Odplyňování otopných soustav

Úvod

Článek se zabývá výskytem plynů v teplovodních otopných soustav (dále jen OS) a jejich odstraňováním. Neobsahuje informace o odplyňování horkovodních OS nebo používání velkých odplyňovacích zařízení pro odstraňování plynů z rozsáhlých teplovodních OS.

V článku jsou použity tyto odborné pojmy či cizí slova:

Kavitace – vznik dutin v kapalině při lokálním poklesu tlaku
Eroze – rozrušování a transport objektů
Koroze – rozpouštění kovů vlivem elektrochemické reakce s okolím
Difuze – samovolné rozptylování částic v prostoru

Vnikání plynů do otopných soustav

Při napouštění vody do OS dostává určité množství vzduchu. Voda používaná k napouštění OS (pitná) má běžně teplotu kolem 10–15 °C. Každý 1 m³ vody obsahuje 22 až 29 litrů vzduchu. Ve vzduchu je přibližně 78 % dusíku (N₂) a 21 % kyslíku (O₂). Vzduch se dostává do vody nejen při prvním napouštění soustavy, ale také při každém dalším doplňování vody po opravách či rekonstrukcích rozvodů potrubí. Napouštění vody se provádí běžně hadicí. Před napojením hadice na napouštěcí místo je vhodné celou hadici naplnit vodou, aby se do soustavy dostávalo co nejméně vzduchu. Napouštění se provádí v nejnižších místech, kterých může být v soustavě několik. Obr. 1 ukazuje napouštění vody přes „koupelnový žebřík“ a přes kotel.

Obr. 1 Napouštění vody a) přes koupelnové otopné těleso, b) přes kotel

Také difuzí se může dostat do otopných soustav určité množství vzduchu. Ocel i měď mají propustnost vůči plynům zanedbatelnou. Plasty, pryž a další materiály pronikání kyslíku umožňují ve větší míře než kovy. Difuze kyslíku u plastových trubek je řádově až tisíckrát vyšší než u trubek kovových. Množství kyslíku vnikajícího do vody řeší např. německá průmyslová norma DIN 4726 [1]. Podle ní není povolena propustnost materiálu potrubí pro kyslík vyšší než 0,1 mg na 1 litr objemu OS a den.

Henryho zákon

Henryho zákon se vztahuje k množství rozpuštěných plynů ve vodě. Poukazuje na fyzikální zákonitost – souvislost parciálního tlaku páry (plynu) dané látky nad roztokem a jejího podílu v tomto roztoku. Obsah rozpuštěných plynů ve vodě závisí na její teplotě a na tlaku plynů. Čím je vyšší teplota vody, tím méně plynu je voda schopna převzít do roztoku. Stačí ohřát vodu na teplotu okolo 50 °C a začnou se objevovat první bublinky. Nejsou to bublinky vodní páry, ale plyny ve vodě rozpuštěné – z největší části dusík. S klesajícím tlakem rozpustnost plynů ve vodě klesá. Více bublinek je tedy v nejvyšších místech OS, kde je nejnižší hydrostatický tlak, u čerpadel atd.

Henryho diagram vyjadřuje přesné množství rozpuštěných plynů ve vodě v závislosti na jejím tlaku a teplotě. V každém litru pitné vody, kterou se naplňují OS, je teoreticky rozpuštěno cca 11 mg kyslíku a 18 mg dusíku.

Druhy plynů

Ve vodě teplovodních OS se vyskytují nejčastěji plyny: kyslík, dusík, vodík, v menším množství i metan či sirovodík, výjimečně i další plyny. Jejich množství ve vodě se během průběhu topné sezóny může měnit.

Kyslík ve vodě reaguje poměrně rychle a je hlavním původcem (příčinou) vzniku koroze. Váže se na kovy a to již během 4–5 hodin po napuštění vody do soustavy. O době reakce rozhoduje velikost OS a množství kovových součástí. Se železem vytváří oxid železitý (Fe₂O₃) a následně ještě magnetovec (Fe₃O₄). Voda pak získává tmavou až černou barvu. Pokud jsou v OS jiné kovy (měď, hliník) vznikají působením kyslíku jejich oxidy. Kyslík se při chemické reakci spotřebuje. Do OS se dostává téměř výhradně v rozpuštěné formě. Zvýšené riziko koroze nastává, pokud koncentrace kyslíku přesáhne 0,1 g/m³ vody.

