Vliv nánosů na teplotní a hydraulické podmínky v otopných soustavách

Množství nánosů v otopných soustavách závisí na vlastnostech teplonosné kapaliny. Pokud je kapalina v chemické rovnováze, vytvoří se na vnitřním povrchu konstrukčních materiálů ochranná protikorozní vrstva a k další tvorbě nánosů nedochází.
Autor článku vysvětluje vliv tloušťky nánosů na hydraulické poměry v otopné soustavě, možné zvýšení čerpací práce a zhoršení přestupu tepla na teplosměnných plochách. Zabývá se podmínkami, za kterých je vhodné přistoupit k chemickému čištění otopné soustavy.

Recenzent: Jiří Matějček

V oboru vytápění je pro efektivní využívání tepelné energie velmi důležité zajistit co nejmenší možné energetické ztráty, které lze rozdělit na straně uživatele do dvou skupin. Jednu skupinu tvoří ztráty energie při čerpání teplonosné látky, hovoříme o čerpací práci. Druhou skupinu tvoří tepelné ztráty do okolí, tj. dříve než se teplo dostane na skutečné místo potřeby, tedy při dopravě tepla na místo spotřeby.

Oboje ztráty nelze za přiměřených nákladů zcela odstranit, ale lze je eliminovat.

Teoretický základ praxe

Nárůst čerpací práce – vliv zúžení hydraulického profilu trubek

Jde o důsledek, kdy nám tzv. zarůstají trubky, průtočný profil se zmenšuje vlivem nánosů a pokud stejné – projektované – množství chceme dopravit do všech částí otopné soustavy, musíme při menším potrubí zvýšit rychlost proudění. Třecí ztráty pak jsou závislé na zvyšující se rychlost proudění s druhou mocninou. Tedy se zvyšují podle funkce

K čerpání využíváme oběhových čerpadel s elektrickým pohonem a výkon motoru je ovlivněn kromě účinnosti motoru také čerpaným objemem teplonosné látky a tlakovým rozdílem, který musí čerpadlo překonat. Potom je výkon motoru dán obecným vztahem

Kde

• M množství čerpané vody [m^–3·h^–1]
• Dp tlakový rozdíl [kPa]

Bez dalšího zdůvodňování lze uvést, že s nárůstem průtočného množství se hydraulický odpor zdvojnásobuje, například při zvýšení průtoku z 1 m³·h^–1 při tlakové ztrátě 10 kPa na 2 m³·h^–1 se tlaková ztráta zvýší na 40 kPa. Orientačně lze říci, že stoupne výkon čerpadla 8x.

Zarůstání, či zanášení potrubí a ze­jména otopných ploch vodním kamenem, různými solemi, atd. způsobuje, že se zhoršuje prostup tepla do místnosti a s postupným „zarůstáním“ musíme zvyšovat nejen teplotu teplonosné látky, ale často i průtočné množství vody, které právě vyvolává souběžně potřebu zvýšení tlakového rozdílu čerpadla a v důsledku i čerpací práci.

Jak vidíme, vlastní „zarůstání – zanášení“ potrubí má za následek zvyšování teplot a průtoků teplonosné látky s následkem zvyšování tepelných ztrát a čerpací práce.

Zhoršení prostupu tepla – vlivem nánosů

Jak se projevuje zanášení ploch na zvyšování odporu při průchodu tepla je patrné i z následujících rovnic.

Deska – těleso

Pro desku, např. radiátorovou stěnu s nánosem kamene, apod., platí

Kde jsou použity následující veličiny

• q_p1 tepelný výkon plochy 1 m² [W·m^–2·K^–1]
• l₀; l₁ vodivost příslušné vrstvy [W·m^–1·K^–1]
• s₀ tloušťka nánosu [m]
• s₁ tloušťka stěny [m]
• t_m1 střední teplota vody [°C]
• t_o1 střední okolí trubky – izolace[°C]
• S plocha desky 1 m² [m²]
• a_e přestup na straně vzduchu [W·m^–2·K^–1]

Trubka

Pro 3vrstvou stěnu trubky, např. ocelová trubka s tepelnou izolací a nánosem kamene uvnitř, platí rovnice

Kde jsou použity následující veličiny

• q₁ tepelná ztráta 1 metru trubky [W·m^–1]
• a₀ přestup na straně vody do nánosu [W·m^–2·K^–1]
• l₀; l₁; l₂ vodivost příslušné vrstvy [W·m^–1·K^–1]
• d₀ vnitřní průměr nánosu [m]
• d₁ vnitřní průměr trubky [m]
• d₂ vnější průměr trubky [m]
• d_iz vnější průměr izolace [m]
• t_m1 střední teplota vody [°C]
• t_o1 střední okolí trubky – izolace [°C]
• l délka trubky = 1 m [°C]
• a_iz přestup z izolace do vzduchu [W·m^–2·K^–1]

