Hliník a zliatiny hliníka nachádzajú čoraz širšie uplatnenie v teplovodných vykurovacích systémoch vďaka svojej vynikajúcej tepelnej vodivosti. Ich tepelná priepustnosť je viac ako desaťnásobne vyššia v porovnaní s ušľachtilými oceľami, čo ich robí ideálnym materiálom pre efektívny prenos tepla.
Normy a korózia vo vykurovacích systémoch
Zatiaľ čo smernica pre vykurovaciu vodu VDI 2035-2 sa primárne zameriava na hodnotu pH plniacej vody, relevantné normy ako STN EN 148 68 poskytujú pokyny týkajúce sa obsahu solí v obehovej vode. Predovšetkým ióny chloridov a sulfátov predstavujú riziko pre pasívne kovy, ako je hliník a ušľachtilá oceľ, pretože môžu spôsobiť nebezpečnú jamkovú a štrbinovú koróziu.
V alkalických vykurovacích vodách s pH nad 8,2 môže dochádzať k kyslíkovej korózii. V takýchto podmienkach sa netvoria povlaky z uhličitanov železa, pričom rozhodujúcim faktorom pre koróziu je obsah voľného kyslíka vo vode. Korózny proces pozostáva z dvoch čiastkových reakcií: uvoľňovania kovu a odsunu negatívneho náboja z kovu kyslíkom. Ak kyslík nie je prítomný, korózna reakcia sa zastaví.
Absolútne tesné vykurovacie systémy preto zvyčajne nemajú problémy s koróziou. Voda nasýtená kyslíkom obsahuje približne 10 g kyslíka na kubický meter. V systéme s oceľovými komponentmi s objemom 1 m³ môže vzniknúť až 36 g magnetitu (Fe3O4). Tento výpočet naznačuje, že prísun kyslíka plniacou a doplňovacou vodou nie je hlavnou príčinou korózie.
Príčiny korózie a tvorby kalov
Poruchové expanzné nádoby, netesné ventily, poškodené tesnenia a podtlak v potrubí (spôsobený nesprávnym hydraulickým vyregulovaním) sú častými príčinami vzniku veľkého množstva magnetitových kalov podľa reakcie 3 Fe + 2 O2 = Fe3O4. Rýchlosť tvorby magnetitu narastá s obsahom kyslíka vo vode.
Alkalické hodnoty pH a nízka vodivosť vody však účinne spomaľujú koróznu reakciu. Nízka vodivosť vody bráni toku korózneho prúdu, zatiaľ čo vysoká vodivosť koróziu uľahčuje. Vodivosť vykurovacej vody je primárne ovplyvnená obsahom solí v plniacej a doplňovacej vode.
Chloridy a sulfáty sú obzvlášť významné, pretože po reakcii s kovom tvoria vo vodnom prostredí soľné a sírnaté kyseliny, ktoré stabilizujú korózne prvky. Z tohto dôvodu norma STN EN 148 68 obmedzuje koncentráciu týchto iónov na 50 mg/l, aj keď pitná voda môže obsahovať až 250 mg chloridu a 240 mg sulfátu. Prostriedky na viazanie kyslíka a inhibítory korózie tiež zvyšujú vodivosť vody.
Pri hliníkových materiáloch môže kyslík viesť k jamkovej a štrbinovej korózii, najmä ak sú prítomné dostatočné množstvá chloridových iónov, ktoré sa nachádzajú prakticky vo všetkých plniacich a doplňovacích vodách. Voda s nízkym obsahom solí toto nebezpečenstvo znižuje, ako uvádza smernica VDI 2035-2. Konvenčné úpravne vody znižujú obsah solí len čiastočne, pričom vápnik a horčík tvoriace vodný kameň nahrádzajú sodíkom.
Optimálne pH a jeho vplyv na koróziu
Spoločnosť Siemens Building Technologies poukazuje na to, že takmer všetky analýzy vody v problémových zariadeniach za posledných 10 rokov vykazovali príliš nízke hodnoty pH. Smernica VDI 2035-2 odporúča rozsah pH medzi 8,2 a 10,0 pre systémy bez hliníkových materiálov. V prípade prítomnosti hliníka by pH malo byť obmedzené spravidla na 8,5.
