Plyny v solárních soustavách

Plyny v primárních okruzích solární techniky, i v otopných a chladicích soustavách, jsou závažným problémem z hlediska provozního i z hlediska korozních procesů probíhajících ve vodním prostředí. Autoři článku se zabývají zdroji plynů ve vodních soustavách, jejich rozpustností ve vodě i způsoby odstraňování plynů.

Recenzent: Jiří Matějček

Je skutečností, že plyny v soustavách, naplněných nemrznoucí směsí nebo ­vodou, způsobují poruchy, především cirkulace, opotřebování komponentů a další. Solární soustavy jsou podobné jako otopné soustavy, avšak v solárních soustavách je zcela jiný teplotní režim, takřka celoroční provoz a v letním období dochází k přehřívání teplonosné látky a tvorbě syté i přehřáté páry. Dále se budeme zabývat pouze solárními soustavami, i když některé poznatky a zásady jsou využívány v obou oborech.

Zaměříme se na zdroje plynů v soustavách, napouštění soustav a problémy s odstraňováním plynů. Budeme-li ­ignorovat příčiny, nemá smysl bojovat proti následkům.

1. Zdroje plynů v soustavách

• Plyny se dostávají do solární soustavy při napouštění a při doplňování vody během provozu. Většinou se používá pitná voda, která byla dlouho ve styku s atmosférou a je nasycená vzduchem, což je nesprávné řešení. Při teplotě 10 °C je ve vodě rozpouštěno cca 11 mg/l kyslíku a 18 mg/l dusíku. Při 15 °C činí obsah kyslíku cca 10 mg/l. Celkové množství rozpuštěného vzduchu v pitné vodě o teplotě 10 °C dosahuje cca 22,8 l/m³. Údaje odpovídají vodě při atmosférickém tlaku. Ve skutečnosti jsou hodnoty vyšší vzhledem k tlaku ve vodovodním řadu. U větších solárních soustav, s objemem primárního okruhu několik m³, to představuje cca 50 až 150 litrů plynu rozpuštěného ve vodě, který se objeví až při provozu. Vodík jako reakční plyn, uvolňující se korozí, se vyskytuje v minimálním množství. Může však dosáhnout parciální tlak až 20 kPa.
• Přisávání plynů v nejvyšších místech soustavy při poklesu tlaku pod tlak atmosférický. Může k tomu dojít při nesprávně udržované soustavě.
• Difuze plynů přes komponenty soustav.
  Plyny difundují ve směru nižší koncentrace, to znamená, že čím méně je vzduchu v zařízení, o to více vzduch usiluje do zařízení proniknout a nejsou rozhodující rozdíly tlaku. Prolínající se množství plynů je závislé na permeabilitě (prostupnost pro plyny) použitých součástí. Zatímco kovové trubky se mohou označit jako plynotěsné, není zpravidla zanedbatelná permeabilita umělohmotných trubek, těsnění a hadic, to znamená, že přes tyto součásti difundují do zařízení kyslík i jiné plyny obsažené ve vzduchu. Množství se dá jen těžko zjistit. Je ale jisté, že s použitím většího počtu permeabilních součástí vzrůstají i problémy s plyny.
  Čím více těsnění, tím více plynů se do soustavy dostává. Hnací silou není rozdíl tlaků v atmosféře a v soustavě, ale rozdíl parciálních tlaků plynů ve vzduchu a ve vodě. To v praxi znamená, že za plyn, který se ve vyšších místech soustavy vlivem poklesu tlaku uvolní, má voda, v nejnižších místech soustavy s nejvyšším tlakem, snahu koncentraci, odpovídající tomuto tlaku, doplnit. A právě difuzí se jí to daří.

Kyslík se při korozi částečně spotřebovává. Maximální povolená koncentrace kyslíku v soustavě je < 0,1 mg/l.

Vedle dusíku se v některých soustavách objevil ve formě volných bublinek i vodík a metan. Rovněž na tyto plyny se vztahuje HENRY diagram.

