W jaki sposób powietrze i inne gazy dostają się do systemów grzewczych i układów chłodzenia?

Powietrze i gazy
Gazy w systemach grzewczych i układach chłodzenia mogą powodować różne problemy – korozję, powstawanie osadów, odgłosy, zakłócenia obiegu oraz zmniejszenie mocy grzewczej.

Co rozumiemy przez pojęcie gazy i skąd one pochodzą?
Największa część pochodzi z powietrza. Ale często można stwierdzić również obecność CO2, CH4 i H2. W obiegu początkowym woda pobiera powietrze z atmosfery. Składa się ono w ok. 78% z azotu N2, 21% tlenu O2 i 1% gazów szlachetnych. W uzupełnianej wodzie do instalacji dostaje się ok. 22,1 ml/l powietrza i małe ilości dwutlenku węgla CO2 w rozpuszczonej formie -1-. Powietrze może się dostawać do instalacji także przez często stosowane tworzywa sztuczne i gumę lub wskutek działania podciśnienia.

Azot, jako gaz obojętny, ulega nasyceniu po napełnieniu instalacji i w trakcie eksploatacji. Częstą przyczyną tego faktu są zamknięte resztki powietrza rozpuszczane przy wzroście ciśnienia. W instalacjach jest ich do 40 ml/l, czyli trzy razy więcej, niż wynosi stężenie naturalne. Po podgrzaniu przewyższa ono rozpuszczalność w wodzie. Skutek: swobodne pęcherzyki azotu. Uznaje się je za główne przyczyny klasycznych „problemów z powietrzem” -1-.

Tlen to gaz o wysokiej reakcyjności. W instalacjach o dużej zawartości stali zawartość tlenu już w kilka godzin po napełnieniu spada z 7,8 ml/l do 0,07 ml/l wskutek działania korozji. Odpowiada to wartości granicznej dla korozji 0,1 mg/l -2-. Jest to wyraźna wskazówka świadcząca o niebezpieczeństwie związanym z tlenem i argument przemawiający za systemami zamkniętymi.

Coraz częściej stwierdza się również obecność innych gazów, takich jak metan CH4 lub wodór H2. Różne materiały, również w połączeniu z inhibitorami, mogą powodować powstawanie tych gazów i korozję.

Poniższy wykres nasycenia ilustruje problemy związane z powietrzem. Podczas gdy azot sprawia problemy z pęcherzykami, rozpuszczony tlen może powodować korozję.

Zachowanie azotu N2 i tlenu O2 w chwili uruchomienia

Uszkodzenia

Korozja i erozja

Korozja niszczy materiał. Z jednej strony prowadzi do powstawania osadu rdzy i magnetytu, z drugiej zaś do erozji powodowanej przez skorodowane cząsteczki unoszone wraz z przepływającym medium. Swobodne pęcherzyki gazu zwiększają ryzyko erozji.

Skutki:

Wycieki z rur, grzejników, zródeł ciepła.
Blokowanie armatur, zaworów regulacyjnych, pomp.
Zmniejszenie przekrojów przepływu, a przez to mniejsza wydajność przepływu.
Zmniejszenie mocy grzewczej kotłów grzejnych i wymienników ciepła.

Zakłócenia obiegu

Swobodne pęcherzyki gazu mogą powodować znaczne zakłócenia obiegu. Po pierwsze, obniża się pojemność nośnika ciepła – tam, gdzie są pęcherzyki gazu, nie może być wody. Po drugie, niestabilne warunki przepływu w punktach mających znaczenie techniczne i wyeksponowanych pod względem termicznym prowadzą do zakłóceń w eksploatacji.

Skutki:

Zmniejszenie wydajności lub nawet przerwa w pracy pompy. Pompy „zapowietrzają się”.
Niestabilne działanie zaworów regulacyjnych, szczególnie przy pracy z niskim obciążeniem.

Hałasy

Gazy w stanie swobodnym prowadzą do powstawania hałasów w obrębie urządzenia.

Skutki:

Odgłosy przepływu w przewodach rurowych i armaturach.
„Bulgoczące” grzejniki na wyższych kondygnacjach.

Zmniejszona moc grzewcza

Gazy mogą niekorzystnie oddziaływać na przenoszenie ciepła na dwa sposoby.

Skutki:

Zmniejszenie mocy grzewczej wskutek izolacji powierzchni grzewczych przez pęcherzyki gazu.
Przerwa w pracy grzejników na wyższych kondygnacjach wskutek nagromadzenia się dużej ilości powietrza powodującego zatrzymanie obiegu.

Formy występowania
Gazy mogą występować w wodzie jako swobodne pęcherzyki lub rozpuszczone molekuły. Prawo HENRY’ego opisuje rozpuszczalność. Przesycenie gazem istnieje powyżej krzywych Henry’ego. Rozpuszczone gazy ulegają tam desorpcji i stają się pęcherzykami. W przypadku niedosycenia gazem wszystkie gazy ulegają rozpuszczeniu.

Nagromadzenie powietrza w przypadku nieruchomej wody w najwyższych punktach.

