Problematika plynů v otopných systémech II
Technické možnosti pro fyzikální odplynění
Pokud nechceme jen "odvzdušňovat", ale také aktivně bojovat proti korozi, musíme obsah plynů snížit téměř na nulu. To je možné jen termickým nebo dynamickým vakuovým odplyněním.
Jak rozmanité jsou možnosti pro odplynění, zrovna tak rozmanité jsou i výsledky.
Nejdražší, ale také bezpečně nejúčinnější metodou je termické odplynění párou, které je používáno např. na teplárnách. Měli bychom ale uvažovat jen o technicky proveditelných, fyzikálních metodách, které jsou realizovatelné také v případech topných soustav a systémů chladicí vody v oblasti teplot < 100 °C.
Bohužel není pro vyhodnocení odplyňovacích systémů žádný normou stanovený postup. To otevírá dveře pro všeobecná, propagačně účinná, ale nesprávná vyjádření.
Tak například čtete o odvzdušňovacích nádobách nebo armaturách, které ze soustavy dostanou všechen vzduch ven. Je vzduchem míněn kyslík i dusík? Znamená všechen vzduch také rozpuštěný vzduch?
Nebo v reklamní brožurce jednoho výrobce expanzních zařízení s integrovaným tlakovým uvolněním na atmosférický tlak v otevřené expanzní nádobě se uvádí mimo jiné:
Citát: "Konkurence nás opakovaně upozorňuje, že se ... kyslík z otevřené expanzní nádoby dostává do soustavy. To je sice částečně pravda, ale je to nepodstatné, protože voda, pokud není pod tlakem, může přijmout jen velmi malé množství kyslíku"
Poslední věta obsahuje tři nesprávné výroky:
1. Skutečnost je, že se do soustavy kyslík dostává (ne jen částečná pravda)
2. Vůbec to není zanedbatelné množství
3. I voda, která není pod tlakem může přijímat velmi mnoho kyslíku, při 10 °C cca 11 mg/litr vody, při 70 °C ještě přinejmenším víc jak 5 mg/litr. To je 50 krát více než normou VDI 2035 max. doporučených 0,1 mg/litr!
Popíšeme zde proto některé běžné, v topných a chladicích soustavách používané fyzikální postupy odplynění se zřetelem na jejich účinnost. Tu v zásadě ovlivňují tři faktory.
- teplota média
- tlak média
- princip činnosti
Obr. 7: Princip topné soustavy s konvenčními odvzdušňovacími nádobami a tlakovou expanzní nádobou
Odplyňování za provozního tlaku
V mnoha topných a chladicích soustavách jsou pro odplynění bohužel instalovány mechanické odvzdušňovací nádoby. Tyto mohou odloučit pouze volné, ale žádné rozpuštěné plyny. Existuje několik principů, ale všechny mají jedno společné. Jsou instalovány jako součást soustavy a voda je v nich pod tlakem (a má tedy vysokou rozpustnost), jejich účinnost ovlivňuje rozhodujícím způsobem místo instalace (nejvyšší bod soustavy, nejnižší bod soustavy, výstupní větev, zpáteční větev, vzdálenost od kotle a čerpadla).
Jen při instalaci přímo v nejvyšších místech soustavy dokáže bezpečně zamezit problémům se "zavzdušňováním". V současné době v případě projektovaných systémů se spodními rozvody následuje instalace na nepříznivém, nízkoležícím místě. Jejich efektivita je potom silně omezena, ne-li pochybná.V případě podle obr.7, by se v odvzdušňovací nádobě odloučila pouze ta část obsahu dusíku, přesahující 30 mg/litr. Ale určitě se dalších 15 mg plynu z každého litru vody vyloučí ve vyšších místech soustavy.
Odplyňování za atmosférického tlaku
Obr. 8: Princip topné soustavy s multifunkčním expanzním automatem variomat firmy Reflex
s těmito základními funkcemi - udržování tlaku, doplňování a odplyňování v trvalém,
nebo intervalovém režimu, a uzavřenou expanzní nádobou s vakem.
Variomat uskladňuje expanzní vodu v beztlaké nádobě, ve které je pouze atmosférický tlak, a která slouží zároveň jako místo centrálního odpynění. Část proudu cirkulační vody je vedena přes tuto nádobu. Uvolněním na atmosférický tlak může např. koncentrace dusíku celého objemu soustavy klesnout teoreticky až na 10 mg/litr (Henryho diagram - 0 bar, 50 °C). Tato hodnota leží pod kritickou koncentrací v nejvyšším bodě, takže již nemůže víc docházet k tvorbě volných bublinek → Obr. 4. Atmosférické odplyňováky tedy splňují skutečně požadavky, kladené na naše vysněné zařízení na "centrální odplynění". Provozem systému bez volných bublinek plynu v cirkulační vodě je zamezeno problémům s cirkulací a minimalizováno nebezpečí eroze soustavy, to znamená narušování ochranných vrstev. Odpadne nákladné dodatečné "odvzdušňování" na mnoha decentralizovaných místech.
