Problematika plynů v otopných systémech I
Expanzní zařízení musí být vůči atmosféře uzavřená, aby se zamezilo především pohlcování kyslíku oběhovou vodou, a musí bezpečně zabránit vzniku podtlaku a kavitaci. Mnoho expanzních nádob především v malých soustavách je špatně nastaveno a neplní správně svou funkci.
1. Plyn není to samé jako vzduch - pohled na toto téma z různých úhlů
Diskuse na toto téma jsou v praxi silně zjednodušovány tím, že se nesprávně mluví o problémech se "vzduchem" a nezřídka se vzduch nepřípustně dává do stejné roviny s kyslíkem. Tak se problémy se vzduchem degradují na problémy s kyslíkem a každý problém se vzduchem je povýšen na problém s korozí. Tak jednoduché to bohužel není!
Problematika s plyny se projevuje prakticky ve dvou formách.
Některé plyny mohou ve volné nebo rozpuštěné formě způsobovat korozi materiálu.
Nejznámějším zástupcem je kyslík, rozhodujícím dílem zodpovědný za korozi železných materiálů. Obrázek 1 ukazuje naměřené hodnoty v zařízení s vysokým podílem ocele. Téměř všechny naměřené hodnoty (i v případě otevřených systémů!) jsou pod kritickou hodnotou 0,1 mg/litr (to je pod hodnotou, definovanou VDI 2035 Bl. 2/3, kdy kyslík ještě působí škody) a to je méně než 1 % jeho koncentrace v pitné vodě. Tato skutečnost ukazuje, že kyslík velice "ochotně" reaguje. V systému se velmi rychle chemickou reakcí odbourá a způsobí korozi. "Nejvyšším přikázáním" tedy je zamezit přístupu kyslíku, projektovat a realizovat důsledně jen vůči atmosféře uzavřené soustavy.
Obr. 1: Naměřené hodnoty obsahu kyslíku v cirkulační vodě různých soustav
Plyny se mohou ve vodě vyskytovat rozpuštěné, a pokud jejich koncentrace přesáhne hranici rozpustnosti, vylučují se ve formě bublinek.
Nejznámější zástupce je dusík, jedna z hlavních součástí vzduchu. Dusík je inertní plyn a nespotřebovává se jako kyslík chemickou reakcí. Proto se může v topné a chladicí vodě vyskytovat ve větším množství (obr. 3). Byly naměřeny hodnoty až 50 mg/litr. To je asi 280 % koncentrace pitné vody v přírodě (18 mg/litr). V této koncentraci již nemůže zůstat dusík zcela rozpuštěn ve vodě a vylučuje se ve volných bublinkách (obr. 2). Bublinky se soustřeďují v místech relativního klidu a vede to k poruchám a přerušení cirkulace. Volné bublinky v proudu kapaliny zesilují erozi a postupně odstraní korozi odolné vrstvy, rovněž tak způsobují opotřebení čerpadel a ventilů.
Obr. 2: Dusíkem přesycená topná voda po odebrání vzorku
Rozpustnost plynů ve vodě je popsána Henryho zákonem (obr. 4). Rozpustnost klesá se stoupající teplotou a klesajícím tlakem.
Obr. 3: Přehled naměřených hodnot obsahu dusíku v cirkulační vodě při nasazení různých expanzních systémů v porovnání s teoreticky
možnými hodnotami nasycení dusíkem v nejvyšším místě při odpovídajících tlacích a teplotách ve zkoumaných soustavách.
To vysvětluje například, proč se poruchy cirkulace vyskytují především v topných tělesech ve vyšších podlažích. Pokud bychom tedy vzali pro udržování tlaku za základ minimální přetlak 0,5 baru v nejvyšším místě, potom vychází při teplotě výstupní větve 70 °C rozpustnost 15 mg N2/litr vody. Z obr. 3 je zřejmé, že u všech zkoumaných soustav leží skutečná hodnota nasycení (červený sloupec) výrazně nad hodnotou 15 mg/litr. Lze z toho tedy všeobecně předpokládat, že soustavy s koncentrací N2 ≤ mg/litr, jsou bezproblémové. A toho se právě při odplynění za atmosférického tlaku dosáhne → viz str. 15.
Obr. 4: Maximální rozpustnost dusíku ze suchého vzduchu podle Henryho zákona.
Vedle dusíku se v některých soustavách objevil ve formě volných bublinek i vodík a metan. Rovněž na tyto plyny se vztahuje Henryho diagram.
