Hneď v úvode pripomíname, že v príspevku sa budeme venovať najmä uzavretým teplonosným systémom. V prípade otvorených teplonosných systémov platia vzhľadom na dané prevádzkové podmienky iné odporúčania. Skúsenosti získané pri aplikácii teplonosných médií v uzavretých systémoch však možno využívať aj pri otvorených teplonosných systémoch. Z toho vyplýva, že každá aplikácia, teda použitie teplonosného média má svoje vlastné, jedinečné charakteristiky, ktoré môžu rozlične prispievať k samotnej degradácií teplonosného média. To znamená, že každé teplonosné médium môže reagovať rozdielne v rozličných prevádzkových podmienkach. Treba povedať, že môžu vzniknúť extrémy, čo sa týka životnosti teplonosných médií v prevádzke. Uvádza sa, že životnosť teplonosného média, kvapaliny, môže byť v niektorých prípadoch len niekoľko mesiacov, a to najmä v prípade otvorených systémov. My, naopak, máme skúsenosti, že životnosť v prípade uzavretých systémov môže byť v rozsahu 5 až 10 rokov, čo je veľká výhoda.

Teplonosné systémy
V technickej praxi sa stretávame s požiadavkou na ohrev výrobkov tak, aby bol dodržaný stanovený technologický postup pri ich výrobe. Principiálne rozlišujeme dva spôsoby ohrevu:
• priamy ohrev – výrobok je priamo ohrievaný, napríklad plynom alebo elektricky;
• nepriamy ohrev – teplonosné médium cirkuluje medzi ohrievačom a spotrebičom tepla.

Pri nepriamom ohreve ide o teplonosný systém, v ktorom dochádza k prenosu teplonosnej kvapaliny tam a späť, a to medzi ohrievačom a spotrebičom, pričom nedochádza k spotrebe tepla ani energie. Teplonosné systémy (nepriamy ohrev) majú v porovnaní s priamym ohrevom tieto výhody:
• je možné zabrániť lokálnemu prehrievaniu ohrievaného výrobku,
• teplotu ohrievaného výrobku je možné presne regulovať a udržiavať na konštantnej teplote,
• nie je potrebné , aby ohrievač bol umiestený v blízkosti spotrebiča, čím sa zabráni nebezpečiu výbuchu,
• teplonosné médium môže byť použité na ohrev a aj na chladenie systému,
• možnosť skladovania tepelnej energie a iné.

V ďalšej časti uvedieme základné porovnanie otvorených a uzavretých teplonosných systémov.

Otvorené teplonosné systémy
V otvorenom systéme prichádza olej do kontaktu so vzduchom, a to v niektorých bodoch, napríklad v spojovacích častiach systému, resp. v expanznej nádržke. Aj keď prevádzková teplota média je nižšia ako pri uzavretých systémoch, všeobecne sa uvádza hodnota 90 °C a vyššia. Treba povedať, že samotné médium je v kontakte so vzduchom (kyslík) a je preto veľmi citlivé na oxidáciu. Vzhľadom na to je potrebné uviesť, že pri určitých prevádzkových podmienkach môže dochádzať k oxidácii a tepelnej degradácii teplonosného média, kvapaliny. V extrémnych situáciách môže byť oxidácia a následná degradácia veľmi vysoká, čo môže viesť k výraznému zníženiu jeho životnosti. Rozhodujúce je to, ako je otvorený teplonosný systém zostavený, konštruovaný a zabezpečený proti oxidácii. Odporúča sa vytvoriť inertnú ochrannú atmosféru (dusík) v expanznej vyrovnávacej nádržke, správne odvetranie systému, zabezpečiť filtráciu média a iné. Ak teplonosné médium oxiduje, vytvárajú sa kyslé látky. Tieto kyslé látky, kyseliny nemusia byť vždy korozívne, ale môžu polymerizovať, a tým vytvárať nežiaduce látky, kaly, ktoré zahusťujú teplonosné médium, čím zhoršujú prevádzku teplonosného systému. Z toho potom vyplýva požiadavka na pravidelnú kontrolu a analýzu teplonosného média. Napriek tomu, že výrobcovia predpisujú postup na zabezpečenie spoľahlivej prevádzky systému, pracovné podmienky sa často menia a používajú sa i rozdielne druhy teplonosných médií. Podľa prevádzkových skúseností sa pre otvorené teplonosné systémy odporúča napríklad ropný parafinický olej viskozitnej triedy ISO VG 32 pre teplotný rozsah od -7 °C až do +180 °C. Podľa dostupných informácií sa ako teplonosné médiá pre otvorené systémy odporúča používať aj polyalkylénglykoly (PAG). Ide o syntetické oleje kategórie V. podľa klasifikácie API pre základové oleje. Tieto oleje majú vyššiu teplotu vzplanutia až o 60 °C ako ropné oleje pri rovnakej hodnote viskozity a vyšší viskozitný index. Ďalšou výhodou je, že netvoria karbónové usadeniny. Pri aplikácii v prevádzke im treba venovať zvýšenú pozornosť. Všeobecne platí, že otvorené systémy sú menšie a používajú sa na špecifické účely, napríklad v plastikárskom priemysle, pri liatí pod tlakom a na iné využitie, a to najmä tam, kde sa uplatňuje elektrický ohrev média.

