Teplosměnné kapaliny pro topení a chlazení

Abstrakt

Příspěvek popisuje problematiku použití glykolů v sekundárních okruzích chlazení a topení pro aplikace jako jsou solární systémy, tepelná čerpadla, klimatizace a rozvod tepla a chladu vůbec. Typickými uživateli těchto látek jsou kromě nových budov komerčního využití obvykle potravinářské provozy (minipivovary), zimní stadióny, nemocnice a další. V textu je pojednáno o ochraně proti korozi a o vhodných teplosměnných vlastnostech těchto tekutin. Na závěr je popsán příklad z praxe, kdy byly některé specifické faktory těchto látek zanedbány a uvedena příčina i důsledek.

1. Úvod

Obr. 1. Typický kompresor pro vyfukování lahví v potravinářském provozu chlazený glykolem

Rozvod tepla nebo chladu, vyprodukovaného v primárním okruhu, je možný pomocí okruhu sekundárního. Protože se tento nepřímý systém převodu energie může dostat do styku s potravinami, v případě úniku i do kontaktu s člověkem nebo životním prostředím, používají se takové látky, které nejsou člověku nebezpečné. Kromě nároků na dobré teplosměnné vlastnosti a z důvodů nenáročnosti na výkon čerpadel i nízké viskozity, je nutné od náplně nepřímého systému chlazení požadovat nemrznoucí vlastnosti. Důvodů může být několik. Předně zásobník nebo jiné části okruhu mohou být ve vnějším prostředí mimo objekt, takže v důsledku střídání ročních období jsou vystaveny mrazu [1]. Celý systém chlazení nebo topení se také může nacházet uvnitř budovy, ale během celoročního používání dochází k natolik dlouhým přestávkám, že by vlivem vnější teploty mohlo dojít k zamrznutí a poškození okruhu v místě, které není úplně izolováno. A třetím případem pak je samotný transport média o teplotě, kterou neumožňuje obyčejná voda, tedy pod bodem jejího tuhnutí. Takto je nemrznoucí směs využívána hlavně u chladíren, zimních stadiónů a pivovarů.

2. Výběr vhodného alkoholu

Pokud je systém chlazení nebo topení z důvodů své velikosti, požadavků na bezpečnost provozu nebo i jiných vybaven sekundárním okruhem, používají se nemrznoucí kapaliny zejména na bázi glykolů. Oproti kapalinám složeným z anorganických solí, tzv. solanek (nejčastěji uhličitan draselný a chlorid vápenatý) a organických solí draselných (octan, mravenčan) mají výhodu zejména v menší korozní agresivitě a možnosti použití levnějších konstrukčních materiálů. Roztoky solí lze přenášet teplo obvykle jen v nerezu nebo náročně legovaných ocelích [2]. Naopak určitou nevýhodou glykolů je jejich vyšší viskozita stoupající s jejich obsahem ve směsi a horší odbouratelnost ve vodním prostředí. Dají se však využívat v širokém spektru teplot od cca −40 °C (chlazení) až po 110 °C (topení) a při vědomosti si jejich nedostatků lze eliminovat také jejich dvě výše jmenované nevýhody. Stejně jako u chladicích kapalin automobilů jsou jejich základními složkami vícesytné alkoholy, tradičně glykoly. Používají se látky jako ethan-1,2-diol (ethylenglykol), propan-1,2-diol (propylenglykol) a propan-1,2,3- triol.

Ethylenglykol a diethylenglykol jsou zdraví škodlivé při požití pro člověka a vyšší savce. Nebezpečné jsou zejména svým bezbarvým vzhledem, nearomatičností a lehce nasládlou chutí – tedy zaměnitelností s pitnou vodou. Přesto se i v České republice najde několik potravinářských provozů, které mají v sekundárním okruhu jako náplň ethan-1,2-diol. Důvodem použití jedovatého glykolu může být kromě menších nákladů oproti propylenglykolu také lepší tekutost – viskozita, která se však významně projevuje jen za nižších teplot provozu a při vyšší koncentraci glykolu ve vodném roztoku. Naštěstí většina nepřímých teplosměnných systémů v republice obsahuje jako nemrznoucí látku propan-1,2-diol nebo jeho směs s jinými neškodnými vícesytnými alkoholy.

3. Konstrukční materiál systému

Z hlediska materiálového složení je použitelnost glykolů velmi variabilní. Jako těsnící materiály jsou prověřené EPDM a SBR pryže. Pokud je v konstrukci okruhu použito z nějakých důvodů plastových trubek (LDPE, HDPE a PP), je jejich odolnost vůči glykolům téměř neomezená. Co se týče kovových konstrukčních materiálů, je vyjma zinku uvnitř potrubí možná velmi široká škála kovů. Kromě lehkých materiálů z mědi a hliníku, resp. jejich slitin jako mosazi nebo siluminu, je možné použít různých železných potrubí od litiny až po ocel, z těžkých kovů pak i olovnatou pájku. Toto však platí jen v případě, že nemrznoucí směsi na bázi glykolů obsahují inhibitory koroze. Samotný glykol (jedno jaký) je pro kovy stejně korozivní jako voda a jeho neošetřená směs s vodou je dokonce více korozně agresivní, než samotné látky, jak je zřejmé z Tab. 1. Mimo samotného materiálového složení je důležité se při tvorbě designu sekundárního okruhu vyhnout častým záhybům potrubí a užším profilům, které mohou přispívat mimo jiné k tvorbě úsad.

