Problemy odgazowania instalacji klimatyzacyjnych i chłodniczych

Artykuł omawia problemy związane z odpowietrzaniem instalacji klimatyzacyjnych i chłodniczych. Powszechnie stosowane odgazowanie rozproszone, szczególnie dużych instalacji, z dziesiątkami odpowietrzników automatycznych, jest niemal nieskuteczne i nie zapewnia wyeliminowania problemów powodowanych przez powietrze takich jak korozja, zakłócenia w cyrkulacji czy spadek efektywności odbioru ciepła. Rozwiązaniem jest zastosowanie centralnego odgazowania próżniowego.

Problemy i awarie
Mimo, iż w Polsce mamy wiele firm budujących nowoczesne i zaawansowane techniczne układy klimatyzacji, które dysponują dużą wiedzą fachową i stosują najnowocześniejsze urządzenia, tego lata systemy klimatyzacyjne były zmorą dla użytkowników i firm serwisujących.
Tegoroczne lato było wyjątkowo gorące, wysokie temperatury towarzyszyły nam przez długie tygodnie, i przekonały ostatnich sceptyków, że nasz klimat zmienia się a układy klimatyzacyjne stają się niezbędnym wyposażeniem zapewniającym nie tyle komfort pracy, co w ogóle ją umożliwiają. Układ klimatyzacyjny w lecie powinien gwarantować użytkownikom niezawodne i wydajne działanie. Niestety tego lata częste awarie układów klimatyzacyjnych i spadki wydajności chłodzenia nie uchroniły wielu szczęśliwych właścicieli klimatyzacji przed upałami. Częstym problemem okazały się również hałasy dochodzące z instalacji, które dodatkowo irytowały pracowników i nie pozwalały skupić się w i tak już trudnych warunkach pracy. Firmy serwisowe wzywane były wielokrotnie i ratowały sytuację. Jeśli instalacja była jeszcze na gwarancji, koszty serwisu pokrywał wykonawca, jeśli nie, to niestety płacił za to klient. W obu przypadkach tych kosztów można było uniknąć.
Prawidłowo zaprojektowana i wykonana instalacja powinna działać przez wiele lat. Co to znaczy wiele? 5, 10 czy 15 lat bezawaryjnego działania? Po jakim czasie dopuszczamy i akceptujemy kosztowne awarie? Na te pytania trudno odpowiedzieć precyzyjnie, ale od tego typu instalacji powinniśmy oczekiwać, że będzie pracować bez większych problemów przez przynajmniej 10 lat. W tym czasie instalacja powinna pracować w optymalnych dla niej warunkach, tak, aby zapewnić długotrwałą pracę wszystkich jej komponentów. Jednym z tych warunków jest zapewnienie skutecznego i szybkiego odgazowania instalacji, najpierw podczas jej uruchomienia a następnie podczas pracy. Niestety, wiele instalacji ma poważne problemy i awarie już po kilku latach od uruchomienia.
Tegoroczne upały, których przecież musimy spodziewać się coraz częściej, dotkliwie obnażyły słabości wielu układów klimatyzacyjnych. Bezpośrednią lub pośrednią przyczyną większości problemów w układach klimatyzacyjnych jest powietrze, znajdujące się w układzie klimatyzacyjnym. Ciągłe zapowietrzanie instalacji jest spowodowane głównie utratą ciśnienia w naczyniach rozszerzalnościowych lub ich nieprawidłowym doborem. Gdy naczynie przestanie utrzymywać ciśnienie, wtedy w najwyższych punktach instalacji występuje podciśnienie i dochodzi do zasysania powietrza przez odpowietrzniki. Nie poruszymy tu jednak problemu prawidłowego utrzymania ciśnienia w instalacji chłodniczej, ponieważ jest to temat na osobny artykuł. Praktyka pokazuje, że wiedza na temat utrzymania ciśnienia w instalacji chłodniczej jest niewystarczająca.
Powietrze w instalacji klimatyzacyjnej może prowadzić do powstawania korozji i szlamu, hałasów, zakłócenia cyrkulacji oraz spadku efektywności wymiany cieplnej, czyli ograniczenia możliwości odbioru ciepła z wody. Wszystkie te procesy prowadzą wcześniej czy później do awarii lub niezadowolenia Klienta. Zapchany szlamem filtr może doprowadzić do uszkodzenia kosztownych elementów instalacji chłodniczej a w sytuacjach krytycznych konieczny może być zakup nowych urządzeń. Hałasy w instalacji, spowodowane cyrkulującym powietrzem, powodują dyskomfort dla użytkownika. Wodę zawierającą dużo gazów trudniej jest ochłodzić, ponieważ gaz jest izolatorem. Następuje spadek efektywności odbioru ciepła, co dla Klienta oznacza brak wymaganego chłodzenia. System pracuje z maksymalną wydajnością, aby zapewnić odpowiednie chłodzenie, ale część tej wydajności zużywana jest niepotrzebnie. Taka praca powoduje szybsze zużycie urządzeń i energii elektrycznej. Są to całkowicie niepotrzebne koszty.
Umowy serwisowe i coroczne regularne przeglądy instalacji powinny gwarantować wystarczającą i tanią opiekę nad instalacją. Ale co w międzyczasie? Jak zagwarantować sobie i Klientowi wysoką bezawaryjność oraz brak dodatkowych niezaplanowanych kosztów związanych z reagowaniem na awarie? Jak obniżyć i lepiej planować wydatki związane z utrzymaniem wielu instalacji, które mamy pod opieką? Rozwiązaniem jest zrozumienie problemów związanych z usuwaniem powietrza z instalacji i odejście od obecnie stosowanego rozproszonego systemu odgazowania.
Gazy mogą występować w wodzie jako wolne pęcherze lub w postaci rozpuszczonej. Rozpuszczalność gazów w wodzie opisuje prawo Henry’ego, jako zależność od temperatury i ciśnienia. Z wolnymi gazami w instalacji mamy do czynienia powyżej krzywej Henry’ego, woda jest maksymalnie nasycona gazami. Poniżej krzywej mamy do czynienia z nienasyceniem wody, gazy są całkowicie rozpuszczone.