Uzavreté teplonosné systémy
Uzavreté teplonosné systémy sú typicky väčšie systémy. V praxi sa pre uzavreté systémy najčastejšie používajú ako teplonosné médiá ropné, resp. syntetické oleje. Z toho dôvodu im budeme v ďalšej časti venovať potrebnú pozornosť. Na obrázku č.1 predstavujeme uzavretý teplonosný systém.

Obr. 1: Uzavretý teplonosný systém

 

Ropné a syntetické oleje ako teplonosné médiá
Z hľadiska prevádzkových podmienok sú na teplonosné médiá, kvapaliny kladené tieto požiadavky:
• vysoký bod varu pri atmosférickom tlaku,
• nízka teplota tuhnutia,
• vysoká termická stabilita,
• nízka viskozita v celom teplotnom rozsahu,
• výborne teplonosné vlastnosti,
• nízky sklon ku korózii,
• netoxické, bez zápachu,
• vysoká oxidačná stabilita,
• nízke nebezpečie požiaru,
• ľahká likvidácia a iné.

Pozornosť budeme venovať najmä ropným olejom, ktoré sa využívajú na tieto účely. Požiadavka je na ropné oleje, ktoré sa vyznačujú vysokou tepelnou stálosťou, výbornou tepelnou vodivosťou a nízkou tenziou pár. Ako teplonosné médiá sa používajú ropné oleje s nižšou viskozitou, a to viskozitné triedy ISO VG 10, 15, 22, 32 a 46. Základnou požiadavkou je, aby viskozita teplonosného média bola nízka, stála v celom teplotnom rozsahu, ktoré je od cca 0 °C až do 350 °C. Treba pripomenúť, že rozlišujeme teplotu pracovnej kvapaliny (média) a teplotu kvapalinového filmu (teplota olejového filmu na stene potrubia). Teplota olejového filmu je principiálne o 30 až 40 °C vyššia ako teplota pracovnej kvapaliny. Túto skutočnosť si treba uvedomiť. Ináč môže veľmi rýchlo dôjsť k rozkladu kvapaliny.
Teplota olejového filmu priamo závisí na prietokovej rýchlosti kvapaliny a aj na celom objeme prietoku kvapaliny. Napríklad pri laminárnom prúdení kvapaliny (elektrický ohrev) musí byť hodnota teplotného zaťaženia plochy pod 1 W/cm2. Pri zvýšení prietoku kvapaliny cca na 2 m.s-1 sa môže stúpnuť teplotné zaťaženie plochy až na 5 W/cm2. Upozorňujeme, že všeobecne sa uvádza pravidlo, ak teplota teplonosného média vo vyrovnávacej (expanznej) nádržke prekročí 60 °C, nesmie prísť médium do kontaktu so vzduchom. V takomto prípade sa odporúča vytvoriť inertnú ochrannú atmosféru. Ako inertný plyn sa odporúča dusík (nie technický dusík) čím sa vytvorí ochranný vankúš, ktorý zabráni kontaktu medzi vzduchom a teplonosným médiom. Ropné oleje, resp. syntetické oleje (PAO), ako teplonosné médiá nachádzajú stále väčšie uplatnenie v praxi a sú schopné po mnohé roky bez výmeny plniť svoju funkciu v uzavretých teplonosných systémoch v rôznych priemyselných prevádzkach. Ropné oleje si preto vyžadujú, napríklad v porovnaní s vodou ako teplonosným médiom väčšiu pozornosť, starostlivosť počas prevádzky, teda pravidelný odber vzoriek a kontrolu v chemickom laboratóriu. Napriek starostlivosti o ropné oleje v prevádzke dochádza k ich starnutiu, spôsobenému tepelným rozkladom. Tento proces je sprevádzaný tvorbou ľahkých podielov (znižujú bod vzplanutia) a tvorbou karbónových usadenín, ktoré môžu zanášať celý systém (ťažko sa odstraňujú), zhoršovať prestup tepla a znižovať efektívnosť celej prevádzky. Na základe dostupných informácií predstavíme niektoré druhy teplonosných médií (základových olejov), ktoré sú odporúčane pre požadovanú aplikáciu:

