Streszczenie
W artykule omówiono tematykę usuwania zanieczyszczeń gazowych z czynnika w instalacji ogrzewczej. Opisano powody ich występowania, zaprezentowano wybrane rozwiązania mające na celu ich usuwanie i omówiono zasadę ich pracy. Wskazano także różnice w skuteczności ich działania.

Wprowadzenie – powietrze to życie
Trudno nam obejść się bez powietrza. Trudno także obejść się nam bez wody. Instalacja ogrzewcza również potrzebuje wody (ewentualnie – z odpowiednimi dodatkami) do funkcjonowania. A czy potrzebuje powietrza? – niekoniecznie.

Powietrze w sposób naturalny występuje w wodzie. W przypadku równowagi chemiczno-termodynamicznej występuje w niej w postaci rozpuszczonej i nie jest widoczne gołym okiem. Ponadto może również występować w formie mniejszych lub większych pęcherzyków – tutaj czasem stosowany jest podział na pęcherzyki, tj. elementy dobrze widoczne gołym okiem i mikropęcherzyki – widoczne gołym okiem, ale jako mleczne zabarwienie wody, a nie osobne cząstki gazu. Najczęściej mówi się jednak zbiorczo o mikropęcherzykach. Powietrze w instalacji może ponadto występować w stanie wolnym. Te trzy stany pokazano na rys. 1.

W przypadku powietrza rozpuszczonego w wodzie jego ilość wynika z prawa Henry’ego. Im wyższa temperatura i im niższe ciśnienie, tym mniejsza jest rozpuszczalność powietrza w wodzie i tym większa jego ilość może zostać wytrącona, w postaci pęcherzyków i mikropęcherzyków. Można w uproszczeniu powiedzieć, że miejsca te są wszędzie tam, gdzie następuje lokalny wzrost temperatury i spadek ciśnienia czynnika. Opisane prawo można często zaobserwować w praktyce – przy otwieraniu wstrząśniętej butelki wody gazowej pojawiają się w niej pęcherzyki gazu, bo następuje spadek ciśnienia; przy podgrzewaniu wody w czajniku podobnie, bo następuje wzrost temperatury. Przyjrzyjmy się tym podstawowym relacjom, analizując je na wykresach z rys. 2.

Zgodnie z rys. 2a, np. podczas wzrostu temperatury od 20°C do 90°C, przy ciśnieniu bezwzględnym (absolutnym) 2 bar, z 1 m³ wody uwalniane są 22 litry rozpuszczonego powietrza. Zgodnie z rys. 2b, np. przy stałej temperaturze 70°C, podczas spadku ciśnienia bezwzględnego z 3,5 do 1,5 bar, z 1 m³ wody uwalniane są 24 litry rozpuszczonego powietrza.

Miejsca wytrącania się gazów z czynnika
Biorąc uwagę powyższe zjawiska, można wskazać potencjalne miejsca wytrącania się powietrza i innych gazów z czynnika. Takimi miejscami mogą być np.:

• kocioł, gdyż tam następuje lokalny wzrost temperatury, na powierzchni wymiany ciepła,
• przewód i strona ssawna pompy oraz zawory, gdyż tam następuje lokalny i gwałtowny spadek ciśnienia,
• odległe od pompy punkty instalacji, w tym ujścia pionów, gdyż doznają one dużego spadku ciśnienia statycznego „po drodze”.

Intensywność powstawania gazów w instalacji zależy też od samego czynnika i jego parametrów, niezależnie od ilości rozpuszczonego w nim powietrza. Pewne wytyczne, w zależności od materiałów, z jakich wykonane są elementy instalacji, znaleźć można w archiwalnej już polskiej normie dotyczącej jakości wody instalacyjnej, mianowicie w normie [5]. Ponadto szczegółowe wytyczne znaleźć można w normie [6] i w wytycznych niemieckich VDI 2035, część 1 i 2 [7, 8], uważanych za jedne z najlepiej opracowanych i często stosowane przez producentów urządzeń do instalacji HVAC (w Polsce przeniesione są one do wytycznych branżowych np. w zeszytach numer 4 i 5 organizacji PORT PC, dotyczących jakość wody w instalacjach z pompami ciepła).

Jeśli chodzi o powietrze w instalacji, to generalnie głównym zagrożeniem jest tlen, gdyż wykazuje on dużą reaktywność i reaguje np. z elementami zawierającymi żelazo, powodując powstawanie tlenków żelaza, gazów i osadów krążących w instalacji oraz zarastających elementy, ale także mogących doprowadzić do przecieku, poprzez korozję wżerową elementów.

