Wstęp

W zamkniętych instalacjach hydraulicznych związanych z centralami wentylacyjnymi– zarówno w instalacjach chłodzenia (woda lodowa, glikol), jak i ogrzewania (woda, glikol) –  szczególnie na etapie instalacji, uruchomienia i pierwszych tygodni pracy, następują duże zmiany ciśnienia.

Zmiany te wynikają z dwóch niezależnych procesów: rozszerzalności cieplnej czynnika oraz odpowietrzenia – czyli stopniowego usuwania powietrza z układu.

Napełniając instalację używamy najczęściej czynnika o temperaturze zbliżonej do pokojowej i musimy wówczas zdecydować do jakiego ciśnienia nabić układ, aby po ustaleniu się warunków w instalacji ciśnienie było jak najbardziej zbliżone do oczekiwanego ciśnienia pracy.

W tym artykule omówimy ogólny mechanizm tych zjawisk oraz przyjrzymy się czy i na ile możemy przewidzieć jakiego rzędu zmian możemy się spodziewać, aby oszczędzić sobie (lub ograniczyć) w przyszłości dodatkowych działań związanych z odpowietrzanie i uzupełnianie układu po uruchomieniu instalacji.

Dlaczego zmienia się ciśnienie czynnika przy zmianie temperatury?

Ciśnienie w instalacji nie zmienia się bezpośrednio od temperatury. To objętość czynnika ulega zmianie na skutek ogrzania lub ochłodzenia. Woda i roztwory glikolu mają właściwość rozszerzalności cieplnej: przy wzroście temperatury gęstość maleje (objętość rośnie), przy spadku temperatury gęstość rośnie (objętość maleje). W zamkniętej instalacji o stałej pojemności geometrycznej zmiana objętości czynnika musi zostać skompensowana przez naczynie wzbiorcze przeponowe. To jego poduszka gazowa (azot) spręża się lub rozpręża, a my rejestrujemy to jako zmianę ciśnienia w instalacji.

Woda jest substancją bardzo mało ściśliwą – jej izotermiczna ściśliwość wynosi ok. 46,5 ppm na 1 atmosferę. Jednostka ppm oznacza „parts per milion”, czyli „części na milion”. Liczba 46,5 ppm oznacza zatem, że wzrost ciśnienia o 1 atmosferę (ok. 1 bar) zmniejsza objętość wody o 46,5 części na milion, czyli o 0,00465%. To bardzo bardzo mało. Dla porównania, zmiana objętości od temperatury jest conajmniej 40 razy większa. Dlatego w praktyce ściśliwość cieczy jest pomijalna w obliczeniach, ale jednocześnie ten praktyczny brak ściśliwości oznacza, że bez poduszki gazowej w naczyniu przeponowym nawet niewielka zmiana objętości wywołałaby gwałtowny skok ciśnienia.

To właśnie naczynie przeponowe „zamienia” zmianę objętości na możliwą do zaakceptowania zmianę ciśnienia, zgodnie z prawem Boyle’a-Mariotte’a dla gazu: p·V = const (przybliżona izoterma).

W praktyce instalacji hydraulicznej oznacza to, że jeśli sprężymy gaz (zmniejszymy jego objętość), ciśnienie wzrośnie proporcjonalnie. Jeśli rozprężymy gaz się (zwiększymy objętość), ciśnienie zmaleje.

Jak bardzo zmienia się objętość czynnika w wyniku zmian temperaatury?

Ciekawą właściwością wody jest fakt, że maksimum gęstości osiąga ona w okolicy temperatury 4°C (dokłdnie 3,98°C). Poniżej tej temperatury woda zaczyna się ponownie rozszerzać. W praktyce instalacyjnej schładzanie czynnika poniżej 4 stopni dotyczy główne przemysłu spożywczego, np branży przetwórstwa mięsnego, gdzie zdarza się niejednokrotnie, że temperatura glikolu na zasilaniu jest ujemna, w wentylacji komfortu i innych gałęziach przemysłu woda lodowa zwykle pracuje w zakresie 4–10°C na zasilaniu , więc w interesującym nas zakresie (20°C → 5°C) woda zachowuje się normalnie – kurczy się przy chłodzeniu i rozszerza przy ogrzewaniu. Przeanalizujmy zatem 3 temperatury: 20°C jako temperaturę początkową, 5°C – temperatura czynnika w buforze do zasilania chłodnicy centrali wentylacyjnej, oraz 60°C – zasilanie układu nagrzewnicy centrali wentylacyjnej

Z tabel gęstości wody wynika, że:

  • Schłodzenie z 20°C do 5°C powoduje zmniejszenie objętości o ok. 0,18% (1,8 litra na 1000 litrów instalacji).
  • Ogrzanie z 20°C do 60°C daje wzrost objętości o ok. 2,2% (22 litry/1000 l).

Dla roztworów glikolu zmiany objętości są większe. Dla porównania: współczynnik rozszerzalności objętościowej dla czystej wody przy ogrzaniu z 20°C do 60°C wynosi około 0,018, a dla roztworu 30% glikolu propylenowego – około 0,026. Oznacza to, że instalacja z glikolem będzie generować większe zmiany objętości (i ciśnienia) niż ta sama instalacja na czystej wodzie.