Souhrn
Kyslík je velmi rychle reagující plyn a je hlavní příčinou koroze systému. Při chemické reakci se spotřebuje. Do systému se dostává téměř výlučně v rozpuštěné formě. Koncentrace kyslíku > 0,1 mg/litr signalizuje zvýšené riziko pro vznik koroze (3)
Dusík je jako inertní plyn nejvíce zodpovědný za vytváření proudu smíšeného ze dvou fází (plyn/voda). Koncentruje se permanentně v systému a to vede například ke známým poruchám cirkulace. Hodnoty koncentrace dusíku ≤ mg/litr jsou bezproblémové a to je při odplynění za atmosférického tlaku dosažitelné.
2. Jak plyny do uzavřených systémů vnikají
V plnící a doplňovací vodě - jsou v ní rozpuštěné
Nejčastěji se pro plnění a doplňování soustav používá pitná voda. Ta je zpravidla nasycená vzduchem. Podle Henryho zákona je v ní teoreticky rozpuštěno cca 11 mg kyslíku a 18 mg dusíku na 1 litr vody. Kromě toho je v ní rozpuštěný v malém množství oxid uhličitý. Obrázek 5 ukazuje shodu s naměřenými hodnotami v Drážďanech. Samozřejmě že zde existují regionální odchylky. Je samo sebou, že nejvyšší prioritu má těsnost systému, protože s každým litrem doplňovací vody se do systému dostává také 29 mg "vzduchu" (dusíku a kyslíku).
Obr. 5: "Zatížení" pitné vody plynem
V systému zůstanou uzavřeny zbytkové plyny při novém nebo částečném plnění po opravě.
Jestliže se jednotlivé části systému dokonale neodvzdušní, může se uzavřený zbytkový vzduch díky vysokému tlaku v systému rozpustit v oběhové vodě. Měření při pokusech prokázala téměř dvojnásobný obsah plynu po napuštění, než obsahuje plnící povrchová voda. Pozorováním bylo zjištěno, že poruchy cirkulace způsobené uvolněným plynem se ve větším rozsahu vyskytují po provedených opravách a to i v případech, kdy se pro doplňování používá voda neobsahující plyn z primárního okruhu dálkového vedení tepla. Přitom může být místo opravy libovolně vzdáleno od místa soustřeďování uvolněného plynu (ten se soustřeďuje především v nejvyšších místech soustav), protože rozpuštěné plyny jsou "dopravovány" oběhovou vodou. Tato skutečnost ztěžuje určit příčinu poruch cirkulace vlivem "zavzdušnění".
Vzduch se může do soustavy dostávat difuzí přes různé části systému.
Rozdíl koncentrací mezi obsahem plynu ve vzduchu (cca 78 % N2, 21 % O2) a ve vodě je hnací silou pro difuzi do soustavy. Protože koncentrace kyslíku v oběhové vodě při provozu je téměř nulová (obr. 1), je zde velmi vysoký difuzní potenciál mezi atmosférou a oběhovou vodou v soustavě. Zatímco kovové materiály, jako jsou ocel a měď, mají zanedbatelnou permeabilitu (propustnost) vůči plynům, přes nekovové materiály jako, jsou plasty, pryž a ostatní materiály těsnění, se pronikání kyslíku do systému daří. Například DIN 4726 /4/ stanovuje nejvyšší hodnotu propustnosti materiálu potrubí pro kyslík na 0,1 mg O2 na jeden litr objemu soustavy a den.
Obrázek 6 ukazuje odhad difundovaného množství O2 u různých topných soustav. U podlahového vytápění z plastových trubek je hodnota difundovaného množství kyslíku 103 až 105 krát vyšší než u klasické instalace z měděných nebo ocelových trubek. Právě u přímého propojení podlahového vytápění z plastových trubek s otopnou soustavou z ocelových trubek to vede k velkým škodám, které způsobí koroze.
Obr. 6: Odhad difundovaného množství plynu v závislosti na tepelném výkonu soustavy
Plyny mohou vznikat chemickou reakcí a korozí.
Pod vlivem velkého počtu okrajových podmínek, jako jsou kombinace materiálů, kvalita vody, chemické přísady, obsažené látky, tlak a teplota, mohou ve vodě soustavy vznikat plyny. Při měřeních byla v některých soustavách zjištěna, vedle již zmiňovaného dusíku (ze vzduchu), i přítomnost malého množství vodíku a metanu. Ne všechny mechanismy vzniku plynů při chemických reakcích jsou objasněny, část jsou jen domněnky. Také zde je potřeba vést další výzkum.