W podstawowych reakcjach chemicznych tlen z żelazem tworzy czarny osad/muł magnetyt, według zależności:

2 O₂+3 Fe -> Fe₃O₄

a następnie, przy dalszej obecności tlenu, magnetyt przechodzi w hematyt (rdza), według zależności: 

^₁⁄₂ O₂+2 Fe₃O₄ -> 3Fe₂O₃

Są to cząstki stałe, które oprócz tego, że krążą w instalacji i zatykać mogą filtry, zawory i inne urządzenia, to osadzać się mogą na powierzchniach wymiany ciepła, pogarszając ich efektywność energetyczną (kotły, grzejniki), a nawet doprowadzając do przegrzewania i uszkodzeń (kotły). Magnetyt, dodatkowo, często osadza się na elementach generujących pole magnetyczne – pompach (z uwagi na wyposażenie w magnesy w silniku), elektrozaworach, itd.

Oprócz tego w wodzie mogą znajdować się w stanie nierozpuszczonym inne gazy, np. wodór H₂, metan CH₄, czy dwutlenek węgla CO₂, będące produktami innych reakcji chemicznych, jakie mogą zachodzić w instalacji, a które wynikają np. z łączenia materiałów o różnych potencjałach elektrochemicznych (np. miedź i aluminium inicjują proces silnej korozji elektrochemicznej i galwanicznej), gnicia materiałów uszczelniających (pakuły) i innych, które dostały się do instalacji w takcie montażu, czy np. rozpadu węglanów wapnia i magnezu, które mogą znajdować się wodzie.

Ponadto powietrze może dostawać się ze środowiska zewnętrznego do czynnika w wyniku następujących zjawisk:

• w wyniku błędnie prowadzonego procesu napełniania instalacji, wymiany i serwisu poszczególnych urządzeń, itp.,
• przez zawory odpowietrzające i/lub odpowietrzająco-napowietrzające, w trakcie ich pracy, gdy występuje w nich podciśnienie,
• przez otwarte naczynia wzbiorcze (są już rzadkością), gdzie woda ma bezpośredni kontakt z powietrzem atmosferycznym,
• przez zamknięte, przeponowe naczynia wzbiorcze, gdzie przepona nie jest szczelna na dyfuzję powietrza i/lub tlenu, a przestrzeń gazowa naczynia nie jest wypełniona gazem obojętnym, np. azotem, tylko powietrzem (najczęstsza praktyka),
• przez rury, jeśli nie posiadają bariery antydyfuzyjnej, a materiał, z którego są wykonane, nie stanowi sam w sobie odpowiedniej bariery (np. polietylen, czy polibutylen),
• przez pompę dławnicową, przy nieszczelnej dławnicy, z uwagi na podciśnienie, jakie może tam występować, itp..

Ponadto do instalacji mogą być cyklicznie doprowadzane nowe porcje powietrza, nie tyle atmosferycznego, co rozpuszczonego w wodzie. Dzieje się tak na przykład, gdy instalacja połączona jest z wodociągową siecią miejską zaworami automatycznego napełniania, które są elementarni systemu utrzymania ciśnienia. Jeśli czynnik w instalacji jest już odpowietrzony (np. metodami opisanymi dalej), to doprowadzanie świeżej wody, która zawiera relatywnie dużą ilość rozpuszczonego powietrza, zwiększa jego całkowite stężenie.

Powietrze, zwłaszcza to uwolnione, a także inne gazy, mogą przynieść wiele szkód w instalacji – od „zapowietrzenia” grzejników, przez pogorszenie intensywności wymiany ciepła, po uszkodzenia mechaniczne urządzeń. Krótko mówiąc – pogarsza to parametry pracy instalacji i przyczynia się do wzrostu kosztów eksploatacyjnych. Może także pogorszyć warunki komfortu w pomieszczeniach, z uwagi na szumy powodowane przepływem takiej mieszanki przez rury, armaturę oraz grzejniki. Chcemy więc, aby nie dochodziło do niekontrolowanego i niezamierzonego wytrącania powietrza z czynnika instalacyjnego, ani aby nie dochodziło do powstawania innych gazów.

Odpowietrzanie – czym, jak i gdzie?
Jak więc nie dopuścić do uwalniania pęcherzyków powietrza z czynnika? Niestety nie możemy zrezygnować z podgrzewania go, bo to jest związane z głównym celem pracy instalacji ogrzewczej, ale możemy w pewnym stopniu zjawisko to ograniczyć, podgrzewając czynnik do możliwie niskiej temperatury. Korzystne są tu więc rozwiązania w postaci źródeł niskotemperaturowych, takich jak pompy ciepła, gazowe kotły kondensacyjne, itp.

