Odplynění otopných a chladicích soustav
Přítomnost plynů ve vodních topných a chladicích soustavách je stále aktuálním tématem odborníků. Z tradice žijeme v přesvědčení, že prosté odvzdušnění nás zbaví problémů se vzduchem. Běžně používaná voda pro plnění soustavy s teplotou kolem 10 °C obsahuje při atmosférickém tlaku 22,8 litru rozpuštěného vzduchu na 1 m3! Při plnění soustavy vodou z vodovodního řadu je množství vzduchu ještě výrazně větší. Soustavu odvzdušníme, avšak toto množství zůstává rozpuštěné ve vodě! Proto máme celou řadu zdánlivě nepochopitelných případů zavzdušňování, proto může být neúčinná celá řada opatření.
Řešení je pouze jediné: zbavme vodu rozpuštěných plynů!
Firma Reflex se intenzivně zabývá výzkumem působení a vylučování plynů v tlakových soustavách. To dokazuje naše mnohaletá spolupráce s Technickou univerzitou v Drážďanech při vývoji nové generace expanzních a odplyňovacích systémů Variomat a Servitec.
Jak a které plyny se do uzavřené soustavy dostanou?
- Plnící a doplňovací vodou - asi 12 mg O2/litr + 18 mg N2/ litr = 30 mg vzduchu na 1 litr vody, to je 0,0228 litru vzduchu v jednom litru vody. Pro 1 m3 vody je to již výše uvedených 22,8 litru vzduchu. Tyto hodnoty odpovídají rozpustnosti vzduchu ve vodě při atmosférickém tlaku, to znamená v povrchové vodě.
- Difúzí propustnými materiály -, ze kterých je soustava sestavena, čím více těsnění, rozdělovačů, armatur, hadic a trubek z plastické hmoty, tím více vzduchu se do soustavy dostává.
- Bakteriemi – plyn z hnilobných procesů.
- Produkty chemické reakce, např. při korozi vodovodního potrubí
V jaké formě existuje plyn v otopné soustavě?
- V rozpuštěné formě, tzn., že plyny jsou neviditelné, rozpustnost plynů je popsána Henryho zákonem (viz graf rozpustnosti dusíku). Rozpustnost roste úměrně s tlakem a klesá s rostoucí teplotou. Rozpuštěné plyny jsou nežádoucí jen tehdy, pokud působí destrukčně, např. kyslík reaguje se železem za vniku koroze.
Dusík, který se právě prostřednictvím vzduchu do zařízení dostává, je plyn inertní, nevyvolává žádné chemické reakce a v rozpuštěné formě žádnou škodu nepůsobí. - Ve volné formě, tzn., že plyny jsou ve formě bublinek. To je případ, kdy je voda nasycena a žádný další plyn se nerozpouští.
Tyto plyny se převážně vyloučí:- na místech s nejvyšší teplotou - např. v kotli
- na místech s nízkým tlakem – v nejvyšších místech soustavy a obzvlášť potom „zlobí” v topných tělesech.
Stále se opakující poruchy kvůli soustřeďování plynu v otopných a chladících soustavách jsou dostatečně známé. Poruchy cirkulace, šum a eroze mají za následek nespokojenost zákazníků a stoupající provozní náklady. Měření, která prováděli pracovníci Technické univerzity v Drážďanech na 50 vybraných soustavách, poskytla tyto výsledky:
- Dusík je hlavní příčinou tak zvaných problémů se vzduchem. Ve všech soustavách byla naměřena vyšší koncentrace, než je jeho obsah v povrchové vodě, která se používá jako plnicí voda. Vedle dusíku bylo v některých soustavách zjištěno i větší množství vodíku a metanu.
- V cca 50 % zkoumaných soustav dosahuje koncentrace dusíku ve vodě hodnot vysoko překračující stav nasycenosti v nejvyšším místě soustavy za daného tlaku a teploty. Toto jsou potenciální problémové soustavy, protože přesycenost vede k vylučování plynu.
- Pro chybějící termický efekt odplyňování (schopnost vody rozpouštět plyn klesá s rostoucí teplotou), jsou k zavzdušňování velmi náchylné chladicí soustavy a soustavy chladicí vody.
Legenda ke grafu rozpustnosti dusíku:
A) Ideální, spíše teoretický stav - v nejvyšších místech soustavy přetlak 3 bary při 70°C. Pak je voda schopna rozpustit téměř 40 mg N2 na litr vody, tedy více, než se nám do soustavy dostává s plnící a doplňovací vodou. Nedochází tak k uvolňování plynu.