4. Inhibitory koroze a další aditiva

Vzhledem k možnosti aplikace velkého spektra kovů konstruktéry i jejich širokého funkčního rozsahu, je k omezení korozní agresivity v roztocích glykolů nutné použití inhibitorů určité škály. Od prvotního používání chromanů, fosfátů nebo dusitanů bylo již naštěstí upuštěno. V posledním případě kromě samotné toxicity této soli také z důvodů možnosti vzniku karcinogenních nitrosoaminů, v případě, že by byly k úpravě a stabilizaci hodnoty pH použity aminy. Hodnota pH cirkulujícího média je totiž společně s množstvím rozpuštěného kyslíku v médiu velmi důležitým parametrem z hlediska životnosti kapaliny v systému. Příliš vysoké pH by neumožňovalo použití zejména barevných kovů a kyselé prostředí pak zase spouští korozi téměř všech konstrukčních materiálů včetně železa a jeho slitin. Proto je důležité hodnotu pH stabilizovat aditivy, tzv. pufry.

Dalšími nezbytnými složkami v glykolových nemrznoucích směsích jsou látky eliminující vliv tvrdosti vody. Vzhledem k relativně velkému objemu budoucí odpadní kapaliny, pak nejlépe bez obsahu fosfátů – fosforu. Pokud je to zákazníkem vyžadováno, nemrznoucí směsi se kvůli snazší detekci úniku ze systému barví, v případě potřeby lze použít i barvivo viditelné pouze pod UV lampou. Jedním z posledních aditiv, které bývají použity, jsou biocid (konzervant) a odpěňovadlo. Posledním ale neméně důležitým parametrem je také kvalita vody použité k ředění. Měla by mít co nejnižší obsah chloridů a síranů, podporujících korozi, ale i ostatních solí, nicméně by neměla být úplně deionizovaná.

5. Chyby z praxe a nulová standardizace

Obr. 2. Zkorodovaná část přepouštěcí klapky sekundárního okruhu teplosměnného systému

V souvislosti s nárůstem aplikací nemrznoucích směsí se bohužel začaly vyskytovat i případy, kdy byl do systému použit pouze vodný roztok propylenglykolu bez jakýchkoliv aditiv. Příčinou je možná neznalost problematiky použití těchto kapalin při tvorbě projektů sekundárních okruhů, podcenění jejich korozní agresivity a nejčastěji pak také amaterismus u realizačních firem, hlavně menších topenářských, které v rámci úspory nákladů jsou schopny takové záměny provádět. Nejparadoxnější na tom je, že nákupní cena obyčejného propylenglykolu použitého do systému je pro ně častokrát vyšší, než kdyby použily nemrznoucí směs do topení s aditivy od renomovaného výrobce. Následky takového počínání jsou pak zřejmé z přiloženého obrázku (Obr. 2).

Je zřejmé, že pro tyto aplikace chybí jednotící norma, která by určovala, jaké parametry musí nemrznoucí směs v sekundárním okruhu splňovat. Podobně, jako je například pro aplikaci nemrznoucích směsí v automobilech k dispozici široká škála mezinárodních standardů jejich výrobců i univerzálních ASTM norem jak pro posouzení jejich kvality, tak pro metodiku měření jednotlivých parametrů [m.j. 4]. Pro oblast teplosměnných kapalin je k dispozici pouze jedna jediná [5]. Chybí detailní ČSN pro definici zejména nemrznoucích a teplosměnných vlastností. Dle posledních zkušeností hlavně pro posouzení korozivity použité směsi a doporučení vhodných konstrukčních materiálů a těsnění. Obvykle je totiž v různých stavebních projektech velkých administrativních komplexů napsáno: použijte nemrznoucí směs na bázi propylenglykolu, nebo často pouze jen glykol. Takže nemůže být ani divu, že dochází k záměně čistého vícesytného alkoholu a nemrznoucí směsi.

6. Diskuse a závěr

Naopak znalost konstrukčního složení teplosměnného systému a jeho provozních podmínek předem umožňuje těm nejvyspělejším výrobcům nemrznoucích kapalin pro koncového zákazníka navrhnout výrazné úspory. Nejenže dokážou navolit takovou kombinaci alkoholů – glykolů, že směs není nebezpečná, ale má i lepší teplosměnné vlastnosti a nižší viskozitu [6]. Zejména však kombinací různých inhibitorů koroze s využitím jejich synergie může být významně prodloužena minimální výměnná lhůta těchto kapalin a zákazníkům také nabídnuta nižší cena oproti „univerzální“ nemrznoucí směsi s aditivy pro všechny běžné typy kovů v systému.

7. Literatura

1. Skolil J.: Nemrznoucí kapaliny do solárních systémů. In Solartechnika (3) 30–31 (2013), ISSN: 1338-0524.
2. Ignatowicz M.: Corrosion aspect in indirect system with secondary refrigerants. Stockholm: Master of science thesis. KTH Industrial engineering and management, 2008. 148 s.
3. Dowtherm vs. Dowfrost - A comparison Ethylene glycol and Propylene glycol. Firemní materiál The Dow Chemical Company, USA, 1999. 8 s.
4. ASTM D1384-05 – Standard Test Method for Corrosion Test for Engine Coolants in Glassware. West Conshohocken, Pennsylvania: ASTM International, 2005. 8 s.
5. ASTM E745-80 (2009) Standard service testing for corrosion of metallic containment materials for use with heat-transfer fluids in solar heating and cooling systems. West Conshohocken, Pennsylvania: ASTM International, 2009. 8 s.
6. Hemzal K., Lerl Z.: Tlakové ztráty v okruzích s nemrznoucí směsí. In Větrání, vytápění, Instalace (3) 139–143 (2006).