W nowoczesnych, zamkniętych systemach grzewczych kamień i korozja to coraz większy problem. Wzrost ilości wody w obiegu, np. w instalacjach ze zbiornikami buforowymi czy z ogrzewaniem podłogowym, powoduje, że zwiększa się też ilość substancji, których trzeba się z wody pozbywać. Zbagatelizowanie tego problemu może prowadzić do znaczącego skrócenia żywotności urządzeń i armatury.

Transport wody w zamkniętym układzie grzewczym – przy pewnym uproszczeniu – można porównać do obiegu krwi w naszym organizmie, która – podobnie jak woda w układzie – pełni funkcje transportowe dla tlenu i dwutlenku węgla, substancji odżywczych, energetycznych oraz minerałów i witamin. Odgrywa ona również zasadniczą rolę w regulacji ciepłoty ciała. Z kolei nasze serce sprawuje funkcję pompy obiegowej, czyli wymusza ruch w obiegu zamkniętym. Tyle że, gdy myślimy o zdrowiu, zwykle mamy świadomość konieczności zapobiegania problemom przed ich wystąpieniem. Niestety, nie zawsze postępujemy tak samo w przypadku instalacji.
Wytyczne PORT PC cz. 4 i 5 (opracowane na podstawie VDI 2035 cz. 1 i 2) – „Wytyczne projektowania, wykonania i odbioru instalacji z pompami ciepła dotyczące zapobiegania szkodom w systemach grzewczych, w których nośnikiem ciepła jest woda” – w jasny sposób określają wymagania co do twardości wody w instalacjach grzewczych w zależności od jej objętości (tab. 1). Odnoszą się także do innego istotnego problemu – korozji, o której przesądzają głównie takie czynniki, jak: wartość pH wody, zawartość soli mineralnych oraz zawartość tlenu. Przyjrzyjmy się zatem, jak przebiegają procesy chemiczne w napełnianych instalacjach, jak wzajemnie oddziałują na siebie wymienione czynniki oraz, jak zapobiec niekorzystnym zjawiskom.

1. Graniczne wartości pH wody grzewczej w zależności od materiału, z jakiego wykonane są elementy instalacji. Przy połączeniu w jednej instalacji różnych materiałów bezpieczna wartość pH to, jak widać, zakres od 8,2 do 8,5. Warto też pamiętać, że aluminium w czystej postaci raczej nie występuje w instalacjach; dla aluminium z domieszką krzemu (kotły) graniczna wartość pH wynosi 9,0

2. Postęp korozji stali w zależności od przewodnictwa dla pH wody = 9,5 i O2 = 0,1 ppm

Wartość pH, temperatura i nadmiar tlenu

Przypomnę, że powszechnie stosowane oznaczenie pH jest miarą kwasowości lub zasadowości danego roztworu i określa liczbę jonów wodorowych w tym roztworze. Jeśli znajduje się w nim więcej jonów wodorowych H+, mamy odczyn kwaśny, gdy więcej jest jonów wodorotlenkowych OH^–, to odczyn zasadowy. W przypadku równowagi występuje odczyn obojętny. Nawiązując do wcześniejszego porównania z krwioobiegiem – odpowiednia wartość pH i zawartość soli są dla funkcjonowania organizmu (i instalacji) bardzo ważne. Podobnie jak w przypadku temperatury ciała, która u zdrowego człowieka zazwyczaj wynosi 36,6°C, a ewentualne różnice są minimalne, krew również ma wąski, optymalny zakres pH – od 7,35 do 7,45. Aby poziom ten był utrzymany, w naszej krwi powinna znajdować się określona ilość tlenu i dwutlenku węgla. Jeżeli nagle zwiększy się zawartość tlenu, dojdzie do hiperwentylacji, czyli nadmiernej ilości powietrza w płucach spowodowanej przyspieszonym głębokim oddechem, jednocześnie obniży się poziom dwutlenku węgla we krwi (hipokapnia). Organizm nie będzie w stanie uzupełnić braków dwutlenku węgla w czasie wdechu, a jego nadmierna utrata doprowadzi do wzrostu pH krwi. W konsekwencji dojdzie do niedotlenienia organizmu. Szybkim środkiem zapobiegawczym, który w tej sytuacji stosuje każdy ratownik sanitarny, jest oddychanie przez plastikową lub papierową torbę – dzięki temu ponownie wzrasta zawartość dwutlenku węgla i reguluje się wartość pH.