Samozřejmě musí být expanzní nádoba provedena jako uzavřená, bez přístupu vzduchu k hladině vody!
Zařízení odplyňující při atmosférickém tlaku mohou obsah rozpuštěných plynů snížit jen omezeně (odpovídající rozpustnost při atmosférickém tlaku podle HENRY). I to je velmi důležité, protože dokážeme zredukovat i obsah rozpuštěného kyslíku v doplňovací vodě. Doplňovací voda je největší zdroj trvalého zavlékání kyslíku do soustavy. Díky ohřevu asi na 40 °C a průtoku přes beztlakou nádobu, je jeho obsah zredukován z 11 mg/l na 7 mg/l.
Důležité!
S naším expanzním automatem variomat je systém uzavřený a nedochází již k dalšímu zavlékání kyslíku do soustavy. Na našem trhu najdete různé typy těchto zařízení. Některé z nich nabízejí i funkci odplyňování v nádobě za atmosférického tlaku, ale POZOR, potom nabídnou vzduchu volnou hladinu ve své nádobě! Voda, ve které se chemickou reakcí kyslík spotřeboval (a měření prokázala, že jeho obsah klesne až pod hranici 0,1 mg/litr vody), se při nahřátí soustavy a zvýšení tlaku přepustí do nádoby. Tady se potom chová velice "hladově" a začne se okamžitě sytit až na hodnotu, danou příslušným tlakem. V tomto případě se za barometrického tlaku rozpustí do každého litru vody 7 až 11 mg kyslíku (záleží na teplotě vody v nádobě). Při nočním útlumu v soustavě poklesne tlak, čerpadlo přečerpá část vody z nádoby do soustavy a toto množství kyslíku si zavlékáte s každým přečerpaným litrem do systému. Kyslík začíná okamžitě reagovat a chemickou reakcí se odborá. Ale za cenu způsobené koroze! Ráno při natápění systému se zvýší tlak a část vody se přepustí do nádoby a tady má celý den na to, aby si ze vzduchu zase doplnila to, co jsme jí vzali. A tak stále dokola, den po dni nám kyslík pomalu likviduje naše zařízení a bohužel se vůbec nevyhýbá tomu, co je investičně nejnákladnější - kotli.
Odplynění ve vakuu
Obr. 9: Princip topné soustavy s vakuovým dynamickým odplyňovacím automatem servitec firmy Reflex,
s integrovaným doplňováním, určeným pro odplynění soustavy a doplňovací vody
Servitec odplyňuje vodu ze soustavy ve vakuu. Ve vakuu je rozpustnost plynů ve vodě téměř nulová. Přesto probíhá odplynění ve statickém vakuu pomalu (→ Obr. 10). Teprve dynamické odplyňování, například při nástřiku vody do vakua (→ Obr. 11) zaručí vysoký odplyňovací výkon.
 Obr. 10: Odplyňování ve statickém vakuu |
 Obr. 11: Dynamické vakuové odplyňování na prototypovém zařízení servitec |
Dynamické vakuové odplyňování pracuje velmi efektivně, protože jednak zamezí tvorbě volných bublinek plynu, tak také silně zredukuje obsah rozpuštěných plynů, a to úplně nezávisle na tlakových poměrech v soustavě. Je možné odstranit chemicky reagující plyny (např. vodík, kyslík) a minimalizovat korozi. Jedna z markantních předností vakuového odplyňování ve srovnání s dávkováním chemikálií je nekompromisní vyloučení všech plynů, včetně inertních plynů, které se chemickou cestou odstranit nedají! Měření prokázala, že například obsah dusíku v cirkulační vodě v soustavě s vakuovým odplyňovacím zařízením servitec, které má nastřikovací trubku, se snížil na cca 3 mg/litr. To odpovídá asi hodnotám, které by byly naměřeny po termickém odplynění. Na obsah kyslíku ve vodě celé soustavy má odplynění "dílčím proudem" (při postupném odplyňování malé části) v klasické soustavě z ocelových trubek jen omezený vliv. Díky odplyňování po malých částech a jeho rychlé reakční schopnosti se kyslík nedá centrálně odstranit. Problém všech systémů postupného odstraňování plynů!
Velmi důležité ale je, že servitecem můžeme soustavu již plnit a odstranit tak asi 80% obsahu dusíku a kyslíku, obsaženého v povrchové vodě za atmosférického tlaku. Rovněž všechna doplňovací voda projde tímto vakuovým odplyněním.
Porovnání rozdílných systémů odplyňování
Na obrázku 12 je provedeno porovnání rozdílných odplyňovacích systémů, které jsou fyzikálně a technicky dosažitelné, s ohledem na snižování obsahu dusíku ve vodě soustavy v závislosti na tlaku v místě instalace. Dusík nám slouží jako vzorový plyn proto, že je to plyn inertní a nespotřebovává se ve vedlejších reakcích, a nezkresluje tedy výsledky měření.
