Подготовка воды для системы отопления. Выбор теплоносителя
Заполняя систему отопления, мы должны знать, каково качество воды, ведь оно в значительной мере может влиять на протекание процесса коррозии
. Например, железо и сталь скорее подвержены коррозии в кислотной среде, чем в щелочной, а алюминий одинаково в кислотной и в щелочной среде утрачивает свое защитное покрытие и также начинает быстро коррозировать. Перед наполнением системы отопления следует определить pH воды
.
Уровень pH
должен быть большим от 7,5 и, соответственно, составлять:
В системе отопления из меди и медесодержащих материалов pH
=8,0-9,5
. в системе отопления с алюминиевыми обогревателями
pH = 8,0-8,5
После заполнения водой системы отопления, вода „привыкает” к специфическим условиям системы. Эта реакция постепенна, вода со временем сама улучшает свое качество. Если ее показатели сразу после запуска в систему отопления несколько отличаются от указанных параметров, следует подождать, пока система сама себя не урегулирует и после нескольких дней работы проверить еще раз.
- Контроль качества воды для системы отопления
Правильная подготовка воды для системы отопления очень важна для владельцев частных домов, ведь отсутствие должного внимания к выбору теплоносителя может неблагоприятно сказаться на состоянии всех элементов отопительной системы.
- разрушением стенок труб и котла из-за реакции с химически активными веществами;
- коррозией материала и образованием накипи;
- выходом из строя радиаторов и теплообменников;
- ухудшением проходимости теплоносителя и снижением скорости воды в отдельных элементах системы;
- снижением показателя теплоотдачи до 20-25%;
- перерасходом топлива
Для систем отопления требуется особенная вода, прошедшая все стадии очистки и обработки. Предварительная водоподготовка для системы отопления позволит избежать преждевременного ремонта котельной, замены радиаторов и котла.
- Какую воду можно заливать в систему отопления?
Определить химический состав и пригодность выбранного вами теплоносителя можно путем проведения специализированных тестов. Данные услуги предоставляют сертифицированные лаборатории, гарантируя высокую точность и достоверность данных.
Определив концентрацию реагентов в составе теплоносителя необходимо привести их значение к определенному уровню:
- Наличие растворенного кислорода около 0,05 мг/куб.м. либо его полное отсутствие.
- PH или степень кислотности в пределах 8.0 — 9.0
- Содержание железа не более 0,5-1 мг/л
- Показатель жесткости около 1,5-2,5 мг экв/л
Концентрацию всех веществ необходимо проверять как минимум один раз в полгода.
Болезнетворные микроорганизмы, содержащиеся в воде, могут значительно ухудшить качество теплоносителя и образовать на стенках системы слизистую пленку, мешающую работе системы.
Не следует забывать о некоторых свойствах воды: полностью обессоленная мягкая вода с повышенной кислотностью является идеальной средой для образования коррозии за счет присутствия кислорода и диоксида углерода.
Алюминиевые радиаторы очень удобны: они компактны, эстетичны, обладают малой инерционностью и очень высокой теплоотдачей. Теплопроводность изделий из алюминиевых сплавов — 202-236 Вт/(м⋅K). Из металлов, используемых для изготовления радиаторов, выше эта величина только у меди: 382-390 Вт/(м⋅K). У других материалов теплопроводность ниже в разы. При этом алюминий как сырье примерно в два раза дешевле меди.
В то же время с алюминиевыми радиаторами связано множество предрассудков, основанных на незнании потребителем природы химических процессов, происходящих внутри отопительной системы, — существует, например, устойчивое мнение, что с алюминиевыми радиаторами нельзя использовать медные и оцинкованные трубы. Но почему и какому из материалов от этого будет хуже — знают не все. Известно также, что алюминий предъявляет высокие требования к pH теплоносителя. Насколько это серьезно и чем грозит превышение? Попробуем разобраться.
Если не брать в расчет ошибки при расчетах максимального давления, гидроудары и производственный брак, самой распространенной проблемой в алюминиевых радиаторах является т.н. «завоздушивание», в результате которого повышается нагрузка на воздухоотводчик, увеличивается объем подпитки, при неблагоприятном раскладе может лопнуть секция.
На самом деле, выделяющийся газ — это водород H2, продукт взаимодействия алюминия с разнообразными веществами. Происходит данный процесс в трех случаях: реакция алюминия с теплоносителем-водой, реакция алюминия с теплоносителем-гликолем, электрохимическая коррозия алюминия.
Водородный показатель
В первую очередь, возникает вопрос, каким образом алюминий вообще может вступать в реакцию с чем бы то ни было: ведь на воздухе (т.е. сразу после изготовления на заводе) на его поверхности образуется тонкая прочная беспористая оксидная пленка Аl2О3, защищающая металл от дальнейшего окисления и обусловливающая его высокую коррозионную стойкость.
