Luchtkoelers en lamellenkoelers (finned coils): werking en corrosie

Wat is een luchtkoeler of lamellenkoeler?

Een luchtkoeler is een warmtewisselaar waarin lucht het koelmedium is. Het te koelen medium, bijvoorbeeld motorkoelwater, inlaatlucht, olie, koudemiddel of een procesvloeistof, stroomt door buizen; een ventilator of de rijwind blaast lucht dwars over die buizen. Omdat lucht per kubieke meter weinig warmte kan opnemen, zijn de buizen voorzien van een pakket dunne metalen lamellen. Daarom heet hetzelfde toestel ook lamellenkoeler, en in het Engels finned coil of fin-and-tube heat exchanger.

Het grote voordeel is dat er geen koelwater nodig is: geen leidingen, geen pompen, geen waterbehandeling. Het nadeel is dat de luchtzijde open ligt voor alles wat in de lucht zit. Hoe een luchtkoeler zich verhoudt tot shell and tube wisselaars, platen en box coolers lees je in het artikel over typen warmtewisselaars.

Hoe werken gevinde buizen (finned coils)?

Gevinde buizen werken doordat de lamellen de warmte van de buiswand over een veel groter oppervlak verdelen, zodat de langsstromende lucht hem kan opnemen. De warmteoverdracht van lucht naar metaal is per vierkante meter zo'n tien tot vijftig keer slechter dan die van water naar metaal. Om dat te compenseren vergroten de lamellen het luchtzijdige oppervlak met een factor tien tot twintig ten opzichte van de kale buis.

Een typische finned coil bestaat uit:

• Buizen van koper, cupronikkel, roestvast staal of aluminium, waar het medium doorheen stroomt, meestal in meerdere rijen en passes.
• Lamellen van aluminium of koper, een fractie van een millimeter dik, met tussenafstanden van enkele millimeters. Ze zijn op de buizen geperst (mechanisch geëxpandeerd), gesoldeerd of gewikkeld.
• Verzamelbuizen en bochten die de buizen tot een circuit verbinden.
• Zijplaten en frame die het blok dragen en de lucht geleiden.

De warmte gaat dus van het medium door de buiswand, via het contact tussen buis en lamel de lamel in, en van de lamel in de lucht. Dat contact tussen buis en lamel is cruciaal: zodra er corrosie tussen komt, stokt de warmteoverdracht. Het stromingsprincipe is kruisstroom: lucht dwars op de buizen, vaak in meerdere rijen achter elkaar, zoals beschreven in wat is een warmtewisselaar.

Waar worden luchtkoelers gebruikt?

Luchtkoelers worden gebruikt waar geen koelwater beschikbaar is of waar het medium zelf lucht of gas is. De belangrijkste toepassingen:

• Charge air coolers (intercoolers): koelen de gecomprimeerde inlaatlucht van scheeps- en industriële motoren, vaak met koelwater door de buizen en lucht over de lamellen.
• Radiateurs en dry coolers: koelen motorkoelwater of proceswater met buitenlucht, op generatorsets, in machinekamers en op daken.
• Luchtgekoelde condensors en verdampers: in koel- en vriesinstallaties, airconditioning en warmtepompen, waar het koudemiddel in de buizen condenseert of verdampt.
• Proceskoelers en luchtverhitters: in de chemie, voedingsmiddelen, drogerijen en kassen, vaak in lucht met dampen van het proces zelf.

Aan boord en in de kuststrook staan deze koelers permanent in zoute lucht; in de procesindustrie in lucht met zuren, formaldehyde, ammoniak of andere dampen. Beide omgevingen vragen om bescherming.

Waarom corroderen de lamellen van een luchtkoeler?

De lamellen van een luchtkoeler corroderen omdat ze dun zijn, van een onedel metaal gemaakt zijn en voortdurend in contact staan met vochtige lucht die zouten of chemicaliën bevat. Dit heet atmosferische corrosie: geen onderdompeling, maar een dunne vochtfilm die zich bij elke afkoeling op het metaal vormt, zouten en zuren oplost en zo een elektrolyt wordt. Een luchtkoeler koelt zichzelf regelmatig tot onder het dauwpunt en is dus bijna altijd vochtig aan de luchtzijde.

