Koroze v otopných soustavách, solárních soustavách a primárních okruzích tepelných čerpadel, úprava vody, filtrace a odplynění

Článek popisuje problematiku vzniku koroze u otopných soustav. Autor poukazuje na základní chemicko-fyzikální principy a podrobně rozebírá jednotlivé případy vzniku koroze nejen u otopných soustav, ale také v solární technice a u tepelných čerpadel. Závěr pak poskytuje čtenáři návod jak omezit vznik koroze pro jednotlivé aplikace.

Recenzent: Roman Vavřička

Korozní procesy probíhající v otopných soustavách způsobují funkční problémy, materiálové škody, zkracují životnost technických zařízení a podílí se na zvýšené hlučnosti. Projektanta, instalatéra i provozovatele otopných soustav by mělo především zajímat, jak výše uvedené nepříznivé jevy omezit na minimum.

Koroze v teplovodních otopných soustavách

Podle příčin vzniku a podle mechaniz­mů, jakými koroze ve vodním prostředí vzniká, rozlišujeme korozi chemickou, elektrochemickou a biologickou. Koroze chemická a elektrochemická se zpravidla ve vodním prostředí vyskytují současně a není mezi nimi zásadní rozdíl.

Každý konstrukční materiál se vyznačuje standardním elektrochemickým potenciálem.

Standardní potenciál kovu je aktivita kovových iontů v roztoku za standardních podmínek (teplota T = 293,15 K, tlak p = 101325 Pa). Standardní potenciál charakterizuje „intenzitu“ kovu přecházet do oxidovaného stavu, tedy korodovat a uvolňovat elektrony. Kovy ušlechtilé, tj. s vyšším standardním potenciálem, mají tuto snahu menší než kovy s nižším standardním potenciálem.

Standardní potenciály konstrukčních kovů nemají absolutní význam. Praktický význam má pouze vzájemné srovnání potenciálů, tedy rozdíl potenciálů mezi jednotlivými konstrukčními materiály použitými v konkrétní otopné soustavě.

Zásadní význam pro praxi má skutečnost, že se při rozdílných teplotách rozdíly elektrochemických potenciálů, oproti standardním hodnotám, mění. Důsledkem rozdílných teplot materiálů je zpravidla větší rozdíl potenciálů.

Spojením dvou kovů s rozdílným elektrochemickým potenciálem vzniká mikročlánek. Různé potenciály na styku dvou kovů mají snahu se vzájemně vyrovnat, tedy sjednotit se na společné hodnotě, a proto mezi oběma kovy probíhá měřitelný elektrický proud.

Korozí je, až na malé výjimky, více postižen konstrukční materiál s nižším elektrochemickým potenciálem, tj. materiál méně ušlechtilý. V některých případech koroduje oproti předpokladům materiál ušlechtilejší. Například koroduje rychleji měď než ocel. Je to způsobeno vzájemnou výměnnou proudovou hustotou.

Vzájemná výměnná proudová hustota určuje rychlost koroze v aktivním stavu. Velikost výměnné proudové hustoty v zásadě určuje rozdíl potenciálů stýkajících se kovů a elektrický odpor prostředí mezi nimi, který ovlivňuje velikost styčné plochy a vlastnosti elektrolytu – v našem případě teplonosné kapaliny, tedy její chemické složení, teplota aj.

Proto může být v jedné otopné soustavě, ve které je použito více prvků z různých kovů, rychlost koroze kovových prvků s menším rozdílem standardních potenciálů větší, rychleji probíhající, než u prvků, které mají větší vzájemný rozdíl potenciálů, a u kterých bychom rychlejší korozi předpokládali.

Vlivem vlastností teplonosné kapaliny existuje mezi prvky z kovů s větším rozdílem standardních potenciálů menší výměnná proudová hustota. Chemické vlastnosti teplonosné kapaliny v praxi ovlivňují používané inhibitory koroze a pak lze při řešení problémů s korozí zjistit tento, na první pohled překvapující, fakt.