Tepelný odpor při průchodu tepla stěnou trubky či tělesa téměř ne­ovlivňuje samotná konstrukce tělesa či trubky, jelikož jsou z kovu – dobře vodivého materiálu. Největší vliv na předávání tepla do vzduchu má přenos tepla z povrchu tělesa do vzduchu. Množství předaného tepla do vzduchu závisí jak na proudění vzduchu kolem tělesa, tak na sálavé složce tělesa, je tedy závislé zejména na povrchové teplotě tělesa. Snížení povrchové teploty způsobují právě nánosy špatně vodivého materiálu na vnitřních stranách těles a trubek. Použité kovy mají (50–100) x větší vodivost než vodní kámen a různé soli. Proces zanášení může být někdy i rychlý, ale zpravidla bývá pozvolný a nenápadný. Tam, kde jsou značně předimenzovaná potrubí a čerpadla, může se stav výrazněji projevit po delší době. Tím později se pozná velikost zvýšených nároků na čerpací práci a zvýšené tepelné ztráty, a tím zhoršení celkové efektivnosti otopné soustavy.

Nánosy na deskových stěnách zhor­šují účinnost předávání tepla do okolí a mohou tedy významně zhoršit účinnost celé otopné soustavy, viz graf účinnosti v závislosti na vodivosti nánosů, která se pohybuje v mezích (0,1–0,6) W·m^–1·K^–1.

Průzkum velikosti otopných ploch a ploch potrubí

Pro bilanci čištění otopných ploch a vyhodnocení stupně znečištění je třeba znát i velikost otopných ploch a ploch potrubí. Velikost otopných ploch a dalších parametrů musí být vyhledána z projektové dokumentace, kde byl uveden souhrnný výčet a výměr potrubí podle jednotlivých otopných ploch. Pokud neznáme velikosti ploch, musíme provést alespoň orientační bilanci, abychom určili sumární velikosti. Pokud jsou k dispozici projekty vytápění, je snadné provést sumarizaci. V opačném případě je třeba provést odborný odhad. Sumární tabulka může vypadat obdobně, jako na obrázku na následující straně. Ve sloupcích pod rozměrem těles jsou počty článků.

Do velikosti otopných ploch v tomto případě nejsou zahrnuty plochy například pro VZT, rozvody v kotelně či ve strojovně. Potom je souhrnná plocha větší než 765,8 + 2908 » 3674 m².

Tento údaj sice vypovídá o velikosti čištěných ploch, ale pokud neznáme tloušťky nánosů a jejich chemickou skladbu, nelze určit náročnost operace chemického čištění, vlastně nevíme, jaké množství a jakou strukturu chemického složení je třeba odstranit. Z toho samozřejmě vyplývá i náročnost chemického čištění a spotřeba chemikálií. I „vyříznuté“ a zkoumané vzorky trubek nemusí podat správný obraz o rozsahu (objemu) čištění. Touto problematikou se příspěvek nezabývá, jelikož spadá do kompetence odborníkům pro chemii vody.

Závěry

Příspěvek není zaměřen přímo na technologie čištění, ale na stav otopné soustavy z hlediska tepelně energetického a provozního, pokud jde o funkci armatur.

Jedním z prvních přirozených závěrů je fakt, že se částice v otopné soustavě mohou, kromě jiného, také usazovat v seřizovacích armaturách a způsobovat tak růst nákladů na jejich údržbu. Často nestačí pouze proplach, musí se přistoupit k vypuštění části potrubí, demontáži některých dílů seřizovací armatury a její vyčištění a znovu napuštění a uvedení do provozu. Jde tedy o jednorázové náklady v důsledku nečistot (často i normálně nerozpustných).

Největší dopad na snížení efektivnosti předávání tepla a zvýšení čerpací práce se projeví tam, kde je vše dimenzováno, tzv. „přesně“ (bez rezerv). Potom při projektovaných průtocích a teplotách již soustava v „zarostlém“ stavu ztrácí schopnost zajistit předchozí plánované a projektované teplotní parametry a optimální čerpací práci musíme zvýšit.

Jiný přístup k problematice nám poskytuje současný trend zateplování budov a zpravidla rapidní snížení tepelných ztrát objektu. Pokud po zateplení zůstává otopná soustava z hlediska geometrie uspořádání (bez rekonstrukce rozvodů a těles) v předchozím stavu, potom je třeba se na stav z hlediska chemického čištění dívat odlišně a podstatně více zvažovat efektivnost chemického čištění, tj. reálné přínosy.

V čem spočívá základní úvaha?

Po zateplení se z důvodů snížených tepelných ztrát požaduje, aby otopné plochy byly schopny dodávat snížené množství tepla (výkon). Po zateplení se požadavek výkonu snižuje i na 40 % předchozího výkonu. Byla-li v rámci projektu již tělesa předimenzována, pak může být pokles výkonu po zateplení i na 30 % výkonu instalovaných těles. Při hledání správných fyzikálních parametrů otopné vody po zateplení jsme tedy limitování novými okrajovými podmínkami, které spočívají ve značném snížení teplot otopné vody, ale také i v částečném snížení průtoku (musíme zachovat požadavky na přesnost použitých fakturačních měřidel).