Drie mechanismen versterken elkaar:

• Zoute lucht: chloriden uit zeewaterdruppels slaan neer op de lamellen, trekken vocht aan en tasten aluminium en koper aan. Witte uitslag en afbrokkelende lamellen zijn het gevolg.
• Chemische dampen: zwavelverbindingen, zuren, formaldehyde en ammoniak lossen op in de vochtfilm en vormen een agressief elektrolyt, vaak bij verhoogde temperatuur.
• Galvanische corrosie: aluminium lamellen op koperen buizen vormen een galvanisch koppel. In de vochtfilm lost het aluminium op, precies op het contactvlak waar de warmte doorheen moet. Zie galvanische corrosie.

Het resultaat is tweeledig. De corrosieproducten isoleren en verstoppen de luchtkanalen, waardoor de ventilator harder moet draaien en de koelcapaciteit daalt. En de lamellen verliezen hun contact met de buis of brokkelen af, waarna het blok alleen nog te vervangen is. Een algemene uitleg van het verschijnsel staat bij wat is corrosie.

Waarom moet een coating dun zijn en tussen de lamellen komen?

Een coating op een lamellenkoeler moet dun zijn omdat elke micrometer laag op de lamellen twee keer meetelt: als extra warmteweerstand en als vernauwing van het luchtkanaal. Een dikke laag die de lamellen deels dichtsmeert, kost meer capaciteit dan de corrosie die ze moet voorkomen. Tegelijk moet de laag overal zitten: één onbeschermde plek diep in het blok is genoeg om de corrosie te laten beginnen.

Spuiten bereikt dat niet. Een spuitnevel dringt hooguit enkele centimeters tussen de lamellen door en laat de kern van het blok onbeschermd, terwijl de buitenste lamellen te dik worden. De oplossing is een inbrandcoating die met de overvloeimethode wordt aangebracht: het hele blok wordt doorstroomd met de vloeibare coating, zodat alle lamellen over het hele oppervlak egaal bedekt worden, tot in de kern. Daarna hardt de laag in de oven uit tot een vernette, glasachtige film.

Omdat de vernetting bij een phenol-epoxy inbrandcoating al bij een geringe laagdikte plaatsvindt, blijft de warmteoverdracht behouden. Novocoatings gebruikt hiervoor Novotherm 130H, een inbrandcoating die ontwikkeld is voor lamellenkoelers in zware omstandigheden, getest tegen chemische en corrosieve dampen bij hoge temperatuur, formaldehyde, zwavelzuur en zoute zeelucht, en volledig volgens REACH geproduceerd. Hoe de coating chemisch werkt lees je bij phenol-epoxy inbrandcoating.

Hoe houd je een lamellenkoeler in conditie?

Een lamellenkoeler houd je in conditie door de luchtzijde schoon te houden, de lamellen recht te houden en vroeg in te grijpen bij corrosie. Stof, vezels, insecten en zout blazen of spoelen eruit, met lage druk en in de richting van de lamellen; hoge druk of een verkeerde hoek buigt ze om en verstopt het blok. Witte of groene uitslag op de lamellen en een stijgend temperatuurverschil over het blok zijn de eerste signalen van aantasting.

Een blok dat constructief nog goed is maar aangetast raakt, kan gereinigd, chemisch voorbehandeld en gecoat worden voordat de lamellen loslaten. Een nieuw blok dat in zoute of chemische lucht komt te staan, kan het beste vóór ingebruikname gecoat worden; dan is het oppervlak nog gaaf en hecht de laag optimaal. De chemische voorbehandeling is daarbij essentieel, omdat stralen de lamellen beschadigt en de kern van het blok niet bereikt.

Wat betekent dit voor jouw luchtkoeler?

Een luchtkoeler is zo goed als zijn lamellen. Zolang die schoon, recht en onaangetast zijn, levert het blok zijn capaciteit; zodra de corrosie tussen buis en lamel zit, loopt de koeling terug en is vervanging de enige uitweg. In zoute lucht, aan boord, in de kuststrook en in procesomgevingen met dampen is bescherming vooraf daarom goedkoper dan vervanging achteraf.

Novocoatings behandelt lamellenkoelers, charge air coolers en platenkoelers met Novotherm 130H via de overvloeimethode, zodat elke lamel over het hele oppervlak egaal gecoat is, tot in de kern van het blok, zonder de warmteoverdracht te blokkeren. Wat dat inhoudt voor jouw koeler staat op de pagina lamellen- en luchtkoelers; meer artikelen over dit onderwerp vind je op de themapagina warmtewisselaars.