吨的冷却塔,镀锌钢具有固有的成本优势,因为它有助于制造工厂组装的单元。通常,具有FRP结构的冷却塔比镀锌钢稍贵,而不锈钢更昂贵。木材和拉挤型FRP是一种实用材料,仅在该范围的顶部附近,因为所需的现场劳动力通常非常昂贵。对于每个风扇电池超过1500吨的冷却塔,木材成为最便宜的替代品,其次是镀锌钢,玻璃钢和不锈钢。
 
硬件选择通常与结构材料选择一致。涂层碳钢是最便宜的并且适用于大多数条件,假设涂层已经适当选择和应用。 300系列不锈钢以更高的价格提供额外的耐腐蚀性,而316不锈钢以更高的价格提供更大的阻力。
 
拉挤FRP在典型的现场安装的逆流冷却塔中
 
横流设计中的镀锌钢结构和玻璃钢外壳
镀锌钢、不锈钢,FRP和PVC使这个冷却塔几乎能达到绝对的防腐蚀
 
如果循环水中可能含有纤维状,油脂状,脂肪状或焦油状的悬浮固体,则应完全避免薄膜填充。这些类型的异物倾向于堵塞薄膜填充板之间的相对窄的通道,从而阻止填充板表面上的空气和水的适当混合。 Splashtype填充为这种不寻常的项目提供了可接受的服务。飞溅填充物可以是木材,PVC或聚丙烯。同样,PVC通常是首选材料,除非单个装置上的某些其他条件决定不使用它。
 
其他组件使用具有非常适合其应用的特性的特定材料。例如,水分配喷嘴可以是聚丙烯,ABS或玻璃填充尼龙。这些材料在这种应用中表现良好,因为它们具有固有的抗化学侵蚀性,并且具有优异的抗侵蚀性。在饱和环境中必须承受极高操作负荷的风扇叶片通常是铝合金,玻璃纤维增强聚酯,玻璃纤维增强环氧树脂或玻璃纤维增强乙烯基酯。严苛的条件可能决定不锈钢替代某些涂层碳钢五金件和机械部件。然而,即使在最恶劣的条件下,对于大多数这些“其他”组件来说,微小的变化通常也足够了。
 
冷却塔材料的简史今天的水冷却塔与20世纪20年代和30年代的技术先驱几乎没有什么相似之处。蒸发冷却设计的原始实例主要是木结构,通常是未经处理的红木,含有一系列黄铜或青铜喷嘴,将水分散到木质集水盆上方的开放压力通风系统中。几年后,现场出现木屑飞溅,提高了传热效率。冷却塔很大,而且一般来说,腐蚀比木材腐烂要小得多。
 
到20世纪40年代后期,水冷空调系统的新兴市场需要比旧木制庞然大物更便宜和更标准化的产品。在这个新市场的指令中,工厂组装和符合消防法规,然后在许多大城市变得越来越普遍。碳钢成为满足这些要求的首选材料。
 
早期的设计师认识到腐蚀会迅速破坏冷却塔气氛中未受保护的碳钢。因此,他们选择采用牺牲型涂层,通常是镀锌,以保护下面的材料。自那时以来,镀锌钢在业内被广泛认可为大多数暖通空调冷却塔在“正常”条件下的首选材料。主要制造商在过去几年中已经对G-235轧机电镀进行了标准化尖啸声。名称G-235指的是每平方英尺钢的2.35盎司锌涂层的涂层施加率,作为两侧的总量,这意味着每边的标称涂层厚度为2.0密耳(.002“)。偶尔供应商仍可提供标称厚度仅为0.8密耳的G-90镀锌。仅比较锌厚度,G-235镀锌提供的保护时间是G-90的2.6倍,而最终用户只需要很少的额外成本。
 
不锈钢在逻辑上作为严重暴露的材料,并且今天作为适当尺寸的冷却塔的适当材料受到腐蚀性气氛或潜在有害的水化学作用仍然很受欢迎。
 
由间苯二甲酸聚酯树脂配制的玻璃纤维增强聚酯已成为暴露于所有类型环境的HVAC冷却塔的结构材料。 FRP设计的主要挑战始终是使生产成本与其他材料保持一致,同时获得合适的截面特性。填充材料通过类似的进化发展而来。 PVC,聚丙烯和其他聚合物在很大程度上取代了飞溅填充冷却塔中的木质填充棒。
 