HENRY nepopisuje skutečný obsah kyslíku ve vodě, ale co by se maximálně rozpustit mohlo, kdyby byl kyslík ze vzduchu dostatečně dlouho v přímém kontaktu s vodní hladinou. K tomuto kontaktu u zařízení s nádobou, kde je nad hladinou vzduch, na dost dlouhou dobu dochází, ale dojde k okysličení „jen“ obsahu nádoby a následné smísení s objemem systému, tudíž koncentrace v celém systému (až na první ­napuštění), není oněch 23 mg O₂/l, viz obr 2. A okamžitě následuje chemická reakce způsobující korozi a obsah kyslíku ve vodě klesne.

V soustavě zůstane převážně dusík se stopami kyslíku a vodíku. Protože dusík jako netečný plyn nereaguje s ničím, nespotřebovává se v zařízení a teoreticky se může obohacovat až k hranici nasycení. Pokud je tato hranice překročena, tak přebytečná část vystoupí v bublinkách volně nahoru a nahromadí se nejdříve na nejvyšších bodech.

Vylučování dusíku je také možné na níže položených místech. Především přímo na výhřevných plochách výměníku při ohřívání zásobníku. Tím jsou velmi nepříznivě ovlivněny poměry přestupu tepla. V oběhových čerpadlech se částečnými poklesy rozpouštěcího tlaku podporuje vylučování plynu na lopatkách.

Hodnoty koncentrace dusíku nad 15 mg/l jsou problémové z hlediska proudění.

Zatímco kyslík způsobuje problémy s korozí, dusík způsobuje komplikaci s cirkulací, zanášení.

Nebezpečí koroze stoupá s klesajícím podílem železa v soustavě, jelikož stejné množství kyslíku způsobí větší ztráty na malém množství železa. Chemické a elektrochemické koroze však vždy probíhají společně, což komplikuje průběh v soustavě.

Rozpustnost plynů ve vodě klesá se stoupající teplotou a klesajícím tlakem (podle Henryho zákona).

Henryho zákon vyjadřuje:

Závislost rozpustnosti plynu v kapalině na jeho tlaku p nad kapalinou při konstantní teplotě:

C = K x p

• C = koncentrace plynu [ml/l]
• K = Henryho konstanta (závisí na teplotě, s rostoucí teplotou se snižuje)
• p = parciální tlak plynu

Vzduch ve vodě: podle Henryho zákona

Plyny existují v soustavě ve dvou formách:

• v rozpuštěné formě – nenarušují cirkulaci – rozpustnost klesá se zvyšujícím se tlakem a klesající teplotou;
• ve volné formě – plyny jsou ve formě bublinek a mohou se shromažďovat a narušovat cirkulaci (je to stav, kdy voda je přesycena a žádný další plyn se nerozpouští, bublinky vzduchu jsou schopné „smirkovat“ vnitřní povrch potrubí, a tím způsobují kal na nejnižších místech).

Plyny se převážně vylučují na horkém povrchu trubiček kolektorů, kde současně existuje i nízký tlak. Relativní vyšší rychlost teplonosné látky v kolektorech však odnáší plyny do jiných míst soustavy. Hromadění plynů na povrchu trubiček při nižší rychlosti – viz graf 1, by snižovalo přenos solární energie do teplonosné kapaliny (zhorší přestup tepla).

Solární soustavy jsou v provozu celoročně, oproti otopným soustavám nemají přestávku, v zimním období jsou také v provozu, i když periodicky.

Tepelné odplynění je výhodné provádět při teplotách v soustavě na 70 °C, zvláště po napuštění soustavy a mechanickém odstranění bublin. Při tomto procesu je vhodné dočasně snížit tlak na takovou hodnotu, aby v nejvyšších místech soustavy (většinou v kolektorech) byl přetlak pouze cca 0,5 bar.

To vysvětluje například, proč se poruchy cirkulace vyskytují především v nejvyšším místě solárních soustav. Pokud bychom tedy vzali pro udržování tlaku za základ minimální přetlak 0,5 baru v nejvyšším místě, potom vychází při teplotě výstupní větve 70 °C rozpustnost 15 mg N₂/l vody. Z obr. 4 je zřejmé, že u všech zkoumaných soustav leží skutečná hodnota nasycení (červený sloupec) výrazně nad hodnotou 15 mg/l.