• Ropné (minerálne) oleje, podľa API kategória I. Tieto oleje sú bežne dostupné a ešte stále predstavujú z hľadiska množstva a výberu druhov najširší sortiment. Treba pripomenúť, že nie sú tak hlboko rafinované (menej čisté) a je známe, že obsahujú v určitom množstve, napríklad síru a iné látky, ktoré môžu mať vplyv na životnosť teplonosných médií. Čo sa týka ceny, sú najlacnejšie.

• Ropné, parafinické (hydrogenované) oleje, podľa API kategória II a III. Ide o ropné oleje hlboko rafinované, hydrogenované, možno povedať čisté ropné oleje, ktoré neobsahujú nežiaduce látky, napríklad voľné aromatické uhľovodíky. Často sa im preto hovorí biele (parafinické) oleje. Vzhľadom na ich vlastnosti sú vhodné na použitie tam, kde je možnosť tvorby nežiaducich látok pri extrémnych podmienkach. Odporúčajú sa a sú formulované ako základové oleje, ktoré obsahujú vhodné prísady pre použitie v náročných prevádzkových podmienkach, teda aj ako teplonosné médiá. Ich cena je 1,5 až dvojnásobná ako v prípade kategórie I podľa API.

• Syntetické oleje, kategória IV podľa API, je určená pre syntetické uhľovodíky (SHC), polyalfaolefíny (PAO). Tieto oleje majú široké použitie. Ich výhodou je, že sa dajú miešať s ropnými olejmi. Uplatňujú sa najmä ako motorové oleje a sú formulované aj ako teplonosné médiá, a to vzhľadom na ich dobrú oxidačnú a tepelnú stabilitu. Čo sa týka životnosti, môžeme ich porovnávať s kategóriou III podľa API. Cena tejto kategórie základových olejov je dvoj- až trojnásobne vyššia oproti kategórii I podľa API.

• Do skupiny syntetických olejov, ktoré patria do kategórie V podľa API, môžeme zaradiť silikónové oleje, ktoré majú zvýšenú odolnosť proti oxidačnej a tepelnej degradácii. Určité problémy nám môžu robiť vo vzťahu k náterom a tesneniam. Ako teplonosné médiá najmä pre otvorené systémy sa odporúča používať polyalkylenglykoly (PAG), ktoré vzhľadom na ich postup pri polymerizácii (etylén oxid, propylén oxid) sú označované ako etylénglykol (toxický) a propylénglykol. Vzhľadom na ich fyzikálne vlastnosti, zloženie, môžu byť vo vode rozpustné, resp. nerozpustné. Pri aplikácii v prevádzke im treba venovať zvýšenú pozornosť. Ich cena je 3,5 až päťnásobne vyššia ako kategória I podľa API.

