Дегазация и удаление шлама – рецепт нормальной работы

К.т.н. С.А. Федоров, директор, ООО «Терма-СЕТ», г. Москва

Журнал «Новости теплоснабжения» № 12, 2006, www.ntsn.ru

Эффективность работы систем тепло- и водоснабжения после запуска определяется качеством воды, поддержкой необходимых параметров эксплуатации, своевременностью сервисных работ.

Наибольшие проблемы при эксплуатации, как правило, связаны с качеством воды и наличием газов внутри системы. Кавитация, образование воздушных пробок, коррозия и появление отложений могут быстро вывести из строя даже самые современные устройства.

Однако распознать эти проблемы, особенно на начальном этапе довольно сложно. Большинство потребителей не имеет представления о составе воды на входе и его изменениях в процессе эксплуатации. Кроме того, последствия нарушений становятся заметными только через некоторое время. Задача осложняется и тем, что концентрацию газов в системе довольно сложно определить, поскольку после отбора пробы состав газов в отобранной на анализ воде меняется, а для выведения системы из строя достаточно небольших по бытовым меркам объемов воздуха.

Поиск причин, как правило, начинается после появления косвенных признаков – снижение напора и температуры, появление ржавой воды, булькающих звуков, течей и т.д. Тем не менее, в большинстве случаев достаточно придерживаться простых правил при проектировании и эксплуатации, чтобы избежать многих проблем. Ниже перечислены наиболее важные, с нашей точки зрения, из них.

1. В каждой точке системы должно поддерживаться избыточное давление, достаточное для устранения кавитации и возможности подсоса атмосферного воздуха. В этом случае даже при разгерметизации системы газ не будет поступать внутрь. Нужно учитывать взаимное расположение циркуляционных насосов и расширительных напорных баков (или повысительных насосов). Необходимо обеспечить избыточное давление в воздухоотводчиках, т.к. при отрицательном давлении большинство этих приборов пропускает воздух внутрь.


2. Система должна быть полупрозрачной для газов, обеспечивая дегазацию и герметичность, т.е. не пропускать воздух внутрь. Здесь важно наличие, расположение и техническое состояние воздухоотводчиков, устройств деаэрации и расширительных баков или систем поддержки давления. В некоторых напорных баках скорость диффузии газов через мембрану из воздушной подушки в воду настолько велика, что через полгода – год газ из подушки практически исчезает, и бак перестает сглаживать давление. В этом случае при каждом цикле сжатие-расширение свежая вода закачивается через блок подпитки или вода системы стравливается через клапан максимального давления.

3. Большое количество газа может поступать с водой подпитки в растворенном состоянии. Поэтому в закрытых системах необходимо контролировать объем поступающей свежей воды. Увеличенные потоки могут означать наличие течей или некачественный мембранный бак (см. выше).

4. Нужно обратить внимание на применимость или сочетаемость материалов в одной системе или устройстве. Использование металлов без должной коррозионной защиты. Сочетание металлов, образующих гальваническую пару (например, медь – железо) приводит к интенсивной электролитической коррозии. Использование пластика с высоким коэффициентом диффузии для газов приведет к коррозии металлических компонентов системы.

5. Поскольку скорость коррозии сильно зависит от температуры, важно соблюдать нужный температурный режим. Для систем горячего водоснабжения с большим количеством воды подпитки и высокой концентрацией газов оптимальный диапазон – 50-60 °С.

6. Необходимо обеспечить удаление механических примесей. Присутствие механических частиц в воде может вызвать:

q повреждение насосов, радиаторных вентилей или другой техники;

q коррозию под осевшими крупными частицами или слоем шлама.

Приведенные выше рецепты не решают всех проблем, но могут помочь во многих случаях.

Грамотно спроектированная и смонтированная система, как правило, сама удаляет большую часть воздуха в течение нескольких дней после запуска и обеспечивает низкие концентрации воздуха внутри в процессе работы. Устройства удаления газов являются обязательными в современных системах отопления и водоснабжения. Только тщательное удаление воздуха при наполнении и эффективная дегазация в процессе работы могут обеспечить надежную и длительную работу системы. Это в особенности относится к сложным разветвленным системам, системам с потолочным охлаждением и подогревом полов. К наиболее распространенным устройствам дегазации относятся воздухоотводчики, сепараторы и деаэраторы. Ниже мы рассмотрим применение воздухоотводчиков и сепараторов.

