Příčiny možného kolísání tlaku v soustavách s uzavřenou expanzní nádobou

otopné soustavy

teplonosné látky

Otopné soustavy, příprava TV anebo domácí vodárny s uzavřenou (membránovou) expanzní nádobou vykazují za provozu často tlakové výkyvy, které vedou až k pravidelnému otevírání pojišťovacích ventilů a příčina této poruchy bývá odstraňována i vysvětlována různě. Tento, poměrně zásadní, článek poukazuje na, a vysvětluje, nutnost dodržení správného tlaku plynu (a rovněž tak jeho pravidelné provozní kontroly) jako nejčastější příčiny závad expanzního systému.

Recenzent: Jiří Doubrava

Topná sezona 2017-18 je již v plném proudu, venkovní teploty již značně poklesly, což vede, kromě jiného, též ke zvýšení teploty otopné vody. Právě v tomto čase se může projevit, a v drtivé většině případů se také projeví, nějaký ten zádrhel v bezproblémovém chodu zdroje tepla. Velmi častou závadou u soustav osazených membránovými expanzními nádobami je pak neschopnost zdroje tepla udržet kolísání tlaku, způsobené teplotní změnou objemu vody v otopné soustavě, v předem definovaných mezích. Jelikož je tento frekventovaný problém mnohdy vysvětlován naprosto mylně a zároveň se množí dotazy čtenářů na toto téma, bylo redakční radou rozhodnuto zopakovat příspěvek ze sešitu Topin č. 3/2010 vztahující se právě k dané problematice.
redakce

Běžné používané expanzní zařízení otopných soustav rodinných domků, ale mnohdy i větších otopných soustav je navrženo pomocí membránových expanzních nádob. Řada projektantů, realizačních firem, ale i majitelů příslušných otopných soustav, se na takto řešených otopných soustavách mnohdy setkala s náhlým poklesem tlaku otopné vody v otopné soustavě. Po dopuštění a kontrole otopné soustavy na viditelný únik otopné vody, který však nebyl, se většinou situace poměrně brzo opakovala. Nejjednodušší a poměrně často vyřčený závěr výše popsané situace je, že velikost osazené expanzní nádoby je nedostatečná. Účelem tohoto příspěvku je provést rozbor možných stavů a na konkrétním případu prokázat, že ne vždy tvrzení o špatně stanovené velikosti expanze je správné, a že tedy jde o skutečnou příčinu výše popsaného stavu.

Příklad: Navrhněte velikost expanzní membránové nádoby pro otopnou soustavu s objemem vody 160 l, návrhovým tepelným spádem 80/60 °C, statickým tlakem 80 kPa a otevíracím tlakem pojistného ventilu zdroje tepla 250 kPa.

Na základě všem nám dobře známého postupu byla výpočtem pro výše uvedené parametry určena v duchu ČSN 06 0830 minimální velikost expanzní nádoby 9,6 l. Zvolena v tomto případě byla expanze nejbližší vyšší a to 10 l. Další důležitý údaj je skutečné zvětšení objemu vody vlivem teplotní roztažnosti a to 3,584 dm³.

Naprosto běžným jevem, který je předurčen konstrukcí membránového expanzomatu je to, že po určité době dochází k poklesu tlaku na vzduchové straně zařízení. Na této skutečnosti se zřejmě podílí jednak ne úplně absolutní těsnost ventilku vzduchové strany expanzní membránové nádoby, ale i určitá prodyšnost vlastní membrány apod. Výsledkem však vždy je, že u naprosté většiny expanzí dochází po určité době k poklesu tlaku na straně vzduchu. Jak se však toto projevuje u konkrétní otopné soustavy v reálném provozu? V následující pasáži se pokusíme simulovat tento stav a výpočtem prověřit funkčnost resp. dostatečnou velikost membránové expanze.

Na začátku topné sezony, aniž by byla provedena kontrola tlaku v expanzní nádobě na straně vzduchu, je většinou provedeno dopuštění vody do otopné soustavy a to v našem případě na tlak 80 kPa. Vypočtené zvětšení objemu vody výše uvedené otopné soustavy je 3,584 dm3 pro Dv = 60 K. Osazená expanzní nádoba má objem 10 l. Výpočet je proveden pro postupné snižování počátečního tlaku vzduchu u expanzní nádoby. Důsledkem tohoto sníženého tlaku a následného dopuštění otopné soustavy na tlak 80 kPa je ve skutečnosti to, že poklesne vy­užitelný objem expanzní nádoby, resp. část objemu vzduchové strany nádoby se zmenší díky stlačení vzduchu z počátečního již nižšího tlaku vzduchu na tlak dopouštěné vody, tedy v našem případě 80 kPa. Postup výpočtu je velmi jednoduchý a opírá se o známý Boyle-Ma­riottův zákon platný pro plyny a to p·V = konst. nebo jeho nám spíše známější podobu p₁·V₁ = p₂·V₂. Hodnoty tlaku je nutno vždy dosazovat jako tlaky absolutní, to znamená, že k hodnotě přetlaku je nutno přičíst ještě 100 kPa (atmosferický tlak). Pak stačí již pouze dopočítat změnu objemu vzduchu při stlačení na tlak A, tj. tlak pojišťovacího ventilu zdroje tepla.

