Odplynění otopných soustav a úspory energie

Vysoký obsah plynů v otopných soustavách má přímou vazbu na snížení účinnosti přestupu a distribuce tepla a celkově i na životnost jednotlivých komponent soustavy. Instalací vhodného opatření tak můžeme nejen zjednodušit údržbu, ale i uspořit nezanedbatelnou část energie potřebné pro vytápění.

Úvod

Plyny se vyskytují v jakémkoliv otopné soustavě ve stavu rozpuštěném a při překročení meze sytosti pro dané podmínky potom i ve formě plynné. Mez sytosti je určená tlakem v daném místě otopné soustavy a teplotou. Platí, že čím nižší tlak a čím vyšší teplota, tím je mez sytosti nižší. Plyny se tak uvolňují převážně na zdrojích tepla (zvýšení teploty), případně v nejvyšších částech otopné soustavy (snížení tlaku).

Plyny v soustavách představují poměrně velký problém, neboť výrazně snižují přestup tepla jak na straně zdrojů, tak na straně spotřebičů tepla. Dále velmi negativně ovlivňují přenos tepla v soustavě, snižují účinnost oběhových čerpadel, mění hydraulické poměry, a tedy i hydraulické vyvážení a odchylují tak celou soustavu od ideálního návrhového stavu. Dále mají přímý vliv na celkovou životnost jednotlivých komponent soustavy, zejména vyšší obsah kyslíku způsobuje korozi všech ocelových částí sytému.

Ve většině tlakových soustav bez aktivního odplyňovacího zařízení se obsah rozpuštěných plynů pohybuje na mezi sytosti. Plyny se do soustav dostávají mnoha různými způsoby:

– s plnicí a doplňovací vodou
Pitná voda obsahuje za barometrického tlaku přirozené množství kolem 18 mg·l^–1 dusíku a 11 mg·l^–1 kyslíku.

– zbytkovým vzduchem při doplňování a částečném plnění
Například po opravách. Studie ukazují silnou nasycenost plnicí vody, která je daleko nad přirozenou hodnotou pitné vody. Voda pod tlakem obsahuje více rozpuštěného plynu.

– difúzí plynů
Difúze plynů je zanedbatelná kovovými částmi soustavy, ale poměrně intenzivně probíhá přes pakované spoje, těsnění, drobné netěsnosti a případným plastovým potrubím bez kyslíkové bariéry

– chemickými reakcemi
Koroze a bakterie mohou v soustavách způsobovat chemické reakce, které následně vytváří plyny. V těchto případech může být v oběhové vodě detekováno větší množství dusíku a metanu.

– přímým přisáváním vzduchu
Velmi často vzduch proniká do soustavy při poklesu tlaku v soustavě pod doporučenou hodnotu minimálního provozního přetlaku. Toto může nastat mj. při nezapočítání dynamického tlaku od oběhových čerpadel v kombinaci se špatným umístěním expanzní nádoby (a tím i nulového bodu soustavy).

Pokud se podíváme na složení plynů v uzavřených sou-
stavách, je zde zcela dominantní dusík. Vzdušný kyslík velmi rychle reaguje se železem za vzniku koroze a dochází tak k jeho přirozené redukci.

Opakem je případ otevřených soustav, kde se obsah kyslíku často pohybuje v hodnotách kolem několika mg/l, tj. vysoko nad „bezpečnou“ hodnotou dle platných norem, tj. 0,1 mg·l^–1. Obsah kyslíku se obvykle snižuje dávkováním siřičitanů, které se oxidací mění na sírany. Problém nastává při trvalém průniku kyslíku např. otevřenými expanzními, nebo akumulačními nádržemi, kdy nutné nadměrné dávkování siřičitanů zvyšuje následně obsah síranů, které při vyšších koncentracích způsobují korozi primárně nerezových materiálů (kotle, výměníky), ale i ocelových částí soustavy.

Plyny ze soustavy můžeme odstranit různými způsoby, viz obr. 2 Nejjednodušší a plošně užívané je osazení automatických odvzdušňovacích ventilů.

Odvzdušňovací ventily jsou schopny odvést velké bubliny plynů v řádu milimetrů až centimetrů. Ty se pohybují v horních částech potrubí a automatické ventily je poměrně snadno zachytí. Podle měření je nejúčinnější umístění automatických ventilů na dlouhých vodorovných úsecích potrubí s uklidněným prouděním, pak až následuje osazení na stoupačkách.

Lepším způsobem odvedení bublin jsou odlučovače mikrobublin, které díky své konstrukci dokážou zachytit mikrobublinky s rozměry v řádu mikrometrů. Ty jsou za normálních okolností unášeny proudem kapaliny a uvolní se až ve spotřebičích tepla (obvykle otopných tělesech), kde dojde k výraznému zpomalení proudění.

Tyto způsoby však odvádějí již uvolněné plyny, které se vyloučily při překročení meze sytosti pro dané podmínky. Ideální stav je snížit množství rozpuštěných plynů pod mez sytosti, což je možné buď značným zvýšením teploty (termické odplynění), nebo častěji snížením tlaku. To již obnáší osazení speciálního zařízení, ve větších soustavách čerpadlové expanzní automaty s beztlakou nádrží s butylovým vakem, nebo v jakýchkoliv soustavách podtlakové odplyňovací automaty.

Konstrukce těchto automatů je poměrně jednoduchá (složitost je hlavně v systému řízení a volbě komponent), jsou tvořeny čerpadlem, přepouštěcím ventilem a podtlakovou trubicí s tryskou. Čerpadlo pomocí většího průtoku vytváří podtlak v trubici, do které se přes trysku přepouští teplonosná kapalina. Dochází tak k dokonalému odplynění, hodnoty rozpuštěných plynů na výstupu se pohybují kolem 2 mg·l^–1, v celé soustavě pak kolem 5 mg·l^–1. Což je výrazně pod bezpečnou hladinou 15 mg rozpuštěných plynů v 1 litru kapaliny.

Kolegy v Německu napadlo zkoumat, jakou vazbu má dokonalé odplynění soustavy, ještě ve vazbě na osazení odlučovačů mikronečistot Exdirt. Ve spolupráci s Technickou univerzitou v Drážďanech a institutem IFES proto provedli několika fázovou simulaci chování celé soustavy v porovnání se standardní soustavou. Výsledkem této studie jsou konkrétní hodnoty úspor energie ve výší od cca 6 % pro menší soustavy s otopnými tělesy, přes cca 7 % ve větších soustavách, až po 10 % u soustav s podlahovým vytápěním.

Prokazatelný pozitivní vliv odplynění byl v loňském roce prokázán v továrně v Singapuru, kdy pouhou instalací odplyňovacího automatu Servitec došlo ke snížení příkonu oběhových čerpadel ze 48,84 kW na 47,04 kW, tedy o 3,6 %, Jenom úspory na elektrické energii činí při celoročním provozu 15,1 MWh za rok. Zatím nejsou k dispozici údaje o změně celkové spotřeby energie, ale dá předpokládat, že úspory budou odpovídat vypočteným hodnotám.

Instalace podtlakových odplyňovacích automatů tedy přináší nejenom zvýšení komfortu obsluhy a životnosti soustavy, ale má i reálný vliv na úspory primární energie. Můžeme se tak bavit o návratnostech vynaložených investic již v řádu několika let.

Literatura

[1] Firemní zdroje Reflex Winkelmann Gmbh.