Газы в системе

Любая система содержит внутри себя смесь теплоносителя и газа, который попадает внутрь как при наполнении системы, так и в процессе работы с водой подпитки, через мембраны расширительных баков, пластик или арматуру.

Газы могут находиться в воде в виде воздушных полостей, пузырьков и микропузырьков и в растворенном состоянии. В процессе заполнения системы газы собираются в верхних зонах, вытесняя воду. Если удаление воздуха не организовано как следует, там образуются воздушные пробки (рис. 1).

Концентрация растворенного в воде газа в равновесии определяется законом Генри и зависит от температуры и давления газа у поверхности жидкости. При снижении давления или увеличении температуры газ выходит из жидкости в виде пузырьков. При увеличении давления или снижении температуры газ растворяется в жидкости. Так как вода циркулирует внутри системы, попадая по пути в зоны с разным давлением и температурой, воздух внутри нее может переходить из растворенного состояния в пузырьковое и наоборот. Пузырьки переносятся в потоке теплоносителя. В большинстве случаев турбулентный поток достаточно силен и практически не дает возможности пузырькам всплывать (рис. 2). Микропузырьки практически не заметны для глаза по отдельности и кажутся в массе молочной смесью. Пузырьки имеют тенденцию прилипать и объединяться друг с другом на твердой поверхности.

Воздухоотводчики

Для эффективного использования воздухоотводчиков необходимо принимать во внимание, что эти устройства предназначены в основном для стравливания воздуха при заполнении системы водой и для удаления накапливающихся воздушных полостей и пробок в процессе работы. Они не предназначены для удаления воздуха из потока воды (см. ниже раздел «Оптимальная инсталляция») и размещаются в верхних точках системы, в местах локального возвышения и на радиаторах.

Воздухоотводчики наряду с расширительными баками являются самыми уязвимыми элементами. В сложных системах с большим количеством воздухоотводчиков, установленных в труднодоступных для обслуживания и инспекции местах, сложно оценить качество их работы.

Простейшим элементом для удаления воздуха является ручной воздухоотводчик, открывающийся и закрывающийся вручную. Низкая цена (и иногда качество) зачастую не компенсирует трудоемкость обслуживания, особенно при расположении в наиболее высоких точках системы. Эти воздухоотводчики достаточно слабо защищены от блокирования грязью и механическими частицами. Не удаленные вовремя воздушные полости могут снова поглотиться водой при изменении режима работы системы, дополнительно стимулируя коррозию.

Автоматические поплавковые воздухоотводчики удаляют воздушные пробки и пузыри по мере их появления в автоматическом режиме. Большие воздушные пробки способны заблокировать циркуляцию в системе. Такие ситуации невозможны при использовании автоматических воздухоотводчиков, установленных в точках возможного накопления воздуха. Воздухоотводчики этого типа обеспечивают лучшую герметичность и защищены от попадания грязи.

На рис. 3 представлена конструкция автоматических поплавковых воздухоотводчиков (здесь и далее приводятся характеристики воздухоотводчиков и сепараторов одного из западных производителей – прим. ред. ). При образовании и росте воздушной подушки в верхней части камеры 6 воздухоотводчика поплавок 7. соединенный цепочкой с рычагом клапана 2. начинает опускаться. Клапан открывается и стравливает воздух через Т-образное отверстие 1 на выходе 4. Поплавок поднимается и клапан закрывается. Специальная конструкция гарантирует отсутствие течей. В случае, если это все же произойдет, вывинтив винт с флуоресцентным покрытием из гнезда 3 и вкрутив его в канал 1. можно заблокировать течь до устранения проблемы. Цветная шляпка винта будет сигналом нерабочего режима воздухоотводчика. Т-образное отверстие 1 для выхода воздуха не может быть заблокировано конденсатом, который сливается вниз через нижний канал. Прецизионный механизм клапана 2 с длинным рычагом и надежной защитой позволяет плавно регулировать скорость сброса воздуха. Большая конусная камера 6 снижает колебания поплавка при разрыве воздушных пузырей. Максимально возможный диаметр основания камеры 10 облегчает выпадение шлама из зоны турбулентности. Пластина 8 с тремя отверстиями снижает турбулентность в верхней зоне. Специальная конструкция поплавка 7 с гибкой подвеской устойчива и оптимальна для прохождения пузырьков наверх. Большой диаметр входного отверстия 9 снижает риск капиллярной блокировки пузырем (рекомендуется диаметр минимум ?’). Отбойник 5 препятствует попаданию грязи в механизм клапана.