Rys. 1 Wykres Henry'ego
Do odpowietrzania instalacji powszechnie stosuje się odpowietrzniki automatyczne, które mają zagwarantować odpowietrzenie instalacji. Odpowietrzniki są tak skonstruowane, że są w stanie usunąć na zewnątrz gazy, które doprowadzimy do odpowietrznika. Nie są jednak w stanie odseparować powietrza z wody płynącej. Dlatego nadają się tylko do odgazowania instalacji przy pierwszym napełnieniu. Dzięki nim możemy również spuścić wodę z instalacji – wtedy odpowietrznik działa jak „napowietrznik”. Odpowietrzniki automatyczne nie sprawdzają się jako system ciągłego odgazowania instalacji podczas pracy. Ze względu na to, w jakim punkcie instalacji je zamontujemy, skuteczność ich działania jest różna, ale generalnie bardzo niska. Na poniższych rysunkach pokazano 3 przypadki montażu odpowietrzników automatycznych.

Rys. 2 Schemat różnych możliwości montażu odpowietrzników i separatora
Poniżej krótko przedstawiono działanie odpowietrznika w każdym przypadku.

Rys. 3 Montaż na łuku (przepływ wody z dołu w lewo)
W przypadku numer 1 pęcherzyki powietrza są niemal całkowicie porywane przez strumień wody. Jest to najgorszy ze wszystkich przypadków.

Rys. 4 Montaż na prostym odcinku (przepływ wody z prawej w lewo)
W tym przypadku bardzo niewiele pęcherzyków powietrza dostaje się do odpowietrznika. Odpowietrzanie jest średnio skuteczne i zachodzi tylko, gdy stosunek średnic odpowietrznika i rury, na której jest zamocowany, są bliskie jedności, co oznacza, że stosowanie odpowietrzników z bardzo małym złączem mija się całkowicie z celem. Dodatkowo taki odpowietrznik działa tylko przy prędkościach przepływu ≤ 0.5 m/s.

Rys. 5 Montaż na łuku (przepływ wody z prawej w dół)
W przypadku numer 3, podobnie jak w przypadku 2, pęcherzyki powietrza są niemal całkowicie porywane przez strumień wody.
Lepszym sposobem są separatory mikropęcherzyków, które są połączeniem separatora i odpowietrznika automatycznego.