B) Plnění soustavy vodou 10 °C a následný ohřev na 70 °C, obsah N2 v jednom litru vody je 18 mg. Teoreticky bychom v nejvyšším místě museli udržovat přetlak 0,8 baru, aby nedošlo k uvolnění žádného dusíku.
C) Pokud udržujeme v nejvyšším místě přetlak jen 0,5 baru (běžné nastavení u tlakových expanzních nádob a expanzních automatů), je voda schopná rozpustit při teplotě 70 °C asi 15,4 mg N2 na litr vody.To znamená, že dojde k vyloučení cca 2,6 mg N2 z jednoho litru vody a to jsou asi 2,1 litru N2 z 1 m3, které se nám v otopné soustavě objeví.
Co se stane s kyslíkem?
Kyslík se však chová jinak než dusík. Intenzivně vyhledává železné materiály, čím jich je víc, tím rychleji a rovnoměrněji s nimi. Při pokusech bylo prokázáno, že v zařízení vyrobeném výlučně z ocelové trubky s objemem 2 000 litrů došlo k odbourání kyslíku pod hodnotu 0,1 mg na litr za méně než 7 hodin. To je hodnota pro teplovodní vytápění do 100 °C, při které nedochází k žádné, nebo jen k naprosto zanedbatelné korozi. Zjištěné koncentrace rozpuštěného kyslíku ve zkoumaných soustavách výsledku pokusu odpovídají. Hodnoty koncentrace kyslíku ve všech soustavách byly, bez jakéhokoli opatření na úpravu vody, pod hranicí 0,1 mg/litr. To je asi 1/100 jeho koncentrace v povrchové vodě (11 mg/litr) a to potvrzuje, že se kyslík v „ocelové“ soustavě chemickou reakcí velmi rychle odbourá a další opatření na jeho odstranění jsou zbytečná.
Ale POZOR! To platí jen v případě, že v nádobě expanzního zařízení nemá přístup vzduch k hladině vody! V nádobě expanzního automatu Reflex Variomat je tato důležitá podmínka splněna, protože je v ní voda uskladněna v butylovém vaku. Propojení vnitřku nádoby s atmosférou je mezi stěnu nádoby a stěnu vaku a k hladině vody se už žádný další kyslík nedostane. Otevřené expanzní systémy, které ve své nádobě mají přímo nad hladinou vzduch, se používají dosud běžně. Ale fyzika pro ně platí a množství kyslíku, které se touto cestou dostane do soustavy není podle našeho názoru zanedbatelné, protože ve vodě se za barometrického tlaku a uvažované teplotě v nádobě cca 50 °C může rozpustit až 7 mg kyslíku na litr vody. To je mnohonásobně více, než hodnota 0,1 mg/ 1l, která již nepůsobí korozi. A „hladová“ voda, přepuštěná do nádoby a vystavená působení vzduchu, se začne na tuto hodnotu postupně sytit (samozřejmě to také záleží na době, po kterou je voda v nádobě působení vzduchu vystavena). Potom se voda vrací do soustavy, kyslík začne reagovat a to se stále opakuje.
Technické možnosti pro fyzikální odplynění
1) Odplyňování za provozního tlaku
Princip topné soustavy s konvenčním odlučováním vzduchu a tlakovou expanzní nádobou
V mnoha topných a chladicích soustavách jsou pro odplynění instalovány mechanické odvzdušňovací nádoby. Tyto mohou odloučit pouze volné, ale žádné rozpuštěné plyny. Existuje několik principů, ale protože jsou instalovány vždy v místech, kde je tlak a vysoká rozpustnost, je tento způsob odplyňování neúčinný. V tomto případě by se v odvzdušňovací nádobě vyloučila pouze část rozpuštěných plynů, pokud by koncentrace přesahovala 30 mg/litr. Ale určitě se 15 mg plynu z každého litru vody vyloučí ve vyšších místech soustavy.
2) Odplyňování za barometrického tlaku
Princip topné soustavy s expanzním automatem Variomat, s těmito základními funkcemi – udržování tlaku, doplňování a odplyňování v různých režimech, s uzavřenou beztlakou expanzní nádobou s vakem.
