Prof. Ing. Jozef RADA, DrSC.

Elektrotechnické systémy, a.s. Praha

 

V článku je popsán princip ohřevu vody odporovým „klasickým“ ohřívačem a úsporným elektrodovým ohřívačem. Dále jsou porovnány vlastnosti a možnosti využití obou typů ohřívačů.

 

Elektrodový ohřev vody je vlastně ohřev vody přímým průchodem elektrického proudu touto vodou. Je to principem nejjednodušší způsob elektrického ohřevu vody a je vhodný k nejrůznějším technologickým účelům.

 

Vedení vody v elektrolytu

Vodivost vody je daná její konduktivitou, která závisí hlavně na obsahu látek v ní rozpuštěných, zejména nejrůznějších solí. Chemicky čistá voda má nepatrnou konduktivitu. Obsahuje-li voda rozpuštěné látky (tzv. pravý roztok na rozdíl od roztoku koloidního), stává se elektrolytem, v němž molekuly rozpuštěné látky jsou rozloženy (disociovány) na ionty. Iontová vodivost v kapalinách je proto zprostředkovávána poměrně značně hmotnými částicemi, pohybujícími se v roztoku relativně malými rychlostmi.

 

Stejnosměrný proud v elektrolytu

Jestliže se do elektrod zavádí stejnosměrný proud, vyvíjí se ve vodném roztoku na katodě vodík nebo obecně na ní probíhají procesy redukční (např. termická elektrolýza výroby hliníku), na anodě se vyvíjí kyslík nebo na ní probíhají procesy oxidační. Vodné roztoky solí se potom stávají v okolí katody alkalické, v okolí anody kyselé (tzv. živá a mrtvá voda).

 

Elektrolýza se skládá ze dvou dílčích procesů. První z nich je mechanický přenos iontů, druhý je výboj náboje iontů na elektrodách. Rychlost přenosu iontů závisí na intenzitě elektrického pole mezi elektrodami, na teplotě, chemických vlastnostech, koncentrace roztoku atp. Elektrická vodivost roste v určitém menším rozsahu teplot úměrně s teplotou, ve větším teplotním rozsahu je závislost parabolická.

 

Široký a náročný vědní obor zabývající se hlavně využitím stejnosměrného proudu se nazývá elektrochemie a jeho výsledky v praxi jsou známy jako galvanické pokovování, termické elektrolýzy v metalurgii, akumulátory, elektrické články atd.

 

Střídavý proud v elektrolytu

Chceme-li elektrolyt (vodu) pouze ohřívat a jeho elektrochemický rozklad je naprosto nežádoucí, musíme použít výhradně proud střídavý, protože změnami polarity elektrod se rozklad neustále ruší. Vznikne-li např. v jedné půlperiodě na katodě vodík a na anodě kyslík, ve druhé půlperiodě je děj přesně opačný. Tam, kde byl vodík, vznikne kyslík s vysokou chemickou aktivitou. Oba plyny se okamžitě sloučí zpět na vodu (vodní páru) a rozkladná energie, která byla do procesu dodána prostřednictvím elektrického proudu, se vrátí do roztoků v podobě tepla. Na elektrodách můžete sledovat vývin páry, která potom ochlazením v dalších partiích elektrolytu kondenzuje na vodu a své kondenzační teplo odevzdává. Kdyby byla frekvence proudu nízká, mohl by plyn vyvinutý na elektrodách (vodík, kyslík) zčásti uniknout od elektrody vlivem hydrostatického tlaku dříve, než se oba plyny na dané elektrodě setkají, a než se tedy sloučí znovu na vodu. Totéž by mohlo nastat při příliš velké hustotě proudu na povrchu elektrod, což by vedlo k příliš bouřlivému vývinu plynů.

 

Pokusně bylo zjištěno, že frekvence by neměla být nižší než asi 25 Hz a proudová hustota v kterémkoliv místě na povrchu elektrod by neměla přesáhnout určitou hodnotu, kterou podle zkušeností musí konstruktér zařízení respektovat. Frekvence 50 Hz (běžná v sítích) je již plně vyhovující pro využívání elektrodových ohřívačů vody.