Jestliže se nám potřebná teplota otopné vody sníží o více jak (15 až 30) °C, potom se vliv nánosů, které sníží teplotu na povrchu tělesa o (2 až 5) °C jeví jako nepodstatné! Pro zajištění sníženého výkonu tělesa úkol z hlediska fyziky splníme tím, že teplotu otopné vody nesnížíme o (15 až 30) °C, ale jen o (13 až 25) °C, což je prostřednictvím M+R splnitelné bez jakýchkoliv potíží a nákladů.

Rovněž se nezvyšuje ani čerpací práce, spíše klesá, jelikož zpravidla musíme oproti projektovanému stavu snížit průtok otopné vody. Tudíž i tento důvod nevyvolává potřebu čištění otopných ploch.

V nánosech lze spatřit Rub a líc téže mince.

„Zápasíme“ s tím, že neizolované trubky vytápějí, i když to není žádoucí. Dokonce ani u stoupaček, které pak zkreslují rozdělování nákladů za teplo. S určitou nadsázkou bychom mohli říci, že je zanášení potrubí „žádoucí“, aby se snižovaly „nežádoucí tepelné ztráty“ do okolí. Dokonce by bylo ideální, kdyby se vytvářely takové nánosy, které by izolovaly trubky zevnitř a přitom by se vnitřní stěny otopných těles samočistily. Je to utopie, ale …

Tato úvaha vede k tomu, že nánosy v trubkách rozvodů tepla mohou „ušetřit“ více tepla, oproti tepelným ztrátám kotlů v případě nutnosti zvýšit teplotu otopné vody třeba o (2 až 5) °C – viz odstavec výše.

Dokonce můžeme říci, že nebude v neprospěch věci nános v trubkách ani z hlediska čerpací práce. Po zateplení s ohledem na fakturační měřidla zpravidla klesá průtok i více než o 20 % (je to individuální podle stupně zateplení). Dejme tomu na 80 %. Pokles na 80 % znamená pokles hydraulických odporů na cca 64 %. Na zvýšený odpor vlivem nánosů máme k dispozici 36 % původních hydraulických odporů. Nemusíme se proto obávat, že se zvýší čerpací práce.

Opět se dostáváme do situace, kdy bychom měli pilně zvažovat ekonomiku chemického čištění. Kdybychom za vyčištění jednoho tělesa měli uhradit například 800,- Kč (jak jsem zaznamenal v jednom konkrétním případě), pak ve větším panelovém domě o 400 tělesech uhradíme 320 000,- Kč. Za 10 let mezi dvěma doporučenými cykly čištění by připadalo na čištění 32 000,- Kč za rok. Do úvahy musíme vzít také fakt, že za těch 10 let bychom se mohli dostat do stavu před čištěním. Kdyby proces zanášení probíhal rovnoměrně, pak je stav nánosů za pět let na 50 % původního, a proto je průměrná efektivnost poloviční.

Problémem zůstává prokazatelnost úspor. Jak „vyloupnout“ úspory, které docílíme vlivem chemického čištění, když na celkovou efektivnost úspor má vliv mnoho faktorů: teplota vzduchu ve vytápěných místnostech, intenzita a četnost větrání, tepelné zisky, klimatické podmínky v dané lokalitě a jejich vzájemné porovnání ve srovnatelných obdobích, atd. Zveřejňované fotografie doslova „zarostlých“ trubek mohou leckterého čtenáře „vyděsit“. Moje praktické zkušenosti ukazují, že zejména v soustavách napojených na CZT (otopná voda se chemicky upravuje a kontroluje) je stav trubek vcelku dobrý i po 50 letech provozování. Tím nepopírám existenci ojedinělých případů, o kterých by se mohlo mluvit a psát, ale hlavně je třeba analyzovat příčiny, jak a za jakých okolností k tomu došlo, možná i proto, že se o otopnou soustavu nikdo řádně nestaral.

Vím, že je „úkolem doby“ šetřit za každou cenu a „čím více to stojí, tím máme vyšší zaměstnanost“, i když se někdy efekt limitně blíží NULE.

Jiná situace je však u výměníků tepla (deskové, trubkové, …), kde se vlivem nánosů značně snižuje účinnost výměníků, což není žádoucí zejména u ohřevu vody.

---

Effect of sediment on the thermal and hydraulic conditions in heating systems

The author explains the influence of sediment on the hydraulic conditions in the heating system, the possible increase in pumping work and reduce the heat transfer to the heat transfer surfaces. It deals with the conditions under which it is appropriate to carry out chemical cleaning of the heating system.