Przy napełnianiu instalacji lżejsze powietrze jest wypierane przez wodę do góry. Jeśli odpowietrzanie nie było dokładne, powietrze zbiera się w najwyższych punktach.

Wskutek działania ciśnienia powietrze przynajmniej częściowo może ponownie rozpuszczać się w wodzie. Prowadzi to do przesycenia. Po podgrzaniu rozpuszczalność jest mniejsza. Powstają wtedy pęcherzyki, krążące zgodnie z kierunkiem obiegu.

Pęcherzyki gazu w przepływającej wodzie.

Pęcherzyki gazu są porywane wraz z przepływem. Pęd przepływu w przewodach rurowych jest przeważnie większy od pędu pęcherzyków. W związku z tym separacja jest możliwa wyłącznie za pomocą specjalnych urządzeń lub po wyłączeniu pompy obiegowej.

Mikropęcherzyki są bardzo małe i jest ich bardzo dużo.

Są one praktycznie niewidoczne gołym okiem. Woda wydaje się mieć mleczną barwę. Mikropęcherzyki podążają wraz z przepływem i mogą być zatrzymane tylko przez specjalne urządzenia do separacji.

Większe pęcherzyki „rosną” w zetknięciu z cząsteczkami ciał stałych. Skłonność do przywierania do powierzchni utrudnia separację i zwiększa ryzyko powstania uszkodzeń.

Rozpuszczone gazy są niewidoczne.

Cząsteczki gazu są związane pomiędzy cząsteczkami wody tak, że można je usunąć tylko poprzez obniżenie ciśnienia lub podniesienie temperatury. W związku z różnicami ciśnienia i temperatury w instalacji rozpuszczone gazy mogą ulegać desorpcji i tworzyć pęcherzyki.

Rozpuszczalność azotu w wodzie wg prawa HENRY’ego

Skuteczna ochrona

Odpowietrzniki

Odpowietrzniki automatycznie odprowadzają zebrane gazy na zewnątrz. Woda musi być w stanie uspokojonym, w przeciwnym razie gazy są zabierane wraz z przepływem. W związku z tym odpowietrzniki nie nadają się do bezpośredniej instalacji w przewodach rurowych do odpowietrzania eksploatacyjnego. Zawór upustowy powietrza przeważnie jest uruchamiany za pomocą pływaka. Preferowane zastosowania to wstępne odpowietrzenie po napełnieniu instalacji, niecentralne odpowietrzanie grzejników i napowietrzanie przy opróżnianiu.

Separatory powietrza

Klasyczne separatory powietrza w bardzo dużym stopniu zmniejszają szybkość przepływu. W wodzie o uspokojonym przepływie pęcherzyki mogą unosić się ku górze i można je od niej oddzielić. Następnie są one odprowadzane na zewnątrz za pomocą automatycznego odpowietrznika. Stopień separacji jest niski. Można go zwiększyć za pomocą specjalnych urządzeń.

Separatory mikropęcherzyków

Separatory mikropęcherzyków mogą mieć bardzo zwartą konstrukcję. Są przeznaczone do odgazowywania eksploatacyjnego. Można stosować połączenie różnych zasad działania.

Zmniejszenie szybkości przepływu.
Urządzenia przepływowe wpomagające pęd i separację odśrodkową.
Zbudowane jako elementy ciał stałych do tworzenia większych pęcherzyków.

Odgazowywacze

Odgazowywacze usuwają z wody rozpuszczone gazy w trakcie pracy instalacji. Zasadniczo istnieją dwie możliwości fizyczne:

Odgazowywacze termiczne – wyższe temperatury powodują zmniejszenie rozpuszczalności

Systemy tego typu są stosowane przede wszystkim w instalacjach wysokoparametrowych oraz parowych. W ogrzewaniu budynków zasada ta w związku ze zbyt niskimi temperaturami nie jest stosowana w bezpośredni sposób. Termiczne efekty odgazowania przy gorących ściankach kotłów grzewczych można w kontrolowany sposób wykorzystać przez podłączenie separatora mikropęcherzyków.

Odgazowywacze ciśnieniowe – mniejsze ciśnienia powodują zmniejszenie rozpuszczalności

Odgazowywacze ciśnieniowe od kilku lat są z powodzeniem stosowane w ogrzewaniu budynków do odpowietrzania i odgazowania.

Zasada:

Odprowadzanie z systemu części strumienia z wodą zawierającą gazy i redukcja ciśnienia – rozpuszczone gazy ulegają desorpcji i tworzą pęcherzyki.
Usunięcie pęcherzyków i odprowadzenie na zewnątrz.
Ponowne wprowadzenie do systemu części strumienia z wodą niezawierającą gazów.

Przy cyklicznym powtarzaniu tego procesu można doprowadzić do niedosycenia gazem całości wody. Zależnie od ciśnienia, rozróżnia się odgazowywacze próżniowe oraz atmosferyczne odgazowywacze ciśnieniowe.

Źródło: www.imi-international.pl
Poradnik Powietrze - Pneumatex