Dusík se do OS dostává při prvním plnění a samozřejmě s doplňovací vodou, v menším množství také difuzí přes těsnění ve spojích, nejčastěji na sací straně čerpadel. Je původcem vytváření proudu smíšeného ze dvou částí: plyn/voda. Způsobuje poruchy cirkulace a kavitační hlučnost, zejména u otopných těles. Molekuly dusíku působí jako izolant, snižují tepelnou kapacitu vody. Dusík se nespotřebovává na rozdíl od kyslíku chemickou reakcí a ve vodě se proto vyskytuje ve větším množství. Volné bublinky dusíku zesilují erozi a způsobují opotřebení některých částí čerpadel a ventilů.

Vodík se vytváří v případě, že jsou v OS použity různé druhy materiálů (s různým elektrochemickým potenciálem). Nejčastěji jsou to kombinace: hliník – ocel a měď – ocel. V určitém malém množství vzniká vodík ze železných materiálů reakcí při korozi nebo při rozkladu tuků či mazadel z montáže. Důležitou roli v OS z hlediska vodíku má použití hliníkových radiátorů. Jejich ochranná vrstva je stabilní do PH hodnoty vody 8,5. Při použití hliníkových otopných těles (dále jen OT) může být koncentrace vodíku i přes 3 mg/litr vody. To vede při teplotě nad 30 °C a přetlaku vody 1 bar k tvorbě volných bublinek plynu.

Sirovodík se může vyskytovat v OS, které obsahují některé části z mědi. Do OS se může přidávat za účelem úpravy vody siřičitan sodný (Na₂SO₃). Důsledkem je pak vznik sirovodíku (H₂S). Sirovodík reaguje s oxidem mědi (Cu₂O) a vzniká sulfid mědi (Cu₂S). Ten nevytváří žádnou ochrannou vrstvu a dochází ke korozi.

Metan je produktem hnilobných procesů bakterií. Ty se mohou dostat do potrubí a následně vody při špatném skladování částí OS.

Důsledky výskytu plynů ve vodě

Plyny obsažené ve vodě otopných soustav negativně ovlivňují koloběh vody, mohou být příčinou hluku, způsobují korozi a další problémy. Pokud se plyny vyskytují rozpuštěné ve vodě a jejich koncentrace je vysoká, začnou se tvořit mikrobublinky nebo i bublinky. Bublinky plynů se soustřeďují v „místech klidu“. Nejčastěji to bývá v místech s menším hydrostatickým tlakem.

Velkým problémem je přerušení cirkulace vody, kdy přestane některé z otopných těles topit. V nejvyšších místech otopné soustavy se shromažďují plyny, je zde nejnižší hydrostatický tlak. Bývá to často u otopných těles, a pokud je těleso „zavzdušněné“, omezí se cirkulace vody, případně úplně přeruší a těleso pak topí málo nebo vůbec. Odstranění této závady je poměrně jednoduché – vypuštění plynů zachycených v tělese pomocí odvzdušňovacího ventilku, přes který se nashromážděné plyny dostanou ven.

Zachytávání plynů v otopném tělese může podporovat i časté plné uzavírání regulačního ventilu. Průtok otopné vody tělesem se zastaví a bublinky plynu mají čas se shromáždit v horní části tělesa. Tento proces se cíleně využívá v některých konstrukcích odlučovačů plynů.

Jiným problémem je koroze některých částí otopných soustav způsobená plyny obsaženými ve vodě. Koroze materiálů vzniká největší měrou přítomností kyslíku, ostatní plyny způsobují korozi v mnohem menší, proti kyslíku až v zanedbatelné míře. Stále se ještě někde používají otevřené otopné soustavy, kde se kyslík dostává do oběhové vody ve velkém množství. Projektanti, ale i odborníci na vytápění doporučují už mnoho let staré otevřené otopné soustavy rekonstruovat a upravit na uzavřené. Otevřenou expanzní nádobou se může do vody dostat až 6 mg kyslíku s každým litrem vody, u uzavřených soustav je to méně než 0,1 mg/litr.

