Nemrznoucí směs v topném systému: koncentrace, korozivní aktivita, výměna chladicí kapaliny, záruka na kotel — Nibko-Yug

Rusko má pověst země s drsným a chladným klimatem. Ačkoli to neplatí pro všechny regiony, většina z nich má průměrné zimní teploty pod bodem mrazu a některé oblasti zažívají období extrémních mrazů. Klimatické podmínky jsou jedním z důvodů popularity nemrznoucích chladicích kapalin v Rusku. Strach z havárií v topném systému a následků zamrznutí vody v něm nutí uživatele hledat alternativní nosiče tepla, které jsou v mrazu „bezpečnější“. Ne vždy však počítají s obtížemi, se kterými se při navrhování a provozu takového topného systému setkají.

S celou řadou různých nemrznoucích kapalin dostupných na trhu jsou pro použití v topných systémech vhodné pouze ty, které jsou speciálně navrženy pro tyto potřeby. Takové nosiče tepla obsahují potřebné přísady, které optimalizují chemické vlastnosti kapaliny pro topný systém. Proto níže, když mluvíme o nemrznoucích směsích (nebo, jak se často říká, nemrznoucích směsích), budeme je mít na mysli. I nemrznoucí kapaliny uzpůsobené pro topení však mají řadu speciálních vlastností, které je třeba vzít v úvahu při výběru chladicí kapaliny a posuzování rizik. Nejprve se podívejme, jak se liší od vody.

Voda je z hlediska fyzikálních a chemických vlastností optimálním nosičem tepla pro otopné soustavy. Navzdory své zjevné levnosti a dostupnosti má vysokou tepelnou kapacitu, nízkou viskozitu a při správném použití má velmi dlouhou životnost bez nutnosti výměny. Pokud chemické složení vody z nějakého důvodu není vhodné pro použití v topném okruhu, lze jej jednoduše upravit – např. navázáním nebo odstraněním solí tvrdosti pomocí změkčování, pokud je jich příliš a zvyšují riziko tvorby vodního kamene v kotli, čištění od písku apod. U vody není problém přehřívání akutní – ani cykly varu a chlazení nemění její vlastnosti. Kyslík rozpuštěný ve vodě je teoreticky schopen způsobit korozi jednotlivých komponentů topného okruhu, ale ve skutečnosti se při odstranění vzduchu ze systému korozní aktivita vody velmi sníží. Konečně je zřejmé, že voda, jak v kapalném, tak v parném stavu, je pro člověka neškodná. Díky tomu je bezpečný i v případě úniku při havárii nebo náhodném vstupu do zásobování pitnou vodou.

Při celém tomto výčtu výhod má voda jednu nevýhodu – zamrzá při 0 °C. Proces zamrzání a tvorby ledu je doprovázen expanzí vody, což může vést k prasknutí potrubí, armatur, baterií a dalších součástí systému vytápění a zásobování vodou. Ve skutečnosti, jakmile systém zamrzne, stane se nepoužitelným a vyžaduje výměnu všech poškozených prvků, což je nákladná oprava. A to nemluvíme o důsledcích, které mohou nastat, když zamrzlý systém rozmrzne bez uzavření přívodu vody – obsah zničených trubek a nádob jednoduše vyteče do areálu.

Pokud topný systém funguje správně, když kotel vytváří teplo a cirkulující chladivo jej rozvádí po okruhech a udržuje teplotu vody na bezpečné úrovni, je riziko zamrznutí nulové. Za určitých okolností (například při zastavení kotle nebo čerpadel z důvodu poruchy nebo výpadku proudu) však může nastat situace, kdy se zastaví dodávka tepla do systému. Pokud je venkovní teplota vzduchu pod nulou a nucená odstávka systému trvá delší dobu, budova se začne ochlazovat. V určitém okamžiku teplota uvnitř budovy dosáhne nuly a voda v systému se bude ochlazovat, až se změní v led – se všemi doslovnými důsledky, které z toho plynou.

Potenciální rizika havárií spojená se zamrzáním vody sloužila jako jeden z hlavních důvodů pro vytvoření alternativních nosičů tepla. Takové, které by nezamrzly, ale přesto by zůstaly vhodné pro použití v systému.