Variomat řízeně přepouští část topné vody ze soustavy do nádoby, ve které je pouze atmosférický tlak. V nádobě, kde je nejnižší tlak v celé soustavě, a tím i nejnižší rozpustnost plynů ve vodě v celé soustavě, je část plynu z vody vyloučena a přes odvzdušňovací armaturu „odfouknuta“ do atmosféry. Díky tomuto tlakovému uvolnění snížíme koncentraci rozpuštěného dusíku v celé soustavě na cca 10 mg/litr (graf rozpustnosti plynů - 0 barů, 50 °C). Tato hodnota leží pod kritickou koncentrací v nejvyšším bodě, takže nedojde k uvolnění žádného plyn ve formě bublinek. Tím je zamezeno problémům s cirkulací a soustava je chráněna proti korozi.
3) Odplyňování za podtlaku
Princip topné soustavy se Servitecem, podtlakovým odplyňovacím automatem firmy Reflex s integrovaným doplňováním.
Servitec je důmyslné doplnění našeho programu expanzních automatů Variomat a je vhodný také pro rekonstrukce stávajících soustav s tlakovými expanzními nádobami, nebo jinými systémy udržování tlaku v soustavě - je to zařízení určené pro automatické odplyňování a doplňování.
Jak tedy dostaneme plyny z otopné soustavy ven?
Na závěr malé shrnutí možností, jak účinně s plyny v soustavách bojovat. Od roku 1995 firma Reflex ve spolupráci s Technickou univerzitou v Drážďanech zkoumala problematiku přítomnosti vzduchu v topných soustavách s cílem hledat její příčiny a najít řešení.
Výsledkem je řada expanzních automatů
Variomat
s těmito základními funkcemi: udržování tlaku, odplyňování a doplňování.
- Udržování tlaku znamená:
- mít v soustavě konstantní tlak v rozmezí 0,4 baru mezi pa (počáteční tlak = tlak při spuštění čerpadla) a pe (konečný tlak = tlak otevření přepouštěcí armatury).
- zamezení vzniku podtlaku a tím přímému nasávání vzduchu do soustavy
p0 = pst (bar) + 0,2 bar
potom pracuje v rozmezí p0 + 0,3 baru (počáteční tlak pa) a + 0,4 bar (konečný tlak pe) - Odplyňování znamená:
- odstranit při procesu plnění do soustavy „zavlečený“ vzduch a uvolněné plyny.
- odstranit plyny, které se během provozu trvale dostávají do topné soustavy difúzí pro plyny propustnými díly (těsněními, hadicemi, trubkami z plastických hmot a podob.)
- Doplňování znamená:
- doplnit objem vody ztracený odvedením uvolněného vzduchu
- automaticky doplnit drobné ztráty soustavy
a řada doplňovacích a odplyňovacích automatů
Servitec
Servitec přepouští vodu ze soustavy do podtlakové trubky a zpět v závislosti na nastaveném režimu odplyňování. Odplyňovací trubka Servitecu je místo, kde se dosahuje téměř vakua. Podtlak v trubce je vytvářen dýzou rozprašující nastřikovanou vodu a dimenzovanou tak, že čerpadlu „nestačí“. Ve vakuu je rozpustnost plynů ve vodě téměř nulová. Při dosažení dolní hladiny čerpadlo vypne, hladina v trubce začne stoupat a vytlačí uvolněný plyn přes speciální armaturu do atmosféry. Servitec dokáže snížit obsah rozpuštěných plynů v soustavě cca na 3 mg/litr.
To výrazně minimalizuje škody, působené plyny v topných soustavách. Velice důležité je to, že Servitecem můžeme soustavu již plnit a odstranit tak asi 80 % obsahu dusíku a kyslíku, obsaženého v povrchové vodě za barometrického tlaku. Rovněž všechna doplňovací voda projde tímto podtlakovým odplyněním.
Toto zařízení může spolupracovat s jakýmkoli zdrojem udržování tlaku v systému a je velice vhodné pro rekonstrukce systémů a pro soustavy, kde jsou problémy se zavzdušňováním. Standardní zařízení jsou do objemu systému 200 m3, větší soustavy řešíme individuálně.
Porovnání rozdílných systémů odplyňování
Porovnání různých systémů odplyňování při teplotě media do 50 °C.
Srovnání na obrázku nám jasně ukazuje, že jedině odplyňování za barometrického tlaku nebo za podtlaku je ta správná cesta v našem boji se „vzduchem“ v otopných soustavách.
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 ...