Plyny mohou vznikat chemickou reakcí a korozí

Při měřeních byla v některých soustavách zjištěna, vedle již zmiňovaného dusíku (ze vzduchu), i přítomnost malého množství vodíku a metanu.

Vodík H₂ může v systému ze železných materiálů vznikat reakcí při korozi a může se kumulovat až do stavu přesycení. Při dávkování siřičitanu sodného NA₂SO₃ může potom následně vznikat sirovodík H₂S. Sirovodík může vznikat také prostřednictvím bakterií redukujících sulfáty.

Jednou z domněnek je, že vodík H₂ může rovněž vznikat biologickým procesem při rozkladu tuků. Ty se do potrubního systému dostávají při montáži, opravách a údržbě.

Vznik metanu způsobují bakterie a je produktem anaerobních hnilobných procesů.

2. Napouštění solárních soustav

Problémy s plyny, které se projevují poruchou proudění, jsou u solárních soustav závažnější než u otopných soustav, jelikož způsobují stagnace části nebo i celého primárního okruhu. Stagnace způsobuje snížení solárních zisků a také zbytečné opotřebování komponentů.

Velmi častou příčinou těchto problémů je nesprávný postup při napouštění a příliš nízká rychlost při proplachování nových soustav. Nesprávné je používání pitné vody pro napouštění soustav, jelikož obsahuje značné množství plynů, čímž si zbytečně vytváříme problémy.

Další příčinou je uvolňování rozpuštěných plynů z teplonosné kapaliny (desorpce) – viz bod 1.

Může to trvat dny i týdny, než se vzduch ve formě bublin nahromadí v místech s nejnižším tlakem a nízkou rychlostí proudění event. nejvyšší teplotou. Rozpoznáno je to jako porucha průtoku.

Otopné soustavy jsou plněny čistou vodou zpětným i přívodním potrubím současně a na nejvyšších místech jsou průběžně odvzdušňovány. Solární soustavy jsou v primárním okruhu (o který především jde) plněny nejčastěji nemrznoucí směsí vody s 30 až 50 % propylenglykolu (PPG) pomocí čerpadla ze sběrné nádrže. Není žádoucí, aby nemrznoucí směs byla zbytečně ztracena, a proto se vrací zpět do sběrné nádrže. Současně se vytlačuje vzduch z potrubí i kolektorů přes sběrnou nádrž. Správný postup při plnění zařízení je rozhodujícím předpokladem pro bezporuchový provoz.

Příliš rychlé napouštění

Čerpadla používaná pro napouštění, jsou většinou velmi výkonná, což svádí k tomu, že se zařízení napustí „jedním tahem“ s tím, že se vzduch co nejdříve odstraní.

Výhodné je ale pomalé proudění na začátku. Tím se docílí, že proudící kapalina ve stoupajícím potrubí obsahuje jen málo a spíše větších vzduchových bublin. V horizontálních a klesajících potrubích se mohou vyskytnout větší vzduchové kapsy a bubliny. Pokud se jen málo bublin vzduchu dostane do sběrné nádrže, je sice solární okruh naplněn, ale bubliny vzduchu jsou stacionární. Nyní se může postupně zvyšovat průtok, aby se bubliny vzduchu z pole kolektorů dopravily dolů a ve sběrné nádrži odloučily.

Příliš malá rychlost

Bubliny vzduchu se dopravují spolehlivě jen tehdy, když rychlost při proplachování minimálně docílí rychlosti samovolného odvzdušnění, při níž se vzduchové kapsy samy odplaví silami při proudění, které na ně působí. Pro vlastní odvzdušnění potrubí existuje více výzkumných prací, bohužel pouze pro vodu.

Pro srovnání je možno uvést hodnoty kinematické viskozity pro čistou vodu a 40% koncentraci PPG – tab. 2

Zahřejeme-li PPG na teplotu 70 °C, kinematická viskozita je prakticky shodná s vodou o teplotě 20 °C. Tím se po stránce viskozity vyrovná vodě. Avšak čím je tekutina viskoznější a těžší, tím postačí nižší rychlost pro samovolné odvzdušnění. Použijeme-li hodnoty rychlosti pro vodu, budeme mít větší jistotu odvzdušnění. Německá VDI 6002 uvádí pro orientaci jako minimální rychlost 0,4 m/s.

