Problematika koroze otopných těles ze slitin hliníku instalovaných v otopných soustavách

1. Úvod
Proti negativním argumentům působí argumenty pozitivní, a to výtečná tepelná vodivost hliníku a jeho slitin a tudíž rychlejší náběh tělesa stejně jako dobrou korozní odolnost, pokud jsou dodrženy zásady správné praxe. V tomto příspěvku bych rád uvedl některé výše citované argumenty na pravou míru.

2. Koroze a otopná soustava
Koroze může probíhat pouze tehdy, když energie původních složek korozních systémů je větší než energie korozních produktů. Téměř všechny kovy jsou z termodynamického hlediska nestabilní.

Koroze se u těles ze slitin hliníku projevuje nejčastěji jako důlková, bodová a v podobě korozních trhlin. Dochází k porušení pasivní vrstvy a vznikají aktivní korozní centra. Koroze v těchto místech napadá materiál do značné hloubky.

Koroze v elektricky vodivém prostředí (otopná voda) je umožněna existencí iontů, které vzniknou disociací korozního prostředí. Při vlastní korozi probíhá řada oxidačních a redukčních dějů. Každá korozní reakce může být rozdělena na dílčí reakce - anodickou a katodickou. Při anodické reakci dochází k oxidaci kovu a tedy k vlastní korozi materiálu. Při katodické reakci jsou v roztoku redukovány některé složky korozního prostředí. Katodická i anodická reakce jsou na sebe vázány a probíhají současně, tj. elektrony uvolněné při anodické reakci jsou spotřebovány redukční reakcí. Všechny druhy koroze kovů a slitin v elektricky vodivém prostředí jsou svou podstatou elektrochemické děje, jejichž základem jsou oxidační (anodické) a redukční (katodické) reakce v otopné vodě. Představa, že anoda a katoda musí být od sebe odděleny, je nepřesná, neboť u "galvanických" článků mohou reakce probíhat na témže místě i na úplně homogenním povrchu. Lépe tomuto ději odpovídá představa mikroelektrod atomového rozměru, kde se anoda a katoda ve funkci nahodile střídají.

Korozní prostředí je charakterizováno svými fyzikálně-chemickými vlastnostmi. V otopné vodě jsou rozpuštěny různé chemické látky kyselého i zásaditého charakteru, mechanické nečistoty, kaly, soli různých látek a různé plyny, které přímo ovlivňují intenzitu koroze.

3. Hliník a koroze v otopné soustavě
Hliník a jeho slitiny jsou v neutrální a kyslíku prosté vodě odolné vůči korozi. V takovéto vodě by použití otopných těles z různých slitin hliníku nepůsobilo žádné problémy.
Při vnikání kyslíku do otopné vody, která reaguje neutrálně, musíme již počítat s bodovou korozí, neboť potřebný obsah iontů chloridu je obsažen prakticky v každé vodě. Ve zcela demineralizované vodě by tento problém nenastal.

Nepřítomnost kyslíku v otopné vodě však sama o sobě neposkytuje záruku bezproblémového použití otopných těles ze slitiny hliníku. Především u zásadité (alkalické) reakce otopné vody, která se běžně vyskytuje při opatřeních na straně vody vzhledem k ochraně ocelových částí, se může podle

Al + 3H₂O + NaOH → Na[Al (OH)₄] + 3/2H₂

projevit jako silně korozivní s významným vývinem vodíku.

Prokorodování stěny v podobě bodové koroze se projeví především u kotlů, které mají teplosměnnou plochu ze slitin hliníku. Markantní je tento jev při použití plastových trubek bez zábrany proti difúzi kyslíku a zásaditě reagujících inhibitorů přidávaných do otopné vody. V oblasti otopných těles a směšovačů ze slitin hliníku, u kterých z konstrukčních či projektových důvodů vzniká turbulentní proudění, se ke škodám způsobeným zásaditou otopnou vodou přidávají ještě škody erozivní. Protože hlinitan sodný podle

Na[Al (OH)₄] → Al (OH)₃ + Na⁺ + OH^-

se rozpadá za vzniku hydroxidu hlinitého, což způsobí pokles alkality, vede v některých případech k provozním poruchám způsobených vznikem kalu hydroxidu hlinitého. U otopných těles ze slitin hliníku není hlavním problémem jejich koroze jako taková, neboť stěna těles je dostatečně silná, aby zajistila jejich dlouhou životnost. Hlavním problémem jsou produkty korozivní reakce, tj. vývin vodíku a vznik korozivních kalů hydroxidu hlinitého, které způsobují většinu provozních potíží v soustavách s hliníkovými tělesy.