PP – snížený tlak vzduchu před dopuštěním vody do soustavy
P1 – statický tlak vody v soustavě, v našem případě 80 kPa – dosazeno 180 kPa abs. (tlak vody a vzduchu je shodný)
A – max. tlak vody v soustavě, v našem případě 250 kPa – dosazeno 350 kPa abs.
Vypočtené zvětšení objemu vody výše uvedené otopné soustavy je 3,584 dm³

Z provedeného výpočtu vyplývá, že nedostatečná velikost navržené ­expanze otopné soustavy se v tomto konkrétním případě projeví při ­počátečním poklesu tlaku vzduchu na hodnotu někde okolo 35 kPa (135 kPa – abs.) a samozřejmě dosažení výpočtových teplotních parametrů. Zhruba tedy při polovičním poklesu počátečního tlaku proti původnímu správnému nastavení, a to 80 kPa, se v tomto konkrétním případě stává pro danou otopnou soustavu původně správně navržená ex­panzní nádoba již „malá“ a to může vést k častému, leč mylnému závěru o jejím špatném nadimenzování.

Druhým extrémem může být situace, kdy např. z důvodu výměny expanze, opomenutí, či neznalosti nedojde k upuštění tlaku vzduchu na, v našem případě předepsaných, 80 kPa, ale je ponechán tlak z výroby, který je u běžných expanzí po­užitých v otopných soustavách ­rodinných domků 150 kPa.

Z provedeného výpočtu opět vyplývá, že se nedostatečná velikost expanze otopné soustavy v tomto konkrétním případě projeví, pokud nedojde k počátečnímu poklesu tlaku vzduchu někde na hodnotu okolo 125 kPa.

Oba dva extrémy, tj. jak nízký, tak i vysoký tlak na straně vzduchu u expanzních membránových nádob se ve svém důsledku projevují tak, jako by byla velikost expanze nedostatečná, čili byl špatně proveden výpočet stanovující její velikost. Z uvedených výpočtů vyplývá, že určení a hlavně dodržování tlaku P1, tj. potřebného statického tlaku otopné soustavy, resp. jeho kontrola a nastavení na vzduchové straně expanzní nádoby v průběhu běžného provozu, je pro řádný a bezproblémový provoz otopných soustav životně důležité.

Doporučené napojení expanzní nádoby ke zdroji tepla, resp. základní uspořádání je zřejmé z následujícího obrázku.

Jednotlivé armatury mají následující význam. Kulový kohout v kombinaci s vypouštěcím kulovým kohoutem na přívodu do expanzní nádoby slouží k možnosti nastavení a právě velice potřebné možnosti kontroly tlaku vzduchu na vzduchové straně expanzní membránové nádoby bez přerušení provozu, případně pouze krátkodobého přerušení provozu. Vlastní kontrola probíhá tak, že po uzavření kulového kohoutu je pomocí vypouště­cího kulového kohoutu vypuštěna veškerá voda z vodní strany expanze a následně je možná již kontrola tlaku vzduchu na vzduchové straně expanze. Tuto sestavu lze nahradit např. kombinovanou armaturou Flowjet či obdobnou. Význam možnosti této kontroly je po přečtení tohoto příspěvku dostatečně zřejmý. Já sám jsem se ve své praxi již několikrát setkal s tvrzením montéra, že uzávěr na potrubí k expanzi být nesmí apod. Pokud v této drobnosti – způsobu napojení expanze – není projekt dodržen, nastává při kontrole tlaku vzdu­chu problém a většinou následuje ­nepříjemné a zdlouhavé vypuštění vody z celé otopné soustavy, případně pokud má otopná soustava funkční uzávěry, pak minimálně vypouštění vody ze zdroje tepla.