Natomiast w zależności od tego, jaką formę powietrza (rys. 1), chce się usunąć z czynnika, stosowane są różne metody:

• powietrze wolne.
  Tutaj stosowane są odpowietrzniki ręczne i automatyczne, np. pływakowe i higroskopijne. Odpowietrzniki ręczne najczęściej instalowane są na grzejnikach i do działania wymagają ingerencji użytkownika – należy poluzować śrubkę uszczelniającą kanalik wypływowy. Przykład takiego urządzenia pokazano na rys. 3.
  Odpowietrzniki automatyczne również mogą być instalowane na grzejnikach. Urządzenia te działają samoczynnie. Najbardziej popularne w tej grupie są odpowietrzniki pływakowe, którego przykład pokazano na rys. 4.
  Pływak unosi się w czynniku i jest połączony z dźwignią zamykającą kanalika odpowietrzającego. Gdy zbiera się powietrze nad pływakiem, to pod wpływem ciśnienia zaczyna on opadać, pociąga dźwignię i otwiera kanalik ujścia powietrza, wypuszczając je do atmosfery i stopniowo opadając, z powrotem zamykając kanalik. Proces ten powtarza się cyklicznie.
  Generalnie montaż tych urządzeń ma sens tam, gdzie powietrze się zbiera. Powietrze ma gęstość mniejszą od wody, więc jest przez nią wypierane i wędruje ku górze, do najwyższych punktów instalacji, w których odpowietrzniki te powinny być zainstalowane. Warto mieć świadomość, że najwyższy punkt instalacji to nie tylko ten położony najwyżej w całym układzie, wyznaczony globalnie, jak ujście pionu rozprowadzającego czynnik. Najwyższy punkt instalacji może również występować lokalnie, np. w grzejniku, na kotle czy podgrzewaczu wody, na rozdzielaczu, na zasyfonowaniu przewodu omijającego przeszkodę, w długich odcinkach poziomych przewodów (podłogówka), itp. Przykładowo obrazuje to rys. 5.

Skuteczność działania takiego urządzenia warunkowana jest nie tylko umiejscowieniem, ale także jego konstrukcją (średnicą przyłącza, wysokością przestrzeni nad pływakiem, itp.), prędkością przepływu czynnika, itd.
Odpowietrznik higroskopijny pozbawiony jest skomplikowanych mechanizmów i dzięki temu może być bardziej niezawodny. Wykorzystuje się tutaj zjawisko nasiąkania i pęcznienia materiału wkładu uszczelniającego (wykonanego np. z celulozy). Przykład takiego rozwiązania pokazano na rys. 6. Gdy element jest odpowietrzony, to woda dochodzi do dysków wkładu uszczelniającego i zwilża je, przez co pęcznieją one i zamykają kanalik wypływowy powietrza. Gdy natomiast powietrze zbiera się w elemencie, to woda cofa się od dysków, zaczynają one schnąć, zmniejszają swoje wymiary, a tym samym otwierają ujście kanalika odpowietrzającego. Gazy wypływają, następuje odpowietrzenie, woda ponownie dochodzi do dysków, pęcznieją one i następuje ponowne uszczelnienie.