Pokud je v otopné vodě dostatečné množství kyslíku, nemusejí části ze slitin hliníku utrpět pouze korozí bodovou a trhlinovou. V zásadité otopné vodě s pH hodnotou nad 8,2 může hliník přímo korodovat, neboť jeho ochranná vrstva se rozpouští a nechráněný hliník koroduje za působení ve vodě rozpuštěného kyslíku.

AL (OH)₃ + OH^- ↔ AL (OH)₄^-

Nyní nechráněný hliník koroduje za vzniku vodíku. Ve změkčené vodě s pH hodnotou od 8,5 se naměřily úbytky na stěně otopného tělesa ze slitiny hliníku při teplotě od 40 do 70 °C v rozmezí od 0,3 do 0,4 mm za rok.

4. Smíšené instalace
Na rozdíl od instalací pitné vody mohou společné instalace ocelového a měděného potrubí v otopné soustavě přivodit mnohé problémy. Jak ukazuje zkušenost se smíšenými instalacemi, vystupuje zde nejen mědí indukovaná koroze ve štěrbinách, ale rovněž dotyková koroze.

Značně nejistá je společná instalace slitin hliníku a částí z mědi. Přesto, že bude obsah kyslíku ve vodě minimální, vstupuje díky uzavřenému okruhu do korozivní reakce i měď a působí bodovou a štěrbinovou (korozní trhliny) korozi u hliníkových těles. Protože si nemůžeme nikdy být zcela jisti stran technického řešení a hlavně vlastního provedení soustavy eliminujícího vstup kyslíku do otopné vody, celá korozivní reakce se přítomností kyslíku ještě urychlí.

Pokud obsahuje voda již malé množství kyslíku, měď reaguje a působí korozi ve štěrbinách hliníkových částí. Pokud není vstup vzdušného kyslíku do otopné soustavy zcela bezpečně řešen, raději na smíšenou instalaci zapomeňme.

5. Vodní obsah otopných těles ze slitin hliníku a otopná soustava
V uvedené experimentální studii [1] se autoři zabývali čtyřmi parametry: objem kotle, spínací diference regulátoru, hmotnostní průtok soustavou a vodní objem soustavy. Nás bude především zajímat vodní objem soustavy, neboť použití hliníkových otopných těles oproti deskovým tělesům vodní objem soustavy zvětšuje.

Vodní obsah soustavy hraje významnou roli. Výrazně snížíme četnost sepnutí kotle např. u zařízení s velkou spínací diferencí a s velkým průtokem soustavou, když namísto konvektorů či maloobjemových deskových otopných těles navrhneme tělesa článková s větším objemem. Na druhou stranu jsou však kombinace, které nezmění či dokonce značně zvětší četnost spínání hořáku.

Poznatky z experimentu ukazují, že při snaze o snížení četnosti sepnutí kotle musíme zohlednit všechny parametry a to jak při volbě kotle, tak při návrhu otopné soustavy. Pouze tak jsme schopni navrhnout optimální zařízení respektující úspory energie, požadovaný komfort a minimalizaci provozních nákladů. Tzv. výhoda či nevýhoda stran objemu otopných těles ze slitin hliníku se tak stává nejednoznačnou a nekategorizovatelnou, neboť objem musíme posuzovat vždy v souladu s ostatními parametry soustavy a zdroje tepla.

6. Dynamika náběhu otopných těles
Setrvačnost náběhu T [min] - vyjadřuje dobu potřebnou k dosažení jmenovitého tepelného výkonu při přivádění vody o jmenovité vstupní teplotě a o jmenovitém průtoku při jmenovité teplotě okolí.

Obr. 1 Setrvačnost náběhu pro různá otopná tělesa

Tato hodnota je důležitá pro zjišťování rychlostí odezvy otopného tělesa na regulační zásah. Jako porovnávací kritérium pak slouží setrvačnost náběhu T₉₀ při dosažení 90 % výkonu a T₆₃ při dosažení 63 % výkonu tělesa. Spolehlivě lze tuto hodnotu zjistit pouze měřením. Obecně lze říci, že setrvačnost náběhu různých těles leží pod jednou hodinou. Na obr. 1 jsou ukázány průběhy natápění různých těles od jejich nulového výkonu do výkonu jmenovitého (100 %). Z průběhu lze procentuálně určit dosažený výkon za určitou dobu natápění, resp. momentální výkon v čase. Je zde patrný rozdíl mezi tělesy s vysokou konvekční složkou a malým vodním obsahem (např. desková tělesa s konvekčními plechy) a tělesy s velkým vodním obsahem jako jsou článková.