 

Elektrodové ohřívače

Ve světe se staví elektrodové ohřívače (kotle) do příkonu až 100 MW pro trojfázovou soustavu 35 kW. Ohřívače akumulují přebytečnou elektrickou energii. Jsou řízeny přímo z elektrárenského dispečinku. Jo to doklad toho, že dobře provedené elektrodové ohřevy vody jsou po všech stránkách velmi hospodárné. Vycházejí konstrukčně malé, jednoduché, bezporuchové a levné. Ohřívače (kotle) větších výkonů (asi nad 300 kW) v „klasické“ odporové verzi téměř nemohou konkurovat ohřívačům elektrodovým – z hledisek technologických i ekonomických. Výkon elektrodového zařízení při daném napětí (např. 380 V) lze regulovat těmito způsoby:

• úpravou vodivosti vody,
• plochou elektrod – zakrýváním izolačními návleky, zkracováním, prodlužováním,
• přibližováním a oddalováním elektrod nebo zasouváním izolačních přepážek mezi elektrody,
• rozdělením elektrod na skupiny, které se různě spínají a přepojují,
• mechanickým zanořováním a vynořováním elektrodvody,
• změnou výšky hladiny vodykotli pomocí čerpadla při pevných elektrodách zavěšených shora,
• změnou počtu trysek u tzv. tryskových elektrodových vysokonapěťových kotlů.

 

Při zavádění přímotopného vytápění bytů a objektů se pro svoji jednoduchost, spolehlivost a autoregulaci elektrodová zařízení přímo nabízejí. Pro jejich hromadnější zavedení však u nás bylo třeba vyřešit několik technických problémů, ale zejména otázky z oblasti norem a předpisů. Postupně se díky pochopení progresivních techniků pracujících v těchto oblastech podařilo zmíněné problémy vyřešit, takže se tato zařízení u nás začala vyrábět.

 

V dalším textu si blíže popíšeme vlastnosti a výhody elektrodového ohřevu vody alespoň pro dvě běžná technologická použití :

• Ohřívače vody („kotle“) pro vytápění bytů a místností
• Jednoduchost, levnost, trvanlivost a spolehlivost zařízení
• Zcela odpadají topné články z drahých dovážených topných materiálů s omezenou životností. Životnost dobře provedených elektrod se přibližuje životnosti celého ostatního vytápěcího zařízení. Známé jsou životnosti elektrod 20 a více roků. Elektrody jsou levné, snadno zhotovitelné a vyměnitelné.
• Malé rozměry
• Zejména pro větší výkony je velikost ohřívacího zařízení několikanásobně menší než při použití „klasického“ odporového principu.
• Maximální možná energetická účinnost kotle
• Elektrická energie se na teplo přeměňuje přímo v ohřívané vodě. Ohřev je velmi dynamický.

 

Možnost tzv. autoregulace ohřívacího a vytápěcího režimu

Zkušenost ukázala, že výkon kotle pro vytápění menších a středních soustav lze výhodně nastavit a regulovat pouhou úpravu vodivosti vody. Využije se totiž celá plocha elektrod, takže je vyloučeno nebezpečí „plynování“ při velké proudové hustotě proudu na elektrodách. Kromě toho je v kotli rovnoměrnější vývin tepla.

 

Pracovní charakteristiky kotle nastavené výkonově jen vodivosti vody jsou na obr. 1. Je to závislost výkonu kotle P na průměrné teplotě vody v kotli, což je zároveň přibližně i průměrná teplota vody v otopných radiátorech. Je patrné, že výkon kotle narůstá s teplotou, protože s teplotou narůstá elektrická vodivost vody i několikanásobně. Z toho vyplývá, že kotel (ohřívač) pracuje při mírném počasí s výkonem např. (ohřívač) pracuje při mírném počasí s výkonem např. třetinovým než při velkých mrazech, kdy je v radiátorech mnohem teplejší voda. Výkon kotle se tedy při správném nastavení přizpůsobuje vnějším klimatickým podmínkám, aniž by byla zapotřebí nějaká přístrojová regulace či obsluha. Podobně účelově tato autoregulace kotle působí i po přestávce ve vytápění, kdy se pomocí hromadného dálkového ovládání (HDO) sepne velké množství vytápěných kotlů. Protože voda v otopné soustavě během přestávky zchladla, zabírají ohřívače po sepnutí naprosto bez nárazově a s malým výkonem.