Při navrhování solární soustavy rychlosti proudění v potrubí známe, stačí tedy učinit kontrolu rychlosti pro samovolné odvzdušnění a eventuálně provést korekci, s ohledem na dispoziční tlak čerpadla. Je-li pole, event. soustava členěná paralelně na uzavíratelné části, je možno je napouštět i odvzdušňovat po částech.

Var teplonosné kapaliny při napouštění

Solární okruhy se napouštějí chladnějším potrubím (přívodem ke kolektorům) samostatným plnicím čerpadlem viz obr. 8. Nemrznoucí směs (teplonosná kapalina) stoupá do nejvyšší části soustavy, kde je nyní atmosférický tlak, jelikož potrubí je výtokem ve sběrné nádrži spojeno s atmosférou. Pokud se obě potrubí naplní a tekutina volně vytéká do nádrže, vodní náplň v sestupném potrubí vlivem gravitace má nižší tlak o geodetickou výšku. V důsledku tohoto podtlaku může od výšky 10 m (rozdíl úrovní výtoku do sběrné nádrže a nejvyššího bodu solárního okruhu, viz výšku H2 na obr. 8) dojít k varu i studené tekutiny, např. při 10 až 15 °C. Při vyšších teplotách i u menších výšek. Je nutno připomenout, že tlakové ztráty v potrubí a komponentech vliv výšky snižují. Běžně se tlakové ztráty v jednom potrubí pohybují při délce 15 až 25 m, cca 4 až 7 kPa (0,4 až 0,7 m v. sl.) hodnoty jsou uvedeny při v = 0,5 až 0,6 m/s, 40% PPG, 20 °C, DN 40-50 a slouží pro hrubou orientaci.

Vliv zvýšeného průtoku čerpadla zvýší také tlakové ztráty vzestupného potrubí, které však působí proti tomuto vlivu.

V případě více větví kolektorového pole, paralelně zapojenými, se může stát, že jedna nebo více větví se nepropláchne a kromě páry se i přítomné plyny ze soustavy neodstraní.

Nejjednodušším způsobem, jak zabránit varu teplonosné kapaliny při napouštění je osazení škrticího ventilu na výtok potrubí do sběrné nádrže. Škrticí ventil (ŠV) zvýší tlak nejen před výtokem do sběrné nádrže, ale také v nejvyšších místech soustavy. Pro kontrolu je výhodné osadit před ŠV manometr a tlak regulovat tak, aby var nemohl nastat.

Osazení ventilů umožňuje proplachování mimo deskový výměník, pouze přes kolektorové pole (uzavřené kohouty K1 a K2). Při otevření K1 a K2 je největší průtok přes deskový výměník, nebo trubkový výměník, ale již výhradně čistou tekutinou. Význam to má hlavně u trubkových výměníků, kde mohou být části teplosměnných trubek v protispádu.

3. Odstraňování plynů

Dále popsané metody odstraňování vzduchu jsou velmi účinné, ale také investičně již náročnější. Uplatňují se především u větších soustav, kde by bylo ruční odvzdušňování časově náročné nebo i prakticky nerealizovatelné.

Porovnání rozdílných systémů odplyňování

Na obrázku 9 je provedeno porovnání rozdílných odplyňovacích systémů, které jsou fyzikálně a technicky dosažitelné, s ohledem na snižování obsahu dusíku ve vodě a závislosti na tlaku v místě instalace. Dusík nám slouží jako vzorový plyn proto, že je to plyn inertní a nespotřebovává se ve vedlejších reakcích, a nezkresluje tedy výsledky měření.

Porovnání na obrázku 9 jednoznačně ukazuje, že jenom expanzní automaty, ať již atmosférické nebo vakuové, splňují požadavky kladené na centrální odplynění a doplňování.

