第32章-闭式再循环冷却系统

• 封闭系统的优点
• 规模控制
• 腐蚀控制

封闭的再循环冷却水系统是从早期发动机设计的冷却方法演变而来的。在一个封闭的系统中，水循环在一个封闭的循环中，在没有空气接触的情况下进行交替的冷却和加热。被封闭系统中的水吸收的热量，通常通过水对水的交换器转移到开放式再循环系统的再循环水中，从再循环系统中散失到大气中(图32-1)。

闭式循环冷却水系统非常适合用于燃气发动机和压缩机的冷却。固定式和机车用柴油机通常使用与汽车冷却系统类似的散热系统。其他闭式循环冷却应用包括卡夫回收锅炉和发电厂润滑油和样品冷却器上的熔体喷口冷却系统。封闭系统也广泛应用于空调冷冻水系统，将制冷剂冷却传递到空气洗涤器，在空气洗涤器中冷却空气。在寒冷的季节，同样的系统可以为空气洗衣机提供热量。闭式水冷却系统也提供了一种可靠的工业过程温度控制方法。

封闭系统的优点

闭式再循环系统有许多优点。它们可以更好地控制产热设备的温度，并且它们的小补充水需求大大简化了对潜在水边问题的控制。只有在泵填料处发生泄漏或排水以便进行系统维修时，才需要补充水。即使有，蒸发也很少发生。因此，高质量的水通常可以用于化妆，因此，水垢沉积不是问题。使用高质量的水还可以最大限度地减少钢瓶破裂，头部破裂，交换器污染和其他机械故障的危险。封闭系统也比开放系统更不容易受到粘液和藻类沉积物的生物污染。

封闭系统也大大减少了腐蚀问题，因为循环水不像开放系统那样持续充满氧气。唯一可能的氧气进入点是在调压箱或热井的表面，循环泵填料和补给水。由于需要少量的补充水，适当的处理几乎可以消除腐蚀和腐蚀产物的积累。

规模控制

一些封闭系统，如冷冻水系统，在相对较低的温度下运行，需要很少的补给水。因为没有浓度的溶解固体发生，所以可以使用相当硬的补妆水，几乎没有结垢的危险。然而，在柴油和燃气发动机中，夹套水的高温显著增加了其沉积水垢的倾向。在很长一段时间内，即使添加少量的硬化妆水也会导致汽缸和气缸盖中逐渐积聚水垢。在有冷凝水的情况下，最好用于封闭系统的冷却水补给。在没有冷凝水的地方，应将沸石软化应用于化妆水。

腐蚀控制

水温的升高会引起洪水腐蚀加剧。在通风系统中，由于氧在较高温度下溶解度的降低，这种趋势会减少。这是机械通气的基础。

两组不同条件下水温升高时的腐蚀速率。

曲线A描绘了一个完全封闭的系统的数据，没有向大气中排放氧气的规定。曲线B显示了通风系统的数据。在高达170°F(77°C)的温度下，这些曲线基本上是平行的。超过170°F(77°C)，曲线B下降。这是因为在自由排气系统中，氧的溶解度随着温度的升高而降低，其降低腐蚀速率的速度要快于温度的升高。然而，在许多封闭系统中，在补水中进入系统的溶解氧不能自由排出，导致在高传热点释放氧气，这可能导致严重的腐蚀。

未经处理的系统会因氧点蚀、电偶作用和缝隙攻击而遭受严重的腐蚀损害。闭式冷却系统周期性关闭，水温可能从环境温度变化到180°F(82°C)或更高。在关闭期间，氧气可以进入水中，直到达到饱和极限。当系统恢复到高温运行状态时，氧的溶解度下降，释放的氧侵蚀金属表面(图32-1)。

用于制造现代发动机、压气机和冷却系统的冶金材料包括铸铁、钢、铜、铜合金、铝以及焊料。非金属成分，如天然或合成橡胶，石棉和碳，也被使用。如果存在双金属偶，则可能发生电偶腐蚀。

三种最可靠的闭式冷却水系统的缓蚀剂是铬酸盐，钼酸盐和亚硝酸盐材料。一般来说，铬酸盐或钼酸盐类型已被证明是较好的处理方法。对于混合冶金系统，钼酸盐抑制剂提供最好的腐蚀保护。