 

Zatím co každé odporové zařízení má vždy při zapnutí zvýšený odběr elektrického proudu, protože topné články jsou studené, zařízení elektrodová mají (vplývá z obecné teorie) vždy při zapnutí menší proud, než je jejich proud ustálený. Příčinou je skutečnost, že ionty jsou v roztoku rozptýlený a teprve působením střídavého magnetického pole vznikajícího kolem „vodičů“ z iontů jsou tyto ionty vháněny relativně malou rychlostí do proudových drah, kde narůstá jejich hustota. Tím narůstá i vodivost roztoku ve vytvořených proudových drahách. Po vypnutí proudu se ovšem tyto ionty v roztoku zase určitou rychlosti rozptýlí.

 

Jestliže by pomalý náběh výkonu elektrodového ohřívače při vytápění vadil, je možné použít pro jeho zrychlení např. kladnou teplotní zpětnou vazbu nebo některá další jednoduchá a účinná opatření. Tím zůstane měkký proudový a výkonový náběh kotle po zapnutí a jeho výkon plynule a zrychleně narůstá.

 

Jeden typ ohřívače (kotle) je možné úpravou vodivosti vody nastavit plynule jako jakýkoliv žádný (popř. optimální) výkon. Tak lze např. snadno bez jakéhokoliv zásahu do ohřívače nastavit jeho výkon plynule od 5 do 30 kW. Obvykle se tento výkon nastavuje pro maximální teplotu vody, např. 70 ̊ C, potřebnou v radiátorech při největších mrazech. Potom při mírnějším počasí má kotel automaticky příkon vždy menší, což je výhodné pro napájecí síť i spínacích přístroje.

 

Úprava vodivosti vody

Určitou nevýhodou nastavení výkonu konduktivitou vody je jeho větší náročnost na praktické zkušenosti. Tato nevýhoda je však vyvážená dlouhodobou spolehlivostí a bezporuchovostí zařízení. O úpravě vodivosti (resp. konduktivity) vody se proto zmíníme podrobněji.

 

Vodivost elektrolytu způsobují přísady, které ve vodě vytvářejí ionty. Čím větší je počet těchto iontů, tím větší je konduktivita dané vody. Nejjednodušší je používat přísady, které zároveň zabraňují vnitřní korozi a vzniku inkrustací ve vytápěcí soustavě. Jsou to látky používané běžně pro úpravu topné vody v teplárenství (např. siřičitan sodný, fosforečnan sodný), zejména pak známá látka Inhicor T, která se běžně prodává pro ústřední topení. Těchto látek stačí poměrně velmi malé množství, aby podstatně zvýšily vodivost vody. Nejvhodnější je naplnit soustavu vodou s malou konduktivitou (dešťovou, kondenzátem z elektrárny, destilovanou vodou), která má minimum často škodlivých a agresivních solí. Konduktivitu lze potom snadno zvýšit na žádanou hodnotu přidáním uvedených látek.

 

Jednoduché metody přidávání do topné vody se souběžným měřením výkonu kotle, třeba jen běžným elektroměrem v instalaci, uvádí obvykle výrobce elektrodového ohřívače (kotle) v průvodní technické dokumentaci.

 

Vliv elektrodových ohřívačů vody pro vytápění na napájecí síť

Autor ve svém článku přinesl základní informaci o elektrodovém ohřevu vody, o jeho vlastnostech a o možnostech využití. Mezi odborníky se často vedou diskuze o tom, jak se spotřebiče tohoto druhu chovají v elektrorozvodné síti.

 

Autoregulace

Na obr. 1 zmíněného článku je naznačena typická a prakticky přímková závislost příkonu ohřívače (kotle) na teplotě vody obíhající v topných radiátorech. Vyplývá z ní, že ohřívač pracuje při mírném počasí (které bývá po větší část topného období) s příkonem např. třetinovým než při velkých mrazech, kdy je v radiátorech potřeba mnohem teplejší voda. Snímač teploty, jehož signál vstupuje do regulátoru teploty, je umístěn v referenční vytápěné místnosti. Výkon kotle se tedy přizpůsobuje vnějším klimatickým podmínkám, aniž by byla zapotřebí nějaká přístrojová regulace či obsluha. Podobně účelově tato autoregulace, způsobovaná závislosti vodivosti vody na teplotě, působí i po přestávce ve vytápění, kdy se pomocí hromadného dálkového ovládaní (HDO) sepne velké množství vytápěcích kotlů. Protože voda v otopné soustavě během přestávky zchladla a její vodivost se zmenšila, zabírají elektrodové ohřívače po sepnutí naprosto bez nárazově a s malým příkonem.