K elektrochemické korozi může docházet i v případě, kdy nejsou přímo spojeny dvě kovové součástky s různým potenciálem. Například přenese-li se prouděním kapaliny malé množství korozních produktů mědi na povrch železa, dojde k vytvoření korozních článků na celém povrchu železa. Vložením části plastového potrubí mezi měděné a ocelové potrubí, korozi nezabráníme. Změní se však charakter korozního napadení. Při přímém spojení dvou rozdílných kovů je nejvyšší proudová hustota v místě spoje. Proto jsou spoje nejvíce ohroženy a dochází v těchto místech ke vzniku netěsností způsobených korozí.

Důležitou veličinou pro rychlost korozních procesů ve vodním prostředí je poměr velikosti ploch rozdílných materiálů, které jsou ve styku s teplonosnou látkou. A dále pak i rychlost a směr proudění teplonosné kapaliny. Rychlost koroze méně ušlechtilého kovu vzrůstá s rostoucím podílem ušlechtilého kovu.

K elektrochemické korozi může docházet i v rámci mikrostruktury kovů a jejich slitin. Rychlost koroze závisí na chemickém složení materiálu, homogenitě a případném obsahu nekovových vměstků (grafit, karbidy aj.). Při elektrochemické korozi vzniká rozkladem vody vodík. Je snadno zjistitelný zapálením unikajících plynů, například při odplyňování otopných těles. Tento stav je signálem, že koroze probíhá intenzivně a měla by být hledána účinná opatření, jak jí zabránit.

Teplonosná kapalina

Korozní procesy podstatným způsobem ovlivňují vlastnosti teplonosné kapaliny.

Pro vznik a rychlost koroze je důležitý obsah kyslíku i dalších agresivních plynů, množství a typ rozpuštěných solí, přítomnost organických látek a mikroorganizmů, pH, teplota, rychlost proudění a obsah pevných částic.

Kyslík

Z plynů rozpouštěných ve vodě má největší vliv kyslík. Není-li ve vodě rozpuštěný kyslík, je koroze velmi malá. Proto je nutné přítomnost kyslíku omezit.

Chloridy

Je-li ve vodě rozpuštěný kyslík, ovlivňuje korozi přítomnost chloridů. Rozpuštěné chloridy zrychlují korozi. Za nepřítomnosti rozpuštěného kyslíku nemají chloridy na rychlost koroze podstatný vliv. Chloridy působí potíže hlavně při použití korozivzdorných ocelí. Dochází k bodové a štěrbinové korozi a za zvýšených teplot ke koroznímu praskání. Také hliník snadno podléhá bodové korozi vlivem chloridů. Chloridy by se mohly do teplonosné látky dostat také nesprávnou činností běžných úpraven vody pracujících na bázi iontové výměny. V nich se k regeneraci iontoměniče používá rozpuštěný chlorid sodný NaCl. Pokud by činnost úpravny nebyla správně řízena, mohl by se roztok NaCl dostat do upravené vody.

Ochranná vrstva

Za určitých podmínek vznikne na konstrukčním materiálu ochranná vrstva tvořená produkty koroze. Kvalita této vrstvy, tedy její schopnost zamezit probíhání koroze pod ní, často určuje odolnost. Existence ochranné korozní vrstvy se využívá i cíleně. Například uvnitř měděných potrubí určených pro rozvod pitné vody. Z hlediska tvorby ochranné vrstvy jsou velmi významnou složkou ionty hydrogenuhličitanové, vápenaté a hořečnaté, které mají inhibiční účinek, daný schopností provzdušněné vody vytvářet ochranné vrstvy složené z oxidů kovů a uhličitanu vápenatého.

Ochranná vrstva blokuje především katodická místa, kde dochází k redukci kyslíku. Tedy místa, kde se molekula kyslíku tvořená dvěma atomy dělí na dva samostatné atomy, z nichž každý má obrovskou snahu nahradit druhý chybějící atom kyslíku atomem kovu. Ochranná vrstva vzniká jen v případě, že uhličitanové a vápenaté (hořečnaté) ionty jsou v roztoku v rovnováze s vyloučeným uhličitanem vápenatým CaCO₃ a volným oxidem uhličitým CO₂. Pokud je rovnováha posunuta ve prospěch CaCO₃, vznikají kaly a úsady, které netvoří ochranné vrstvy a vytvářejí se podmínky pro štěrbinovou a důlkovou korozi. Pokud je rovnováha posunuta ve prospěch rozpustných složek, ochranná vrstva nevzniká a probíhá intenzivní koroze_.