• mikropęcherzyki.
  W tym przypadku omówione wcześniej odpowietrzniki automatyczne mogą nie zdać egzaminu. Prędkość przepływu czynnika w rurach i elementach instalacji jest zwykle na tyle duża, że mikropęcherzyki porywane są z nim i nie są w stanie wpłynąć do odpowietrznika. Skuteczność odpowietrzania jest tutaj zależna także od usytuowania urządzenia – korzystnie, aby nie było ono zamontowane na kolanku, gdzie następuje zmiana kierunku przepływu, a na odcinku poziomym. Prezentuje to rys. 7. W celu poprawy skuteczności usuwania gazu w tej formie stosowane są specjalne separatory powierza i separatory mikropęcherzyków, których zasada pracy najczęściej opiera się na lokalnej zmianie prędkości i/lub kierunku przepływu czynnika, zwiększonej powierzchni kontaktu gazu z ciałem stałym dzięki specjalnie ukształtowanemu wsadowi, i sedymentacji. Najkorzystniej jest montować je w takich miejscach instalacji, gdzie występuje wysoka temperatura i jest największy potencjał do wytrącania się gazów, czyli np. tuż za źródłem ciepła, a w instalacjach chłodniczych przed agregatem „chłodu”. Urządzenia takie także mają pewne ograniczenia w kontekście efektywności działania – im wyższy słup wody nad urządzeniem (wysokości instalacji), tym wyższe ciśnienie statyczne i mniejszy potencjał do wytrącania mikropęcherzyków. Producenci zwykle podają wytyczne w tym zakresie.
  Typowy separator składa się z dwóch części – dolnej, w której następuje zmniejszenie prędkości przepływu czynnika (stąd ich dużą średnica) i łączenie się pęcherzyków w większe frakcje oraz górnej, w której następuje ich usunięcie do atmosfery. Przykładowe urządzenie tego typu pokazano na rys. 8.
• powietrze rozpuszczone.
  Powietrze w tej formie jest kłopotliwe do wytrącenia w czynniku typowej instalacji, z uwagi na panujące w niej relatywnie wysokie ciśnienie. Zgodnie jednak ze wspomnianym prawem Henry’ego, spadek ciśnienia czynnika sprzyja wytrącaniu gazów z cieczy. Wykorzystując to zjawisko działają separatory podciśnieniowe, w których następuje relatywnie duży, celowy spadek ciśnienia czynnika, nawet do poziomu kilku % wartości ciśnienia atmosferycznego. Powoduje to intensywne wytrącanie się gazów. Urządzenia takie działają zwykle w sposób cykliczny, pobierając pewną objętość czynnika z instalacji, odgazowując ją, i wpuszczając z powrotem do instalacji. Gazy zbierają się formie mikropęcherzyków i finalnie powietrza wolnego, które następnie usuwane jest omówionymi wcześniej sposobami. Co ważne, z uwagi na to, iż pewna ilość gazu zostaje usunięta, to spada ciśnienie w instalacji, co z kolei może uruchamiać automatyczne układy uzupełniania czynnika/utrzymania ciśnienia, dopuszczając wodę o dużej zwartości powietrza rozpuszczonego. Sprawia to, że system cały czas musi pracować, aby w sposób ciągły utrzymywać odpowiednio niski poziom gazu rozpuszczonego. Woda odgazowana posiada duży potencjał do wiązania gazów z wody już istniejącej w instalacji, więc po dostarczeniu z urządzenia do głównej objętości (instalacji) dodatkowo pochłania występujące w niej mikropęcherzyki. Najkorzystniej, gdy sama instalacja uzupełniająca dostarcza czynnik odgazowany. Na rys. 9 pokazano efekty pracy takiego urządzania.

Urządzenia takie najkorzystniej jest montować w takich miejscach instalacji, gdzie występuje najniższa temperatura i najwyższe ciśnienie, gdyż w takich warunkach czynnik zawiera największą ilość rozpuszczonych gazów i największą ich objętość można usunąć. Schemat ideowy takiego przykładowego urządzenia prezentuje rys. 10.

Oprócz opisanych metod, które można zaliczyć do mechanicznych metod usuwania zanieczyszczeń gazowych z instalacji, można również stosować metody chemiczne. Przy czym najczęściej metody te nie polegają na usuwaniu już wytrąconych pęcherzyków powietrza i jego stanu wolnego, czy też analogicznych postaci innych gazów, tylko na minimalizacji ryzyka i intensywności ich powstawania. Najczęściej mówi się w tym przypadku o uzdatnianiu wody, aczkolwiek pojęcie to jest szersze i ma również zastosowanie np. do wody pitnej, gdzie mogą być stosowane inne procesy uzdatniania i mogą być wymagane inne parametry.

Woda instalacyjna czerpana jest zwykle z miejskiej sieci wodociągowej, w której spełniać musi ona wymagania jak dla wody pitnej. Przed wprowadzeniem do sieci jest więc poddawana pewnej obróbce, w tym np. filtracji, flokulacji, napowietrzaniu, odżelazianiu i odmanganianiu, zmiękczaniu i dezynfekcji. Wymagania dla wody instalacyjnej są jednak w pewnych aspektach odmienne. Aby zapewnić odpowiednią jakość wody, w tym wartość wskaźnika pH, twardości ogólnej, mineralizacji, zasolenia, itp., oprócz względnie zaawansowanych metod chemicznych, z użyciem specjalistycznych aparatów i urządzeń, nierzadko stosowane są prostsze metody, w postaci specjalnych płynów instalacyjnych, dodawanych bezpośrednio do wody w instalacji, w odpowiedniej proporcji. Często nazywane są one inhibitorami korozji, aczkolwiek współczesne płyny instalacyjne pełnią nie tylko funkcję blokera korozji, w różnej jej postaciach, ale także np. regulacji pH, rozpuszczania osadów pochodzenia wapniowego i magnezowego (zapobieganie wytrącania się węglanów powstawaniu tzw. kamienia kotłowego), wiązania tlenu, neutralizacji wolnych kwasów węglowych, blokowania rozwoju mikroorganizmów, itp.. Najczęściej są to substancje na bazie glikolu z odpowiednimi dodatkami, które dodatkowo, dzięki zastosowaniu glikolu jako bazy roztworu, pozwalają obniżyć temperaturę zamarzania czynnika w instalacji i w ten sposób zabezpieczyć przez ewentualną awarią w przypadku spadku temperatury poniżej 0^oC (np. przerwy w pracy instalacji w okresie zimowym w domach wczasowych i letniskowych, hotelach, itp.).

