Химические процессы в алюминиевых радиаторах

Алюминиевые радиаторы очень удобны: они компактны, эстетичны, обладают малой инерционностью и очень высокой теплоотдачей. Теплопроводность изделий из алюминиевых сплавов — 202-236 Вт/(м⋅K). Из металлов, используемых для изготовления радиаторов, выше эта величина только у меди: 382-390 Вт/(м⋅K). У других материалов теплопроводность ниже в разы. При этом алюминий как сырье примерно в два раза дешевле меди.

В то же время с алюминиевыми радиаторами связано множество предрассудков, основанных на незнании потребителем природы химических процессов, происходящих внутри отопительной системы, — существует, например, устойчивое мнение, что с алюминиевыми радиаторами нельзя использовать медные и оцинкованные трубы. Но почему и какому из материалов от этого будет хуже — знают не все. Известно также, что алюминий предъявляет высокие требования к pH теплоносителя. Насколько это серьезно и чем грозит превышение? Попробуем разобраться.

Если не брать в расчет ошибки при расчетах максимального давления, гидроудары и производственный брак, самой распространенной проблемой в алюминиевых радиаторах является т.н. «завоздушивание», в результате которого повышается нагрузка на воздухоотводчик, увеличивается объем подпитки, при неблагоприятном раскладе может лопнуть секция.

На самом деле, выделяющийся газ — это водород H2, продукт взаимодействия алюминия с разнообразными веществами. Происходит данный процесс в трех случаях: реакция алюминия с теплоносителем-водой, реакция алюминия с теплоносителем-гликолем, электрохимическая коррозия алюминия.

Водородный показатель

В первую очередь, возникает вопрос, каким образом алюминий вообще может вступать в реакцию с чем бы то ни было: ведь на воздухе (т.е. сразу после изготовления на заводе) на его поверхности образуется тонкая прочная беспористая оксидная пленка Аl2О3, защищающая металл от дальнейшего окисления и обусловливающая его высокую коррозионную стойкость.

Кроме того, производители дополнительно покрывают внутренние поверхности радиаторов различными составами, препятствующими доступу теплоносителя к алюминию. Поэтому, чтобы «добраться» до металла, надо сперва разрушить оксид.

Самый простой способ — механическое воздействие твердых частиц, которые могут присутствовать в теплоносителе: они вызывают абразивный износ и разрушают защитный слой на внутренней поверхности прибора. Данная проблема легко решается установкой фильтров и грязевиков в нужных местах отопительной системы.

Более интересную ситуацию представляет собой «химическая атака». Она связана с амфотерностью оксида алюминия, т.е. его способностью проявлять как кислотные, так и основные свойства: взаимодействовать как с щелочами, так и с кислотами с образованием солей, хорошо растворимых в воде (это значит, что они не остаются на металле, а поступают в теплоноситель). Пример реакции с кислотой (свойства основного оксида):

Al 2 O 3 + 6HCl ⇒ 2AlCl 3 + 3H 2 O.

Пример реакции с водным раствором щелочи (свойства кислотного оксида):

Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O ⇒⇒ 2Na.

Взаимодействует оксид алюминия, правда, не со всеми соединениями: так, серная или азотная кислоты разрушения пленки не вызовут.

Важнейшим индикатором наличия в воде растворенных кислот является водородный показатель pH (по первым буквам латинских слов potentia hydrogeni — сила водорода или pondus hydrogenii — вес водорода) — концентрация ионов водорода H + в растворе, количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный (взятый с обратным знаком) десятичный логарифм активности водородных ионов в молях на литр:

Вообще, в химии сочетанием pX принято обозначать величину, равную -lgX, а буква H в данном случае обозначает концентрацию ионов водорода H + . Несколько меньшее распространение получила обратная pH величина — показатель основности раствора pOH, равный отрицательному десятичному логарифму концентрации в растворе ионов OH - : pOH = -lg.

В чистой воде при 25 °C величины концентрации ионов водорода H + и гидроксидионов OH - одинаковы и составляют 10 -7 моль/л. Это напрямую следует из определения ионного произведения воды, гласящего, что произведение концентраций ионов водорода Н + и ионов гидроксида OH - в воде или в водных растворах при определенной температуре равно константе Kв. Нормальными условиями принято считать 25 °C, при которых K в = 10 -14 моль 2 /л 2 . Таким образом, при 25 °C — pH + pOH = 14.

Когда концентрации обоих видов ионов в растворе одинаковы, говорят, что раствор имеет нейтральную реакцию. При добавлении к воде кислоты концентрация ионов водорода увеличивается, а концентрация гидроксидионов, соответственно, уменьшается. При добавлении основания, наоборот, повышается содержание гидроксидионов, а концентрация ионов водорода падает. При > раствор называют кислым, при > — щелочным.

Для удобства представления, чтобы избавиться от отрицательного показателя степени, вместо концентраций ионов водорода пользуются их десятичным логарифмом, взятым с обратным знаком, который и назвали водородным показателем pH.