Pre oceľ je pri rozsahu pH 9 až 13 charakteristická tvorba pevných produktov korózie na povrchu materiálu, ktoré môžu pôsobiť ochranne. Meď si zachováva pasivitu proti korózii už od pH 7, avšak pri pH vyššom ako 11 dochádza k opätovnému uvoľňovaniu kovu. Pri prítomnosti amónnych zlúčenín sa rozpúšťanie kovu začína už pri pH nad 9,5.
Odborníci na koróziu preto odporúčajú v uzavretých teplovodných cirkulačných systémoch hodnotu pH medzi 8,2 a 9,5. Spodná hranica 8,2 vyplýva z poznatku, že nad touto hodnotou už vo vode nie sú prítomné žiadne uhličité kyseliny. Hliník je pasívny pri pH medzi 4 a takmer 9. Nad hodnotou pH 9 sa kov rozpúšťa aj v systémoch tesných voči kyslíku.
Samoalkalizácia vody a jej dôsledky
Samoalkalizácia nastáva, keď sa hodnota pH zmäkčenej vykurovacej vody postupne zvyšuje. Príčinou je premena hydrouhličitanu sodného na silne alkalický uhličitan sodný (sódu) pri vylučovaní kyseliny uhličitej. Hodnota pH môže ľahko prekročiť hranicu 8,5, ak je uhličitanová tvrdosť plniacej vody dostatočne vysoká a súčasne dochádza k vysokým teplotám vody.
Prirodzene zraniteľné sú solárne vykurovacie systémy, kde teplota vykurovacej vody v kolektore môže dosiahnuť až 250 °C, čo urýchľuje premieňaciu reakciu. V praxi uzavretých systémov je však nebezpečenstvo menšie, pretože sa kyselina uhličitá môže čiastočne rozpustiť späť, ak je systém tesný.
Kompromisy pri kombinovaní materiálov a úprava vody
Pri pripájaní nového kotlového systému s hliníkovými komponentmi k existujúcemu rozvodu z čiernej ocele je potrebný kompromis. Pre oceľ je vhodnejšia vyššia hodnota pH (napr. 9,5), zatiaľ čo hliník dlhodobo znáša maximálne pH 8,5.
Zmäkčená voda na zníženie tvorby vodného kameňa môže v závislosti od uhličitanovej tvrdosti zvýšiť svoju hodnotu pH natoľko, že poškodí hliníkové materiály. Rovnako nepriaznivá je aj úplne demineralizovaná voda bez stabilizácie pH, pretože počiatočné korózne procesy môžu jej hodnotu pH silne znížiť, čo vedie k kyslíkovej korózii na oceli.
Technicky najlepším riešením na ochranu proti korózii je úplné odsolenie s následnou úpravou alkalizujúcimi prostriedkami, ktoré zabezpečujú tlmiaci účinok (stabilizáciu pH). Pre kotlové systémy však zatiaľ neexistuje jedno kompaktné riešenie dodávajúce nízko mineralizovanú, alkalickú vodu.
Bežné úpravne vody dodávajú mäkkú vodu, ale zachovávajú konštantné hodnoty obsahu solí a pH. Demineralizačné kazety VES predstavujú kompaktnú plniacu jednotku pre prvé naplnenie aj dopĺňanie vykurovacích systémov. Špeciálna kombinácia živíc na výmenu iónov so stabilizátorom pH dodáva odsolenú, alkalickú vodu pre malé a stredné vykurovacie zariadenia.
Úpravňa sa inštaluje priamo do plniaceho potrubia. Kapacita kazety závisí od tvrdosti miestnej vody. Tvrdosť vody (°d) je možné približne odhadnúť z meranej vodivosti vody (µS/cm) podľa vzťahu: vodivosť : 30 = tvrdosť vody.
Jednoduchý prístroj na meranie vodivosti vody a tyčinky na meranie pH v rozsahu 6,5 až 10,0 sú preto dostatočnou výbavou.
