Hliník v teplovodných vykurovacích zariadeniach II.

Hliník a zliatiny hliníka sa používajú stále viac pre ich vynikajúcu tepelnú vodivosť v teplovodných vykurovacích systémoch. Napríklad voči ušľachtilým oceliam dosahujú viac ako 10-násobne lepší prenos tepla. Pretože ale hliník nie je celkom ušľachtilý kov, úprave vody treba venovať mimoriadnu pozornosť.

 

Čo treba dodržiavať pri úprave vody

Zatiaľ čo smernica pre vykurovaciu vodu VDI 2035-2 si takmer výlučne všíma hodnotu pH plniacej vody, v príslušných normách (STN EN 148 68) sa nachádzajú pokyny a odporúčania k obsahu solí v obehovej vode. Práve oba ióny chloridov a sulfátov zapríčiňujú nebezpečnú jamkovú a štrbinovú koróziu na pasívnych kovoch hliníka a ušľachtilej ocele. Následne sa poukazuje na veľkosť vplyvu obsahu kyslíka, koncentrácie solí a hodnoty pH na koróziu kovov použitých vo vykurovacích zariadeniach.

Úloha kyslíka

V alkalických vykurovacích vodách s hodnotou pH nad 8,2 sa môže vyskytnúť kyslíková korózia. Povlaky z uhličitanov železa sa netvoria, iba obsah voľného kyslíka vo vode rozhoduje o korózii. Prúdový tok pri priebehu korózie pozostáva v zásade z dvoch čiastkových reakcií. Jedna čiastková reakcia pozostáva z uvoľňovania kovu, druhá z odsunu zostatkového negatívneho náboja z kovu voľným kyslíkom vo vode. Ak kyslík nie je prítomný, táto čiastková reakcia sa nekoná a tok prúdu (korózna reakcia) ihneď končí. Absolútne tesné vykurovacie systémy nemajú preto žiadne problémy s koróziou. Voda nasýtená kyslíkom obsahuje v 1 m3 cca 10 g kyslíka. V systéme s komponentmi z čiernej ocele s objemom 1 m3 môže vzniknúť 36 g magnetitu (Fe3O4). Tento výpočet už ukazuje, že prísun kyslíka plniacou a doplňovacou vodou nemôže hrať hlavnú úlohu. Poruchové expanzné nádoby, netesné ventily, poškodené tesnenia a podtlak v potrubí (pri zlom hydraulickom vyregulovaní! Sú mnohokrát príčinou veľkého množstva magnetitových kalov, ktoré sa tvoria podľa nasledovnej reakcie: 3 FE + 2 O2 = Fe3O4. Rýchlosť tvorby magnetitu stúpa predovšetkým s narastajúcim obsahom kyslíka vo vode. Avšak alkalické hodnoty pH a nízka vodivosť vody môžu koróznu reakciu veľmi silno pribrzdiť (obr. 1).

 

Obr. 1: Kyslíková korózia môže prebiehať (pri pH nad 8,2), keď sa korózny prúdový okruh sám uzatvorí pomocou voľného kyslíka vo vode.

Zabráňte vysokému obsahu solí

Nízka vodivosť vody prekáža toku korózneho prúdu, naopak vysoká vodivosť vody uľahčuje priebeh korózie. Vodivosť vykurovacej vody sa tvorí predovšetkým z obsahu solí v plniacej a doplňovacej vode. Chloridy a sulfáty sú tu veľmi podstatné, lebo ióny po tom, čo zreagovali s kovom, tvoria vo vodnom prostredí soľné a sírnaté kyseliny. Prvky korózie sa tým stabilizujú a držia sa aktívne. Preto z tohto dôvodu ohraničuje smernica (STN EN 148 68) koncentráciu týchto oboch iónov na hodnote 50 mg/l. Pitná voda ale môže obsahovať až 250 mg chloridu a 240 mg sulfátu. Prostriedky na viazanie kyslíka a/alebo inhibítory korózie tiež zvyšujú vodivosť vody. Predovšetkým pri hliníkových

materiáloch sa dá pri prístupe kyslíka počítať s výskytom jamkovej a štrbinovej korózie, keďže na to patričné množstvá iónov chloridu sú prakticky vo všetkých plniacich a doplňovacích vodách. Pri vodách s malým obsahom solí je toto nebezpečenstvo podstatne menšie, ako poznamenáva smernica VDI 2035-2. Popri tom sa uvádza, že konvenčné úpravne vody obsah solí neznižujú, ale len vápnik a horčík, tvoriaci vodný kameň, nahrádzajú sodíkom. Ióny spôsobujúce koróziu odstraňujú len demineralizačné patróny (obr.2).