传热技术的进步导致逐渐接受由一些成形材料的平行板组成的薄膜填充物。早期的薄膜填充物是由各种易于形成的材料制成的,后来发现这些材料缺乏一种或多种对HVAC冷却塔长期有效使用必不可少的特性。除了极少数高温应用(120°-125°F以上)外,PVC作为所有类型HVAC项目的薄膜填充行业标准材料已获得普遍认可。
 
聚丙烯,ABS和玻璃纤维填充的尼龙已经在很大程度上取代了早期冷却塔的青铜喷嘴。 PVC和玻璃纤维管道已经取代了冷却塔内的大多数钢铁管道。在较大的冷却塔上,FRP风扇气缸用于曾经常见的层压木材。
这些改进都提供了更高的防腐蚀性能和更长的使用寿命,同时降低了产品成本。
 
现代化的冷却塔采用玻璃纤维,不锈钢和PVC等建筑材料
“正常”条件绝大多数HVAC和轻型到中型工业冷却塔应用的水质和环境条件允许使用前述材料从标准冷却塔结构获得可接受的使用寿命。与这些“正常”条件的显着偏差通常需要替代材料选择。在大多数情况下,以下标准定义“正常”条件。
标准冷却塔设计假定冷却塔的热水最高为120°F,包括系统扰动条件。温度超过120°,即使持续时间很短,也可能对PVC填料,许多热塑性组件和镀锌钢造成破坏性影响。那些要求超过120°F的热水的稀有应用通常受益于冷却塔制造商的仔细审查,以确保从标准配置中适当的材料变化包含在初始购买规范中。
“正常”循环水化学属于以下限制(注意循环水和补给水之间的区别):
pH值在6.5和8.0之间,但如果不存在镀锌钢,则pH值可降至5.0。低pH值会侵蚀镀锌钢,混凝土和水泥制品,玻璃纤维和铝。高pH值会侵蚀木材,玻璃纤维,铝和镀锌钢。
?对于镀锌钢冷却塔,氯化物(表示为NaCl)低于750ppm,500ppm。 钙(以CaCO3计)低于1200ppm-除了干旱气候,其中水垢形成的临界水平可能低得多。
如果钙超过1200ppm,硫酸盐应限制在800ppm(在干旱气候中较少)以防止结垢。镀锌钢冷却塔限制在250 ppm。
硫化物低于1 ppm。 二氧化硅(作为SiO2)低于150ppm。 ?铁含量低于3 ppm。
锰低于0.1 ppm。
朗格利尔饱和指数介于0.0和+ 1.0之间的负LSI表明可能存在腐蚀;阳性表明CaCO3可能会结垢吗?
 如果固体是磨料,则悬浮固体低于150 ppm  - 如果固体是纤维状,油脂状,脂肪状或焦油状,则应避免填充薄膜(参见填充材料的讨论)。
总溶解固体低于5000 ppm,如果超过5000 ppm可能导致热性能降低。
如果油和油脂存在油脂,则会出现低于10 ppm的油脂或热性能损失 - 避免薄膜填充。
没有有机溶剂。
没有有机营养素可以促进藻类或粘液的生长。
用于间歇处理的氯(来自水处理)低于1 ppm的游离残留物;低于0.4 ppm的游离残留物用于连续氯化。
 
这些条件定义了正常的循环水,包括由循环w引起的化学浓缩效应达到预定数量的浓度。
冷却塔中的大部分热传递通过蒸发一部分循环水而发生。蒸发的水作为纯化蒸汽离开冷却塔,留下溶解固体的负荷,其浓缩在循环水中。大多数操作人员通过将计算部分的循环水倾倒到储罐或下水道来控制浓度的数量,这个过程通常被称为“排污”。有关详细说明以及用于计算排污量的公式,请参阅冷却塔基础知识。这里足以认识到补给水(通常是城市供水)将集中在冷却塔上。净效应是冷却塔将暴露于腐蚀剂的浓度,腐蚀剂是其在化妆品供应中的浓度的倍数。这种浓缩效果的结果可能导致一些条件表明某些材料应该比标准冷却塔上使用的材料更耐腐蚀。
 