Vodík H2 může v systému ze železných materiálů vznikat reakcí při korozi a může se kumulovat až do stavu přesycení. Při dávkování siřičitanu sodného NA2SO3 může potom následně vznikat sirovodík H2S (7).Sirovodík může vznikat také prostřednictvím bakterií redukujících sulfáty (8). Vzniklý H2S může v soustavách s měděnými částmi (např. trubkový svazek ve výměníku tepla, mědí pájené nerezové deskové výměníky) reagovat s oxidem mědi CU2O za vzniku sulfidu mědi CU2S. Na rozdíl od CU2O vzniklý CU2S nevytváří žádnou ochrannou vrstvu. Koroze a následné škody se objeví již po krátké době provozování.
Jednou z domněnek je, že vodík H2 může rovněž vznikat biologickým procesem při rozkladu tuků. Ty se do potrubního systému dostávají při montáži, opravách a údržbě.
Kritické může být použití hliníku (například hliníkové radiátory). Již při výrobě musí být opatřeny dostačující ochrannou vrstvou, protože přirozená ochranná vrstva je stabilní pouze do hodnoty PH 8,5 , zatímco "železné soustavy" by měly být provozovány s PH > 8,5 (hodnota PH < 7 = voda je kyselá, hodnota PH >7 = voda je zásaditá). V soustavě s hliníkovými radiátory byly zjištěny při koncentraci 3,2 mg vodíku/litr vody jasné známky koroze. Toto množství vede již při teplotě 30 °C a přetlaku 1 bar k tvorbě volných bublinek plynu.
Vznik metanu způsobují bakterie, je produktem hnilobných procesů.
Vzduch může do systému vnikat díky špatné funkci, nebo špatné instalaci expanzního zařízení.
Nadále zůstává nejčastějším základem pro vznik problémů se "zavzdušňováním", především v malých soustavách s expanzními nádobami, nedostatečné udržování tlaku. Proto uvedeme ty nejdůležitější předpoklady pro správně fungující zařízení pro udržování tlaku (expanzní zařízení).
Expanzní zařízení musí zaručit, že ani při klidovém stavu (oběhové čerpadlo je vypnuto), ani při provozu oběhového čerpadla nevznikne v žádném místě soustavy podtlak, nedojde k odpařování, kavitaci a nebudou se z vody uvolňovat bublinky plynu. Zejména je třeba všímat si nejvyšších míst soustavy, čerpadel a regulačních ventilů.
Nejčastější nedostatky:
Špatné uvedení do provozu, chybějící údržba
Především u expanzních nádob není správně pro danou topnou soustavu nastaven tlak plynu v nádobě p0 a plnící tlak v soustavě pF. Rovněž se v minimálním počtu případů provádí normou DIN 4807 T2 předepsaná pravidelná roční kontrola tlaku plynu v nádobě (z druhé strany membrány nesmí působit tlak vody!). Zpravidla chybí, pro tento účel určený kulový kohout se zajištěním.
Závěry našich průzkumů:
přetlaky plynu p0 v nádobách (bez tlaku vody) jsou často příliš vysoké a plnící tlaky pF (vodní předlohy) jsou často příliš nízké.
Právě k těmto zkušenostem jsme přihlíželi při návrhu našeho výpočetního programu pro dimenzování tlakových expanzních nádob, ve kterém počítáme s minimálním plnícím tlakem pF o 0,3 baru nad přetlakem plynu v nádobě.
Příliš nízký tlak systému
u topných soustav s nepatrným statickým tlakem p (nízká zástavba, střešní kotelny) musí přetlak plynu v nádobě p0, kvůli zamezení vylučování plynu a kavitace, být přizpůsoben nejvíce hydraulicky namáhaným částem (čerpadla a regulační ventily).
Poznámka: minimální tlak na sání oběhových čerpadel pz dle údajů výrobce
při udržování konečného tlaku musí být při stanovení přetlaku plynu v nádobě, na rozdíl od udržování minimálního provozního tlaku p0 (= přetlak plynu v nádobě), přihlédnuto k podílu tlaku čerpadla (je podle systému 60-100 %).
Nedostatečné doplňování soustavy vodou
Žádné expanzní zařízení neumí bez doplňování úbytků vody pracovat (vodní předloha u otopných soustav ≥ 0,5 % objemu soustavy). Jestliže nejsou skutečné ztráty vody ze systému odpovídajícím způsobem nahrazeny, následuje podtlak a problémy. Při provozu bez pravidelného dozoru je nutné automatické kontrolované doplňování (→ viz kapitola 5). V soustavách s tlakovými expanzními nádobami by měl být plnící tlak pF minimálně o 0,3 baru nad přetlakem plynu v expanzní nádobě.