Rys. 6 Montaż separatora na rurze pionowej
Niestety działanie separatorów jest ograniczone prawami fizyki i z powodu niskich temperatur panujących w instalacjach klimatyzacyjnych separatory działają z niewielką efektywnością i tylko w niskich instalacjach. Wynika to z faktu, że w zimnej wodzie gazy rozpuszczają się dużo lepiej i nie tworzą mikropęcherzyków, które można by tym sposobem odseparować.
Podsumowując, stosowanie klasycznych odpowietrzników automatycznych w instalacjach chłodniczych praktycznie mija się z celem, ponieważ działają one skutecznie tylko podczas napełniania instalacji. Nie są w stanie w sposób ciągły i skuteczny usuwać powietrze z instalacji, przy czym należy zwrócić uwagę, że cały czas mówimy o powietrzu wolnym, nierozpuszczonym w wodzie. Nawet jeżeli założylibyśmy, że odpowietrzniki działają skutecznie w 100%, to i tak uzyskamy w efekcie wodę w instalacji całkowicie nasyconą gazami, przy danym ciśnieniu i temperaturze, co wynika wprost z prawa Henry’ego.
Z wody nasyconej gazami można usunąć gaz poprzez obniżenie ciśnienia wody. Wtedy, zgodnie z prawem Henry’ego, zmniejsza się rozpuszczalność gazów i woda może w sobie rozpuścić mniej gazu niż przy wyższym ciśnieniu. Nadmiar gazu uwalnia się. W praktyce ten typ odgazowania polega na pobraniu porcji wody z instalacji do specjalnego zbiornika i obniżeniu jej ciśnienia do wysokiej próżni rzędu -0,7 bar. Podczas stopniowego obniżania ciśnienia spada jednocześnie zdolność wody do rozpuszczania w sobie gazów i woda oddaje gaz, którego nie jest już w stanie w sobie zmagazynować. To samo dzieje się podczas otwierania butelki wody gazowanej, gdzie mamy do czynienia z odgazowaniem atmosferycznym, ponieważ obniżamy ciśnienie tylko do ciśnienia atmosferycznego.

Rys. 7 Wydzielanie się gazów z wody podczas obniżania ciśnienia
Proces wydzielania się bąbelków gazów, nawet przy wysokiej próżni, zachodzi dość spokojnie. Jeśli natomiast udałoby się potrząsnąć zbiornikiem z wodą gdzie tworzymy podciśnienie, to uzyskalibyśmy efekt, jaki towarzyszy potrząsaniu butelką wody gazowanej – woda odgazowuje się kilkanaście razy efektywniej.

Rys. 8 Wydzielanie się gazów w podciśnieniu z turbulencjami
Taki efekt uzyskuje się poprzez zawrócenie wody i ponowne wprowadzenie je z odpowiednią prędkością do zbiornika, w którym panuje niskie ciśnienie. Kiedy porcja wody jest całkowicie odgazowana, woda z instalacji wypycha zgromadzony gaz przez odpowietrznik a odgazowaną wodę z powrotem do instalacji i cykl rozpoczyna się od początku.

