Způsoby ochrany zásobníkových ohřívačů vody před destruktivními účinky vody

Konstrukce, princip činnosti kapacitních ohřívačů vody, účel použití

V předchozích článcích („Stavebnictví č. 11, 12, 2006“) byly zvažovány způsoby organizace jednotek tepelného zásobování teplou vodou (TUV) na základě použití různých ohřívačů vody. Se vší rozmanitostí, podle principu činnosti, jsou ohřívače vody rozděleny pouze do dvou typů – průtokové a kapacitní (jsou také akumulační, to znamená akumulační). V rámci těchto článků byly diskutovány i konstrukce a principy provozu různých ohřívačů vody. Připomeňme si hlavní konstrukční vlastnosti a principy provozu ohřívačů vody.

Průtokové ohřívače vody se používají tam, kde existuje výkon, který může zajistit špičkovou spotřebu vody. Mezi výhody těchto ohřívačů vody patří skladnost, prakticky neexistují žádné nevýhody, až na jednu věc – instalovaný výkon průtokového ohřívače musí odpovídat spotřebě maximální špičkové hodiny. Například: pro špičkový průtok 12 m3/h je zapotřebí průtokový ohřívač vody (například deskový výměník tepla) s tepelným výkonem 0,6 Gcal/h, neboli 698 kW.

Tento stav není vždy proveditelný např. při rekonstrukci stávajícího zařízení, kde nové podmínky vyžadují dodatečnou kapacitu TUV, nebo na novostavbě v již obydlené oblasti, kde topné (nebo elektrické) sítě nemají rezervu pro připojení dalších kapacity. Zavedení dodatečné kapacity zásobování teplou vodou pak s sebou nese kompletní rekonstrukci napájecích tepelných sítí. Právě pro tyto podmínky jsou vhodné tepelné jednotky TUV na bázi kapacitních ohřívačů vody.

Zásobníkové ohřívače vody s nižším instalovaným výkonem akumulují potřebné množství vody ve vnitřní tepelně izolované nádrži zajišťující špičkový průtok. To je jejich hlavní výhoda – akumulovat teplo ve formě teplé vody při relativně nízkém hodinovém výkonu. Vzhledem k tomu, že u většiny zařízení není špičková spotřeba vody konstantní, ale cyklická, často nejsou vyžadovány dodatečné limity na dodávku tepla pro zásobování teplou vodou. Za 3–4 hodiny můžete při nízkém tepelném výkonu připravit a akumulovat teplou vodu na plný maximální vrchol. Je jasné, že zásobník teplé vody musí mít objem, který poskytuje maximální špičkovou spotřebu.

To má malou nevýhodu – zásobníkový ohřívač vody vyžaduje více místa v topné jednotce než průtokový ohřívač vody. Průmyslové zásobníkové ohřívače vody se proto obvykle vyrábějí ve tvaru válce o průměru 1–2 m a výšce 1,5–3 m, takže zabírají méně podlahové plochy. Pomocí zásobníkových ohřívačů vody můžete uplatnit téměř všechny principy úspory energie:

• akumulovat teplou vodu požadovaného objemu s použitím menšího výkonu, než je uvedeno v projektu;
• minimalizovat akumulační ztráty díky účinné tepelné izolaci;
• Pokud jsou v nádrži zabudované kombinované ohřívače, použijte „odpadní“ teplo.

Konstrukce a princip činnosti těchto ohřívačů vody jsou téměř stejné bez ohledu na výrobce (obr. 1). Jedná se o vnitřní nádrž, chráněnou před tepelnými ztrátami účinnou tepelnou izolací (polyuretanová pěna, polyuretan, minerální vlna nebo jakákoli tepelně odolná tepelná izolace), ve které se akumuluje teplá voda. Ohřívače vody jsou zabudovány v nádrži.

K ohřevu vody se podle druhu dodávané energie používají hořáky na palivo, vestavěné vodní nebo parní výměníky tepla a elektrické trubkové ohřívače. Mnoho výrobců nabízí kombinaci těchto topidel: jeden se používá jako hlavní zdroj vytápění, druhý jako záložní. Pro využití recyklovaného tepla v okruzích TV (například z klimatizací) jsou výměníky zabudovány do zásobníkových ohřívačů vody nebo se používají externí deskové výměníky.

Nejčastější příčiny selhání válcových ohřívačů vody

Hlavními důvody, které zkracují životnost válcového ohřívače vody a vedou k poruchám, jsou koroze a také vodní kámen, který snižuje účinnost zařízení.