Z výše uvedeného tedy vyplývá, že nedostatek expanzního prostoru je mnohdy příčinou přechodu zdroje tepla do poruchy. Při překročení tlaku pojistný ventil odpustí určité množství otopné vody. Po poklesu teploty otopné vody, a tedy i tlaku, v otopné soustavě přejde mnohdy zdroj tepla automaticky do poruchy, pokud je tlak v otopné soustavě snímán. Nedostatek otopné vody je zpravidla řešen dopouštěním, ­někdy i automaticky, neupravené vody z vodovodu, a tak se zvyšuje riziko poškození otopné soustavy vyplývající ze zvýšené tvrdosti vody nebo její korozní agresivity vyvolané například přítomností chloru. Nedostatek expanzního prostoru tedy neovlivňuje jen okamžité provozní podmínky, ale může mít i trvale negativní následky na životnost otopné soustavy.

Další možná aplikace je montáž expanzní nádoby na vstup studené vody do bojleru za účelem tzv. pochytání teplotní dilatace teplé vody v průběhu jejího ohřevu. Pokud při této aplikaci dojde k úbytku tlaku vzduchu, začne se pak toto zařízení chovat tak, jako by expanzní nádoba osazena vůbec nebyla. To znamená, že při nabíjení TV vlivem teplotní dilatace dochází vesměs k překročení tlaku na pojistném ventilu a následnému úkapu. Této problematice jsme se však již v časopise Topenářství instalace věnovali.

Obdobné problémy, které se však projevují zcela odlišně od předchozích aplikací, nastávají u všech zařízení typu Darling na dopravu studené vody. Zde membránová expanze funguje jako malá zásobárna vody a dále jako částečný tlumič rázu. Pokud dojde po určité době provozu k úniku vzduchu z expanzní nádoby, začne se zařízení chovat tak, že při sebemenším úkapu či minimálnímu odběru vody dochází k velice častému krátkodobému spínání čerpadla. Tato zbytečně vysoká četnost spínání samozřejmě nepřispívá k životnosti ani čerpadla, ani tlakového spínače, ale i dalších prvků, které reagují na zbytečně časté změny tlaku. Zbytečně se zvyšuje spotřeba elektrické energie, neboť při rozběhu pracuje motor i čerpadlo s nižší účinností. V tomto případě by teoreticky měl být tlak vzduchu před spuštěním zařízení nastaven na hodnotu spínacího tlaku tlakového spínače. Nejběžněji používané tlakové spínače pro tyto aplikace jsou z ­výroby nastaveny na spínací tlak 230 kPa. Vypínací tlak bývá vesměs na hodnotě 420 kPa. Dle doporučení výrobců se běžně tlak na straně vzduchu expanzní nádoby nastavuje s určitou rezervou, a to o cca 15 až 20 kPa nižší, tedy v tomto nejběžnějším případě na tlak 210 až 215 kPa.

Z výše uvedených aplikací vyplývá, že membránové expanzní nádoby jsou poměrně často používaná a nasazovaná zařízení buď jako samostatná, nebo jako součásti jiných kompaktních zařízení. Po přečtení tohoto příspěvku je již naprosto zřejmé, že změna tlaku vzduchu expanzní nádoby má výrazný dopad na její funkčnost a na to, co se od ní očekává. Je proto až s podivem, jak malá nebo resp. vůbec žádná pozornost např. v provozních řádech zdrojů tepla, manuálech zařízení, která expanzi obsahují apod. je věnována nastavení a hlavně provádění pravidelných kontrol tohoto tlaku.

Další, a podle mého názoru zásadní, změna se odehrála s masivním nástupem závěsných zdrojů tepla. Je nutno si uvědomit, že pokud byly zdroje tepla pro rodinné domky řešeny vesměs stacionárními kotli, čili zdroji tepla bez expanze, projektant se většinou nerozpakoval navrhnout velikost expanzní nádoby o dvě až tři velikosti větší, než vycházelo výpočtem. Pokud vezmeme náš příklad z úvodu, byla by zřejmě navržena expanze o velikosti 25 l.

V současné době se z důvodu prostoru většinou řeší zdroj tepla jako závěsný kompakt. Zde je situace však naprosto odlišná. Tyto zdroje díky snaze o zabrání co nejmenšího prostoru mají expanze, které jsou součástí zdroje tepla a jsou v drtivé většině případů o objemech od 7 do 10 l. Mnohdy výpočtem vychází objem expanze jen s nepatrnou rezervou pro příslušnou otopnou soustavu a právě v těchto případech se pak v plné nahotě projevuje výše popsané.