Rys. 9 Zbiornik do odgazowania próżniowego z turbulencjami
Naturalnie cały proces kontrolowany musi być przez sterownik mikroprocesorowy. Dodatkowo, aby zautomatyzować ten proces całkowicie, specjalny czujnik mierzy ilość gazu, jaką udało się odzyskać z wody. Jeśli gazu jest dużo, to proces należy kontynuować, jeżeli osiągnęliśmy założony niski poziom gazu w wodzie, to automat wyłącza się na 24 godziny. Dzięki temu, proces odgazowania instalacji jest całkowicie automatyczny, najszybszy i najbardziej ekonomiczny.
Podsumowanie
Zastosowanie centralnego odgazowania próżniowego w instalacji klimatyzacyjnej czy chłodniczej jest alternatywą dla montowania wielu odpowietrzników automatycznych, zaworów i rur, które nie gwarantują praktycznie żadnego odgazowania podczas pracy instalacji. W przypadku odgazowania próżniowego uzyskujemy bardzo niski poziom nasycenia wody gazami, rzędu kilku mililitrów na litr, dzięki czemu usuwamy wszystkie gazy reagujące z wodą, w tym tlen, wodór i dwutlenek węgla. Ponadto, dzięki wysokiemu nienasyceniu wody, kiedy do instalacji dostanie się nowe powietrze, rozpuszcza się ono całkowicie - uzyskujemy brak możliwości powstawania pęcherzyków gazu. Brak pęcherzyków z kolei gwarantuje cichą pracę instalacji i brak hałasów.
Koszty
Na koniec jak zwykle kwestia kosztów. Otóż stosowanie centralnego odgazowania próżniowego, wbrew pozorom, nie jest droższe od odgazowania rozproszonego - w praktyce jest znacznie tańsze. Już na etapie projektu architektonicznego można zaoszczędzić, dzięki temu, że nie trzeba projektować dodatkowych włazów i otworów, umożliwiających kontrolę stanu odpowietrzników. Projekt samej instalacji chłodniczej też jest prostszy a wykonanie go zajmuje mniej czasu – nie trzeba rysować kilkudziesięciu odpowietrzników i zastanawiać się gdzie je umieścić. Podczas realizacji instalacji wykonawca oszczędza czas potrzebny do montażu każdego odpowietrznika. Podczas uruchomienia, proces odgazowania instalacji trwa krótko i jest liczony w dniach, a nie w tygodniach. Poza tym nie potrzeba do niego ekipy technicznej, która w tym czasie może zajmować się kolejną instalacją. Dla użytkownika brak odpowietrzników gwarantuje, że nic nie będzie nigdy cieknąć i robić plam na sufitach podwieszanych, nie uszkodzi żadnego komputera czy innego wartościowego urządzenia. W pełni odgazowana instalacja gwarantuje użytkownikowi brak hałasów i maksymalną sprawność działania. Firma opiekująca się instalacją, ma pewność, że eliminuje występowanie wszystkich awarii spowodowanych zapowietrzeniem i korozją, a co za tym idzie eliminuje koszty niezaplanowanych wizyt serwisowych, tym samym obniża całkowite koszty utrzymania instalacji. W praktyce centralne odgazowanie próżniowe jest więc dużo tańsze i dodatkowo gwarantuje 100% skuteczność działania w porównaniu do odpowietrzników.
Szwajcarska firma Pneumatex jest od 50-ciu lat pionierem w dziedzinie utrzymania ciśnienia w instalacjach grzewczych i chłodniczych, specjalizuje się w produkcji najwyższej jakości naczyń rozszerzalnościowych i systemów do utrzymania ciśnienia, od instalacji domowych aż do 300 MW. Jedną z głównych przyczyn zapowietrzania się instalacji jest nieprawidłowe utrzymanie ciśnienia w instalacjach. Prawidłowe utrzymanie ciśnienia jest w stanie zagwarantować, że instalacja nie ma możliwości zasysania nowego powietrza, aby jednak skutecznie ją odgazować, należy zastosować centralne odgazowanie próżniowe. Urządzenia tego typu firma Pneumatex produkuje od 20-stu lat. W tym roku wprowadzono na rynek urządzenia trzeciej generacji.

Rys. 10 Odgazowywacz próżniowy Pneumatex Vento V

Rys. 11 Schemat działania układu Vento V
Urządzenia te charakteryzują się najwyższą sprawnością i niezawodnością działania. Są inteligentne i całkowicie automatyczne. Mogą być wyposażone w układy do automatycznego uzupełniania ubytków, przy czym, przed uzupełnieniem odgazowują próżniowo wodę, którą podaje się do instalacji. Potrafią współpracować z systemami utrzymania ciśnienia i meldować o awariach. Układy takie są małe i ciche. Można ich używać również do szybkiego odgazowania instalacji na etapie jej uruchomienia.
Autor: mgr inż. Jakub Charyna, Pneumatex Sp. z o.o.
Literatura:
[1]. Pneumatex AG: „Podręcznik: Powietrze”, wydawnictwo wewnętrzne, Szwajcaria, 2006 (wkrótce dostępna wersja polska)
[2]. Pneumatex AG: „Podręcznik: Ciśnienie”, wydawnictwo wewnętrzne, Szwajcaria, 2006 (wkrótce dostępna wersja polska)
[3]. Pneumatex AG: „Extract: VacuSplit”, wydawnictwo wewnętrzne, Szwajcaria, 2006 (wkrótce dostępna wersja polska)