Výhody odsolenej plniacej vody pre hliníkové kotly
Stále viac výrobcov kotlov integruje do svojich produktov hliníkové zliatiny a výslovne odporúča odsolenú plniacu vodu. Takáto voda nielenže znižuje riziko usadenín znižujúcich výkon, ale zároveň poskytuje optimálnu ochranu proti jamkovej a štrbinovej korózii. Taktiež zabraňuje nadmernej alkalizácii, ktorá je možná pri konvenčnom zmäkčovaní plniacej vody.
Z pohľadu chemickej korózie je odsolená, alkalická a ľahko stabilizovaná voda najlepším riešením, pretože je potrebné brať do úvahy celé zariadenie. Takáto kvalita plniacej vody rieši príčiny korózie, namiesto boja proti jej symptómom, ako je to v prípade vysokého obsahu solí, kde sa do vody dávkujú inhibítory.
Deionizovaná alebo úplne odsolená voda sa získava výmenou aniónov a katiónov pomocou dvoch meničov iónov (zmesových lôžok). Kyslá živica zadržiava kladné ióny (kovy) a uvoľňuje ióny H+, zatiaľ čo bázická živica odovzdáva ióny OH- a viaže záporné ióny ako chloridy a sulfáty. Spoločne tieto živice premieňajú ióny na vodu (H+ + OH- = H2O).
Voda pre všetky hliníkové kotly by sa mala upravovať úplným odsolením plniacej a doplňovacej vody, kým sa nedosiahne vodivosť pod 10 µS/cm. Pri plastových komponentoch s priepustnosťou kyslíka menšou ako 0,10 g/(m³d) pri maximálnej prípustnej teplote nie sú potrebné žiadne ďalšie opatrenia.
Ionizačné kotly: Alternatíva k tradičnému vykurovaniu
Vykurovanie bytu, domu či iného objektu pri čo najnižších nákladoch je cieľom každého majiteľa. Vývoj technológií prináša aj alternatívy k fosílnym palivám, ako sú napríklad ionizačné kotly. Niektorí predajcovia ich ponúkajú na Slovensku ako vysoko úsporné riešenie pre objekty bez prívodu plynu alebo ako náhradu starých kotlov.
V porovnaní s klasickým elektrickým kotlom, ktorý potrebuje elektrickú energiu na produkciu tepla s rovnakou účinnosťou, ionizačné kotly dokážu vytvárať tepelnú energiu aj bez okamžitého dodávania elektriny, a to vďaka elektrochemickej reakcii špeciálneho média. Zohrievaním kvapaliny dochádza k rozdeleniu molekúl na ióny, ktoré sa následne zlučujú s uvoľňovaním tepla.
Teplonosná kvapalina v ionizačných kotloch značky Stafor obsahuje propylén, antikorózne a ďalšie prísady s cieľom odolať prekurovaniu a zabrániť oxidácii propylénglykolu. Jej životnosť pri správnom používaní je päť rokov.
Výhody a pôvod ionizačných kotlov
Hlavnými výhodami ionizačných kotlov má byť výrazná úspora energie (až 50 %), nízke obstarávacie a prevádzkové náklady s rýchlou návratnosťou investície. Spotreba elektriny sa udáva ako 0,0067 kWh/m³ v zimnom období pri -20 °C.
Ďalšími výhodami sú jednoduchá a bezriziková údržba bez vetracích zariadení a komínov, ako aj nenáročnosť na priestor vďaka malým rozmerom. S výrobou a propagáciou ionizačných kotlov začali pred rokmi spoločnosti najmä z Ruska, Ukrajiny a pobaltských krajín, pričom pred ich ponukou na európskom trhu bolo potrebné získať potrebné povolenia a certifikáty.
Materiály výmenníkov tepla v kotloch
Pri výbere nového kotla je životnosť výmenníka tepla kľúčovým faktorom. Jeho úlohou je odovzdať energiu zo spaľovania zemného plynu vykurovacej vode, čo ovplyvňuje účinnosť kotla a spotrebu plynu.