Teplonosné médiá v prevádzke
V úvode tejto časti treba pripomenúť, aké sú možnosti degradácie teplonosných médií, ropných olejov. Ide o oxidačné procesy, teda oxidáciu a teplotné zaťaženie, vysoké teploty (350 °C), teda tepelnú degradáciu.
Oxidáciu môžeme definovať ako chemickú reakciu medzi kyslíkom (vzduch) a v kvapaline nachádzajúcimi sa voľnými radikálmi, čo vedie k vzniku veľkých molekúl, ktoré nakoniec vytvárajú polyméry a pevné látky. Teplonosné médium sa zahusťuje, narastá viskozita, vzniká problém s čerpateľnosťou a tým aj možnosť tvorby karbónových usadenín. Okrem toho to má vplyv aj na nárast čísla kyslosti (TAN).
Tepelná degradácia, alebo tepelné krakovanie, je narušenie uhlíkových väzieb v molekulách kvapaliny pri vysokej teplote a vytváranie menších fragmentov, ktoré sú potom vlastne voľnými radikálmi. Tieto malé molekuly sa môžu zhlukovať, formovať, teda reagovať navzájom, polymerizovať, vytvárať väčšie molekuly, zhluky. Z iného pohľadu je tepelná degradácia prehriatie média, kvapaliny nad jej bod varu. V teplonosnej terminológii sa preto uvádzajú dva termíny, a to nízky var (low boilers) a vysoký var (high boilers). V prípade nízkeho varu v teplonosnom médiu môžeme očakávať pokles jeho teploty vzplanutia a viskozity a nárast tlaku pár, čo môže viesť k zníženiu účinnosti systému a k vzniku kavitácie v čerpadle. Vysoký var vzniká pri tepelnej degradácii, teda pri vysokých teplotách, ktoré sú v rozsahu 350 až 400 °C. Prejavuje sa to nielen narušením uhlíkových väzieb, ale aj stratou vodíka a následnou tvorbou karbónu, ktorý sa usadzuje v teplonosnom systéme. Vzhľadom na uvedené, v ďalšej časti príspevku budeme venovať pozornosť prevádzkovým problémom, určitým zasadám, ktoré treba rešpektovať, dodržiavať pri správnej prevádzke teplonosného systému.

Príprava systému na plnenie novým olejom
Nový systém treba zbaviť pred nábehom mechanických nečistôt a vlhkosti (napríklad prefukom). Okrem toho musí byť skontrolovaná funkčnosť všetkých regulačných a meracích prvkov a systém musí byť tlakovo odskúšaný prostredníctvom vzduchu z vnútornej strany a mydlovej vody z vonkajšej strany alebo pomocou určeného teplonosného média. Starší systém môže byť ošetrený pred naplnením nového oleja týmto troma spôsobmi podľa stupňa znečistenia systému:

• ak je systém len málo znečistený, môže byť prepláchnutý teplonosným olejom na to určeným (často stačí iba 10 percent z celkovej náplne),
• ak je systém zanesený karbónovými usadeninami, je nutné pred vypustením starej olejovej náplne použiť na ich rozpustenie vhodný čistiaci detergentný prípravok. Okrem toho sa ešte odporúča systém prepláchnuť preplachovacím olejom, do ktorého sa odporúča pridať uvedený detergent v množstve od 4 do 20 percent podľa znečistenia systému. Na to sa používa napríklad výrobok spoločnosti Mobil s obchodným označením Mobilsol PM, ktorý by mal byť použitý v množstve 4 % z celkovej náplne systému,
• chemické čistenie, a to vtedy, ak je systém veľmi znečistený je zanesené potrubie, systém obsahuje väčšie množstvo karbónu a iné. V takomto prípade sa často vyžaduje aj demontáž niektorých častí systému a jeho mechanické čistenie. Dokonca platí, že niektoré potrubné systémy (s malým priemerom) treba vymeniť. Ako čistiace prostriedky sa používajú vo vode rozpustné látky, napríklad inhíbované fosforové kyseliny alebo hydroxid sodný s povrchovo aktívnymi látkami. V takomto prípade sa treba obrátiť na spoločnosti, ktoré poskytujú tieto služby. Všeobecne pri preplachovaní systému platí, že treba použiť externé čerpadlo, teda nie čerpadlo, ktoré je súčasťou pôvodného systému. Vzhľadom na náročnosť celej operácie sa odporúča vypracovať technologicky postup ošetrenia, resp. čistenia systému.

