Požadavky na kvalitu teplonosných kapalin

Autor se ve svém článku zabývá aktuální problematikou kvality otopné nebo chladicí vody a nutnými opatřeními k dosažení jejích vlastností pro bezproblémový provoz, zejména kondenzačních kotlů.

Recenzent: Richard Valoušek

Úvod

Teplonosná kapalina není jen nositelem tepla a chladu. Teplonosné kapaliny zpravidla reagují s konstrukčními materiály, se kterými se dostanou v otopné či chladicí soustavě do kontaktu. Dochází ke korozním procesům za současného uvolňování plynů a vzniku korozních produktů. Korozní procesy probíhající ve vodním prostředí jsou velmi složité. Jednoduché a paušální řešení ochrany proti korozi v otopných soustavách neexistuje.

V souvislosti s výrobou kondenzačních kotlů předepisují výrobci kotlů požadavky na kvalitu otopné vody.

Požadavky jsou zaměřeny na ochranu teplosměnných ploch kotle před tvořením nánosů, následnému místnímu přehřívání a na omezení koroze.

Tvorba nánosů

Tvorbu nánosů na teplosměnných plochách ovlivňuje obsah solí a mechanických nečistot v napájecí a oběhové kapalině (většinou voda). Celkové množství solí závisí na objemu teplonosné kapaliny v soustavě a množství doplňované vody. Proto je nutné soustavu opatřit měřidlem množství napouštěcí a doplňované vody.

Maximální celková tvrdost oběhové a doplňovací vody je uváděna v závislosti na celkovém instalovaném výkonu.

Konkrétní maximální hodnoty celkové tvrdosti uvádějí výrobci kotlů pro kotle s teplosměnnými plochami z hliníkových slitin a z nerezu.

Oběhová i doplňovací voda musí obsahovat určité minimální množství vápenatých a hořečnatých solí. Minimální tvrdost je 5 °dH. Zjišťuje se tvrdost uhličitanová a tvrdost vápenná. Pro správné posouzení je rozhodující nižší naměřená hodnota.

Pro omezení koroze je důležitá vodivost kapaliny, hodnota pH i obsah chloridů. Maximální hodnoty těchto veličin rovněž uvádějí výrobci kotlů. Pro uznání záruky se někteří výrobci kotlů odvolávají na nutnost dodržení směrných hodnot pro jakost vody uvedených ve směrnici VDI 2035, list 1 a list 2.

Ve VDI 2035 list 1 jsou uvedeny směrné hodnoty kapaliny týkající se omezení inkrustace na teplosměnných plochách kotle. Je omezen obsah alkalických zemin v plnicí a doplňovací vodě. U směrných hodnot se vychází z předpokladů, že celkové množství veškeré plnicí a doplňovací vody nepřekročí během životnosti zařízení trojnásobek vodního objemu zařízení a byla provedena všechna opatření k zabránění vodní koroze podle VDI 2035 list 2.

Omezení korozních procesů

Ve VDI 2035 list 2 jsou uvedeny podmínky pro zamezení přístupu kyslíku do kotlového okruhu otopné soustavy a omezení koroze. Je předepsáno používání tlakových expanzních nádob a odplynění.

Kyslík je velmi agresivní plyn a zúčastňuje se všech chemických ­reakcí probíhajících v soustavě. Každá molekula kyslíku se uplatní v chemických reakcích až třikrát.

Za nepřítomnosti kyslíku je koroze velmi malá. V uzavřeném systému dochází ke korozi pouze tak dlouho, pokud se kyslík nespotřebuje při korozních procesech a vzniku Fe₂O₃.

Přestože teplonosná kapalina splňuje požadavky směrnice VDI 2035, list 1 a list 2, může být kapalina agresivní vůči konstrukčním materiálům. Děje se tak zejména proto, že v reálné soustavě nedokážeme zcela zabránit vstupu kyslíku do soustavy.

Kyslík vniká do soustavy, a tím i do teplonosné kapaliny několika cestami. Především při napouštění soustavy, netěsnostmi na oběhových čerpadlech, automatickými odvzdušňovacími ventily, závitovými spoji armatur vlivem rozdílu par­ciálních tlaků plynů v ovzduší a plynů rozpuštěných ve vodě. Kyslík proniká do soustavy také difuzí stěnou plastových trubek, přestože jsou opatřeny antidifuzní bariérou.

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.

Při použití odplyňovacího a doplňovacího zařízení v suterénu výškových budov není zajištěno, aby kapalina nebyla saturována kyslíkem při průtoku soustavou.

Dlouhodobě můžeme provozovat otopnou a chladicí soustavu bez nežádoucích projevů jen tehdy, vytvoří-li se v soustavě určitá rovnováha.

Za určitých podmínek se na vnitřním povrchu konstrukčních prvků soustavy vytvoří ochranná protikorozní vrstva a materiály dále nekorodují.

Podmínky pro vytvoření ochranné protikorozní vrstvy na vnitřním povrchu otopných a chladicích soustav

Z hlediska tvorby ochranné vrstvy jsou velmi významnou složkou vod ionty hydrogenuhličitanové, vápenaté a hořečnaté, které mají inhibiční účinek, daný schopností vody vytvářet ochranné vrstvy složené z oxidů kovů a uhličitanu vápenatého. Ochranná vrstva vzniká jen v případě, že uhličitanové a vápenaté (hořečnaté) ionty jsou v roztoku v rovnováze s vyloučeným uhličitanem vápenatým a volným oxidem uhličitým. 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, a Rýz­narův index stability. Obě kritéria charakterizují míru nerovnovážnosti kapaliny vzhledem k vylučování CaCO₃.