S vydáním VDI 2035 Bl. 2 1988 (3) se znovu rozproudily diskuse o problematice pohlcování plynů, a především kyslíku, prostřednictvím expanzních zařízení.
Obrázky 1 a 3 ukazují naměřené hodnoty obsahu kyslíku a dusíku v cirkulační vodě. Soustavy jsou vybaveny různými systémy na udržování tlaku. Na začátku je třeba jednoznačně říci, že obsah plynu v cirkulační vodě ovlivňuje méně druh expanzního zařízení než ostatní okolnosti. Ale především se zřetelem na obsah kyslíku to však nesmíme interpretovat nesprávně! Už v Části 1 jsme upozorňovali, že kyslík se velmi rychle korozí spotřebovává. Kromě toho dochází k silnému ředění díky mísení cirkulační a expanzní vody. Tím dochází k tomu, že kyslík se v našich měřeních vyskytuje jen v malých hodnotách. Prorezavělá expanzní potrubí u otevřených expanzních nádob svědčí ale o jeho existenci. Měření v otevřených expanzních nádobách nám však ukázala hodnoty mezi 4 a 6 mg O2/litr vody (5).
Je proto nepopiratelné, že expanzní nádoby s přímým spojením s atmosférou musíme odmítat, protože je to zdroj koroze systému.
Současný trend jsou tedy expanzní nádoby s membránou, která odděluje prostor plynu od prostoru vodního. Varující je skutečnost, že OTEVŘENÉ expanzní nádoby s cizím zdrojem tlaku (přepouštěcí ventily, čerpadlo) jsou na našem trhu nabízeny pro odplyňování (viz přehled str. 10). Tyto sice mohou na rozdíl od dřívějších, nahoře umístěných, redukovat koncentraci dusíku v soustavách a zamezit poruchám cirkulace, ale mají velký podíl na korozi systému, protože do soustavy trvale zavlékají 4-6 mg kyslíku s každým litrem vody! (5) To musíme jako škodlivé a jako krok zpátky rozhodně ODMÍTNOUT. Bohužel musíme také konstatovat, že v současné době neexistuje žádná norma, která by stanovila postup pro stanovení propustnosti membrán expanzních nádob vůči plynům, takže nemáme možnost provést fundované porovnání.
Současný trend technického vývoje jsou uzavřené expanzní nádoby.
Ukážeme vám nejrozšířenější formy expanzních nádob.
Problematika plynů bude ve vývoji instalační techniky hrát stále větší roli
Jestliže dříve byly topné soustavy montovány většinou z ocelových trubek vedených horem, s centrálním odvzdušněním, s malým počtem čerpadel a armatur, představuje dnešek už úplně jiný obrázek:
- Ve spodních rozvodech a vodorovných rozváděcích systémech je mnoho decentralizovaných, těžko přístupných odvzdušňovacích míst.
- Vodorovná desková topná tělesa a chlazené stropy, vodorovné, do šířky roztažené rozváděcí systémy jsou běžnými metodami těžko odvzdušnitelné.
- Používání různých materiálů, jako je plastická hmota a pryž, jakož i velký počet těsnících ploch v instalacích dovolí vzduchu difundovat do soustavy.
- Instalace provedené z různých kovových materiálů vedou za určitých podmínek k tvorbě plynů.
V tuto chvíli by se mohlo zdát, že máme neřešitelný problém - nové topné a chladicí soustavy jsou více zaplyněné, ale přitom tradiční způsoby "odvzdušnění" na mnoha decentralizovaných odvzdušňovacích místech neúčinné.
Souhrn
Expanznímu zařízení připadá ústřední role v problematice plynů. Tato zařízení musí být vůči atmosféře uzavřená, aby se zamezilo především pohlcování kyslíku oběhovou vodou, a musí bezpečně zabránit vzniku podtlaku a kavitaci. Mnoho expanzních nádob především v malých soustavách je jak na straně plynu, tak i na straně vody špatně nastaveno a neplní správně svojí funkci. Tady je třeba provádět trvale osvětu a začít okamžitě jednat.
Pronikání a tvorbě plynů se nedá zabránit ani v případě uzavřených soustav (plnění, doplňování, difuze, chemické reakce).
Plyny se musí cíleně z uzavřených systémů pomocí vhodných zařízení především centrálně odstranit, aby se zamezilo poruchám cirkulace, erozi a korozi. Odplynění musí být jednosměrné: plyn musí ven ale žádný vzduch dovnitř!
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 ...