 

Ztráty v síti a v přívodech

Uvedené skutečnosti mají důležitý význam pro napájecí sítě. Jestliže si ohřívač pro vytápění (kotel) nereguluje sám v mírném počasí např. poloviční příkon, klesnou ztráty v rozvodné síti způsobené tímto kotlem na jednu polovinu ztrát, které by kotel způsoboval příkonem dvakrát vyšším při poloviční době funkce. Vyplývá z toho, že ztráty v přívodech rostou s časem sice lineárně, ale s druhou mocninou proudu. Z toho snad poněkud teoretického pohledu akumulační vytápění přináší v rozvodu třikrát větší ztráty než vytápění přímé, protože stejnou energii musí dodat přibližně za třetinovou dobu při třikrát větším výkonu a tím i proudu. Ukažme si to na jednoduchém výpočtu: Stejnou energii W spotřebovanou např. kotlem je možné dodat

proudem I při napětí U za čas t, tj. W = UIt

proudem kI při napětí U za čas t/k, tj. W = UkItk -1 = UIt, kde je číslo vyjadřující, kolikrát je v případě b) proud I větší a kolikrát je čas t kratší než v případe a).

 

V obou případech je činný odpor přívodu (sítě s transformátorem atd.) stejný a roven R (Ω).

 

Energie Wz ztracená v přívodu je

Wza = RI 2t

Wzb = R(kI)2 = kRI 2t = kWza

 

Vidíme, že ztráty v případě b) vzrostly k krát. Jestliže tedy např. odporový kotel zůstává zapnut na dvojnásobný příkon v mírném počasí a topí jen výslednou poloviční dobu, zatímco elektrodový kotel si sám vlivem autoregulace nastaví příkon poloviční a topí výslednou dobu dvojnásobnou, jsou v případě odporového kotle dvojnásobné ztráty v přívodní síti.

 

Uvažujeme-li o plošném využití většího množství kotlů, je tento jev vlivem nesoučasnosti práce jednotlivých kotlů částečně eliminován, ale přesto reálně existuje a uplatňuje se, zejména je-li delší přívodní vedení k domu (ke kotli).

 

Spínání bez proudových rázů

Podle svého principu elektrodový ohřívač patří k malému počtu velkých spotřebičů, které i bez zvláštních opatření nevykazují při zapnutí žádný proudový ráz. Elektrodový ohřívač odebírá při zapnutí vždy proud o něco menší než je jeho ustálený (viz /1/). Je to zásadní rozdíl i oproti klasickým odporovým kotlům „se spirálami“, kde bez zvláštních opatření (např. postupného spínaní) určitý proudový ráz vždy vznikne, neboť studené topné vodiče mají menší odpor než vodiče horké.

 

Rozvodné závody mají někdy požadavek, aby kotle pro vytápění byly po předcházející přestávce v dodávce energie zapínány postupně, po nižších výkonových stupních. Jak již bylo uvedeno, u elektrodového kotle je požadavek postupného nabíhání splněn automaticky, neboť během přestávky voda zchladla, a kotel se proto rozbíhá s výkonem značně nižším. Byla-li přestávka v napájení krátká, takže voda neměla čas dostatečně zchladnout je technicky oprávněnější požadavek, aby se elektrodový kotel zapínal pouze s určitým zpožděním. Jelikož totiž elektrodový kotel v žádném případě při zapnutí neodebírá proud větší, než je jeho proud ustálený při dané teplotě vody, stačí jen zpozdit jeho zapnutí při obnovení dodávky proudu o dobu, za kterou si odbydou proudový ráz všechny spotřebiče, které po zapnutí proudovým rázem zatěžují síť (motory ledniček, domácích vodáren, praček, ale i žárovky a klasické odporové tepelné spotřebiče). Jestliže by i potom zapnutí kotle mělo způsobit vypnutí ochran v napájecí síti, jsou ochrany nastaveny nízko nebo je síť již stejně přetížená a musí se hledat řešení této situace. Při zpožděném zapnutí kotle by měla stačit doba zpoždění asi 3 až 10 s, protože do té doby již ráz od ostatních spotřebičů zpravidla pominul.