Odstraňování plynů

Voda poměrně snadno jímá a rozpouští plyny. Při napouštění otopných soustav dochází ke stlačování vzduchu a k růstu tlaku, který působí na vodní hladinu. Vzduch se pod tlakem rozpouští ve vodě. Voda může být nasycena plyny v extrémních případech až na 60 mg/litr. Veškeré plyny je třeba z OS vyloučit, pokud možno hned po jejich vzniku. Hydrostatický tlak vody v soustavě je různě velký v závislosti na výšce potrubí s vodou. V nejvyšších místech je tlak nejmenší. Zde dochází ve velké míře k vylučování plynů z vody a jejich vypouštění.

Odplynění se provádí nejen v nejvyšších místech otopných soustav (na stoupacím potrubí, na otopných tělesech), ale také u čerpadel, rozvaděčů tepla, v horních částech kotlů, případně i na jiných místech. Musí být jednosměrné – plyn se musí dostat ven, ale žádný vzduch dovnitř.

a

b

c

d

Obr. 2 Odplynění otopné soustavy a) na stoupacím potrubí b) na otopném tělese c) u čerpadlové sestavy d) na rozdělovači tepla

Odplyňovací zařízení

Přestože odplyňovací zařízení slouží obecně k vypouštění plynů, většinou se v jejich názvu objevuje slovo odvzdušňovací.

Například je to odvzdušňovací ventil. Těchto poměrně jednoduchých zařízení se používá více různých druhů. K nejpoužívanějším patří ručně ovládaný a automatický odvzdušňovací ventil. Oba se uplatňují jak v rodinných domech, tak i ve větších budovách. Na otopných tělesech se instaluje odvzdušňovací ventil, kterému se říká také radiátorový. Ovládání odvzdušňovacího ventilu se provádí ručně klíčem nebo šroubovákem příslušné velikosti.

Automatický odvzdušňovací ventil se instaluje na radiátory nebo do potrubí. Může být připojen na stoupací potrubí nebo na ležaté potrubí ve správném (vyspádovaném) místě. Automatické odvzdušňovací ventily mají tvar podobný hrníčku a někteří instalatéři je označují jako odvzdušňovací hrníčky. Má větší kapacitu než radiátorový, tudíž se osazuje na rozsáhlejší otopné soustavy.

Oba druhy odvzdušňovacích ventilů se připojují závitem. Musí být dobře dotaženy. Netěsností by mohl do soustavy vnikat vzduch; sice v malém množství, ale dlouhodobě. Průměr připojení je ⅜ ″ nebo ½ ″.

a

b

Obr. 3 Příklady odvzdušňovacích ventilů, a) vlevo ručně ovládaný, b) vpravo automatický plovákový: 1 – prostor s odváděným plynem, 2 – plovák, 3 – prostor vodní

Klíčů pro ovládání odvzdušňovacích ventilů je možno použít několik druhů. Všechny mají čtyřhran, který se nasadí do ventilu. Klasický jednoduchý klíč se vyrábí nejdéle, celý je vyroben z kovu. V posledních letech se objevily na trhu klíče se zásobníkem vody a/nebo s magnetem. Oba mají tělo z plastu. Z kovu je vyrobena jen jeho část sloužící k nasazení na odvzdušňovací ventil. Klíč s malým zásobníkem na vody se nasadí na odvzdušňovací ventil. Kolečkem se otočí doleva, z OT se vypouští plyn a voda přitom kape do zásobníku.

Mezi nové výrobky patří odvzdušňovací klíč opatřený magnetem. Je rozdělený na dvě části. Jedna část může být trvale umístěna na OT. Druhá část se vytáhne z první a používá se k vypouštění plynu. Jeho výhodou je, že se nemusí schovávat, ale může se položit na OT.

Obr. 4 Jednoduchý klíč pro odvzdušnění

Obr. 5 Odvzdušňovací klíč se zásobníkem

Obr. 6 Odvzdušňovací klíč s magnetem

Obr. 8 Odvzdušňovací ventil Spirotop: 1 – připojení závitem, 2 – vodní prostor, 3 – mosazné tělo, 4 – plovákový prostor, 5 – ventil s citlivým pákovým převodem

Obr. 7 Armatura Tri-Bloc

Odplyňování je možné provádět také pomocí kombinovaných armatur. Např. armatura Tri-Bloc umožňuje odplyňování, odečítání aktuálního tlaku a regulaci tlaku odpouštěním. Pracuje do teploty vody 100 °C, tlaku 10 bar a je určena pro otopné soustavy do 50 kW. Přepouštěcí tlak je podle typu armatury 2,5 nebo 3 bary.