Кроме того, производители дополнительно покрывают внутренние поверхности радиаторов различными составами, препятствующими доступу теплоносителя к алюминию. Поэтому, чтобы «добраться» до металла, надо сперва разрушить оксид.
Самый простой способ — механическое воздействие твердых частиц, которые могут присутствовать в теплоносителе: они вызывают абразивный износ и разрушают защитный слой на внутренней поверхности прибора. Данная проблема легко решается установкой фильтров и грязевиков в нужных местах отопительной системы.
Более интересную ситуацию представляет собой «химическая атака». Она связана с амфотерностью оксида алюминия, т.е. его способностью проявлять как кислотные, так и основные свойства: взаимодействовать как с щелочами, так и с кислотами с образованием солей, хорошо растворимых в воде (это значит, что они не остаются на металле, а поступают в теплоноситель). Пример реакции с кислотой (свойства основного оксида):
Al 2 O 3 + 6HCl ⇒ 2AlCl 3 + 3H 2 O.
Пример реакции с водным раствором щелочи (свойства кислотного оксида):
Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O ⇒⇒ 2Na.
Взаимодействует оксид алюминия, правда, не со всеми соединениями: так, серная или азотная кислоты разрушения пленки не вызовут.
Важнейшим индикатором наличия в воде растворенных кислот является водородный показатель pH (по первым буквам латинских слов potentia hydrogeni — сила водорода или pondus hydrogenii — вес водорода) — концентрация ионов водорода H + в растворе, количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный (взятый с обратным знаком) десятичный логарифм активности водородных ионов в молях на литр:
Вообще, в химии сочетанием pX принято обозначать величину, равную -lgX, а буква H в данном случае обозначает концентрацию ионов водорода H + . Несколько меньшее распространение получила обратная pH величина — показатель основности раствора pOH, равный отрицательному десятичному логарифму концентрации в растворе ионов OH - : pOH = -lg.
В чистой воде при 25 °C величины концентрации ионов водорода H + и гидроксидионов OH - одинаковы и составляют 10 -7 моль/л. Это напрямую следует из определения ионного произведения воды, гласящего, что произведение концентраций ионов водорода Н + и ионов гидроксида OH - в воде или в водных растворах при определенной температуре равно константе Kв. Нормальными условиями принято считать 25 °C, при которых K в = 10 -14 моль 2 /л 2 . Таким образом, при 25 °C — pH + pOH = 14.
Когда концентрации обоих видов ионов в растворе одинаковы, говорят, что раствор имеет нейтральную реакцию. При добавлении к воде кислоты концентрация ионов водорода увеличивается, а концентрация гидроксидионов, соответственно, уменьшается. При добавлении основания, наоборот, повышается содержание гидроксидионов, а концентрация ионов водорода падает. При > раствор называют кислым, при > — щелочным.
Для удобства представления, чтобы избавиться от отрицательного показателя степени, вместо концентраций ионов водорода пользуются их десятичным логарифмом, взятым с обратным знаком, который и назвали водородным показателем pH.
При более высоких температурах константа диссоциации воды повышается, соответственно увеличивается ионное произведение воды, поэтому нейтральной оказывается pH < 7 (что соответствует одновременно возросшим концентрациям как H + , так и OH -); при понижении температуры, напротив, нейтральный pH возрастает. В табл. 1 и на рис. 1 показаны изменения значения нейтрального pH в чистой воде в зависимости от температуры.
При сильных отклонениях значения pH от нейтрального можно с достаточной степенью уверенности говорить о наличии в воде растворенных кислот или оснований, которые могут вступать в реакцию с оксидом алюминия или с защитным покрытием, нанесенным производителем, разрушая их и обнажая алюминий. Из этого следует также, что применять химические реагенты для контроля жесткости теплоносителя в случае с алюминиевыми радиаторами надо с большой осторожностью. В идеале вода должна быть дистиллированной.
Реакция алюминия с теплоносителем
Если оксид алюминия Al 2 O 3 с классическими окислителями в реакцию не вступает, сам алюминий после контакта с водой преобразуется в гидроксид (тоже, к слову, амфотерное соединение) с выделением водорода:
2Al + 6H 2 O ⇒ 2Al(OH) 3 + 3H 2 .
Если же pH теплоносителя далек он нейтрального, этот же газ будет выделяться в качестве продукта реакции алюминия с щелочами и некоторыми кислотами с образованием растворимых солей:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O ⇒
⇒ 2Na + 3H 2 ,
2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 .
Если в качестве теплоносителя используется незамерзающая жидкость, то ситуация будет сходная. При взаимодействии водного раствора этиленгликоля, самого распространенного антифриза, с алюминием происходит замещение гидроксильного водорода на металл и выделение свободного водорода Н 2 .