Než se budeme těmito důvody podrobně zabývat, je třeba se pozastavit nad některými vlastnostmi vody. Voda není pouze složkou všech živých organismů a všeho živého, je to jak elektrolyt (elektricky vodivý roztok), tak i univerzální rozpouštědlo.

V přítomnosti byť malého elektrického pole ve vodě kapacitního ohřívače jistě potečou galvanické proudy. Voda jako univerzální rozpouštědlo navíc rozpouští i to, co tak agresivní prostředí jako kyselina rozpustit nedokáže. A pokud jsou v nádobě ohřívače přítomny alespoň dva různé kovy, pak oba kovy přenesou své ionty do elektrolytu, tedy vody.

Pokud by bylo elektromagnetické pole konstantní a roztok elektrolytu nebyl doplňován, pak by nastal okamžik rovnováhy – roztok elektrolytu by se nasytil a všechny ionty by se přesunuly do roztoku a na opačně nabité elektrody. Ale protože se voda v ohřívačích vody obnovuje, koroze v důsledku neustálého přenosu iontů do elektrolytu bude vždy existovat.

Druhy koroze a způsoby ochrany zásobníkových ohřívačů vody

Takže prvním důvodem, který zkracuje životnost válcového ohřívače vody, je koroze, která přímo souvisí s vlastnostmi vody.

Galvanická koroze

Samostatný typ koroze, který se vyskytuje i při absenci elektromagnetického pole, to znamená u všech ohřívačů vody, dokonce i neelektrických. K této korozi dochází v důsledku přímého kontaktu dvou různých kovů v elektrolytu. Kov, který má větší negativní potenciál, degraduje rychleji. Železo má potenciál –0,63 V, měď –0,2 V. Když je železo kombinováno s mědí, železo se zničí, a to i v nepřítomnosti vody jako elektrolytu.

Pokud se kovy dostanou do kontaktu s vodou, destrukce bude ještě rychlejší, protože voda je dobrý elektrolyt. Proto je při hydraulickém potrubí ohřívače vody tak důležité používat trubky a tvarovky vyrobené ze stejného kovu, ke kterému jsou připojeny (tabulka 1).

Tabulka. Potenciály některých kovů nejčastěji používaných v ohřívačích vody a hydraulickém potrubí

Potenciál (ve voltech)

Hořčík + 4 % hliníku

Hliník + 4 % zinku

Hliník + 4 % hořčíku

Hliník + 4 % mědi

Železo + 5% chrom

Železo + 12% chrom

Volitelně můžete použít plastové trubky a tvarovky, pokud jsou vhodné pro parametry teploty a tlaku vody v potrubí.

Elektrolytická koroze

Pokud jsou různé kovy ve stejné nádobě s vodou, dochází k elektrolytické korozi, i když kovy nejsou ve vzájemném kontaktu, protože voda je elektrolyt a kovové ionty se přenášejí do roztoku elektrolytu. V tomto případě se anodou stane kov s větším záporným potenciálem; kov s nižším záporným potenciálem působí jako katoda. Během procesu koroze má anoda větší tendenci přejít do roztoku elektrolytu než katoda. Mimochodem, ze stejného teoretického základu vychází i anodická ochrana ohřívačů vody. Tato nejběžnější ochrana se provádí instalací kovu s vysokým elektronegativním potenciálem uvnitř nádoby. Používají se především hořčík, hliník a jejich slitiny, protože největší potenciál vyvíjejí v roztoku elektrolytu (vodě), na rozdíl od kovů, ze kterých jsou vyrobeny vnitřní nádrže ohřívačů vody. Anoda tedy bude dodávat elektrony do těla nádoby a ohřívače a koroze se přenese z kovu nádoby na anodu, která se bude postupně zhoršovat. Tato anoda se často nazývá obětní. Proto je anoda rychle vyjímatelná, doporučuje se ji pravidelně kontrolovat.

Uvážíme-li zkorodovanou vnitřní nádrž zásobníkového ohřívače vody, zbavenou tepelné izolace, pak v místě, kde byla vnitřní nádrž v kontaktu bodovým svařováním s skořepinovou pánví (na styku dvou rozdílných kovů), je vidět skrz rezavějící. To se stalo v tomto konkrétním místě, protože svařovací tavidlo obsahovalo špatný kov a obětovaná anoda byla v té době již velmi opotřebovaná a nebyla včas vyměněna.

Ohřívače vody, jejichž tělo je vyrobeno z nerezové oceli nebo pokryté čistým měděným plechem, jsou nejméně náchylné ke korozi. To je základní zásada, kterou je třeba dodržovat při výběru ohřívače vody. Zpravidla u ohřívačů vody z nerezové oceli a mědi poskytují výrobci nebývale dlouhé záruční doby na vnitřní nádrž nádrže.