Сепараторы воздуха и шлама

За более чем 30 лет с начала промышленного производства сепараторы для удаления воздуха и шлама стали стандартным элементом в котельных и тепловых сетях. Сепараторы обеспечивают удаление микропузырьков воздуха и шлама из потока воды. Сепараторы не требуют расходных материалов, энергии и сервисного обслуживания, они работают несколько десятков лет, имеют простую и надежную конструкцию без движущихся частей.

Универсальный сепаратор представляет собой металлический цилиндр с воздухоотводчиком наверху, вентилем для сброса шлама внизу и неподвижным механическим сепарирующим элементом внутри. Элемент внутри сепаратора обеспечивает быструю транспортировку микропузырьков наверх и осаждение нерастворимых частиц внизу при прохождении потока воды через сепаратор. Сепараторы разных фирм, как правило, отличаются разным типом сепарирующих элементов. В рассматриваемых сепараторах в качестве такого элемента используется лепестковая спираль с профилированной поверхностью из нержавеющей стали, установленной вертикально вдоль оси сепаратора (рис. 4).

Конструкция сепараторов этого типа обеспечивает:

q снижение скорости потока воды и создание зон покоя, тем самым создается возможность пузырькам воздуха подниматься наверх, а частицам шлама оседать под действием силы тяжести вниз.

q центробежный эффект – частицы шлама отжимаются к внешней стенке сепаратора и оседают на дно, микропузырьки концентрируются в центре и поднимаются вверх вдоль центрального канала.

q абсорбция микропузырьков на поверхности большой площади, их объединение и подъем наверх.

q небольшой и неизменный перепад давления (порядка 0,02 бар).

Автоматический поплавковый воздухоотводчик сепаратора выводит накапливающийся наверху воздух, а периодическое удаление шлама осуществляется вручную с помощью шарового вентиля внизу сепаратора. В обоих случаях система не разгерметизируется. При начальном заполнении системы водой большие воздушные пузыри быстро удаляются с помощью специального вентиля в корпусе воздухоотводчика. Сепаратор устанавливается вертикально. На рис. 5 представлена зависимость содержания воздуха в воде от времени работы наиболее эффективного, по данным дрезденского энерготехнического института (Германия), аппарата в тестируемой системе.

В соответствии с функциями существуют три типа сепараторов (рис. 6).

1. Сепараторы воздуха обеспечивают удаление микропузырьков из жидкости; устанавливаются в точках системы с максимальной температурой и минимальным давлением.

2. Сепараторы шлама обеспечивают удаление нерастворимых частиц (шлама) из жидкости; устанавливаются в начале контура циркуляции или перед устройствами, которые нужно защитить от шлама.

3. Комбинированные сепараторы воздуха и шлама обеспечивают одновременное удаление воздуха и шлама (удаление воздуха имеет приоритет по сравнению с функцией удаления шлама).

Основным параметром при выборе типоразмера является величина потока через сепаратор. Например, эффективная обработка потока 30 м 3 /ч обеспечивается сепаратором Ду 100 мм (при скорости потока 1 м/с). При увеличении скорости потока и том же объеме потока условный диаметр сепаратора должен быть увеличен.

Эффект глубокой очистки и дегазации достигается за счет неоднократного прохождения жидкости через сепаратор при циркуляции. Таким образом, сепараторы требуют циркуляционной схемы включения, в отличие от однопроходной в случае использования механических фильтров. С помощью сепараторов можно добиться практически полного удаления шлама с размером частиц до 10 мкм. Их гидравлическое сопротивление в процессе работы близко к нулю и практически не меняется.

Эффект применения сепараторов для дегазации системы зависит от грамотного выбора места установки.

Оптимальные схемы установки

Для оптимальной работы воздухоотводчиков и сепараторов в качестве устройств дегазации необходимо учитывать, что воздухоотводчики предназначены для удаления воздушных пузырей и пробок, а сепараторы помимо этого улавливают микропузырьки непосредственно из потока и удаляют их из системы, т.е. производят активную дегазацию системы.

На рис. 7 представлены скорости дегазации из потока при инсталляции воздухоотводчиков в разных зонах системы в сравнении с сепаратором. Расположение приборов указано на схеме рис. 8.