K tomu, abychom určili, zda může ve vodě vznikat stabilní ochranná vrstva, používáme tzv. Langelierův index nasycení, nebo Rýznarův index stability. Obě kritéria charakterizují míru nerovnovážnosti kapaliny vzhledem k vylučování CaCO₃. Ke vzniku ochranné vrstvy je nutný určitý obsah solí ve vodě.

Mikroorganizmy

V otopných soustavách se setkáváme i s korozními ději, které souvisejí s výskytem mikroorganizmů. Vliv mikro­organizmů je buď přímý, že odstíní určitou část povrchu a vytvoří podmínky pro vznik koncentračních mikročlánků, nebo nepřímý přes produkty metabo­lizmu nebo rozkladu mikroorganizmů. Látky vznikající jako produkty metabolizmu nebo rozkladu mikroorganizmů se pak účastní korozního děje. Tak se např. uplatňují bakterie redukující sírany. Činností těchto bakterií vznikají sulfidy kovů a současně dochází k depolarizaci v anaerobním prostředí (mikro­biální koroze). Otopná soustava může být též infikována mikroorganizmy vyskytujícími se ve volné přírodě. Tyto mikroorganizmy svou činností vyvíjejí plyny. Plyny nehoří a silně zapáchají zatuchlinou. Činnost mikroorganizmů umožňuje velké množství celkového organického uhlíku (TOC) v teplonosné kapalině. Mikrobiologický rozbor prokáže značný obsah kultivovatelných mikroorganizmů.

Z výše uvedeného je zřejmé, že voda z vodovodu v žádném případě nepatří do primárních a sekundárních okruhů otopných soustav, tepelných čerpadel a solární techniky a totéž lze aplikovat i na většinu vod z domácích studní.

Nevhodná voda může ovlivnit i jiné objekty!

Stává se, že při opravě otopné soustavy (např. výměně otopného tělesa) dojde k vypuštění stoupačky, případně celé otopné soustavy v objektu připojeném k CZT. Otopná soustava je po skončení opravy napuštěna vodou z vodovodního řadu, přestože je k dispozici upravená voda ze systému CZT. Často se takto v praxi postupuje z důvodu, že tlak a kapacita zdroje pitné vody umožní rychlejší napuštění již vypuštěné části otopné soustavy, než kdyby se zvolil správný postup napuštění z CZT. To je však třeba předem ohlásit provozovateli výměníkové stanice, a i to je jeden z důvodů, proč se správný postup nedodržuje.

Voda z vodovodu pak neznehodnocuje teplonosnou kapalinu v sekundárním okruhu otopné soustavy jen jednoho objektu, ale ve všech objektech připojených ke stejné výměníkové stanici. Dochází pak k intenzivním korozním procesům, vytváření korozních produktů, zanášení kapilár regulátorů diferenčních tlaků na patách stoupaček a jejich postupnému vyřazování z činnosti ve všech napojených objektech. Důsledkem je nadměrná hlučnost termostatických radiátorových ventilů. Dopuštění teplonosné kapaliny vodou z vodovodu je zjistitelné při chemických rozborech teplonosné kapaliny. Tento fakt je využíván ve znalecké praxi a lze jím nesprávný postup dopuštění dokázat.

Plyny

Cesty, kterými se plyny dostávají do otopné soustavy:

• při napouštění po skončené montáži,
• při opravách,
• při doplňování kapaliny,
• přisáváním netěsnostmi v místě s nízkým tlakem, např. netěsnostmi na oběhových čerpadlech, automatickými odvzdušňovacími ventily, závitovými spoji,
• při korozních procesech,
• difuzí stěnou některých plastových trubek.

Difuze

Na difuzi se podíváme podrobněji. Kyslík proniká stěnou na základě rozdílů parciálních tlaků plynů. Rozdíl parciálních tlaků kyslíku v atmosféře oproti vodě je cca 21 kPa. Množství kyslíku pronikající stěnou trubky by, podle normy DIN 4726, mělo být rovno nebo menší než 0,1 g/m³ den. Množství pronikajícího kyslíku stěnou trubky je vztaženo k objemu teplonosné kapaliny v trubce.