Druhy nemrznoucích chladicích kapalin

V současnosti jsou nejpoužívanějšími nemrznoucími chladicími kapalinami etylenglykol a propylenglykol, méně často se používá glycerin. Ethylenglykol je dvojsytný alkohol, bezbarvý a bez zápachu. Mezi nemrznoucími směsmi je poměrně populární, v neposlední řadě kvůli nižší ceně ve srovnání s jinými podobnými kapalinami. Jeho použití v obytných topných systémech je však spojeno s rizikem: etylenglykol je toxická látka, která, když se dostane do lidského těla, může způsobit vážné nevratné zdravotní následky a dokonce i smrt; je také lepší nedýchat jeho páry. Z tohoto důvodu nelze etylenglykol použít v otevřených topných systémech, kde by se mohl volně odpařovat. Použití etylenglykolu vyžaduje zvýšená bezpečnostní opatření jak při plnění systému, tak při jeho dalším provozu.

Propylenglykol je nosič tepla, který není tak nebezpečný pro zdraví; používá se dokonce i v potravinářském průmyslu. Na člověka může mít jakýkoli negativní účinek pouze tehdy, je-li užíván perorálně ve velkém množství. Propylenglykol je také bezbarvý a téměř bez zápachu, o něco viskóznější než ethylenglykol. Jeho cena je vyšší než cena ethylenglykolu, ale rozsah použití je širší – tento nosič tepla lze použít v uzavřených i otevřených systémech, v obytných budovách atd.

Glycerin je trojmocný alkohol, dražší než etylenglykol, ale pro člověka zcela bezpečný (využívá se i v potravinářství).

Otázka koncentrace

Název „nemrznoucí směs“ zcela přesně neodráží vlastnosti takových chladicích kapalin. Jako každá kapalná látka také podléhá mrazu – ovšem při velmi nízkých (ve srovnání s vodou) teplotách. Nicméně, i když taková kapalina zamrzne (například pokud k nehodě došlo během vrcholného chladného období), nelze očekávat katastrofické následky. Je to všechno o zvláštnostech nemrznoucí směsi. Nevytvářejí pevnou, rozpínavou strukturu, která může roztrhnout součásti topného systému. Místo toho se obvykle vytvoří hustá látka podobná gelu, která nepoškozuje systém.

Je však důležité pochopit, že výše uvedené teploty pod bodem mrazu jsou typické pro neředěné nemrznoucí směsi. Pokud se k nim přidá voda, teplota tuhnutí se změní a bude tím vyšší, čím nižší bude podíl nemrznoucí kapaliny v roztoku. Budou však muset být zředěny – nemrznoucí směs se prakticky nikdy nepoužívá v čisté formě. Přidání vody zlepšuje řadu charakteristik chladicí kapaliny – snižuje viskozitu a zvyšuje tepelnou kapacitu. Poměry se volí s ohledem na požadované konečné vlastnosti kapaliny a provozní podmínky komponent topného systému.

Na koncentraci závisí nejen fyzikální, ale i chemické vlastnosti chladicí kapaliny. Uvedené nemrznoucí kapaliny se vyznačují vysokou korozivní aktivitou. K ochraně topného systému před korozí se do chladicí kapaliny přidávají speciální přísady – inhibitory koroze. Nejčastěji to dělají sami výrobci, i když v případě potřeby lze inhibitory zakoupit samostatně. Účinnost protikorozní ochrany při různých koncentracích však není stejná. Při vysokém obsahu nemrznoucí kapaliny v chladící kapalině se zvyšuje riziko poškození kovových součástí, ale i těsnících prvků systému – těsnění v kotlích, armaturách, topných zařízeních apod. Materiály, ze kterých je těsnění vyrobeno, jsou často náchylné na účinky nemrznoucí kapaliny a mohou se jimi rozpustit, což vede k odtlakování spojů a netěsnostem v systému. Výrobci topných zařízení a armatur obvykle v technické dokumentaci ke svým výrobkům uvádějí, zda je povoleno je používat v systému s nemrznoucími kapalinami a s jakou kombinací vody a nemrznoucí směsi v roztoku. Z velké části určují horní přípustnou mez koncentrace nemrznoucí směsi v systému.

Problém s korozivní aktivitou chladicí kapaliny může také nastat, pokud je koncentrace nemrznoucí směsi příliš nízká. Je to dáno tím, že klesá i množství v něm obsažených inhibitorů koroze, takže klesá jejich účinnost. Kritická koncentrace pro systém je koncentrace nemrznoucí směsi pod 20–25 %. Definuje spodní přípustnou hranici obsahu nemrznoucí směsi.

V každém případě i při přísném dodržování doporučené koncentrace nemrznoucí směsi v systému je třeba dbát na kvalitní utěsnění všech spojů, protože kombinace negativního vlivu na těsnící materiály a vysoká tekutost nemrznoucích kapalin zvyšuje potenciální riziko úniku.