Из данных рис. 7 видно, что скорость дегазации сепаратора на порядки превышает скорости дегазации воздухоотводчиков в разных позициях. Воздухоотводчики должны устанавливаться в местах возможного скопления воздуха в верхних точках (рис. 9). Но они не могут полностью решить задачу дегазации, особенно в случае сложной геометрии системы.

Так как сепараторы удаляют воздух находящийся только в микропузырьковом состоянии и из воздушных полостей, для дегазации системы их необходимо устанавливать в тех зонах, где возможно образование микропузырьков.

Поскольку давление и температура в разных точках системы разные, необходимо предварительно определить зоны, где могут образовываться пузырьки, как правило, это места с наивысшей температурой и минимальным давлением. В этих точках микропузырьки могут генерироваться естественным образом. Только в этих зонах сепараторы могут эффективно удалять газы. Таким образом, эффективность применения микропузырьковых сепараторов увеличивается при снижении статической высоты и увеличении температуры в точках их размещения. Если давление превышает пороговое и воздух не переходит в микропузырьковую форму даже при повышении температуры, применение сепараторов для дегазации в этих зонах неэффективно.

Сепараторы воздуха рекомендуется устанавливать после нагревательных элементов (например, котлов) в системах отопления либо в нагретом обратном потоке в системах охлаждения в наиболее высоких точках.

При установке сепараторов воздуха желательно, чтобы статическое давление в зоне установки не превышало указанные в таблице значения при данной температуре.

При установке сепаратора воздуха в оптимальной точке через некоторое время после начала работы концентрация микропузырьков в данной точке теоретически стремится к нулю (рис. 7). При этом вода в остальных частях системы становится ненасыщенной и поглощает воздух в зонах, где он находится или появляется в свободном состоянии, например из пробок. При циркуляции, когда эта порция воды попадает в зону расположения сепаратора, новые микропузырьки снова удаляются сепаратором. Таким образом, с помощью одного сепаратора воздуха, установленного в оптимальном месте, можно удалить воздушные полости из всего контура и провести его дегазацию. Конечная концентрация газов будет равна величине равновесной концентрации в точке установки сепаратора при данных температуре и давлении.

Сепараторы шлама обычно устанавливаются перед прибором, который надо защитить от грязи или в начале контура циркуляции (рис. 10, сепаратор слева от котла).

При достаточной скорости циркуляции (но не выше оптимальной для сепарации), когда большая часть нерастворимых частиц переносится в потоке, можно добиться практически полной очистки от шлама всей системы.

Сепараторы данной конструкции позволяют использовать их либо для удаления шлама, либо, поменяв местами воздухоотводчик и шаровой вентиль, для дегазации.

Сепараторы с магнитными ловушками

Сепараторы с магнитными ловушками (рис. 11) улавливают нерастворимые примеси железа в воде намного эффективней, чем обычные сепараторы. Стержень с мощным магнитом вставляется снизу снаружи в гильзу сепаратора и вынимается перед операцией вымывания шлама без нарушения герметичности системы. Магнитный стержень отделен стенками гильзы от воды и не требует очистки или защиты от коррозии. Гильза сделана из немагнитного материала, поэтому магнетит оседает вниз и затем шлам смывается через вентиль. Для эффективного вымывания вентиль смещен от центра (создание вихревого эффекта).

Вместо заключения

Диапазон производимых моделей сепараторов позволяет использовать их как для небольших объектов, например коттеджей, так и для защиты объектов мощностью несколько мегаватт и величин потоков несколько сотен кубометров в час, например, крупных котельных и систем водоподготовки. На рис. 12 приведены примеры установки сепараторов.

В системах горячего водоснабжения, как правило, необходимо использовать дополнительные системы защиты от коррозии. Применение сепараторов для дегазации (в верхней точке системы) и удаления шлама (внизу перед циркуляционными насосами или теплообменниками) позволяет достаточно просто и надежно избавиться от свищей, ржавой воды и других проблем.

1. Gase in kleinen und mittleren Wasserheiznetzen. Technische Universitat Dresden, Institut fur Energietechnik, koordinierter Schlussbericht, AiF Forschungsthema Nr. 11103 B, November 1998.

2. Vermeidung von Schaden in Warmwasserheizungsanlagen, wasserseitige Korrosion. VDI 2035 Bl. 2, Beuth Verlag GmbH, September 1998.

3. Modern hydronic heating for residential and light commercial buildings / by John Siegentaler,1995.

По материалам сайта: http://www.rosteplo.ru