Trubky z PPR průměrů 16, 20, a 25 mm jsou opatřovány antidifuzní bariérou EVOH. Trubky dimenze 32 mm a větší mají zesílenou stěnu a také splňují požadavky normy DIN 4726.

Tloušťka stěny ovlivňuje pronikání kyslíku. Proto má význam používání trubek pro větší PN, než je nutné. Zpravidla se používají trubky PN 16.

Množství kyslíku vstupujícího do soustavy difuzí stěnami trubek představuje asi 5 až 20 % z celkového množství kyslíku, který do soustavy proniká. Vnikání kyslíku i jiných plynů do otopné soustavy zcela zabránit nelze. Plyny vznikají i při korozních procesech. Proto je nutné veškeré plyny kontinuálně odstraňovat. Každá otopná i chladicí soustava by měla obsahovat zařízení pro aktivní odstraňování plynů. Běžně používané plovákové odplyňovací ventily umožní zprovoznění soustavy, ale neodstraní drobné bublinky plynů a plyny rozpuštěné v teplonosné kapalině.

Odplyňování otopných a chladicích soustav

V otopných soustavách rodinných domků stačí instalace odplyňovacího zařízení pracujícího na principu zvýšení rychlosti proudění a náhlého poklesu tlaku, případně pracující na principu odstředivky. Zařízení má být instalováno v místě nejvyšší teploty a nejnižšího tlaku. Zařízení pracuje spolehlivě do výškového rozdílu mezi instalačním místem a nejvyšším bodem soustavy max. 15 m. Výškový rozdíl by měl být co nejmenší.

Otopné a chladicí soustavy ve velkých obytných budovách a průmyslových objektech je nutné vybavit kombinovaným zařízením pro automatické odvzdušňování a odplyňování během provozu, pro udržování konstantního tlaku a zabezpečení otopné soustavy. Zaří­zení by mělo být doplněno katexovým (změkčovacím) filtrem, který pracuje na principu výměny iontů vápníku a hořčíku obsažené ve vstupní vodě do filtru za ionty sodíku.

Odplyňování primární okruhů tepelných čerpadel

Instalací aktivního odlučování plynů do primárních okruhů TČ země-voda často pracujících se solankou nebo voda-voda, omezíme korozi výměníků tepla a potrubních armatur na minimum, prodloužíme životnost teplonosné kapaliny, zamezíme klesání tlaku a doplňování primárního okruhu.

Kapaliny primárních okruhů

Primární okruhy tepelných čerpadel

V primárních okruzích tepelných čerpadel se používají kapaliny vyrobené na bázi monopropylenglykolu, etylalkoholu, nebo glycerinů. Na trhu je k dispozici několik typů nízkotuhnoucích kapalin od různých výrobců. Obecně pro otopné soustavy, primární okruhy solární techniky i tepelných čerpadel jsou vhodné kapaliny vyrobené na bázi monopropylenglykolu. Téměř všichni výrobci mají v sortimentu tento druh kapalin. Základní složka – monopropylenglykol – je netoxická. Kapalina obsahuje inhibitory koroze chránící běžně používané konstrukční i těsnicí mate­riály v otopných soustavách. Složení a koncentrace inhibitorů koroze se u kapalin liší a jsou kryty obchodním tajemstvím každého výrobce.

Je ale nutné dodržet maximální ředění kapaliny, povolené výrobcem. Při větším ředění není koncentrace inhibitorů dostatečná, aby ochránila konstrukční materiály proti korozi. Ředit nízkotuhnoucí kapaliny je povoleno zpravidla deionizovanou, nebo destilovanou vodou. Je výhodné používat kapaliny v koncentracích dodávaných výrobcem a na stavbě je neředit.