Plnenie novým olejom
Pred plnením sa odoberie litrová vzorka čerstvého teplonosného oleja zo suda alebo cisterny na referenčný laboratórny rozbor a na archiváciu. Pri plnení je nevyhnutné odčerpať vzduch zo systému. Preto sa systém plní v jeho najnižšom mieste. Pri plnení sú všetky ventily otvorené a obsluha kontroluje, či z nich už nevyteká olej. Keď olej začne vytekať, obsluha tieto ventily hneď zatvára.
Plní sa tak, aby hladina v expanznej nádrži dosiahla 30 až 40 percent objemu pri prevádzkovej teplote (najčastejšie sa plní do 1/4 objemu expanznej nádrže pri studenom oleji). Pred nábehom (ohrevom) musí byť zo systému úplne odčerpaný vzduch (vzduchové vankúše). Odporúča sa nechať olej cirkulovať tri až štyri hodiny bez ohrevu.

Nábeh systému a ohrev
Prvý štart je nutné vykonať pri minimálnom výkone horáka a teplotu oleja zvyšovať iba veľmi pomaly (odporúča sa najviac 60 °C za hodinu). Pomalým ohrevom sa eliminuje prípadná vlhkosť v oleji alebo v systéme. V praxi sa môže stať, že sa do oleja dostane určité množstvo vlhkosti z odstaveného systému. Pri následnom ohreve potom systém vykazuje nežiaduce prejavy ako je para, hydraulické rázy, praskanie alebo búchanie a pod. V tomto prípade je nutné systém zahrievať ešte pomalšie, pokiaľ sa voda z oleja postupne neodparí a nežiaduce javy neskončia (odparenie vody zo systému môže trvať týždeň a aj dlhšie).
Po dosiahnutí prevádzkovej teploty oleja a ustáleného stavu v celom systéme je nutné odčítať a zaznamenať referenčné hodnoty na teplomeroch, tlakomeroch a prietokomeroch (tieto údaje poslúžia pre budúcu kontrolu efektivity prenosu tepla v systéme). Ďalej je vhodné odobrať litrovú vzorku oleja zo systému na archiváciu. Ďalší odber vzorky oleja a jej kontrolný rozbor sa odporúča asi po jednom mesiaci prevádzky.

Nábeh a ohrev v chladnom období
Ak je studený teplonosný systém vystavený pôsobeniu nízkych klimatických teplôt, zvýši sa viskozita oleja, alebo olej môže dokonca stuhnúť. Pri nábehu potom olej nemôže prúdiť požadovanou rýchlosťou, alebo vôbec necirkuluje a jeho prudký ohrev môže spôsobiť jeho rýchlu tepelnú degradáciu. V týchto podmienkach sa odporúča štartovať systém veľmi opatrne, s minimálnym výkonom horáka, pokiaľ nedosiahne olej dostatočnú tekutosť v celom systéme a obehové čerpadlá nebudú môcť zabezpečiť požadovanú rýchlosť prúdenia oleja v potrubí.

Vypnutie systému
Zvlášť v systémoch vybavených kotlom s veľkou, hrubou výmurovkou je nutné nechať olej cirkulovať ešte aspoň 30 minút po vypnutí horáka. V opačnom prípade môže okamžite nastať prehriatie oleja a jeho termická degradácia vplyvom tepla akumulovaného vo výmurovke.