Tabela 1. Wymagania dotyczące wody napełniającej i uzupełniającej [1]

Wracając do instalacji – w ubogiej w sól wodzie grzewczej wartość pH również regulowana jest w wyniku naturalnych reakcji. Podczas napełniania instalacji grzewczej dochodzi do kontaktu wody z powietrzem – powietrze musi zostać wyparte przez wodę. Warunkiem, aby tak się stało są jednak otwarte „odpowietrzniki“. Przykładowo: w obiegu grzewczym o pojemności 1000 l na początku procesu napełniania wodą znajduje się 1m³ powietrza, co oznacza, że w obiegu jest około: 780 000 ml azotu, 210 000 ml tlenu, 9620 ml gazów szlachetnych oraz 380 ml dwutlenku węgla (rys. 3). Celem napełnienia instalacji jest usunięcie powietrza przy zachowaniu najwyższej temperatury roboczej, ponieważ zdolność do rozpuszczania się gazów i innych substancji w wodzie jest różna w zależności od temperatury.

3. Skład powietrza

Ze względu na naturalne właściwości gazów znajdujących się w napełnianej wodą instalacji, należy pamiętać, aby układ grzewczy odpowietrzany był przy zachowaniu najwyższej temperatury roboczej, gdyż tylko wtedy zostanie w nim niewielka ilość tych gazów.

W instalacji – jak w naturze

Tlen reaguje z metalami, w wyniku czego powstają produkty korozji. Reakcja przebiega z bardzo dużą prędkością. Czas reakcji rozpadu tlenu w wyniku korozji przedstawiła dr Karina Richling z Uniwersytetu Technicznego w Dreźnie, co ilustruje rys. 4. Jeśli instalacja będzie zaprojektowana jako zamknięta, szczelna i zgodna z wytycznymi PORT PC cz. 4 i 5, punkt 8.2, to po około 10 godzinach od napełnienia zmierzona zawartość tlenu będzie w niej bardzo niska. Natura reguluje to sama. Niewielki efekt, jak się okazało, przyniosły wszelkie próby stosowania inhibitorów lub substancji wiążących tlen, które miały zapobiec powstawaniu produktów korozji podczas napełniania instalacji. Powodem tego jest mała prędkość reakcji substancji wiążących tlen w zimnym środowisku oraz to, iż inhibitory potrzebowały czasu, aby w pierwszej kolejności rozłożyć film powłokowy. Szczególną rolę w obiegu grzewczym odgrywa także dwutlenek węgla. Rozpuszcza się on w wodzie grzewczej i wchodzi z nią w reakcje chemiczne (rys. 5). Produkty tych reakcji to:

• wodorowęglan,
• węglan, (alkalizacja własna) lub
• kwas węglowy.

Podobnie jak organizm reguluje wartość pH w naszym krwioobiegu przy wykorzystaniu dwutlenku węgla, także w obiegu grzewczym odbywa się to w naturalny sposób.

4. Rozpad tlenu w wyniku korozji w zamkniętych systemach obiegowych – 2 m3 objętości; 100% metalowe komponenty instalacji: źródło Uniwersytet Techniczny w Dreźnie

5. Rozpuszczalność CO2 w wodzie w zależności od jej temperatury

Wartość pH a materiały

W uzdatnionej wodzie grzewczej możemy dostrzec zaskakujące zjawisko dotyczące zmiany wartości pH (rys. 6.). Sprawa jest istotna, ponieważ wartości pH, które nie są krytyczne dla stali i miedzi, mogą okazać się krytyczne dla aluminium. Instalatorzy powinni zatem pamiętać, że jeżeli twarda woda zostanie zmiękczona (wymiana jonów wapnia i magnezu na jony sodu), to w wyniku rozpadu wodorowęglanów ujawni się ukryta alkaliczność, co spowoduje wzrost wartości pH wody grzewczej (wartość pH wzrośnie po 2-4 tygodniach). To jest powód, dla którego w wytycznych PORT PC cz. 4 i 5 zaleca się pomiar wartości pH po 8-12 tygodniach od napełnienia instalacji. Tak więc z 3,3° dH twardości węglanowej (100 mg/l NaHC0₃) powstanie do 63 mg/l węglanu sodu (Na₂C0₃, tab. 2). Węglan sodu może spowodować wzrost wartości pH nawet powyżej 9,0, a to już będzie stanowić zagrożenie dla materiałów aluminiowych!