Kapaliny mají omezenou životnost. Interval výměny kapaliny doporučuje výrobce. Zpravidla jsou to 2 roky až 10 let. Při korozních problémech se doporučuje doplňovat inhibitory koroze jednou za rok. Přestože při normálním použití nepředstavují nízkotuhnoucí kapaliny vyrobené na bázi monopropylenglykolu významné riziko pro zdraví člověka a životní prostředí, je nutné při manipulaci s nimi dbát určité opatrnosti. Při vystavení kapaliny přímému ohni mohou vznikat hořlavé výpary. Při smíchání výparů se vzduchem a vystavení přímému ohni mohou výpary v uzavřeném prostoru explodovat. Výpary jsou těžší než vzduch a shromažďují se při zemi.

Z hlediska ochrany životního prostředí je nutné zabránit průniku kapalin do povrchových i podzemních vod a do kanalizace. Inhibitory koroze obsažené v nízkotuhnoucí kapalině mohou mít nepříznivé účinky na zdraví člověka. Mohou vyvolat podráždění kůže a očí. Pro životní prostředí nemají zpravidla nepříznivé účinky. Nevýhodou kapalin vyrobených na bázi monopropylenglykolu je vyšší cena.

Kapaliny vyrobené na bázi etylalkoholu

Jejich fyzikální vlastnosti důležité pro dobrý přenos tepla jsou mírně horší, než u kapalin vyrobených na bázi monopropylenglykolu. Jsou to vysoce hořlavé kapaliny. Při úniku do volného prostoru se rychle odpařují. Páry jsou těžší než vzduch. Se vzduchem tvoří výbušnou směs. Jsou mírně toxické a velmi dobře biologicky odbouratelné. K nízkotuhnoucím kapalinám dodávají výrobci bezpečnostní list. Součástí bezpečnostního listu jsou i pokyny pro použití kapaliny.

Primární okruhy solárních soustav

Sluneční kolektory musí být odvzdušněny na výstupu z kolektorů. Osvědčuje se ruční odvzdušňovací ventil. Plovákový ventil s plastovým plovákem je nevhodný. Neodolává vysokým teplotám. Aktivní odvzdušňování by mělo být instalováno na společném výstupním potrubí v blízkosti kolektorů. V primárních okruzích solárních soustav se používají téměř výhradně kapaliny vyrobené na bázi propylenglykolu.

Jak omezit korozi v otopných soustavách, v solární technice a tepelných čerpadlech na minimum?

• Nepoužívat konstrukční materiály s příliš velkým rozdílem elektrochemických potenciálů. Kombinace materiálů měď-ocel je použitelná za určitých podmínek. V ocelových rozvodech je nutné omezit podíl mědi.
• Pokud je to možné, nepoužívat ocelové potrubí v soustavách s kolektory využívajícími měděné potrubí. V některých případech, především větších solárních soustav, bývá část potrubí z mědi a potrubí velkých dimenzí jsou navržena z oceli. Bude-li se v soustavě vyskytovat měď a ocel, budou korodovat ocelové části. Čím bude větší podíl měděného povrchu, tím bude koroze ocelových částí rychlejší.
• Vyskytují-li se v soustavě materiály s podstatně rozdílným elektrochemickým potenciálem, musíme po­užít vhodný inhibitor koroze. V každém případě je nutné nejpozději po dvou letech odebrat vzorek teplonosné kapaliny a zjistit, zda kapalina nezměnila barvu a neobsahuje velké množství korozních produktů. Pokud ano, je nutné provést chemický rozbor a provést příslušné opatření.
• Primární okruhy solární techniky plnit směsí propylenglykolu a destilované vody.
• Do otopných a chladicích soustav, primárních okruhů solární techniky i tepelných čerpadel instalovat zařízení pro aktivní odlučování plynů.

Literatura

• BARTONÍČEK A KOL.: Koroze a protikorozní ochrana kovů, ČSAV 1966
• MATĚJČEK, J.: Zavzdušňování otopných soustav. Topenářství instalace, 2005, roč. 39, č. 2, s. 62–63. ISSN 1211-0906.

---

Corrosion in heating systems, solar systems and primary circuit of the heat pumps, water treatment, filtration, deaeration

The article describes the issue of corrosion in heating systems. The basic physical and chemical principles are explained. Author analysed the ways the entry of air into systems. Listed are the recommendations for reducing corrosion in closed systems.

Keywords: corrosion, deaeration, corro­sion protection