Kontrola a údržba teplonosného oleja v prevádzke
Odber vzorky oleja na jeho analýzu v chemickom laboratóriu je treba vykonať aspoň raz za rok, ak nie je stanovené inak. Pozornosť treba venovať najmä teplote vzplanutia oleja, karbonizačnému zvyšku (CCT), viskozite oleja, číslu kyslosti oleja (TAN) a niekedy aj ďalším kvalitatívnym ukazovateľom. Spôsob odberu vzoriek a počet laboratórnych rozborov môže stanoviť alebo zabezpečiť dodávateľ oleja. Dodávateľ má tiež vyhodnotiť výsledky rozboru a vydať protokol o stave oleja so stanoviskom k jeho ďalšiemu používaniu, ošetreniu, alebo výmene, resp. poskytne návod na celkové ošetrenie systému.
Ak to tak nie je, odporúčame tento postup: Vzorku oleja treba odobrať z odberného miesta zo systému (teplota oleja pod 100 °C) do odbernej 500 ml čistej vzorkovnice. Odberné miesto sa odporúča stanoviť pred cirkulačným čerpadlom. Vzorku odovzdať do chemického laboratória na kontrolu týchto kvalitatívnych ukazovateľov:

• Teplota bodu vzplanutia, °C v uzavretom tégliku (PM) podľa STN 65 6064
Hraničná hodnota – teplota bodu vzplanutia nesmie klesnúť o 40 °C oproti pôvodnej hodnote čerstvého média, resp. všeobecne platí, že nemá klesnúť pod 100 °C. Príčinou poklesu teploty bodu vzplanutia sú ľahké ropné podiely, ktoré vznikajú pri prehriatí systému, degradácii oleja, krakovaní oleja pri vysokej teplote, veľké molekuly sa rozkladajú na pevný karbón (90 až 95 % karbónu) a na malé molekuly s nízkym bodom varu.
• Karbonizačný zvyšok, % hm (CCT), STN 65 6210
Hraničná hodnota – pre karbonizačný zvyšok v rozsahu 1 až 1,5 % hm v závislosti od viskozitnej triedy oleja. Termický rozklad oleja, vznik ľahkých podielov a karbónu. Usadeniny karbónu sa ťažko odstraňujú, zhoršuje sa prestup tepla a znižuje sa výkonnosť systému.
• Kinematická viskozita, mm2.s-1, pri 40°C, STN 65 6216
Hraničná hodnota – rozdiel od pôvodnej hodnoty viskozity čerstvého oleja +/- 20 %.
Môže dôjsť k nárastu, ale aj poklesu viskozity. Majú na to vplyv prevádzkové podmienky a najmä prevádzková teplota média.
• Číslo kyslosti, TAN, mgKOH/g, STN 65 6070
Hraničná hodnota sa uvádza až do 2,0 mgKOH/g. Hodnota čísla kyslosti čerstvého oleja je cca 0,01 mgKOH/g.

Uvedené kvalitatívne ukazovatele poskytnú základnú informáciu o stave oleja a celého teplonosného systému. Niekedy treba podrobiť kontrole ďalšie ukazovatele kvality média, napríklad porovnanie destilačnej krivky nového a použitého oleja, obsah vody a ďalšie. Pri vypracovaní odborného stanoviska treba zohľadniť aj ďalšie prevádzkové vplyvy. Všeobecne sa odporúča konzultácia s odborným pracovníkom. Pre bezporuchovú prevádzku teplonosného systému je potrebné, aby bol systém a olej bez vody (vlhkosti) a aby sa zabránilo netesnostiam (prieniku vzduchu do systému). Na životnosť oleja, teplonosného média v prevádzke má vplyv najmä veľkosť náplne, obehové číslo oleja a prevádzková teplota oleja. Uvedené informácie môžu byť pomôckou pre vypracovanie prevádzkového predpisu pre teplonosný systém s médiom na báze ropného, resp. syntetického oleja.

TEXT/FOTO Jozef Stopka FOTO archív redakcie