Poznámka recenzenta

Ještě v době nedávno minulé bývalo dobrým zvykem, že součástí technické zprávy projektu bylo určení hodnoty plnicího (též počátečního) tlaku vzduchu (dusíku) membránové expanzní nádoby, které v podstatě vycházelo ze statické výšky otopné soustavy. Dále se určoval výpočtem provozní (též konečný) tlak při jmenovitých parametrech a oba tlaky měly být vyznačeny na manometru. V dnešní realitě se touto drobností již téměř nikdo nezabývá, a to ani montážní firmy. Pokud se poučený uživatel zeptá montážní firmy, jaký je tlak plynu v expanzi, dostane se mu většinou odpovědi, že je již nastaven z výroby (bývá mezi 1 až 2,5 bary), což může být pro rodinné domky hodnota příliš vysoká a značně tak klesá využitelnost nádoby se všemi v článku popsanými negativními jevy. Pokud v tomto případě uživatel žádá snížení tlaku, odpověď nejčastěji bývá, že je to naprosto v pořádku a že vyšší tlak je lepší, protože expanze déle vydrží (ironií osudu je to v podstatě pravdivé tvrzení, protože k úniku plynu nedojde po dvou až třech letech, ale třeba po pěti).

Samostatnou kapitolou je měření tlaku plynu v expanzní nádobě tzv. odborníky, kdy je za provozu manometrem naměřena správná hodnota tlaku, odpovídající statické výšce soustavy. Problém je pouze v tom, že tato měření jsou bezcenná, protože z druhé strany membrány působí statický tlak otopné vody, takže i při nízkém tlaku plynu bude manometr vykazovat vždy správný tlak. V podstatě je nad lidské síly vysvětlit průměrnému topenáři, že nejdřív musí expanzi uzavřít a vypustit, aby naměřil skutečný tlak plynu pod membránou. Proto uzavírací armatura před expanzní nádobou spolu s vypouštěním má své opodstatnění tak jak bylo v článku popsáno – bez tohoto vybavení se nemůžeme nikdy skutečného tlaku plynu dopátrat bez vypuštění celé soustavy. Další poměrně humornou skutečností je, že pokles tlaku plynu v membránových nádobách vlivem netěsnosti ventilku, porézností membrány nebo okolo příruby u nádob s vakem je celkem podstatný a bez problémů činí až 0,5 baru za rok. Jsem přesvědčen, že většina čtenářů se již setkala s případy, kdy na začátku sezony byla dopuštěna voda (pokud je soustava těsná, v podstatě se jedná jen o kompenzaci ztráty tlaku plynu) a během otopného období vykazuje soustava na manometrech po cca dvou až třech letech provozu podstatně větší výkyvy tlaku mezi studeným a teplým stavem než na začátku. Právě velké výkyvy tlaku a zejména rychlé výkyvy při ohřevu soustavy jsou neklamným znamením, že tlak plynu v nádobě je nízký (nebo naopak příliš vysoký u soustav nově uváděných do provozu) a že soustava je „tvrdá“ (bez kompenzace objemu). Pokud tento stav ignorujeme, začne časem docházet k otevírání pojišťovacích ventilů. Přivolaný odborník poté konstatuje, že expanze je malá a/nebo poškozená a je třeba ji vyměnit. Z provozních zkušeností u membránových nádob (a to i u velkých, řádově ve stovkách litrů) jednoznačně vyplývá, že kontrola tlaku plynu by se měla provádět vždy před otopnou sezonou, ale nejméně 1× za dva roky.

Z provozního hlediska by taková kontrola expanzní nádoby měla prakticky probíhat asi takto: Nejprve sejmeme čepičku ventilku a krátce odpustíme trochu plynu. Pokud z ventilku vytéká voda, je membrána vadná a nádobu/membránu/vak je třeba vyměnit. Poté expanzi uzavřeme a vypustíme, na ventilek nasadíme manometr a podle odečtu upravíme tlak vzduchu. U větších nádob s vakem je téměř nutností při dofukování použít kompresor a ještě lépe je před dofukováním vyšroubovat ventilek, protože objem vzduchu v nádobě je značný a tento postup velmi urychluje práci. Po úpravě tlaku plynu dopouštíme vodu do soustavy tak, že při stále uzavřené expanzi (oddělené od soustavy) doplňujeme vodu vypouštěcím ventilem až do prvního pohybu ručičky manometru. Tím je zajištěno, že tlak vody a plynu máme přibližně v rovnováze a po otevření uzavíracího kohoutu (připojení expanze k soustavě) nedojde ke ztrátě vody ze soustavy na doplnění expanze a následnému ovzdušňování a doplňování.

Possible causes of pressure fluctuation in systems with closed expansion vessel

Heating systems, hot water generation or domestic water stations with closed (membrane) expansion vessel are often affected by pressure fluctuation, which can lead up to safety valves reopening. The cause of this kind of disorder is often explained or fixed in many different ways.

This, quite crucial, article highlights and explains the need for correct gas pressure maintenance and its regular inspections as the most common cause of expansion system failures.

Keywords: expansion vessel, pressure fluctuation, safety valve, system failure