Setrvačnost náběhu je rozhodujícím parametrem vzhledem k rychlosti odezvy na regulační zásah. Podle hodnot na obr. 1 je patrné, že hliníková a desková tělesa mají srovnatelnou a rychlou odezvu na zásah termostatického regulačního ventilu či na centrální kvalitativní nebo kvantitativní regulaci.

7. Obecná doporučení při instalaci otopných těles ze slitin hliníku
Zavzdušňování otopných soustav je vždy známkou probíhající koroze, kterou nelze posuzovat jako nezávislý jev, ale vždy v systému kov - teplonosná látka. U chemické koroze probíhá oxidace kovu a redukce okysličující složky v jednom aktu. Elektrochemická koroze je jevem depolarizačním. V průběhu koroze se vytvářejí hydratované kysličníky a materiály různého potenciálu (hliník, měď, ocel) vytvářejí při vodivém spojení galvanický článek. Vytvářejí se tak kysličníky, které přecházejí reakcí s vodou za daných podmínek tzv. Schikorrovou reakcí na magnetit a plynný vodík. U hliníku rovněž dochází za vhodných podmínek ke katodické reakci, tj. k vybíjení iontů vodíku z otopné vody depolarizací, při které se vyvíjí plynný vodík. Následkem toho dochází k zavzdušňování nejvýše umístěných otopných těles směsí vzduchu s vodíkem. Obsah vodíku v této směsi se nejčastěji pohybuje v rozmezí od 5 do 50 % objemových. Unikající plyn při odvzdušňování soustavy lze tak většinou zapálit a ten hoří jasným plamenem.

Pro tvorbu ochranné vrstvy u otopných těles ze slitin hliníku je třeba zahájit provozování otopné soustavy ihned po naplnění vodou a provedení tlakové zkoušky, neboť do teploty 50 °C se tvoří bayerit Al(OH)₃, který nemá tak dobré vlastnosti jako böhmit AlOOH a navíc stěžuje v dalším provozu tvorbu ochranné vrstvy, což se projevuje zvýšenou tvorbou vodíku. Po zátopu je potřebné udržovat teplotu vody na výstupu z kotle mezi 70 až 80 °C bez většího kolísání teplot a odstavování soustavy. Vzhledem k této skutečnosti jsou nevhodné plynové agregáty, které pracují s regulací zapnuto - vypnuto. Při vyšší alkalitě otopné vody v soustavě se narušuje ochranná vrstva a dochází k rozpouštění hliníku za vzniku hlinitanů. Reakce otopné vody v soustavě musí být v rozmezí pH hodnoty od 4,5 do 7,5. V žádném případě nesmí překročit hodnotu 8,5.

Tvrdost otopné vody (ionty vápníku a hořčíku) nemá přesahovat 4 mval/l (2 mmol/l Ca²⁺ + Mg²⁺). Je naprosto nevhodné používat vodu studniční a není li zbytí musí se ředit vodou destilovanou. V soustavách, kde je použita směs materiálů jako hliník, měď ocel, litina je nutno použít speciálních inhibitorů. Rovněž je nutné zamezit vytváření galvanických článků vložkami nebo těsněním z neutrálních materiálů jako je např. silikon. Pouhé zašroubování napakovaného radiátorového šroubení či ventilu do otopného tělesa ze slitin hliníku je nevhodné. Rovněž je naprosto nevhodné používání slitin ALZn₃.

Je potřebné zajistit, aby otopná voda byla zbavena kyslíku a provozní podmínky zařízení to musí zaručovat. Potrubí z plastů musí být odolné proti difúzi kyslíku. Vždy však automatická odvětrávací a přivětrávací zařízení dávají možnosti dalšího nekontrolovatelného přivedení kyslíku. Naprosto nevhodné i když někdy nutné je časté doplňování vody z vodovodního řadu. Prvky, které přivádějí a váží kyslík, jako je např. rez, kaly, zbytky svařovacích a pájecích prostředků a zbytky mořidel, musí být vyloučeny.

Průtočná rychlost otopné vody v soustavě má být konstantní v rozmezí 0,6 až 0,8 m/s. Při rychlosti teplonosné látky vyšší než 0,8 m/s se mohou vyskytovat v důsledku turbulence průřezové změny a erozní koroze.

Uvedená rizika a mezní podmínky při instalaci otopných těles ze slitin hliníku v otopných soustavách si vždy zaslouží zvláštní pozornost. Je patrné, že otopné soustavy s hliníkovými tělesy vyžadují mnohem větší pozornost jak projektanta tak provozovatele pojící se s vyššími pořizovacími i provozními náklady.