Электрохимическая коррозия
Электрохимическая коррозия — наиболее распространенный вид коррозии металлов. При контакте двух металлов, обладающих разными электродными (электрохимическими) потенциалами и находящихся в электролите, образуется гальванический элемент (рис. 2). Поведение металлов зависит от значения их электродного потенциала. Металл Me, имеющий более отрицательный электродный потенциал (анод), переходит в качестве положительно заряженных ионов Men + в раствор. Избыточные электроны ne - перетекают по внешней цепи в металл, имеющий более высокий электродный потенциал (катод). Катод при этом не разрушается, а электроны из него ассимилируются какими-либо ионами или молекулами раствора (деполяризаторами D), способными к восстановлению на катодных участках. Чем ниже электродный потенциал металла по отношению к стандартному водородному потенциалу, принятому за нулевой уровень, тем легче металл отдает ионы в раствор, тем ниже его коррозионная стойкость. Значения электродного потенциала Е 0 некоторых элементов приведены в табл. 2. Расположение металла выше (хотя обычно говорят «левее») водорода означает, что он способен вытеснить водород из соединений (воды, кислот и пр.).
Теперь рассмотрим конкретный пример: пару «медь-алюминий». Сразу отметим, что для возникновения разности потенциалов требуется непосредственный контакт двух металлов (алюминиевый радиатор и медный фитинг), а не просто наличие их в системе (алюминиевый радиатор, медный теплообменник, металлопластиковые трубы). Во втором случае имеет место разрыв цепи, поэтому электроны никуда перетекать не смогут. Использование диэлектрических вставок — самый надежный способ предотвращения неконтролируемой миграции заряженных частиц.
И еще одно замечание, касающееся направления движения электролита: реакция пойдет лишь в случае, если анод расположен «ниже по течению» относительно катода (медный фитинг на входе в алюминиевый радиатор). Правда, если будут моменты простоя системы без движения теплоносителя, это замечание значения не имеет.
Алюминий обладает большей способностью отдавать электроны по сравнению с медью, что видно из значений их стандартных электродных потенциалов (-1,66 и +0,34 соответственно). Следовательно, в случае замкнутой цепи медь является катодом, а алюминий — анодом (рис. 3). Ионы алюминия Al 3+ из кристаллической решетки переходят в раствор, образуя вместе с гидроксидионами OH - гидроксид алюминия Al(OH) 3 , а электроны поступают в медь. Оторванные от воды потерявшие электрон ионы водорода H + используют их для объединения в молекулу H 2 . Коррозия алюминия продолжается, т.к. электроны непрерывно уходят из него, смещая тем самым равновесие в сторону образования ионов. Ход электрохимического процесса определяется разностью потенциалов элемента. Для пары «медь-алюминий» разность потенциалов составляет 2 В. Если взять пару «цинк-алюминий», то разность будет менее значительной — 0,9 В, а, значит, реакция пойдет в два раза медленнее.
Подведем итоги
Если при проектировании и монтаже будут приняты меры по предотвращению описанных выше процессов, алюминиевые радиаторы отлично прослужат десятки лет. Изолирующие диэлектрические вставки и контроль состава теплоносителя позволят заказчику наслаждаться отопительным прибором с множеством положительных характеристик: высокая теплоотдача, пластичность (т.е. устойчивость к гидроударам), небольшой вес, возможность легко изменять мощность путем добавления или удаления секций и пр.
>>> Также читайте по теме в журналеСегодня на рынке отопительных радиаторов между собой активно конкурируют различные отопительные приборы. В борьбе за покупателя важны все характеристики изделий: стоимость, внешний вид, эксплуатационные и технические характеристики.
Необходимо отметить, что не все импортные или отечественные приборы способны выдержать условия работы в сетях центрального отопления в нашей стране. В России расчётная температура теплоносителей в системе, выполненной по однотрубной схеме, равняется 105 градусам, а в многоэтажных зданиях давление может поддерживаться на уровне 10 атм., а иногда может и превышать это значение. Необходимо учесть возможность гидравлических ударов в момент пуска насосного оборудования и плохое качество воды, содержащей много кислорода, различных солей, щёлочь, железо, взвешенные частицы.
Большинство требований, предъявляемых современными радиаторами к теплоносителям, в условиях открытой системы отопления обеспечить невозможно. Однако, даже строгое соблюдение норм, изложенных в документе, регламентирующем параметры воды в системе теплоснабжения в России, не гарантирует соответствие параметров теплоносителя тем параметрам, которые необходимы для обеспечения длительной и эффективной службы отопительных приборов. Например, для алюминиевого радиатора допустимое значение pH составляет 7-8, а документ допускает значение pH от 8,3 до 9,5.