Przykład liczbowy – wpływ temperatury na ciśnienie w instalacji z glikolem propylenowym 35%

Instalacja: 1000 litrów pojemności, naczynie przeponowe 80 litrów, ciśnienie wstępne gazu w naczyniu 1,5 bar, napełnienie w temperaturze 20°C do 1,8 bar. Czynnik: glikol propylenowy 35%.

Gęstości glikolu:

  • w 5°C: 1033,5 kg/m³
  • w 20°C: 1026,0 kg/m³
  • w 60°C: 999,5 kg/m³

Wariant chłodzenia (20°C → 5°C):
Objętość glikolu po schłodzeniu wynosi 992,74 litra, czyli skurcz o 7,26 litra.
Gaz w naczyniu rozpręża się, a ciśnienie końcowe spada do 1,54 bar.
Spadek ciśnienia: 0,26 bar.

Wariant ogrzewania (20°C → 60°C):
Objętość glikolu po ogrzaniu wynosi 1026,51 litra, czyli przyrost o 26,51 litra.
Gaz w naczyniu spręża się, a ciśnienie końcowe wzrasta do 3,45 bar.
Wzrost ciśnienia: 1,65 bar.

Odpowietrzanie – drugie źródło spadku ciśnienia

Oprócz zmian temperaturowych, w pierwszych tygodniach pracy instalacji dochodzi do odpowietrzania. Powietrze (wolne pęcherzyki i rozpuszczone) jest stopniowo usuwane przez odpowietrzniki. Każdy usunięty litr powietrza to trwały spadek ciśnienia – nieodwracalny.

Kontynuacja przykładu (glikol 35%):

Chłodzenie:
Po schłodzeniu ciśnienie wynosi 1,54 bar. Jeśli odpowietrzniki usuną 5 litrów powietrza, ciśnienie spada dalej do 1,39 bar.
Spadek od odpowietrzania: 0,15 bar. Łącznie od napełnienia: 0,41 bar.

Ogrzewanie:
Po ogrzaniu ciśnienie wynosi 3,45 bar. Usunięcie 5 litrów powietrza zmniejsza je do 3,00 bar.
Spadek od odpowietrzania: 0,45 bar – częściowo kompensuje wzrost od temperatury.

Zmiana ciśnienia w praktyce

  • Zmiana od temperatury następuje szybko (godziny) i jest odwracalna – po powrocie do 20°C ciśnienie wraca do pierwotnej wartości (o ile nie było odpowietrzania).
  • Spadek od odpowietrzania jest wolny (tygodnie) i trwały – nie cofa się.

Dla typowej instalacji chłodniczej na czystej wodzie łączny spadek w pierwszym miesiącu to 0,2–0,5 bara, z czego większość to odpowietrzanie. Dla glikolu 35% spadek termiczny to 0,26 bara, odpowietrzanie dodaje ok. 0,15 bara.

W ogrzewaniu odpowietrzanie częściowo redukuje wzrost ciśnienia, ale końcowe wartości i tak są znaczące (rzędu 1–2 bary).

Należy pamiętać, że w rozległych instalacjach z dużą ilością armatury napowietrzenie może być większe, a spadki ciśnienia wyższe. Ważne, aby po wszystkich procesach ciśnienie nie spadło poniżej 1 bar (ryzyko kawitacji pomp) ani nie wzrosło powyżej 4–5 bar (ryzyko zadziałania zaworu bezpieczeństwa).

Ogólne zasady interpretacji

  • Nie ma uniwersalnego ciśnienia początkowego dla danej temperatury. Zależy ono od wysokości instalacji, pojemności naczynia, ciśnienia wstępnego, rodzaju czynnika i dopuszczalnego ciśnienia końcowego.
  • W chłodzeniu: jeśli po schłodzeniu ciśnienie nadal systematycznie spada przez tygodnie – to nie nieszczelność, tylko odpowietrzanie. Uzupełniaj czynnik tylko gdy spadnie poniżej minimum (np. 1 bar).
  • W ogrzewaniu: zbyt wysokie ciśnienie na zimno (powyżej 1,5 bara) grozi zadziałaniem zaworu bezpieczeństwa po nagrzaniu.

Podsumowanie

Zmiany ciśnienia w instalacjach z glikolem 35% są wyraźnie większe niż w instalacjach na czystej wodzie. Przykład liczbowy pokazuje:

  • Chłodzenie (20→5°C): spadek ciśnienia o 0,26 bar od temperatury, plus ok. 0,15 bar od odpowietrzania – łącznie 0,41 bar.
  • Ogrzewanie (20→60°C): wzrost ciśnienia o 1,65 bar od temperatury, ale odpowietrzanie zmniejsza go o ok. 0,45 bar – końcowo ok. 3,00 bar.

Świadomość obu procesów pozwala uniknąć błędnych diagnoz (szukania nieszczelności tam, gdzie jest normalne odpowietrzanie) i prawidłowo ustawić ciśnienie początkowe.