به دام افتادن نیتروژن در رادیاتورها؛ حبس گازی که طبقات بالا را از گرمایش محروم می‌کند

مالک خانه شیر هواگیری رادیاتور طبقه بالا را باز می‌کند، صدای هیس خروج گاز را می‌شنود و حس می‌کند پره‌های رادیاتور بالاخره گرم شده‌اند. از نظر او مشکل حل شده است؛ تصورش این است که حبابی از هوا راه لوله را بسته بود و حالا مدار دوباره پر از آب گرم است.

اما وقتی یک مهندس تأسیسات یک هفته بعد همان رادیاتور را بررسی می‌کند و می‌بیند بالای آن دوباره سرد شده، سیستمی را می‌بیند که بی‌صدا در حال خفه کردن خود است. اختلاف نظر بر سر این نیست که آیا لوله مسدود شده یا نه، بلکه بحث بر سر ماهیت ماده‌ای است که این انسداد را رقم زده است.

از دید صاحب‌خانه، تکرار مداوم سردی پره‌ها یعنی پمپ سیرکولاتور ضعیف شده و توان فرستادن آب به طبقه دوم را ندارد. اما از نظر مهندس، پمپ کاملاً سالم است؛ سیستم دچار «قفل گازی» شده و گازی که داخل رادیاتور به دام افتاده اصلاً «هوا» نیست.

این گاز نیتروژن است. خود فرایند هواگیری مداوم رادیاتور که باعث می‌شود شیر پرکن اتوماتیک دیگ آب تازه وارد مدار کند، دقیقاً همان عاملی است که بازگشت این گرفتگی را تضمین می‌کند.

توهم مدار بسته در گرمایش خانگی

سیستم‌های گرمایش هیدرونیک (شوفاژ) به عنوان مدارهای بسته طراحی می‌شوند. در تئوری، همان آب اولیه باید سال‌ها میان دیگ، رادیاتورها و مسیر برگشت گردش کند. چون سیستم بسته است، مالکان تصور می‌کنند هر گازی که وارد لوله‌ها می‌شود لابد از محل اتصالات نشتی داشته است.

اما در عمل، مدارهای گرمایشی به‌ندرت کاملاً ایزوله می‌مانند. هر بار که شیر پرکن اتوماتیک برای جبران افت فشار باز می‌شود، آب شهری تازه وارد سیستم می‌گردد. این اتفاق با هر بار هواگیری دستی یا حتی یک نشتی کوچک در فلنج پمپ تکرار می‌شود.

این آب لوله‌کشی تازه، محموله‌ای پنهان با خود دارد: گازهای جوی حل‌شده در آب. مهندسان تأسیسات گاز موجود در مدار گرمایش را به سه دسته تقسیم می‌کنند: کیسه‌های هوای ساکن، حباب‌های معلق در جریان و گازهای محلول.

کیسه‌های ساکن همان هوای اولیه‌ای هستند که هنگام پر کردن اولیه لوله‌ها در سیستم باقی می‌ماند. حباب‌های معلق، کره‌های گازی قابل رؤیتی هستند که همراه با جریان آب جابه‌جا می‌شوند. اما گازهای محلول نامرئی‌اند و دقیقاً در فضای مولکولی میان آب شناور مانده‌اند.

آب سرد شیر پر از اکسیژن، نیتروژن و دی‌اکسید کربن محلول است. طبق داده‌های آموزشی Heating Help، هر گالن آب سرد لوله‌کشی شهری تقریباً معادل نصف فنجان گاز محلول در فشار اتمسفر دارد. وقتی این آب وارد دیگ موتورخانه می‌شود، این گازها را نیز با خود وارد مدار می‌کند.[3]

قانون هنری و اثر مشابه قوطی نوشابه

آنچه پس از آن رخ می‌دهد، تحت فرمان یکی از قوانین پایه فیزیک موسوم به «قانون هنری» است. بر اساس این قانون که ویلیام هنری در سال ۱۸۰۳ فرمول‌بندی کرد، حلالیت گاز در مایع با فشار نسبت مستقیم و با دما نسبت عکس دارد.[2]

آب سرد تحت فشار بالا حجم عظیمی از گاز را در خود حل می‌کند، اما آب داغ با فشار پایین چنین توانی ندارد. به محض اینکه مشعل روشن می‌شود، آب تازه ورودی از دمای حدود ۱۰ تا ۱۵ درجه به ۸۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد.[2]

هم‌زمان با دور شدن آب از پمپ سیرکولاتور، فشار آن نیز افت می‌کند. این افت فشار و افزایش دما، گازهای محلول را از آب بیرون می‌راند؛ واکنشی دقیقاً مشابه باز کردن ناگهانی درب یک بطری نوشابه گرم.[2][3]

مهندسان شرکت Caleffi این پدیده را با ارقام دقیق بررسی کرده‌اند. در دمای ۱۸ درجه سانتی‌گراد و فشار ۱۵ پوند بر اینچ مربع (حدود ۱ بار)، تا ۳٫۶ درصد حجم آب از گازهای محلول تشکیل شده است. اما با گرم شدن آب تا حدود ۷۷ درجه سانتی‌گراد، این ظرفیت نگهداری به نصف می‌رسد و روی ۱٫۸ درصد متوقف می‌شود.[1]

گاز مازاد از آب رسوب کرده و جدا می‌شود. این گاز میلیون‌ها حباب میکروسکوپی تشکیل می‌دهد که حالا آزادانه در طول مدار گرمایش به حرکت درمی‌آیند.[1]