Но ситуация в российском теплоснабжении претерпевает некоторые изменения. Более частым стало применение закрытых расширительных баков, двухтрубной системы, автономных, низкотемпературных, независимых систем отопления. Поэтому на российском рынке востребованы качественные радиаторы различного типа. Просто необходимо применять их в системе с соответствующими параметрами. Обычно все радиаторы делят на группы по материалу, который использовался при их изготовлении – чугунные, алюминиевые, биметаллические и стальные радиаторы отопления.
Чугунные радиаторы являются традиционными для нашей страны отопительными радиаторами. Их главное преимущество заключается в возможности использовать их в открытых системах. Чугунные секционные отопительные радиаторы наименее чувствительны к опорожнению системы. Благодаря повышенному содержанию кремния в поверхностном слое, чугун в необработанном виде не поддаётся коррозии и стоек к воздействию твёрдых частиц. Но гидравлические удары опасны для чугунных радиаторов, так как чугун - довольно хрупкий материал. В наше время на рынке представлены модели, которые способные работать под давлением от девяти до двенадцати атм. и максимальной температурой теплоносителя 110°С.
Чугунные радиаторы отличаются высокой теплопроводностью и тепловой инерционностью. Тепловую инерционность следует отнести к существенным недостаткам при современных системах отопления. Сегодня отопительные приборы всё чаще оснащаются термостатическими вентилями, которые позволяют изменять расход теплоносителя. Чугунный радиатор при закрытии вентиля долго остывает, а после его открытия - долго разогревается.
Стальные радиаторы отличаются низкой тепловой инерционностью и высокой теплоотдачей. Но они весьма чувствительны к содержанию кислорода, растворённого в теплоносителе. Поэтому использовать стальные радиаторы рекомендуют в закрытых сетях отопления. После опорожнения системы усиливается коррозия этих отопительных приборов. Эксплуатационные характеристики стальных радиаторов находятся в зависимости от толщины стенок и конструкции.
Стальные радиаторы бывают трубчатые, секционные и панельные . В секционных стальных радиаторах секции выполняются из листовой стали. Их легко очищать от пыли, но они не выдерживают давление выше шести атмосфер. Трубчатые радиаторы наиболее прочные. Они рассчитаны для работы при давлении 10-15 атм. и способны обеспечить высокий тепловой комфорт. Панельные радиаторы являются относительно недорогими и эффективными отопительными приборами, рассчитанными на давление семь-восемь атмосфер и температуру 110°С. Помимо чувствительности к воздействию кислорода панельные радиаторы подвержены загрязнению. Поэтому установка фильтров будет целесообразным решением. Стальные радиаторы являются самыми дорогими за исключением чугунных радиаторов эксклюзивных серий.
Биметаллические радиаторы имеют алюминиевую наружную поверхность и оребрение, а проводящие каналы выполнены из стали. Такая конструкция позволяет снизить теплоотдачу и увеличить прочность изделия. На рынке представлены модели, которые способны работать при давлении в 35 атм., а допустимое значение pH для них составляет от шести с половиной до девяти с половиной. Наиболее надёжными являются те биметаллические радиаторы, в которых теплоноситель контактирует только со сталью.
И, наконец, алюминиевые радиаторы отопления. Малый вес это одно из достоинств этих радиаторов. Благодаря
этому на установку будет уходить минимум времени и сил. Они изготовлены из материала, который сочетает в себе низкую тепловую инерционность
с высокой теплопроводностью. Алюминиевые радиаторы способны быстро реагировать
на произошедшие изменения потребности помещений в тепле. Существуют модели способные
работать при давлении в 20 атм. Довольно жёсткие требования предъявляют алюминиевые
радиаторы к теплоносителю. Значение pH для них должно составлять 7-8. Для алюминия
опасны твёрдые частицы, способные вызвать абразивный износ радиатора и разрушить
его защитный слой. В системе с алюминиевым радиатором устанавливают дополнительные
фильтры и грязевики.
В зависимости от технологии производства алюминиевые радиаторы бывают литые
под давлением
или прессованные (экструзионные)
. Вторые выдвигают
к качеству теплоносителя более высокие требования. Поэтому специалисты не рекомендуют
их установку в сетях центрального отопления.
Необходимо обратить внимание на то, что алюминий способен образовывать гальванические
пары при контакте с некоторыми металлами, в частности с медью, широко используемой
в сантехнических системах. Одни специалисты считают, что в системе отопления
с медной разводкой и алюминиевым радиатором не будет происходить ускоренная
коррозия, а НИИ сантехники рекомендует использовать чугунные, бронзовые или
латунные переходники с целью не допустить контакт меди и алюминия. В алюминиевых
радиаторах скапливается водород. Поэтому их необходимо оснащать воздухоотводчиками,
из которых следует периодически выпускать газ.
Не стоит забывать и про элегантность – если ваша квартира оформлена в модном
стиле хай-тек, можно даже не скрывать радиаторы за шторами – их серебристый
цвет великолепно дополнит общий интерьер помещения.