与正常水的偏差通常是区域性的,并且在该区域内广泛已知必要的调整。类似地,大多数冷却塔用户在3-5个循环浓度范围内操作其冷却塔。然而,诸如供水或下水道使用限制等区域性问题可能会导致非常高的循环水浓度。在任何一种情况下,不熟悉这些条件对冷却塔的影响的工程师将受益于与一个或多个知识渊博的冷却塔供应商讨论具体应用。
 
可能要求使用非标准建筑材料的常见环境条件包括靠近盐水体,腐蚀性蒸汽(如化学或钢铁厂)的存在以及以SOx,硫化氢形式存在的异常密集的空气污染(H2S)或潜在的腐蚀性微粒。再一次,不熟悉这些条件的工程师通常会在项目的规范阶段咨询Marley销售代表。
说明者指南如前所述,大多数项目符合“正常”条件的定义。实际上,使用标准材料的标准冷却塔,此类别中的所有项目都将享有较长的使用寿命。
 
超出这些限制的冷却塔在规格阶段需要更加小心。
区域性问题的解决方案,例如不寻常的当地水化学或接近盐水,通常是众所周知的。更加不寻常的条件可能需要更加注重细节,以确保冷却塔在合理的使用寿命内成功运行。
对于所有这些情况,以下指南通常会确保冷却塔用户将获得一个冷却塔,以合理的价格提供长期耐腐蚀服务:
  指定适合现场条件的冷却塔。如果条件“正常”,标准冷却塔将很好地服务。由其他材料制成的冷却塔可能适合于满足其他设计考虑 - 例如建筑美学 - 但在这些情况下腐蚀防护不是决定因素。如果条件更严重,请选择性地选择材料。
?指定真实的设计条件。通常,为最可能的情况准备规范,而不是最坏的情况。例如,温度偏移超过120°-125°F,持续相当长的时间需要大量且昂贵的材料变化。除非一些可能的事件序列可能导致其发生,否则不要指定这样的条件。类似的逻辑适用于循环水供应中腐蚀剂的潜在累积。
 
任何适用的当地火灾或建筑规范。有些代码实际上排除了FRP结构,其他代码强加了最大火焰蔓延等级,还有一些没有限制。在规范阶段彻底定义这些要求将有助于避免在验收过程中出现任何可能的障碍。
从上述讨论中可以看出,例如,对“全玻璃纤维冷却塔”的要求实际上毫无意义。规范应定义主要材料要求,以便在冷却塔到达作业现场时不会出现意外情况。典型的规范要求应定义结构材料要求,结构硬件材料要求,填充材料要求以及工程师在特定类型的安装中使用冷却塔的经验所建议的任何其他特定要求。
 
不要过度指定。如果研究表明两种或多种材料看起来合适,请在规范中使用所有适当的材料。让冷却塔供应商选择能够提供最经济有效的材料每个特定安装的解决方案。
 
对于特殊情况,请根据条件请求选择。当最佳选择不明确时,不是任意指定材料,而是向潜在供应商提供现场条件的列举。包括补给水分析,浓度循环次数,使用的水处理类型,设计冷热水温度,以及尽可能完整地描述冷却塔周围的大气。仔细检查材料建议,牢记经济和服务生活中经常出现的相反目标。根据最合理的建议准备最终规范。
 
遵守规范。一旦定义了适当的材料,要求最终产品选择符合这些要求。如果现场条件要求使用更耐腐蚀的材料,例如FRP结构,则可以合理地预期至少一个潜在供应商将为更标准的冷却塔提供更低的价格。从长远来看,冷却塔用户通常会支付更多费用,但维护成本较高,冷却塔更换成本可能较高。
 
最近的过去在冷却塔技术的所有领域都取得了快速进展。从用户的角度来看,最引人注目的改进可能是本文所述的各种耐腐蚀材料的引入和广泛应用。材料研究和水处理研究的步伐继续加快。



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