Obr. 2: Útok chloridov na hliník s jamkovou koróziou a porušenie ochrannej oxidačnej vrstvy. Kov sa pritom rozpúšťa pri vzniku vodíka.

Zlé hodnoty pH

Veľmi zaujímavé je tvrdenie Siemens Building Technologies, že takmer všetky analýzy vody v problémových zariadeniach v posledných 10 rokoch vykázali príliš nízke hodnoty pH. V smernici VDI 2035-2 sa odporúča rozsah hodnôt pH medzi 8,2 až 10,0, pokiaľ nie sú v systéme zabudované hliníkové materiály. Pokiaľ tomu ale tak nie je, pH musí byť ohraničené spravidla hodnotou 8,5. Na obrázku 3 sú zobrazené vyhovujúce rozsahy hodnôt pH, v ktorých sa materiál správa pasívne a to, oceľ, meď a hliník.

Pre oceľ pri rozsahu pH medzi 9 až 13 platí, že sa na povrchu materiálu tvoria pevné produkty korózie, ktoré môžu mať ochranný účinok. Ak sú ale prítomné súčasne napr. chloridy alebo sulfáty, neznamená to, že nemôže vzniknúť žiadna korózia

Meď preukazuje svoju pasivitu proti koróznej reakcii už od hodnoty pH 7. Ak je ale hodnota pH vyššia než 11, dochádza opäť k uvoľňovaniu kovu. Pri prítomnosti amónnych zlúčenín začína rozpúšťanie kovu už pri hodnotách pH nad 9,5. Z tohto dôvodu odporúčajú odborníci na koróziu v

uzavretých teplovodných cirkulačných systémoch hodnotu pH medzi 8,2 až 9,5. Spodná hranica 8,2 rezultuje – ako už bolo vysvetlené – z poznatku, že nad touto hranicou pH už vo vode nie sú žiadne uhličité kyseliny. Okrem toho treba brať ohľad aj na tesniace materiály.

Hliník sa ukazuje ako pasívny pri hodnotách pH medzi 4 až takmer 9. Nad hodnotou pH 9 sa kov účinkom kyslíka rozpúšťa, aj keď je vykurovací systém voči kyslíku úplne tesný. Keďže sa musia zohľadniť aj ostatné materiály v inštalácii, zo smernice VDI 2035-2 vychádza pre hliník veľmi úzke pH okno od 8,2 do 8,5, na ktoré sa treba nastaviť.

Obr. 3: Aktívne/pasívne stavy pre kovy oceľ, meď a hliník v závislosti od hodnoty pH vodného prostredia.

Fenomén samoalkalizácie

O samoalkalizácii sa hovorí, keď sa hodnota pH zmäkčenej vykurovacej vody v priebehu času samočinne zvyšuje. Príčinou toho je premena hydrouhličitanu sodného na silne alkalický uhličitan sodný (sóda) pri vylučovaní kyseliny uhličitej. Pritom môže hodnota pH ľahko prekročiť hranicu 8,5, keď je na jednej strane uhličitanová tvrdosť plniacej vody správne vysoká a súčasne vznikajú vysoké teploty vody. Obzvlášť ohrozené sú pritom prirodzene solárne vykurovacie systémy, pri ktorých je vykurovacia voda naviazaná na kolektorový okruh. V kolektore vystupujú teploty ľahko aj na 250 °C a premenná reakcia nasleduje rýchlo. Hydrouhličitan sodný (NaHCO3) a napokon sóda (Na2CO3) vzniká pri konvenčnej úprave vody v sodíkovom iónovom meniči (Na-X) z voľnej uhličitanovej tvrdosti vo vode (Ca(HCO3)2) podľa nasledovnej reakcie:

 

Ca(HCO3)2 + Na2-X = Ca-X + 2 NaHCO3 = Na2CO3 + H2O + CO2

Pre upravenú vodu s pôvodnou uhličitanovou tvrdosťou 14 °d (KS4,3 = 5) je na obrázku 4 zobrazené zvýšenie pH pri teplote 85 °C.

Keďže sa ale v praxi jedná o uzavreté systémy, nebezpečenstvo nie je tak veľké, lebo sa kyselina uhličitá môže čiastočne naspäť rozpustiť, ak je systém tesný. Riešenie tohto problému tu prináša len veľkorysé odsolenie vody, ktoré tým odstráni aj uhličitanová tvrdosť.