Glikol stosowany w instalacjach HVAC może być propylenowy lub etylenowy. Różnią się one parametrami fizykochemicznymi, w tym gęstością, lepkością i ciepłem właściwym, wpływającą na opory hydrauliczne przepływu czynnika i koszty pompowania oraz na efektywność transportu i wymiany ciepła. Różnią się także ceną i toksycznością. Glikol propylenowy jest droższy od glikolu etylenowego i nietoksyczny, ale ma gorsze właściwości fizykochemiczne z punktu widzenia pompowania czynnika i transportu ciepła. Generalnie, w porównaniu z wodą, glikole te, jak i ich roztwory, generują wyższe koszty eksploatacyjne instalacji z punktu widzenia poboru energii, ale pozwalają zredukować koszty ewentualnych napraw i serwisów.

Dodatkami do glikolu, w zależności od deklarowanej funkcji, mogą być między innymi:

• Wspomniane inhibitory korozji, zwykle w postaci kwasów organicznych i substancji nieorganicznych, jak krzemiany sodowe. Substancje te albo wchodzą w reakcję z tlenem i tworzą na powierzchni metalu ochronną warstwę jego tlenków – mówi się wówczas o inhibitorach anodowych i pasywacji, albo wytrącają substancje korozyjne w postaci nierozpuszczalnych osadów – mówi się wówczas o inhibitorach katodowych.
• Fosforany, których zadaniem jest zwykle wytrącanie z wody związków chemicznych odpowiedzialnych za powstawanie kamienia kotłowego,
• Biocydy, których zadaniem jest blokada rozwoju mikroorganizmów.

Podsumowanie
Zastanawiając się nad wszystkimi problemami, jakie niesie ze sobą zastosowanie wody jako czynnika ogrzewczego lub chłodniczego można zacząć zastanawiać się, czemu nie stosuje się innych cieczy, choćby wytworzonych sztucznie, skoro są wśród nich takie, które wiele z tych problemów niwelują.

Odpowiedź jest dość prosta – woda jest tania, powszechnie dostępna, niepalna i nietoksyczna, a co równie ważne, ma korzystne parametry fizyko-chemiczne z punktu widzenia transportu i wymiany ciepła, w tym największą wartość ciepła właściwego ze wszystkich substancji, jakich można użyć w tych zastosowaniach.

Materiały źródłowe:
[1] Materiały katalogowe i prasowe firmy Caleffi
[2] Materiały katalogowe i prasowe firmy Flamco
[3] Materiały katalogowe i prasowe firmy IMI Pneumatex
[4] Muniak D.: Dlaczego grzejnik nie grzeje – problem z instalacją, czy specyfika jego pracy?, Polski Instalator, 1-2/2023 (308), str.: 26-30
[5] PN-C-04607:1993: Woda w instalacjach ogrzewania Wymagania i badania dotyczące jakości wody
[6] PN-EN 12952-12:2006: Kotły wodnorurowe i urządzenia pomocnicze Część 12: Wymagania dotyczące jakości wody zasilającej i wody kotłowej
[7] VDI 2035, blatt 1: Vermeidung von Schäden in Warmwasser-Heizungsanlagen Steinbildung und wasserseitige Korrosion
[8] VDI 2035, blatt 2: Vermeidung von Schäden in Warmwasser-Heizungsanlagen Heizwasserseitige Korrosio
[9] Zima W., Muniak D, Cisek P., Ojczyk G., Pacura P.: Zagadnienia cieplne, hydrauliczne oraz jakości wody w instalacjach grzewczych, Wydawnictwa Politechniki Krakowskiej, Kraków 2015

dr hab. inż. Damian Piotr Muniak, prof. PK 
Katedra Energetyki, Politechnika Krakowska
im. Tadeusza Kościuszki,
Al. Jana Pawła II 37,
31-864 Kraków, Polska
Tel.: +48 12 628-35-52
Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.
Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.