Obr. 12: Porovnání různých systémů odplyňování při teplotě media do 50 °C.
Porovnání na obrázku 12 jednoznačně ukazuje, že jenom atmosférické a vakuové odplynění splňuje požadavky kladené na centrální odvzdušnění a odplynění.
Účinnost mechanických odlučováků vzduchu prudce klesá se stoupajícím tlakem. Obzvláště při instalaci v nejnižších místech systému nelze zamezit vylučování plynu v místech nejvyšších.
Pokud nechceme jen "odvzdušňovat", ale také aktivně bojovat proti korozi, musíme obsah plynů snížit téměř na nulu. To je možné jen termickým nebo dynamickým vakuovým odplyněním.
Odplyňovací výkony pouze na papíře - špatné interpretace Henryho zákonů
Na tomto místě ještě jednou ukážeme špatnou interpretaci Henryho zákonů, s níž se v praxi velmi často setkáváme. Upozorníme na zdánlivý "odplyňovací výkon", který je ale vykázán jen na papíře, a v praxi ve skutečnosti není.
Stanoviska na základě Henryho diagramu → obr. 13
V topném systému je při teplotě kolem 55 °C a tlaku 3 bary rozpuštěno 23 mg kyslíku v každém litru vody. Při tlakovém uvolnění na 0 barů v odplyňovacím zařízení může topná voda rozpustit už jen 5 mg kyslíku na jeden litr. V důsledku toho dojde k vyloučení 23 mg/litr - 5 mg/litr = 18 mg/litr vody.
Obr. 13: Max. rozpustnost kyslíku z atmosféry ve vodě
Tato argumentace je chybná! Proč?
- HENRY nepopisuje skutečný obsah kyslíku ve vodě, ale "co by se maximálně rozpustit mohlo, kdyby kyslík ze vzduchu byl dostatečně dlouho v přímém kontaktu s vodní hladinou". K tomuto kontaktu u zařízení s nádobou, kde je nad hladinou vzduch, na dost dlouhou dobu dochází, ale dojde k okysličení "jen" obsahu nádoby a následné smísení s objemem systému, tudíž koncentrace v celém systému (až na první napuštění), není oněch 23 mg O2/litr. A okamžitě následuje následuje chemická reakce, způsobující korozi a kyslík je z vody pryč. Ale není to zásluha tohoto odplyňovacího zařízení. To nám do systému kyslík jen dopraví! A to výrobce jako další speciální funkci svého "odplyňovacího" zařízení určitě neuvádí!
- Kyslík je reaktivní plyn. To znamená, že díky chemické reakci při korozi, případně při reakci s ostatními plyny, poměrně rychle spotřebovává. Jak ukazuje obrázek 3, jsou naměřené hodnoty obsahu kyslíku skoro ve všech zkoumaných soustavách pod 0,1 mg/litr, a to i bez odplyňovacího zařízení.
- Rovněž redukování obsahu kyslíku v cirkulační vodě na 5 mg/litr je neuspokojivý výsledek, podle směrnice VDI 2035 str. 2, bychom měli usilovat o hodnoty < 0,1 mg/litr.
Tento příklad nám ukazuje, jak je důležité, stanovit pro odplyňovací zařízení jednotná měřítka. Nynější stav je velmi neuspokojivý, denně se setkáváme s teoretickými, málo fundovanými a prakticky neověřenými teoriemi. To neodpovídá rostoucímu významu tohoto tématu a mohlo by se to negativně odrazit v zájmu o tato zařízení.
Souhrn kapitoly 3
Mechanické odlučováky vzduchu mohou efektivně pracovat jen při instalaci v nejvyšších místech soustavy.
Odplyňovací zařízení za atmosférického tlaku mohou tvorbu volných bublinek plynu v cirkulační vodě zamezit. Hodí se nejlépe pro funkci centrálních odvzdušňovacích zařízení, ale ne pro cílené odstranění kyslíku. Zajistí i zamezení eroze, kterou způsobují uvolněné bublinky plynu, vlečené proudem cirkulační vody.
Vakuové odplyňováky mohou celkový obsah plynů v soustavě dostat až téměř k nule. Bojují jak proti korozi (reaktivní plyny), tak i proti erozi a poruchám cirkulace (inertní plyny). Vysoký stupeň odloučení dosáhnou vakuové odplyňováky dynamické.
Henryho zákony popisují ne skutečné obsahy, ale maximálně možné obsahy plynů v roztocích.
Značka Reflex je v mnoha zemích světa známá svými zařízeními na udržování tlaku v topných soustavách a systémech pitné a užitkové vody. Expanzní nádoby a systémy - vše od malých soustav v rodinných domcích až po velké soustavy zásobování teplem. Doplňovací ...