Nedostatky při napouštění a odvzdušňování soustav IMI

3. srpna 2010

Plyny v otopných a a chladících soustavách způsobují problémy při uvádění do provozu i v následně v provozu. Čerpadla nemohou vytvořit požadovanou tlakovou diferenci a dochází ke značným podprůtokům, regulační a vyvažovací armatury nejsou schopny plnit svoji funkci. Řešení je přitom snadné.

Mnoho otopných a chladících soustav je napuštěno vodou, která obsahuje velké množství plynů, které způsobují značné problémy nejen během uvádění soustavy do provozu, ale také i v následném provozu. Čerpadla nemohou vytvořit požadovanou tlakovou diferenci a dochází ke značným podprůtokům, regulační a vyvažovací armatury nejsou schopny plnit svoji funkci. Řešení je přitom snadné.

Napouštění soustav

Většina soustav se napouští vodou z vodovodu, která obsahuje v průměru 18-22 ml rozpuštěných plynů (z toho cca 14,3 ml/l N₂ a 7,8 ml/l O₂). V nejvyšších místech instalace, tj. na konci stoupacích potrubí nebo před koncovými jednotkami, jsou nainstalovány automatické odvzdušňovací ventily pro odvádění vzduchu ze soustavy. Během napouštění soustavy dochází ke stlačování vzduchu napouštěnou vodou a tím k nárůstu tlak působícího na vodní hladinu. Vzduch, který nemá kam uniknout, se pod tlakem rozpouští ve vodě. Mez nasycení je závislá na teplotě a přetlaku vody. Příčinou je nedostatečná odfukovací kapacita odvzdušňovacích ventilů. V těchto soustavách je voda nasycena plyny na úrovni cca 40-60 ml/l. V průběhu dopouštění také dochází k vylučování plynů z dopouštěné vody. Příklad: je-li ve vodovodu přetlak 5 bar dochází během napouštění do soustavy k poklesu tlaku na úroveň atmosférického tlaku, pokles tlaku je tedy 5 bar a dochází v podstatě k procesu odplyňování dopouštěné vody. Po napuštění by tedy měl být obsah plynů ve vodě nižší než ve vodovodním řadu. Pokud je soustava napouštěna správně, je obvyklá hodnota obsahu rozpuštěných plynů ve vodě do 25 ml/l.

Dusík a kyslík v soustavách

Napuštěná voda obsahuje převážně dusík (N₂) a kyslík (O₂). Kyslík během 4-5 hodin po napuštění soustavy reaguje s kovovými částmi soustavy (ocelové potrubí, litinové články kotle, čerpadlové tělesa apod.) a vytváří rez. Doba reakce je závislá na velikosti soustavy a množství kovových součástí. Voda tedy obsahuje převážně dusík, který se vyskytuje buď ve formě bublinek nebo je rozpuštěný ve vodě.

Molekuly dusíku snižují tepelnou kapacitu vody a působí jako izolant. Oběhová čerpadla pěnící směs vody a plynů nejsou schopny zpracovat a výsledkem je totální podprůtok celou soustavou. Souvisejícím jevem je nepříjemná hlučnost, převážně poblíž otopných těles. Průtoky bývají často na úrovni 30-40 % proti projektovaným hodnotám. V soustavě jsou v závislosti na výšce budovy rozdílné hydrostatické tlaky. Zásadní vliv na tlakové poměry v soustavě má také vzájemné zapojení expanzního zařízení a čerpadla. V nejvyšších místech soustavy s nejnižší hodnotou hydrostatického tlaku dochází k vylučování dusíku ve formě mikrobublin, které se dále formují do větších bublin a vytvářejí vzduchové polštáře. V nižších částech soustavy může docházet vlivem vyššího tlaku k rozpouštění molekul dusíku zpět do vody. Pokud je v nižší části soustavy spotřebič, který je osazen regulační armaturou na přívodu může docházet po jejím uzavření k poklesu tlaku vlivem sání čerpadla, a následně k vyloučení dusíku z teplonosné látky zpět ve formě bublinek. Objevují se problémy s občasným zavzdušněním některých zařízení (fancoily apod.) Tento jev nastává převážně u soustav s čerpadly s větší tlakovou diferencí a malou hydrostatickou výškou.

Zaostřeno na automatické odvzdušňovací ventily (AOV)

Dlouhodobý tlak na nízkou cenu donutil montážní firmy kupovat obvykle velmi levné komponenty. Obzvláště je to patrné na automatických odvzdušňovacích ventilech. Montážní firmy již ze zkušenosti instalují kulový kohout pod odvzdušňovací ventil, pro případ, že začne ukapávat. Někteří investoři po špatných zkušenostech instalaci AOV zakázali a požadují instalaci klasických odvzdušňovacíchnádob ukončených potrubím s kulovým kohoutem.

Levné AOV jsou často nabízeny pouze s připojovacím rozměrem DN10 nebo DN15. Jsou určeny k instalaci před koncové spořebiče, nikoli na stoupačky a potrubní rozvody. Bublinka proudící pod povrchem potrubí je unášena rychlostí proudění teplonosné látky (obvykle 0,5 - 1 m/s). Připojení DN10 nebo DN15 je příliš úzké a bublinky nejsou schopny do připojovacího hrdla vstoupit (obr. 1). Naopak větší bublina doslova ucpe vstupní hrdlo a tím vyřadí AOV z provozu (obr. 2).