 

Než se však začne vyžadovat jakékoliv složitější spínání elektrodových kotlů na síť než pouhé jejich zapnutí stykačem, je třeba zvážit tyto okolnosti :

• V praxi se nejlépe osvědčují zařízení co nejjednodušší z hlediska jak spolehlivosti, tak i údržby.
• Znovuzapínánísítích častěji připadá v úvahu v létě (při bouřkách), kdy se netopí a síť je méně zatížená.
• Jestliže se odstraňuje porucha na sítí, bývá to vždy záležitost na delší dobu, kdy vodatopení zchladne a kotel se tedy rozbíhá s malým záběrným proudem. Je to kvalitativně zcela jiné než u kotlů s odporovými články, které při zapnutí způsobují vždy určitý proudový ráz.
• Jestliže se vypíná a zapínámalém intervalu (řádově jen jednotky nebo maximálně desítky sekund), je třeba si uvědomit ještě tyto skutečnosti: Je velmi nepravděpodobné, aby všechny kotleprovozním režimu byly při krátkodobém výpadku v dodávce energie právě v zapnutém stavu. Lze předpokládat, že v okamžiku výpadku je minimálně polovina kotlů ve vypnutém stavu, protože mají „natopeno“. Kromě toho jsou kotle čistou činnou zátěží s daleko snazšími spínacími problémy.
• Při delším vypnutí (minuty, desítky minut) se příznivě uplatňují časové konstanty vytápěných objektů (akumulace) i dané necitlivosti přístrojů regulujících teplotu atd. I při vypnutí proudu a zastavení oběhového čerpadla se samotížným prouděním rychle do kotle dostane chladnější voda ze „zpátečky“, takže kotel nabyde předpoklad po tlumený rozběh již za krátkou dobu.

 

Provozem a měřením se prokázalo, že správně konstruovaný elektrodový ohřívač zatěžuje (a svým principem i musí zatěžovat) jednotlivé fáze trojfázové sítě stejně a po zapnutí i plynulým výkonem, jehož maximum potřebné jen ve velkých mrazech, lze dobře a dlouhodobě nastavit vodivosti vody v topném systému na hodnotu povolenou rozvodnými závody. Překročení tohoto maxima je potom hlídáno termostatem omezujícím maximální teplotu vody v kotli (a tím i příkon) a zároveň jističem proudu, který v jednoduché instalaci zabraňuje překročení povoleného maxima při použití jakýchkoliv spotřebičů (např. přitápění dalšími elektrickými kamínky, panely, elektrickou troubou, teplomety atd.).

 

Ze záhadných důvodů se vyskytly i pověsti o tom, že elektrodový ohřívač vody pro vytápění „houpá sítí, dělá rázy v sítí, dělá harmonické“ apod. Svědčí to je on pochybné odbornosti původců těchto domněnek, i když lecos by snad mohla způsobit neodborná domácká konstrukce ohřívačů, před kterou je třeba varovat.

 

Přísnými oficiálními měřeními se prokázalo, že elektrodový ohřívač nezpůsobuje rušení rozhlasu ani televize. Eventuální rušení by se mohlo vyskytnout jen při zapnutí vypnutí ohřívače, což je však běžné u jakéhokoliv spotřebiče.

 

Návrh perspektivního řešení

Při uvažování o dalších vývojových tendencích elektrického vytápění nelze opominout tyto dvě skutečnosti :

O elektrodových zařízeních platí, že jsou tím investičně levnější a provedením snazší ve srovnání se zařízeními klasickými odporovými, čím, je jejich výkon větší.

Rovněž ve srovnáníklasickými odporovými zařízeními lze elektrodová zařízení stavět výhodněji na napětí vyšší a vysoká než na napětí nízké. Nabízí se zde proto možnost při vytápění větších celků a obcí použít místo napětí 380 V napěti 660 V, pro které jsou přístroje i kabely běžně k dispozici již nyní. Obvykle se stejně musí v daném objektu či obci rekonstruovat a zesilovat rozvod s ohledem na elektrické vytápění. Potom by bylo možné ponechat systém 380 V/ 220 V pro běžnou spotřebu a pro vytápění založit nový elektrický oddělný systém 3x660V/ 380V. Při vyšším napětí se převede stejnými vodiči při menších ztrátách větší výkon, klesne proudová hustota na elektrodách elektrodových ohřívačů, a tím i jejich velikost atd.

 

Autor je si vědom, že zatím je tato myšlenka snad až příliš revoluční a vyžádá si řešení mnoha technických, administrativních a předpisových problémů, ale věří, že není nereálná.

Elektro, 1993, č.12, s. 483