Ochrana vnitřní nádrže ohřívače vody před korozí

Ochranu, zvanou bariérová ochrana, využívají všichni výrobci vyrábějící ohřívače vody z běžné oceli. Na vnitřní povrch nádrže se aplikuje kompozice, která na povrchu udržuje vysoký elektrický odpor. To omezuje přístup iontových částic ke zkorodovanému kovu a také přístup kyslíku, který se podílí na katodové elektrochemické korozi, protože vnitřní povrch nádrže ve styku s vodou působí jako katoda. Proto se takové ochraně někdy říká katodická ochrana.

Pro ochranné nátěry vnitřních povrchů ocelových nádrží se používají nekovové látky s dobrou odolností: emaily, organokřemičité sloučeniny, skleněný porcelán, vícesložkové organické a anorganické sloučeniny. Tato metoda spolu s obětní anodou umožňuje prodloužit životnost vnitřní bateriové nádrže a chránit ji před prorezivěním. Ale v každém případě k tomu dříve nebo později dojde.

Doposud neexistuje 100% bariérová ochrana kvůli rozdílné tepelné roztažnosti kovu a bariérového povlaku. Pokud jsou topné cykly nahrazeny úplným vyprázdněním zásobníku, ve kterém studená voda rychle nahradí horkou, pak povlak rychle popraská. Voda se stále dostává na povrch železa mikrotrhlinami a nelze se vyhnout korozi.

Proto akumulační ohřívače vody, jejichž nádrže jsou vyrobeny z masivního kovu, který je méně náchylný ke korozi, vydrží desítky let. Jedná se o nerezové a měděné nádrže. Takové zásobníkové ohřívače vody jsou dražší, ale v tomto případě jsou náklady oprávněné.

Tvorba vodního kamene a snížení účinnosti ohřívače vody

To jsou dva vzájemně související pojmy. Tvorba vodního kamene, který snižuje přenos tepla ohřívače vody, je jednou z běžných příčin poruch zařízení. Vodní kámen se tvoří, když ohřívač vody pracuje s tzv. tvrdou vodou obsahující vápenaté a hořečnaté soli, které při zahřívání tvoří pevnou sraženinu. Zpočátku je tento sediment měkký a porézní, postupem času se však okují, zachycující mikročástice jílu a silikátů, mění v pevnou sloučeninu podobnou keramice. Tyto usazeniny se obtížně odstraňují a časem se problém stává neřešitelným.

Podívejme se podrobněji na mechanismus tvorby vodního kamene, abychom pochopili, co se děje s ohřívačem vody a jaké metody lze použít k tomu, aby se tomuto procesu bránilo.

Při zahřívání tvrdé vody se tvoří sraženiny vápenatých a hořečnatých solí. Navíc, čím vyšší je teplota vody, tím více sedimentů se v ní tvoří. Experimentálně bylo zjištěno, že množství vodního kamene vytvořeného při teplotě vody asi 80 °C je sedmkrát větší než množství vodního kamene při teplotě ohřevu až 60 °C. Je zřejmé, že největší nánosy se tvoří na plochách, které ohřívají vodu, protože se jedná o nejteplejší část zásobníkového ohřívače vody. U elektrických ohřívačů vody se největší usazeniny tvoří na trubkových elektrických topných tělesech. Tvrzené okuje má dobré tepelně-izolační vlastnosti. Topné těleso potažené takovými usazeninami má sníženou schopnost ohřívat vodu kolem sebe. To má za následek snížení účinnosti topné části, což následně vede k nadměrné spotřebě energie. Studie tohoto procesu ukazují, že vodní kámen o tloušťce 3 mm snižuje přenos tepla o 25–30 % (v závislosti na použitém nosiči energie), což vede k nadměrné spotřebě energie. A v důsledku toho velké množství vodního kamene vede k úplné izolaci topného tělesa od vody, topná část ve vnitřní nádobě se přehřívá a selhává.

Metody prevence vodního kamene

Existuje několik metod boje proti negativním procesům spojeným s tvorbou vodního kamene.