Najčastejšími materiálmi pre výmenníky sú nerezová oceľ a zliatina hliníka s kremíkom. Výmenníky tepla v kotloch značky Buderus sú robustné odliatky zliatiny Al-Si, ktorá sa dá ideálne tvarovať odlievaním do formy, čo umožňuje optimálnu prevádzku.
Nahradenie odliatku zváranou oceľovou (nerezovou) konštrukciou nie je ideálne, pretože zvary sú náchylné na poškodenie, čo obmedzuje počet štartov kotla za hodinu.
Hliník ako preferovaný materiál pre výmenníky
Pri tepelných zariadeniach je dôležitá tepelná vodivosť. Hliník v tomto ohľade jednoznačne vedie, jeho vodivosť je až trikrát vyššia ako pri oceli. Významnou výhodou je aj "tepelná pružnosť" materiálu, ktorá umožňuje odstavenie kotla pri maximálnom výkone bez poškodenia. Vďaka absencii zvarov pri vychladnutí nedochádza k nepríjemným zvukom.
Ďalším dôležitým parametrom je hmotnosť. Kocka hliníka s rozmermi 10x10x10 cm váži iba 2,3 kg, zatiaľ čo rovnaká kocka z ocele váži 7,8 kg.
Všetky tieto vlastnosti hliníka ako materiálu výmenníka tepla si pred rokmi uvedomili nielen výrobcovia kotlov, ale aj výrobcovia automobilov.
Priemerná životnosť plynového kotla je približne 15 rokov. Z praxe vyplýva, že životnosť výmenníka tepla zo zliatiny Al-Si, pri dodržaní prevádzkových podmienok, presahuje 20 rokov. Prvé nástenné kotly značky Buderus predané pred viac ako dvoma desaťročiami sú stále v prevádzke, pričom kazovosť výmenníkov je na úrovni menej ako 3% z približne 30 000 predaných kusov.
Väčšina chybných kusov nebola poškodená kvôli nekvalite materiálu, ale kvôli nedostatočnej starostlivosti o kotol. Všetky plynové kondenzačné kotly značky Buderus používajú výmenníky tepla zo zliatiny Al-Si.
Hybridné vykurovacie systémy: Efektivita a úspora
Hybridný vykurovací systém predstavuje efektívne riešenie na zníženie nákladov na vykurovanie a prvý krok k obnoviteľným zdrojom energie. Zvyčajne kombinuje vykurovací systém využívajúci fosílne palivá (napr. plynový kondenzačný kotol) s vykurovacím zariadením využívajúcim obnoviteľné zdroje (napr. tepelné čerpadlo).
V ideálnom prípade tepelné čerpadlo pokrýva väčšinu spotreby. Hybridné vykurovanie prináša nižšie prevádzkové náklady, znižuje závislosť od fosílnych palív a prispieva k znižovaniu emisií CO₂.
Systém je často možné jednoducho rozšíriť k súčasnému vykurovaciemu systému, bez nutnosti rozsiahlej rekonštrukcie. V prípade potreby je možné existujúce radiátory a potrubné rozvody ponechať.
Výhody hybridného vykurovania
- Nižšie prevádzkové náklady: Vďaka kombinácii plynu a zelenej energie (elektriny) sa dosahuje efektívnejšie vykurovanie a nižšia spotreba plynu.
- Zníženie závislosti na fosílnych palivách: Tepelné čerpadlo pokrýva väčšinu potrieb pomocou obnoviteľnej energie, fosílne palivo sa využíva ako podporný zdroj.
- Zníženie emisií CO₂: Využívaním obnoviteľnej energie sa znižuje uhlíková stopa vykurovacieho systému.
- Jednoduché rozšírenie systému: V mnohých prípadoch nie je potrebná rozsiahla rekonštrukcia.
Hybridný systém s tepelným čerpadlom a plynovým kotlom pracuje optimálne vďaka automatickému prepínaniu medzi zdrojmi podľa vonkajšej a výstupnej teploty. Tepelné čerpadlo je efektívne pri vyšších teplotách, zatiaľ čo kotol pri nízkych teplotách.