Nemrznoucí chladicí kapaliny lze zakoupit jak jako koncentrát (který je třeba ředit samostatně), tak ve zředěné formě připravené k použití. Nemrznoucí směsi se ředí vodou, ale ne všechna voda je pro tyto účely vhodná. Množství nečistot v jejím složení může následně vyvolat rozklad nemrznoucí směsi a relevantní je také obvyklý problém usazování vodního kamene v důsledku solí tvrdosti obsažených ve vodě. Pro nemrznoucí chladicí kapaliny je proto optimální voda se sníženým obsahem solí tvrdosti (například po změkčování) nebo destilovaná voda.

Pro eliminaci rizika takové mimořádné události se vyplatí starat se o systém doplňování z nádoby s nemrznoucí chladicí kapalinou zředěnou na požadovanou koncentraci. Samostatně je třeba zmínit problém doplňování v topných systémech s nemrznoucími chladicími kapalinami. Potřeba doplňování vzniká z různých důvodů – v důsledku odvodu vzduchu a v důsledku toho snížení objemu chladicí kapaliny, netěsnosti, činnost pojistných ventilů atd. Při doplňování musí chladicí kapalina vstoupit do systému v dostatečném množství, aby se obnovil chybějící objem kapaliny a normalizoval se vypočítaný tlak. V systému, kde voda funguje jako nosič tepla, je problém doplňování vyřešen jednoduše – topný okruh je napojen na přívod vody přes dopouštěcí ventil. Při poklesu tlaku v okruhu v důsledku poklesu množství chladicí kapaliny se ventil otevře a vpustí do systému vodu z kohoutku, dokud jej tlak zvýšený z topného systému opět neuzavře.

V systému s nemrznoucí chladicí kapalinou může dolévání vody způsobit vážné problémy. S každou další porcí vody se koncentrace nemrznoucí kapaliny v chladící kapalině snižuje a v určitém okamžiku se může snížit natolik, že inhibitory obsažené v nemrznoucí kapalině již nebudou ovlivňovat chemické procesy s požadovanou účinností. Jakou hrozbu to představuje pro topný systém? Zvýšená korozivní aktivita chladicí kapaliny. Nejprve budou ovlivněny těsnicí materiály, které jsou plné netěsností v potrubí, armaturách, kotlích atd.

Jemnosti výběru

Nízká teplota mrazu a korozivní aktivita nejsou zdaleka jediné vlastnosti nemrznoucích směsí, které je odlišují od vody. Rozdíl ve fyzikálních vlastnostech těchto kapalin je značný – natolik, že nahrazení vody nemrznoucí směsí v systému původně navrženém pro vodu může mít za následek v lepším případě neefektivní provoz systému a v horším případě nehodu. Proto ti, kteří plánují používat nemrznoucí směs jako chladicí kapalinu, musí pochopit, že systém bude muset být navržen a vybaven pro nemrznoucí směs od samého začátku, s ohledem na její komplexní vlastnosti.

Mezi charakteristické vlastnosti nemrznoucích chladicích kapalin, které je odlišují od vody, patří zvýšená viskozita. Za zmínku však stojí, že když se tyto kapaliny ředí vodou, viskozita klesá a při zahřívání výsledné směsi se rozdíl stává méně významným. Odborníci však doporučují při výběru součástí systému zohlednit hydraulické vlastnosti systému s nemrznoucími chladicími kapalinami. Především se to týká výkonu čerpadel – budou muset čerpat viskóznější kapalinu, proto je ve srovnání se systémy s vodou potřeba účinnější čerpadlo na nemrznoucí kapalinu. V některých případech může být také nutné použít trubky o větším průměru.

Další fyzikální vlastností nemrznoucích směsí, kterou je třeba vzít v úvahu při výběru zařízení pro kotelnu, je tepelná roztažnost. Koeficient roztažnosti při ohřevu nemrznoucích kapalin je vyšší než u vody, proto je požadován větší objem expanzní nádoby pro systém.

Nemrznoucí kapaliny špatně snášejí přehřátí – může vyvolat jejich rozklad, což povede k předčasné výměně chladicí kapaliny v celém systému. Kvalitu chladicí kapaliny mohou ovlivnit i další faktory. Nemrznoucí směsi tedy špatně reagují se zinkem, který je někdy obsažen v ochranných nátěrech na vnitřním povrchu armatur ocelových trubek.