Pro OS s větším obsahem vody jsou třeba odvzdušňovací zařízení, která mají větší kapacitu. Patří k nim automatické plovákové ventily – viz obr. 3b) nebo obr. 8. Konstrukce plováku a plovákové komory musí umožňovat bezproblémové odvádění menších i větších bublinek. Ventil pod označením Spirotop je opatřen pod plovákem nerezovým plechem s přesně rozmístěnými otvory pro uklidnění a rozdělení proudu. Tím je zajištěno proudění bez tlakových rázů na plovák.

Obr. 9 Odvzdušňovací zařízení s trojcestným kohoutem

Automatické odvzdušňovací ventily byly vyvinuty zejména pro odvádění jednotlivých bublinek. K odvádění velkého množství plynů slouží odvzdušňovací zařízení, které je kombinací odplynění + trojcestný kulový kohout. Pomocí kohoutu je možno nastavit 3 polohy:

1. Uzavřeno – pro případné opravy
2. Otevřeno – pro odvzdušňování
3. Otevřeno – pro vypouštění

Mimo uvedená odvzdušňovací zařízení se ve velkých OS používají velkokapacitní odvzdušovací zařízení a separátory plynů typů spirovent, flexair, zařízení, která v sobě mění tlak a tím urychlují odvod plynů a další. To však není tématem tohoto článku.

Význam expanzní nádoby

Jedná se vždy o uzavřenou nádobu – expanzomat. Expanzní nádoba (EN) má v otopných soustavách důležitou úlohu. Špatně dimenzovaná nebo tlakově nastavená může negativně ovlivnit průběh topení a také vznik kavitace, uvolňování bublinek plynů z vody, případně způsobit další potíže. Plnicí přetlak EN má být nejméně o 0,3 baru vyšší než přetlak plynu v EN.

Postup při odplyňování

S odplyňováním souvisí norma ČSN 06 0310 Ústřední vytápění, projektování a montáž [2]. Tato norma předepisuje propláchnutí zařízení před vyzkoušením a uvedením do provozu. Vypouštění plynů z otopných tělese se provádí v určitém pořadí. U nízkých budov se začíná u OT nejbližšího ke kotli a postupuje se k nejvzdálenějšímu. Budovy vícepodlažní mají odplyňování z nejnižšího podlaží až po nejvýše umístěná tělesa. Stoupačka se uzavře, vratné potrubí zůstává otevřené. Spádování potrubí může být provedeno tak, že na některých OT v nižších podlažích odvzdušňovací ventil být nemusí. První odplyňování se provádí při vypnutém oběhovém čerpadle a chladné vodě. Ventily na všech OT by měly být všechny plně otevřené.

Odstraňování plynů z OT se provádí prostřednictvím klíče speciálně k tomu účelu vyráběného nebo pomocí automatických ventilů. Klíčem nasazeném na odvzdušňovacím ventilu se otočí doleva a z otopného tělesa se vypouští plyn tak dlouho, dokud neteče z ventilku proud vody bez bublin. Při odplyňování se vždy vypustí i malé množství vody, čímž klesne tlak. Voda se proto musí znovu dopustit, tlak se zvýší na potřebnou hodnotu a odplynění se zopakuje. Doporučuje se provádět druhé odplyňování po 30 až 60 minutách. Poslední (konečné) odplynění se doporučuje provádět při maximální provozní teplotě topné vody. Odvzdušňování by se mělo provádět vždy před zahájením topné sezóny, po všech opravách či rekonstrukcích a pak vždy po 3 měsících. Pokud by některé OT topilo méně nebo netopilo, je třeba provádět odplyňování dle potřeby.

Odplynění se provádí také pomocí automatických zařízení. To se instaluje na nejvýše položená OT u větších OS nebo na nejvyšší část stoupacího potrubí. Automatická odplyňovací zařízení jsou vybavena plastovým krytem (čepičkou) se závitem. Kryt se povolí otočením směrem doleva a plyny se tím vypustí.

Při odplyňování podlahového vytápění se zavřou všechny větve na rozdělovači okruhů. K odplynění jsou potřeba dvě hadice. Jedna hadice se připojí k rozdělovači a druhá ke sběrači. Do potrubí podlahového topení se pustí voda a nechá téct tak dlouho, dokud nebude z druhé hadice souvisle vytékat. To se provede u všech topných okruhů. Celý systém se pak dotlakuje na 1,5 baru. Odplynění se provádí na rozdělovači do okruhů – viz obr. 1c). Nevýhodou je nutné opakování odplynění, které může trvat delší dobu, protože i plastové trubky odpovídající normám mohou difundovat kyslík do vody.