Jak bylo uvedeno výše, tloušťka vrstvy vodního kamene závisí na teplotě vody. Pokud nejsou k dispozici jiné způsoby ochrany, je nutné neohřívat vodu nad 65 °C. Nevýhodou takto jednoduché preventivní ochrany je, že se kvůli poklesu její teploty musí skladovat méně teplé vody. V tomto případě je také nutné pravidelně odstraňovat pevné usazeniny na topném tělese nádoby. Mnoho výrobců vyrábí topná tělesa rychle demontovatelná – na závitech nebo přírubových spojích.
Existují zásobníkové ohřívače vody speciálně navržené pro tvrdou vodu, u kterých je topná část izolována od přívodu teplé vody. Provedení je dvojitá nádrž (obr. 2). První spodní zásobník je uzavřený okruh izolovaný od přívodu teplé vody, do kterého jsou ponořeny ohřívače. Tato uzavřená nádrž na ohřev vody je umístěna pod hlavní nádrží, ve které se ohřívá přívodní voda. Tento princip ohřevu lze přirovnat ke známému způsobu ohřevu vody ve „vodní lázni“. Dost dobrý design, abyste na dlouhou dobu zapomněli na problém s měřítkem. Kromě toho, pokud pravidelně používáte změkčovače vody k proplachování zásobní nádrže od usazenin, pak takový válcový ohřívač vody vydrží celou garantovanou dobu.

1 – výstup teplé vody;

2 – termostat (nebo indexový teploměr);

3 – vstupní potrubí okruhu topné nádrže;

4 – přívod studené vody;

5 – výstupní potrubí okruhu topné nádrže;

6 – elektrická trubková topná tělesa zabudovaná v topné nádrži

Instalace změkčovače vody nebo odstraňovače hydrogenuhličitanu vápenatého a hořečnatého je účinný a často jediný způsob, jak zabránit tvorbě vodního kamene.

V poslední době se stále více rozšiřují tzv. magnetické polarizátory, které pohlcují na svém povrchu vápenaté a hořečnaté soli rozpuštěné ve vodě ještě před vstupem do nádrže. Takový polarizátor má magnetické pole s nízkým negativním potenciálem, což mu umožňuje zadržovat na povrchu anionty rozpuštěné ve vodě (Ca+ a Mg+).

Dalším způsobem, jak bojovat s vodním kamenem, je zvýšit průtok tvrdé vody do takové míry, že dojde k odplavení všech původně měkkých usazenin. A čím tvrdší voda, tím vyšší by měl být průtok. Připomeňme si konstrukci deskového výměníku tepla: pro zvýšení rychlosti se používá speciální konfigurace kanálů, kterými protéká voda. Pro zvýšení rychlosti je laminární proud konzumní vody rozdělen do několika turbulentních proudů. Ale pro zefektivnění výměny tepla při vysokých rychlostech se používá metoda protiproudů topných a průtokových okruhů. Bohužel tento způsob ochrany není použitelný pro kapacitní ohřívače vody, protože voda v nich je plynule ohřívána v akumulačním režimu, tedy v téměř nehybném stavu.

Závěry

U válcových ohřívačů vody existují dvě nebezpečí, která zkracují jejich životnost: koroze a vodní kámen. Nejspolehlivější ohřívače vody, které odolávají korozi, jsou celokovové jednotky z nerezové oceli nebo ocelové jednotky potažené zevnitř pevným měděným plechem. V nich zabudovaná ohřívací tělesa vody musí být rovněž z mědi nebo nerezové oceli.
Pokud jsou takové ohřívače vody pro firmu nepřiměřeně drahé, měli byste zvolit ocelové ohřívače vody s vnitřními bariérovými povlaky, které jsou nejodolnější vůči tepelné roztažnosti. Při použití běžných ocelových ohřívačů vody s vnitřním bariérovým povlakem je nutná obětovaná anoda. V takovém případě se musíte připravit na to, že budete muset jeho stav často kontrolovat – přibližně jednou za půl roku a případně jej vyměnit.

Pokud má použitá voda zvýšenou tvrdost, nejlepším způsobem, jak ochránit ohřívač vody před ničivými účinky vodního kamene, je předúprava změkčovačem vody nebo magnetickým polarizátorem. Díky tomu jsou z vody odstraněny všechny iniciátory tvorby vodního kamene dříve, než se dostane do nádoby. Ohřívače zabudované v nádobě by měly být rychle vyjímatelné, což umožní v případě potřeby plánovanou kontrolu a odvápnění.

Při provozu ohřívače vody je nutné urychleně dbát na prodloužení doby ohřevu vody. Pokud se doba ohřevu prodlouží, znamená to, že vestavěný ohřívač již obsahuje tvrdé usazeniny vodního kamene. V tomto případě je nutné topidlo demontovat a jeho povrch očistit od usazenin mechanicky. Nejlepší způsob ochrany je vybrat si model ohřívače vody speciálně navržený výrobcem pro tvrdou vodu.

technický ředitel skupiny společností Nortech,

odborník na úspory energie při vytápění a ohřevu vody