Na pokrytie požiadaviek na teplo a teplú vodu je možné použiť aj kombináciu s novým plynovým kondenzačným kotlom, tepelným čerpadlom, zásobníkom teplej vody a systémovým regulátorom.
Typy kotlov a ich vlastnosti
Klasický kotol je navrhnutý pre prevádzku so suchými spalinami s minimálnou povolenou teplotou vstupnej vody 60 °C. Teplota spalín sa pohybuje medzi 120 až 180 °C. Pre zabránenie nízkoteplotnej korózii je potrebné zabezpečiť dostatočne vysokú teplotu spiatočky. Energetická účinnosť sa pohybuje okolo 80 %.
Nízkoteplotný kotol pracuje tiež so suchými spalinami, ale umožňuje vstupnú teplotu vody 35 až 40 °C. Môže dochádzať ku kondenzácii, preto je teplovýmenná plocha zhotovená z materiálu odolného voči korózii (často liatina). Teplota spalín je 90 až 140 °C a energetická účinnosť dosahuje približne 83 %.
Kondenzačný kotol je priamo navrhnutý pre kondenzačnú prevádzku. Vlhkosť zo spalín kondenzuje priamo v kotle, preto je teplovýmenná plocha vyrobená z materiálu plne odolného voči korózii (nerezová oceľ alebo zliatina hliníka a horčíka). Kondenzát musí byť trvalo odvádzaný. Využitím kondenzačného tepla sa znižuje spotreba plynu a teplota vstupnej vody nie je obmedzená. Teplota spalín sa pohybuje od 40 do 90 °C. Pre bezpečný odvod spalín je potrebný ventilátor a komínová konštrukcia musí byť odolná voči vlhkosti a pretlaku.
Kompaktné hybridné zariadenia Viessmann
Kompaktné hybridné zariadenia Viessmann kombinujú vysoko účinný moderný kondenzačný kotol na plyn s tepelným čerpadlom využívajúcim obnoviteľné zdroje energie z okolia. Táto kombinácia umožňuje flexibilné využívanie energetických zdrojov podľa aktuálnej ceny.
Tepelné čerpadlá Viessmann ponúkajú vysokú účinnosť a šetria zdroje, pričom znižujú emisie CO₂. Inteligentná regulácia Hybrid Pro Control umožňuje nastaviť systém s dôrazom na environmentálnu zodpovednosť alebo nákladovú efektívnosť.
Regulátor Hybrid Pro Control predvída potreby systému a automaticky prepína medzi zdrojmi energie na základe aktuálnych cien elektriny a plynu. Umožňuje tiež sledovať vykurovací systém online prostredníctvom aplikácie.
Referencia: Zlepšenie úpravy vody v elektrárni MEC
V elektrárni MEC v Dánsku, ktorá spaľuje odpad a biomasu na výrobu tepla a elektriny, došlo k významnému zlepšeniu efektivity vďaka novej úpravni vody od spoločnosti EUROWATER. Pôvodná úpravňa s reverznou osmózou a zmiešaným lôžkom mala vysoké prevádzkové náklady.
Nová úpravňa pozostáva z dvojitého systému reverznej osmózy (DPRO) a systému elektricky regenerovaného dočisťovacieho zariadenia (EDI), ktoré zabezpečuje úplnú demineralizáciu vody. Dvojitý systém RO zlepšuje prevádzku EDI a predlžuje čas medzi regeneráciami.
Inštalácia novej úpravne si vyžadovala dočasné riešenie na zabezpečenie kvality vody počas výmeny. Spoločnosť EUROWATER poskytla kontajnerové riešenie s reverznou osmózou a externým zariadením na miešané lôžko, ktoré dodávalo 10 m³/h demineralizovanej kotlovej vody.
Jørgen Pors-Nielsen, vedúci prevádzky v MEC, opísal podporu zo strany EUROWATER ako bezchybnú a "učebnicový príklad". Krátka doba návratnosti a vysoké zníženie nákladov potvrdzujú úspešnosť nového riešenia.