Chyby související s plyny ve vodě

Výskyt plynů a špatný koloběh vody mohou být způsobeny nejen plněním vody do soustavy, ale i z jiných příčin.

Plnění potrubí s hadicí plnou vzduchu

Před napouštěním OS vodou se vhodné hadici naplnit vodou tak, aby v ní zůstalo co nejméně vzduchu. Tím se předem zamezí vniknutí většího množství vzduchu počátkem plnění soustavy. Hadice s převlečnou maticí musí být opatřena těsněním a řádně dotažena, aby nemohl vnikat vzduch z okolí do napouštěné OS.

Špatně spádované potrubí

Obr. 10 Automatický odvzdušňovací ventil na ležatém potrubí

Rozvodné (ležaté) potrubí nemá být vodorovné, ale vedeno ve spádu. Doporučený spád je malý, jen 3 ‰. Jde o převýšení 3 mm na metr délky potrubí. Potrubím musí volně unikat vzduch do vyšších míst. Pokud by mělo ležaté potrubí spád opačný a plyny by nemohly volně putovat do vyšších míst a opustit OS, vznikaly by v některých místech „vzdušné pytle“ a byl by zčásti (výjimečně i zcela) přerušen koloběh vody. Odvzdušňovací ventily mohou být umístěny i v ležatém potrubí, pokud je správně spádováno.

Špatné tlakové poměry

Důležitou roli v každé OS má expanzní nádoba. Velikost expanzní nádoby a tlak mají významný vliv na provoz vytápění. Správný objem EN je dán normou ČSN 06 0830 Zabezpečovací zařízení pro ústřední vytápění a ohřívání užitkové vody [3]. Malý objem a špatné tlakové poměry mohou být příčinou zvýšeného výskytu plynů v OS a koroze. Navrhnout správně EN má projektant. Uživatel by měl 1× ročně kontrolovat, zda EN má správný tlak. Tento úkon nemusí být pro laika obvykle snadný, a proto je výhodné jej spojit s každoroční prohlídkou otopné soustavy a zdroje kotle servisním technikem.

Nevhodný postup odplyňování

Začít s odplyňováním se má u otopných těles umístěných nejblíže ke kotli a postupovat se má ve vyšších budovách od nejníže položených OT. Nesmí se zapomenout na plné otevření všech armatur na otopných tělesech.

Kvalita vody pro OS

Voda pro naplnění kotle a soustavy musí být čirá a bezbarvá, bez suspendovaných látek, oleje a chemických agresivních látek. Její kvalita musí odpovídat ČSN 07 7401 [4] odst. 3.1 a 3.2. Obvykle je třeba ji změkčit. Většina výrobců kotlů má ve svých záručních podmínkách nařízeno použití konkrétního změkčovače, případně inhibitoru koroze.

Závěr

Řádné odplynění je jedním ze základních předpokladů správné funkce celé otopné soustavy. Je velký rozdíl provádět odplyňování OS v malém rodinném domě (malá hydrostatická výška, řádově do 10 metrů) a ve vícepodlažním nájemním domě. Důležitá je prevence, kterou lze předcházet případným poruchám. Doporučuje se před každou topnou sezónou kontrola expanzní nádoby, podle potřeby dotlakování otopné soustavy, odplynění ve všech místech s odplyňovacími zařízeními, se kterým je tak spojena i případná kontrola jejich funkce. Pokud se všechna otopná tělesa po zahájení vytápění nerozehřejí naplno ani po několika odvzdušněních, končí možnosti laického zásahu. Je třeba zavolat odborníka.

Použitá a doporučená literatura

1. DIN 4726 Warmwasser-Flӓchenheizungen und Heizkӧrperanbindungen – Kunststoffohr – und Verbundrohrleitungssysteme
2. ČSN 060310 Ústřední vytápění, projektování a montáž
3. ČSN 060830 Zabezpečovací zařízení pro ústřední vytápění a ohřívání užitkové vody
4. ČSN 077401 Voda a pára pro tepelná energetická zařízení s pracovním tlakem páry do 8 MPa
5. Vladimír Jirout: Odvzdušňování (odplyňování) vodních otopných soustav, článek v časopisu TOPIN 4/2011