Obr 1. Úzký vstupní profil DN10-15

Obr 2. Zahlcení AOV DN10-15 bublinou

Prostor mezi plovákem a stěnou plovákové komory je velmi malý a proto i menší částice rzi zablokují plovák a dochází k vytékání vody. Celý mechanismus se často zasekává, protože je těsně nad plovákem a zanáší se nečistotami. Většina levných AOV neplní správně svoji funkci již v průběhu napuštění soustavy. Řešení: uzavřít kulový kohout pod AOV! Jsou to opravdu "automatické" odvzdušňovací ventily? Existuje řešení?

Ano, existují kvalitní AOV, které mají zcela odlišné konstrukční řešení. Firma Pneumatex vyrábí automatické odvzdušňovací ventily ZUT (ob.3) s připojovacím rozměrem DN25. Plocha připojení DN25 je 4,8× větší než DN10 a 3× větší než DN15. Odvzdušňovací ventily ZUT vykazují mnohem vyšší účinnost.

Obr 3. ZUT 25

Nejdůležitější součástí AOV je plovák a plováková komora. Tvar plováku musí umožňovat bezproblémové odvedení malých i větších bublinek. Pneumatex proto vyvinul plovák kruhovitého tvaru s drážkou (obr. 4), aby nedocházelo k akumulaci bublin pod plovákem (typický problém plováků ve tvaru válce). Plováková komora je dostatečně dimenzovaná a zaručuje klidné proudění kapaliny bez tlakových rázů na plovák. Pod plovákem je nerezový plech s otvory pro uklidnění a rozdělení proudu (obr. 4).

Obr. 4 Řez ventilem

Odfukovací kapacita AOV

Jakým způsobem lze zvýšit kapacitu odfuku nutnou pro první napouštění soustavy? Konstrukce AOV byla vyvinuta pro odfuk jednotlivých bublinek nikoli pro odvádění velkého množství vzduchu. Se standardními AOV je tento úkol neřešitelný. Pneumatex proto vyvinul typ ZUTX (obr. 5), který je opatřen 3-cestným kulovým kohoutem se 3 polohami:

Uzavřeno (pro případný servis, vyčištění apod.)
Otevřeno - odvzdušňování
Otevřeno - vypouštěcí kohout

Obzvláště důležitá je 3 poloha směrem k vypouštěcímu kohoutu, který umožňuje připojit hadici DN20. Během napouštění soustavy je přes vypouštěcí kohout odváděno velké množství vzduchu a nedochází k dalšímu nasycování napouštěné vody. V případě vypouštění soustavy zajistí ZUTX dostatečný přísun vzduchu a urychluje vypouštění. Umožňuje také proplachování potrubí.

Obr. 5 ZUTX 25

Malé bublinky - AOV nestačí

AOV jsou určeny pro odvedení viditelných bublinek, které "plavou" v horní části potrubí. Malé bublinky jsou silným turbulentním prouděním unášeny mimo oblast působení AOV. Obecně se AOV používají převážně k odvzdušnění větších bublin, k odvodu vzduchu při napouštění a k nasávání vzduchu během vypouštění.

Mikrobublinky lze ze soustavy odstranit separátorem, který je cenově dostupným řešením. Separátor zpomalí rychlost proudění teplonosné látky, zachytí bublinky a odvede je směrem vzhůru do plovákové komory AOV. Pneumatex vyvinul separátor se speciálně tvarovanými lopatkami, které bublinku nasměrují směrem vzhůru a současně zajistí, že nebude zachycena proudem vodyzpět do potrubí. Princip funkce je patrný z obr. 6 (Zeparo ZUV).

Obr. 6 Separace bublin Zeparo ZUV

Separátor nebo odplyňovací zařízení?

Separátorem lze separovat bublinky a mikrobublinky, které jsou viditelné pouhým okem. Přítomnost mikrobublinek ve vodě je závislá na hydrostatickém tlaku a teplotě. Pokud je hydrostatický tlak v soustavě vysoký dochází k rozpuštění mikrobublinek zpět do vody. V těchto případech je nutné použít odplyňovací zařízení.

Graf 1 Doporučená oblast pro použití separátorů

Odplyňovací zařízení pracují na principu redukce tlaku. Voda ze soustavy je načerpána do speciální vzduchotěsné nádoby, kde je vystavena působení negativního tlaku (-0,1 až -1 bar). V tomto prostředí dochází k oddělení molekul plynů od molekul vody. Pro zvýšení účinnosti celého procesu je voda rozstřikována a míchána, aby se menší bublinky formovaly do větších bublin schopných vyplavat nad hladinu. Bubliny jsou následně odvedeny do atmosféry přes speciální ventil. Voda v podsyceném stavu (obsah plynů okolo 4-6 ml/l) je čerpána zpět do soustavy, kde působí jako "houba" a "nasává" ostatní bublinky, aby dosáhla své přirozené hodnoty nasycení. Tím dochází postupně k odplyňování celého objemu soustavy. Na výše popsaném principu odplyňování pracuje zařízení Pneumatex Vento.