Účinnost mechanických odlučováků vzduchu prudce klesá se stoupajícím tlakem. Obzvláště při instalaci v nejnižších místech systému nelze zamezit vylučování plynu v místech nejvyšších. Pokud nechceme jen „odvzdušňovat“, ale také aktivně bojovat proti korozi, musíme obsah plynů snížit téměř na nulu. To je možné jen termickým nebo dynamickým vakuovým odplyněním.

Vakuové odplynění při plnění

Plnění zařízení pomocí souprav. Vakuové odplynění je nejbezpečnější metoda pro uvedení okruhu do provozu bez obsahu vzduchu a jedinou možností, jak zabránit desorpci plynů při vysokých teplotách. Ve vakuových odplyňovačích se pro desorpci plynů cíleně vytváří podtlak, který je co nejbližší tlaku varu vstupujícího teplonosné látky. Zatímco taková zařízení z hlediska systémového tlaku prakticky nepodléhají mezím nasazení, je tato metoda z hlediska teploty limitována 90 °C, protože jinak nastává ve fázi aktivního vypouštění plynu odpařování.

Jako sériové výrobky jsou dnes dostupná speciální provedení pro stacionární i mobilní použití přizpůsobená pro směs glykolu a vody, která i velká zařízení s obsahem až několik m³ během několika dnů odplyní.

Odvzdušnění při provozu

Odvzdušnění solárního zařízení po uvedení do provozu, a během provozu, se nejčastěji provádí periodicky ručně např. pomocí kohoutů. Zpočátku je zavzdušnění způsobeno tím, že se neaplikují metody aktivního odvzdušňování plnicí vody (viz bod 1) Po dosažení rychlosti proudění pro samovolné odvzdušnění (bod 2) je možno využívat vhodné odvzdušňovače. Účinky odvzdušňovačů na potrubí se často přeceňují. Ze soustavy lze odstranit pouze volné plyny ve formě velkých bublin (kapes) nebo menších bublin, nikoliv mikrobublin, které volně plavou v tekutině. Pokud se bubliny dostanou k odvzdušňovačům, je potřeba v tomto místě snížit průtočnou rychlost pomocí hrnců nebo rozšířeného potrubí. Jinak bubliny míjejí přípojky k odvzdušňovacím ventilům a dále cirkulují, což záleží na rychlosti proudění.

Zkušený instalatér proto nastaví tlak plnění poněkud nad požadovaný tlak, protože po určité době provozu bude opět odvzdušňovat, nebo budou vzduchové kapsy přes odvzdušňovač (event. automaticky) postupně vyloučeny. Dokud se ale vyskytují v teplonosné látce volné plyny, přejdou působením provozního tlaku do roztoku, v extrémním případě až do nasycení solární kapaliny. Při vysokých provozních teplotách mohou plyny částečně z kapaliny uniknout, přičemž potřebují určitý objem, který způsobuje poruchy proudění.

Poděkování

Autoři děkují za podporu projektu ENET – Energetické jednotky pro využití netradičních zdrojů energie (CZ.1.05/ 2.1.00/03.0069), za jehož přispění článek vznikl.

Literatura

[1] MATUŠKA T., Solární tepelné soustavy, Sešit projektanta 1 – pracovní podklady, STP 2009, ISBN 978-80-02-02186-5.
[2] EISMANN R., RUHLING K., Luftprobleme vermeiden, Sonne Wind&Wärme 2007, č. 10, str. 54–59.
[3] FOREJTEK J., Plyny ve vodních topných systémech, info 1/97, OTTO INDUSTRIE spol. s r.o., Kostelec nad Labem.
[4] REMMERS K. H., Velká solární zařízení, ERA group 2007, ISBN 978-80-7366-110-6.
[5] LADENER H., SPÄTE F., Solární zařízení, Grada Publishing 2003, ISBN 80-247-0362-9.
[6] Reflex CZ s.r.o. – firemní podklady Díl 4 – odplynění topných a chladicích systémů – F10119 cz.

---

Gases in solar systems

Authors describe in the first part gases generation in the solar systems. Second part is focused on the gases removal and suitable equipment. Different technologies of gases removal are compared.

Keywords: gases, solar system, gas removal