Ke vzniku ochranné vrstvy je nutný určitý obsah solí ve vodě.

Je-li teplonosná kapalina agresivní vůči použitým konstrukčním materiálům, nebo zda bude docházet k vylučování pevných látek, můžeme zjistit odebráním vzorků teplonosné kapaliny, usazenin i napájecí vody a provedením chemického rozboru.

Zjišťování agresivity teplonosné kapaliny

U teplonosné kapaliny se zjišťuje hodnota pH, konduktivita, celková tvrdost, hydrogenuhličitany, alka­lita, acidita, koncentrace kyslíku, chloridy, vápník, sodík, hořčík, železo, mangan, amonné ionty, Lan­gelierův saturační index, Ryznarův index stability, obsah kovů.

Aby bylo možné vyhodnotit chemické procesy probíhající v soustavě, je nutné stejný rozbor provést u napájecí vody.

Použijeme-li k napájení otopné soustavy vodu upravenou z CZT, nebude zpravidla obsahovat vápník a hořčík. U takovéto vody nelze určit její agresivitu v reálné soustavě.

Používání inhibitorů koroze

Inhibitor koroze dokáže po určitou dobu stabilizovat korozní procesy v soustavě. Použití vhodného inhibitoru lze určit na základě chemického rozboru napájecí i otopné vody.

Někteří výrobci kotlů s teplosměnnými plochami z hliníkových slitin předepisují použití konkrétního typu inhibitoru koroze. Ten zpravidla ochrání kotel proti korozi, ale nechrání ostatní konstrukční materiály použité v otopné soustavě.

Po provedení chemického rozboru napájecí a otopné vody soustavy a vzájemným porovnáním obsahu látek je prokazatelné, že při použití předepsaného inhibitoru koroze jsou hliníkové části kotle chráněny proti korozi. V některých případech jsou však atakovány ocelové části soustavy a regulační i uzavírací armatury.

Nežádoucím projevem přidávání některých inhibitorů koroze je výskyt významného množství pevných složek a korozních produktů. Dochází k usazování kalů a vyřazování regulačních armatur z funkce. V některých případech dojde i k zanešení trubek podlahového vytápění.

Kvalita vody v otopné soustavě musí být pravidelně kontrolována. Doporučuje se interval minimálně 12 měsíců, nebo při překročení množství dopouštěné vody o více než 5 % celkového objemu soustavy.

O doplňování a výsledcích kontrolních rozborů otopné vody je třeba vést protokol.

Závěr

V otopných a chladicích soustavách dochází ke korozním procesům za současného uvolňování plynů a vzniku korozních produktů. Kyslík se zúčastňuje všech chemických reakcí probíhajících v soustavě. V reálné soustavě nelze zcela zabránit vstupu kyslíku do soustavy. 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.

Dlouhodobě můžeme provozovat otopnou a chladicí soustavu bez nežádoucích korozních projevů jen tehdy, vytvoří-li se na vnitřním povrchu konstrukčních prvků soustavy ochranná vrstva a materiály dále nekorodují.

Pro uznání záruky na kotel je nutné dodržet požadavky na kvalitu vody dané výrobcem kotlů.

Kvalita vody v otopné soustavě musí být pravidelně kontrolována. Doporučuje se interval 12 měsíců, nebo při překročení množství dopouštěné vody o více než 5 % celkového objemu soustavy.

O doplňování a výsledcích kontrolních rozborů otopné vody je třeba vést protokol.

Seznam literatury

1. BARTONÍČEK, R. a kol.: Koroze a protikorozní ochrana kovů. Academia, Praha 1966. 719 s.
2. MATĚJČEK J.: Koroze v otopných soustavách, solárních soustavách a primárních okruzích tepelných čerpadel, úprava vody, filtrace a odplynění. Topenářství instalace, 2013, č. 2, s. 32–34.
3. Směrnice VDI 2035, list 1 a list 2.
4. Předpisy výrobců kotlů pro kvalitu oběhové a doplňovací vody.

Poznámka redakce

Příspěvek autora zazněl na celostátní Konferenci Vytápění Třeboň 2017, v rámci sekce Příprava teplé vody, kterou vedl odborný garant Ing. Roman Vavřička, Ph.D.

Současně vyšel tiskem ve stejnojmenném sborníku, jehož vydavatelem je Společnost pro techniku prostředí.

---

Heat transfer fluids quality requirements

Heating fluids characteristic are a frequent cause of both leaks and faults of heating and cooling systems.

Heat transfer fluid is not just a heat and cold carrier – it generally reacts to constructional materials used in heating or cooling system.

Corrosion processes occur while releasing gases and producing corrosion products. Corrosive processes occurring in hydraulic environment are very complex. There´s no simple solution for corrosion protection in heating systems.

Keywords: Heat transfer fluid, heating system, cooling system, corrosion process, hydraulic environment, heating water quality, heat exchange surface