铬酸盐处理在500- 1000ppm范围内作为Cr₄O^2¯是令人满意的，除非存在双金属影响。当存在像钢和铜这样的双金属偶联时，铬酸盐处理水平应增加到2000 ppm以上。如果这些体系的pH值保持在7.5到9.5之间，则可以达到最大的抑制剂效果。

在封闭系统中，要防止铝及其合金的腐蚀是相当困难的;水的pH值必须保持在9.0以下。铝是两性的——它既能溶于酸也能溶于碱，当pH值高于9.0时，它的腐蚀速度加快。最难处理的双金属偶对是铜和铝，对它们来说，铬酸盐浓度即使高于5000 ppm也可能不够。

在循环泵配备某些机械密封的地方，如石墨，铬酸盐浓度不得超过250 ppm。这是因为漏过密封件的水会蒸发，留下高浓度的研磨盐，会损坏密封件。

当铬酸盐抑制剂用于处理酸性气体的压缩机的冷却系统时，会遇到另一个问题。如果酸性气体从动力气缸泄漏到水路中，将发生明显的铬酸盐还原，导致腐蚀控制不良和还原铬酸盐沉积。

在非常高的传热速率应用，如连铸机模具冷却系统，铬酸盐水平应保持在100-150 ppm最大值。在这些极端条件下，铬酸盐会积聚在模具的晶界处，造成足够的绝缘，从而产生设备可靠性问题。

高铬酸盐浓度的毒性可能限制其使用，特别是当系统必须经常排水时。目前的立法已经大大降低了允许的排放限制和报告的数量，为基于色谱的产品泄漏。根据封闭系统的类型和州/联邦法律限制使用铬酸盐的各种因素，可能需要使用非铬酸盐替代品。

钼酸盐处理提供了有效的腐蚀保护和环境可接受的替代铬酸盐抑制剂。亚硝酸盐-钼酸盐-唑混合物抑制钢，铜，铝和混合冶金系统的腐蚀。钼酸盐是热稳定的，在软水和硬水中都能提供优良的腐蚀保护。系统pH值一般控制在7.0 ~ 9.0之间。建议的处理控制限值为200-300 ppm钼酸盐(MoO)₄^2¯。钼酸盐抑制剂不应与钙含量大于500ppm一起使用。

亚硝酸盐是另一种被广泛接受的非铬酸盐闭式冷却水抑制剂。亚硝酸盐浓度在600- 1200ppm范围内为NO₂^-当pH值保持在7.0以上时，可适当抑制钢铁腐蚀。含有钢和铜偶的系统要求处理水平在5000-7000 ppm范围内。如果铝也存在，则腐蚀问题加剧，可能需要10,000 ppm的处理水平。在任何情况下，循环水的pH值应保持在碱性范围内，但当铝存在时，pH值应低于9.0。当施用高亚硝酸盐水平时，可能需要酸性饲料来控制pH值。

亚硝酸盐处理的一个缺点是亚硝酸盐会被微生物氧化。这可能导致低抑制剂水平和生物污染。非氧化性抗菌剂饲料可能是控制亚硝酸盐还原的必要条件生物污染。

产品性能数据在模拟混合冶金封闭冷却系统的实验室研究中，确定了三种封闭系统抑制剂在增加处理水平时的钢和金钟腐蚀速率。如图所示，钼酸盐基处理提供了最好的整体钢和金钟保护。为了达到与铬酸盐相似的抑制效果，需要更高的处理浓度。亚硝酸盐基处理也提供有效的钢保护，其结果可与钼酸盐处理相媲美;然而，不能达到可接受的海军部腐蚀抑制。

封闭系统通常需要添加合适的防冻液。非铬酸盐抑制剂与典型的防冻化合物兼容。铬酸盐可与酒精防冻液一起使用，但循环水的pH值应保持在7.0以上，以防止铬酸盐还原。由于乙二醇防冻液与铬酸盐处理不相容，应使用非铬酸盐抑制剂。钼酸盐处理不应与盐水型防冻液一起使用。

在连续运行温度低于32°F(0°C)的封闭系统中，通常采用封闭盐水系统。美国制冷工程师协会已经建立了卤水处理中铬酸盐的限量。钙盐水的铬酸盐含量限制在1250 ppm，钠盐水的铬酸盐含量限制在2500 ppm。pH值应在7.0-8.5之间，只进行苛性碱调节。以亚硝酸盐为基础的封闭盐水系统处理也取得了一些成功，处理水平约为2000ppm

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