Obr. 4: Časová zmena hodnoty pH syntetickej vody s uhličitanovou tvrdosťou 14 °d po zmäkčení vody meničom iónov a zohriatí na 85 °C

Dbajte o celé zariadenie

Ak sa pripája nový kotlový systém s hliníkovými komponentmi na jestvujúci rozvod z čiernej ocele, musí sa prirodzene nájsť kompromis. Pre oceľ by bola vhodnejšia vyššia hodnota pH (napr. 9,5), naproti tomu hliník znáša dlhodobo hodnotu najviac 8,5. Zmäkčená voda na zníženie tvorby vodného kameňa môže – vždy podľa uhličitanovej tvrdosti – svoju hodnotu pH natoľko zvýšiť, že sa hliníkové materiály porušia. Rovnako nepriaznivá je úplne demineralizovaná voda bez stabilizácie hodnoty pH, pretože počiatočné procesy korózie môžu hodnotu pH tejto „chemicky prázdnej“ vody silne znížiť a na oceli potom môže vzniknúť kyslíková korózia. Technicky najlepšie opatrenie na ochranu proti korózii preto predstavuje úplné odsolenie a následná úprava alkalizujúcimi prostriedkami, ktoré vykazujú aj tlmiaci účinok (stabilizáciu pH). Prídavné chemikálie (inhibítory korózie) by sa potom nemuseli použiť.

Kompaktné riešenie

Pre kotlové systémy neexistuje doteraz žiadne kompaktné riešenie, ktoré dodáva málo mineralizovanú, alkalickú vodu. Bežné úpravne vody dodávajú síce mäkkú vodu, nechávajú ale konštantné hodnoty obsahu solí a pH. Demineralizačné kazety VES predstavujú kompaktnú plniacu jednotku na prvé naplnenie aj na dopĺňanie vykurovacích systémov. Špeciálnou kombináciou živíc na výmenu iónov so stabilizátorom pH dodáva táto úpravňa vody priamo odsolenú, alkalickú vodu pre malé a stredné vykurovacie zariadenia, akumulačné zásobníky vody alebo zariadenia na geotermálne teplo. Úpravňa sa inštaluje priamo do plniaceho potrubia, za oddeľovač systému požadovaný normou STN EN 1717 a po dosiahnutí kapacitnej hranice sa zlikviduje z domovým odpadom. Kapacita je závislá od tvrdosti miestnej vody. Inak sa dá zhruba odhadnúť tvrdosť vody (celková tvrdosť) pomocou zmeranej vodivosti vody podľa vzťahu: vodivosť (µS/cm) : 30 = tvrdosť vody °d. Jednoduchý prístroj na meranie vodivosti vody a tyčinky na meranie jej pH v rozsahu 6,5 až 10,0 sú teda dostatočnou výbavou (obr. 7).

Obr. 5: Permasoft 5000 (tu ako dvojité zariadenie) odsoľuje a alkalizuje plniacu vykurovaciu vodu v jednom kroku

Stále viac známych výrobcov kotlov nasadzuje do svojich produktov hliníkové zliatiny a odporúča pre ne výslovne odsolenú plniacu vodu. Takáto voda neredukuje len nebezpečenstvo nánosov znižujúcich výkon zariadenia, ale predstavuje súčasne aj optimálnu ochranu proti jamkovej a štrbinovej korózii. Rovnako sa zabraňuje nadmernej alkalizácii, ktorá je pri konvenčnom zmäkčovaní plniacej vody možná. Z pohľadu chemickej korózie je odsolená, alkalická a ľahko stabilizovaná voda to najlepšie riešenie, lebo treba brať prirodzene do úvahy vždy celé zariadenie. Takouto kvalitou plniacej vody budú riešené príčiny korózie a nebude sa bojovať proti jej symptómom, ako je to v prípade, keď obsah solí je vysoký, a preto sa do vody dávkujú inhibítory. Pre remeselníkov prípadne odborných projektantov je dôležité poznať relevantné aspekty pri zaobchádzaní s vykurovacou vodou a tieto aj uplatniť.

Úplne odsolená voda

Deionizovaná alebo úplne odsolená voda sa získava výmenou aniónov a katiónov. Na rozdiel od konvenčných úpravní vody sú tu v zariadení dva meniče iónov (zmesové lôžka). Kyslá živica zadržiava kladné ióny (kovy) a dáva tým ióny H+ do vody. Bázická živica odovzdáva ióny OH- a viaže preto záporné ióny ako chloridy a sulfáty. V súčte mení teda táto živica ióny za vodu (H+ + OH- = H2O). pritom sa dosahuje vodivosť vody menej ako 1 µS/cm.

 

Obr. 6: Porovnanie tepelnej vodivosti (W/mK) rôznych materiálov na výmenníky tepla a vodného kameňa tvoriaceho najčastejšie povlaky.