6. Przykład zmian pH wody po upływie 4 tygodni od napełnienia w zależności od jej pierwotnego składu oraz temperatury w instalacji

7a,b. Rozwiązania BWT zapewniające ochronę instalacji grzewczej: a) mobilna, odwrócona osmoza MoRo 350; b) system napełniania i uzupełniania ubytków wody w instalacji grzewczej

Jeśli stosowana będzie woda o niskiej zawartości soli, a instalacja zostanie odpowietrzona przy zachowaniu najwyższej temperatury roboczej, to zapobiegniemy powstawaniu pęcherzyków gazu oraz poduszek gazowych. Należy także pamiętać o odpowiedniej stabilizacji ciśnienia.

Tabela 2. Powstawanie węglanu sodu (Na2C03) zależnie od temperatury czynnika grzewczego – twardość węglanowa wody 3,3° dH = 100 mg/1 wodorowęglanu sodu (NaHC03)

Nowy kocioł w starej instalacji

Załóżmy, że nowy kocioł grzewczy ma być za- montowany w starej instalacji, co dziś powszechnie jest stosowane. Trzeba się wówczas liczyć z pewnymi problemami, m.in. z tym, że:

• wiele starych mieszanek inhibitorów nie nadaje się do instalacji aluminiowych (zbyt wysoka wartość pH);
• w istniejącym obiegu mogą znajdować się niezidentyfikowane środki ochrony przed osadami wapnia i korozją;
• do nowego urządzenia grzewczego mogą być wypłukane stare produkty korozji i szlam;
• w skład wielu produktów stosowanych w obiegach grzewczych wchodzą związki boru, który sklasyfikowany został jako toksyczny.

Rozwiązaniem jest gruntowne wyczyszczenie starego obiegu. Do tego celu można wykorzystać mobilną, odwróconą osmozę BWT MoRo 350 (rys. 7), która produkuje wodę zdemineralizowaną. Także w innych sytuacjach wykorzystanie produktów BWT zapewni odpowiednią wodę grzewczą o właściwej wartości pH.

Zalecenia dla instalatorów

8. Przerywacz strugi klasy BA AQA therm HFB – rurociąg zasilający instalację grzewczą powinien być wyposażony w taki przerywacz

W przypadku nowej instalacji zaleca się postępować zgodnie ze wskazówkami podanymi w ramce. Sama kontrola przewodności wody zasilającej jest niewystarczająca. Co do parametrów – są producenci, którzy zalecają napełnianie instalacji wodą o przewodności < 10 μS/cm i tolerują dolanie 10%. Należy również pamiętać, iż w przypadku zastosowania wody zmiękczonej lub o niskiej zawartości soli, ostateczna wartość pH ustali się dopiero po kilku tygodniach.
Praca instalatora to nie tylko montaż, ale także doradztwo i konserwacja. W fazie doboru i montażu nowego kotła w starej instalacji powinien on wykazać się wiedzą w zakresie oszczędności energii i długotrwałej żywotności. W celu wykluczenia potencjalnych zagrożeń dla zdrowia, fachowiec powinien także sprawdzić, czy rurociąg zasilający instalację grzewczą został wyposażony w przerywacz strugi klasy BA (np. AQA therm HFB, rys. 8). Wybór odpowiedniej metody uzdatniania wody oraz coroczna konserwacja, która zapewni stabilizację ciśnienia, kontrolę jakości wody i wykonanie wielu innych niezbędnych czynności, będą świadczyć o kompetencjach instalatora. Tak jak obieg krwi w organizmie człowieka od czasu do czasu wymaga badania, tak obieg grzewczy powinien być również kontrolowany w odpowiedni sposób.

Autor: Marcin Chmielewski