地表水源热泵源水侧换热器腐蚀成因分析及控制方法

摘要

我国正处于经济快速发展时期，对能源的需求及消耗更是逐年递增。地表水源热泵作为一种回收和利用低位热能的有效手段之一，可以在夏季制冷冬季制热，具有明显的环保效益、社会效益和经济效益。重庆地区水资源丰富，流经重庆主要河流有长江和嘉陵江。利用江水做水源热泵水源必须解决江水水质会腐蚀、磨损和堵塞热泵机组的换热器，同时降低换热效率的问题。其次江水在换热器内流动换热过程中泥沙会沉淀和附着，形成垢层。铜材因其优异的导电导热性能在换热器中得到广泛应用，通常情况下铜耐蚀性好，但在含氧的水及含有腐蚀性离子的溶液中可形成配位离子，产生较严重的腐蚀。为解决铜的腐蚀问题，采用钝化方式抑制铜及合金的腐蚀是十分经济有效的办法。
　　本文在分析地表水源热泵换热器铜管表面垢层成分、水质质量基础上，以换热器铜材（紫铜）为对象，研究了在江水水质环境下，腐蚀性因素对铜材的腐蚀机理。提出了向常规缓蚀剂BTA中加入硫酸铜、硫酸羟铵和离子液体在铜材表面形成钝化膜的钝化方法，并研究了钝化膜防腐蚀的特性。
　　本文的主要结论是:
　　1．通过近两年的江水水质监测，分析其中pH值、氯离子、硫酸根离子、钙镁离子、氨氮、亚铁离子的含量。发现不同地段、不同月份的江水水质都比较稳定，江水水质年平均pH为7~8，氯离子含量小于20mg/L，硫酸根离子含量小于100mg/L，二价铁离子小于0.5mg/L，氨氮小于3mg/L，电导率小于0.5μs/cm。除钙镁总硬度有超出允许值200mg/L的情况外，各项指标均能达到水源热泵源水的水质要求。
　　2．通过XRD对换热器上垢层物相分析得知，主要成分是硅酸盐、钙盐、镁盐。江水的流动性大，泥沙在取水过程中易进入系统循环沉积，因此实际运行中需注意取水位置及泥沙的去除。
　　3．电化学测试表明水质中pH值、腐蚀性离子、水温等对无钝化膜铜材料的腐蚀速率均产生影响。江水中铜电极的在酸性（pH6.5）和高温（40℃）下，自腐蚀电位负移，腐蚀电流密度增大，腐蚀速率增大。各地段水质对电极产生腐蚀作用，但没有明显的区域差异。
　　4．电化学方法分析钝化膜的性能，BTA在硫酸铜和硫酸羟铵的协同作用下，能够在铜电极表面形成较完整的钝化膜，使得自腐蚀电位正移，腐蚀电流密度降低，有效地减缓腐蚀速度；而离子液体（[Bmim]BF4）的加入，使得复配物稳定性差，抑制腐蚀的效果不明显。

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1 绪 论

1.1 水源热泵的发展概况及重庆地区水源特性

1.2 换热器的选材及构型

1.3 腐蚀理论基础

1.4 防腐蚀研究现状

1.5 离子液体的发展及应用

1.6 本文工作简介

2 实验材料及研究方法

2.1 实验材料

2.2 分析方法

2.3 实验准备及测试条件

3 江水水质及垢层分析

3.1 江水水质分析

3.2 垢层分析

3.3 结论

4 铜材在江水中的腐蚀性研究

4.1 pH的影响

4.2 温度的影响

4.3 水质的影响

4.4 结论

5 钝化实验

5.1 钝化条件

5.2 钝化实验

5.3 结论

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 后续工作的展望

致谢

参考文献

附 录