Tepelná kapacita nemrznoucích kapalin je nižší než u vody. Při ředění vodou se samozřejmě zvětší, ale malý rozdíl přeci jen zůstane – a i ten je třeba zohlednit při výběru topného zařízení. Odborníci doporučují, aby při výběru kotle pro topný systém s nemrznoucí chladicí kapalinou poskytovali malou rezervu pro produktivitu a nevybírali kotel, který je velmi blízko vypočítané tepelné kapacitě. V opačném případě může nastat situace, kdy chladicí kapalina nebude schopna přijmout veškeré teplo z výměníku tepla, který pracuje na plný výkon kotle. Vlivem přebytku tepla se zvyšuje povrchová teplota výměníku, v důsledku čehož se kapalina ve styku s výměníkem přehřívá a začíná se rozkládat. Produkty rozkladu zůstávají na výměníku tepla ve formě usazenin, které je téměř nemožné odstranit. S hromaděním usazenin klesá účinnost výměny tepla, což následně vede k ještě většímu přehřívání povrchu. V důsledku těchto procesů dojde k selhání výměníku tepla. A i když výměník tepla lze vyměnit za nový, problém zůstane – kotel přece pracuje za stejných podmínek, což znamená, že přehřátí, usazeniny a další podle starého scénáře jsou opět možné. U některých kotlů není výměna výměníku cenově výhodná, takže pokud selže, budete muset vyměnit samotný kotel. Pokud má kotel výkonovou rezervu, je možné jej provozovat s nižší tepelnou zátěží, při které nedojde k přehřátí chladicí kapaliny.

Někteří výrobci topných spotřebičů také doporučují zohlednit vlastnosti nemrznoucích směsí při stanovení tepelného výkonu radiátorů a konvektorů. Vzhledem ke snížené tepelné kapacitě kapaliny může být přenos tepla zařízení v systému s nemrznoucí chladicí kapalinou o něco nižší, než by tomu bylo v systému s vodou, a proto je potřeba větší chladič pro nemrznoucí kapalinu. Mnoho výrobců nabízí korekční faktory pro výpočet tepelného výkonu radiátorů v systémech s určitým obsahem nemrznoucí směsi.

Životnost a výměna

Dalším výrazným znakem nemrznoucích chladicích kapalin je jejich omezená životnost. Po nějaké době se takové kapaliny začnou rozkládat a ztrácet své vlastnosti. Jak dlouho chladicí kapalina vydrží, závisí na různých faktorech, v neposlední řadě na podmínkách jejího provozu. Jak již bylo uvedeno, může to být způsobeno přehřátím nebo vystavením chemikáliím. Když se začne zhoršovat kvalita chladicí kapaliny, je důležité tento problém včas identifikovat, než způsobí poškození systému a vznik těžko odstranitelných usazenin. Za tímto účelem je třeba pravidelně kontrolovat chladicí kapalinu. Stanoví se koncentrace inhibitorů a faktor pH kapaliny. Pokud jsou charakteristiky chladicí kapaliny v normálních mezích, lze ji nadále používat.

Při výměně nemrznoucí chladicí kapaliny nestačí pouze vypustit použitou kapalinu a naplnit systém novou. Po vyprázdnění systému je nutné jej propláchnout speciálními činidly, aby se odstranily zbytky rozložené nemrznoucí směsi a usazeniny, které vytvořila.

Se zárukou nebo bez ní

Kromě výše uvedených rizik hrozí uživatelům, kteří zvolí nemrznoucí kapalinu jako chladicí kapalinu, problémy se zárukou kotle. Faktem je, že mnoho výrobců kotlových zařízení zakazuje použití svých kotlů v systémech s nemrznoucími kapalinami, takže některé problémy s kotlem budou považovány za nezáruční případ. Taková omezení mohou být způsobena vysokým rizikem poškození kotle nekvalitním chladivem nebo jeho nesprávným provozem nebo konstrukčními vlastnostmi (např. konstrukce některých kondenzačních kotlů). Ne všichni výrobci, kteří omezují používání nemrznoucích směsí, však jejich používání zcela zakazují. Řada společností umožňuje použití určitých testovaných značek nemrznoucích chladicích kapalin. Je pravda, že na trhu je mnoho značek (některé jsou zcela neznámého původu) a pro každou je stěží možné provést testovací cyklus, a proto je seznam schválených značek a typů chladicích kapalin často krátký.

S náležitou pozorností je třeba přistupovat také k výběru konkrétní chladicí kapaliny. Odborníci zaznamenávají množství padělaných výrobků na trhu nosičů tepla, takže existuje riziko nákupu směsi, která není pro tyto účely vůbec určena, namísto kapaliny speciálně připravené pro topný systém. Použití takového pochybného produktu může způsobit rychlou korozi prvků topného systému, poruchu kotle a další negativní důsledky.