При более высоких температурах константа диссоциации воды повышается, соответственно увеличивается ионное произведение воды, поэтому нейтральной оказывается pH < 7 (что соответствует одновременно возросшим концентрациям как H + , так и OH -); при понижении температуры, напротив, нейтральный pH возрастает. В табл. 1 и на рис. 1 показаны изменения значения нейтрального pH в чистой воде в зависимости от температуры.

При сильных отклонениях значения pH от нейтрального можно с достаточной степенью уверенности говорить о наличии в воде растворенных кислот или оснований, которые могут вступать в реакцию с оксидом алюминия или с защитным покрытием, нанесенным производителем, разрушая их и обнажая алюминий. Из этого следует также, что применять химические реагенты для контроля жесткости теплоносителя в случае с алюминиевыми радиаторами надо с большой осторожностью. В идеале вода должна быть дистиллированной.

Реакция алюминия с теплоносителем

Если оксид алюминия Al 2 O 3 с классическими окислителями в реакцию не вступает, сам алюминий после контакта с водой преобразуется в гидроксид (тоже, к слову, амфотерное соединение) с выделением водорода:

2Al + 6H 2 O ⇒ 2Al(OH) 3 + 3H 2 .

Если же pH теплоносителя далек он нейтрального, этот же газ будет выделяться в качестве продукта реакции алюминия с щелочами и некоторыми кислотами с образованием растворимых солей:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O ⇒

⇒ 2Na + 3H 2 ,

2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 .

Если в качестве теплоносителя используется незамерзающая жидкость, то ситуация будет сходная. При взаимодействии водного раствора этиленгликоля, самого распространенного антифриза, с алюминием происходит замещение гидроксильного водорода на металл и выделение свободного водорода Н 2 .

Электрохимическая коррозия

Электрохимическая коррозия — наиболее распространенный вид коррозии металлов. При контакте двух металлов, обладающих разными электродными (электрохимическими) потенциалами и находящихся в электролите, образуется гальванический элемент (рис. 2). Поведение металлов зависит от значения их электродного потенциала. Металл Me, имеющий более отрицательный электродный потенциал (анод), переходит в качестве положительно заряженных ионов Men + в раствор. Избыточные электроны ne - перетекают по внешней цепи в металл, имеющий более высокий электродный потенциал (катод). Катод при этом не разрушается, а электроны из него ассимилируются какими-либо ионами или молекулами раствора (деполяризаторами D), способными к восстановлению на катодных участках. Чем ниже электродный потенциал металла по отношению к стандартному водородному потенциалу, принятому за нулевой уровень, тем легче металл отдает ионы в раствор, тем ниже его коррозионная стойкость. Значения электродного потенциала Е 0 некоторых элементов приведены в табл. 2. Расположение металла выше (хотя обычно говорят «левее») водорода означает, что он способен вытеснить водород из соединений (воды, кислот и пр.).

Теперь рассмотрим конкретный пример: пару «медь-алюминий». Сразу отметим, что для возникновения разности потенциалов требуется непосредственный контакт двух металлов (алюминиевый радиатор и медный фитинг), а не просто наличие их в системе (алюминиевый радиатор, медный теплообменник, металлопластиковые трубы). Во втором случае имеет место разрыв цепи, поэтому электроны никуда перетекать не смогут. Использование диэлектрических вставок — самый надежный способ предотвращения неконтролируемой миграции заряженных частиц.

И еще одно замечание, касающееся направления движения электролита: реакция пойдет лишь в случае, если анод расположен «ниже по течению» относительно катода (медный фитинг на входе в алюминиевый радиатор). Правда, если будут моменты простоя системы без движения теплоносителя, это замечание значения не имеет.

Алюминий обладает большей способностью отдавать электроны по сравнению с медью, что видно из значений их стандартных электродных потенциалов (-1,66 и +0,34 соответственно). Следовательно, в случае замкнутой цепи медь является катодом, а алюминий — анодом (рис. 3). Ионы алюминия Al 3+ из кристаллической решетки переходят в раствор, образуя вместе с гидроксидионами OH - гидроксид алюминия Al(OH) 3 , а электроны поступают в медь. Оторванные от воды потерявшие электрон ионы водорода H + используют их для объединения в молекулу H 2 . Коррозия алюминия продолжается, т.к. электроны непрерывно уходят из него, смещая тем самым равновесие в сторону образования ионов. Ход электрохимического процесса определяется разностью потенциалов элемента. Для пары «медь-алюминий» разность потенциалов составляет 2 В. Если взять пару «цинк-алюминий», то разность будет менее значительной — 0,9 В, а, значит, реакция пойдет в два раза медленнее.

Подведем итоги

Если при проектировании и монтаже будут приняты меры по предотвращению описанных выше процессов, алюминиевые радиаторы отлично прослужат десятки лет. Изолирующие диэлектрические вставки и контроль состава теплоносителя позволят заказчику наслаждаться отопительным прибором с множеством положительных характеристик: высокая теплоотдача, пластичность (т.е. устойчивость к гидроударам), небольшой вес, возможность легко изменять мощность путем добавления или удаления секций и пр.