چرا نیتروژن در لوله‌ها باقی می‌ماند؟

گازی که از آب جوشیده و خارج می‌شود مخلوطی از اکسیژن و نیتروژن است. با این حال، رفتار این دو عنصر درون مدار فولادی و مسی لوله‌کشی تفاوت بنیادینی با یکدیگر دارد. اکسیژن میل ترکیبی شدیدی دارد و فوراً با بخش‌های آهنی سیستم وارد واکنش می‌شود.[1][5]

این فرایند اکسیداسیون، اکسیژن آزاد را به اکسید آهن یا همان لجن مغناطیسی (مگنتیت) تبدیل کرده و مصرف می‌کند. اکسیژن عملاً با پوساندن مبدل چدنی دیگ و بدنه رادیاتورهای پنلی از درون، خود را از بین می‌برد.[5]

لجن سیاه مگنتیتی حاصل از واکنش اکسیژن آسیب‌های خود را به بار می‌آورد؛ دیواره لوله‌ها را رسوب می‌گیرد و سیل‌های مکانیکی پمپ را می‌ساید. اما به‌محض اینکه اکسیژن با آهن پیوند خورد، دیگر ماهیت گازی ندارد.[2][5]

در مقابل، نیتروژن که ۷۸ درصد از هوای اتمسفر را تشکیل می‌دهد، کاملاً در حالت گازی باقی می‌ماند. نیتروژن گازی خنثی است و با آهن، مس یا برنج واکنش نمی‌دهد. چون جذب فلز نمی‌شود، هیچ‌وقت هم در سیستم مصرف نخواهد شد.[1]

بنابراین، ریزحباب‌های نیتروژن صرفاً سوار بر جریان آب حرکت می‌کنند. با توجه به ابعاد بسیار ریزشان، سرعت جابه‌جایی آن‌ها آرام است و پمپ به آسانی آن‌ها را هل می‌دهد. این حباب‌ها در لوله‌های رفت بالا می‌روند تا به نقطه‌ای با کمترین سرعت جریان یا بیشترین ارتفاع برسند.[1]

کالبدشکافی یک قفل گازی

در سامانه‌های حرارت مرکزی مسکونی، کم‌سرعت‌ترین و مرتفع‌ترین نقاط مدار معمولاً رادیاتورهای بالاترین طبقه ساختمان هستند. به محض اینکه ریزحباب‌های نیتروژن وارد مخزن عریض رادیاتور پره‌ای یا فن‌کوئل می‌شوند، سرعت خطی آب کاهش می‌یابد.[4]

حباب‌ها به بالاترین قسمت پره صعود کرده و به هم می‌پیوندند. در طول چند روز یا چند هفته، میلیون‌ها حباب ذره‌بینی نیتروژن ادغام شده و یک توده گازی بزرگ و رو به گسترش تشکیل می‌دهند. چون گاز در بالا قرار می‌گیرد، آب داغ را به سمت پایین می‌راند.[4]

حتی یک کیسه گازی کوچک در بالای رادیاتور، انتقال حرارت را به شدت مختل می‌کند. کارشناسان مجموعه Barci Plumbing & Heating تأکید می‌کنند که «این گاز می‌تواند بازده گرمایشی رادیاتور را ۲۰ تا ۴۰ درصد کاهش دهد، در حالی که باقی خانه دمای عادی دارد.»[4]

آن‌ها هشدار می‌دهند که در صورت عدم اصلاح در تمام طول زمستان، «این عدم تعادل منجر به یخ زدن یک اتاق خواب و کارکرد مداوم و بیش از حد موتورخانه می‌شود.» اگر این حفره گازی بیش از حد بزرگ شود، یک انسداد کامل هیدرولیکی پدید می‌آورد.[4]

فیزیک این انسداد قاطع و غیرقابل انکار است. آب مایعی تراکم‌ناپذیر است؛ یعنی پمپ سیرکولاتور فقط باید بر اصطکاک داخلی لوله‌ها غلبه کند تا آن را بچرخاند. اما گاز به شدت تراکم‌پذیر است.[2]

وقتی موج فشار پمپ به یک توده بزرگ نیتروژن برخورد می‌کند، گاز فقط فشرده می‌شود. این توده مانند کمک‌فنر عمل می‌کند؛ انرژی پمپ را جذب کرده و اجازه حرکت به آب پشت سر خود را نمی‌دهد. مدار اصطلاحاً «هواگرفت» یا قفل گازی می‌شود و طبقه بالا کاملاً سرد می‌ماند.[2][4]

تله چرخه هواگیری دستی

وقتی طبقه بالا سرد می‌شود، غریزه اول ساکن خانه برداشتن آچار هواگیری و باز کردن پیچ رادیاتور است. خروج گاز نیتروژن باعث می‌شود آب با سرعت به داخل رادیاتور هجوم بیاورد.[4]

گرما بلافاصله بازمی‌گردد و این تصور را تقویت می‌کند که هواگیری دستی بهترین راه‌حل است. اما تخلیه گاز در سیستم بسته، آغازی بر یک دور باطل مخرب است؛ زیرا با خروج گاز، فشار مدار افت می‌کند.[3]

شیر پرکن اتوماتیک موتورخانه افت فشار را حس کرده و باز می‌شود تا با تزریق آب سرد شهری، حجم از دست رفته را جبران کند. این آب تازه، بار دیگر سرشار از اکسیژن و نیتروژن محلول جدید است.[3][4]

با روشن شدن مجدد دیگ، اکسیژن جدید دوباره بدنه چدنی و فلزی را می‌پوساند و نیتروژن جدید مجدداً از آب خارج می‌شود تا قفل گازی دیگری در بالاترین طبقه بسازد. در واقع صاحب‌خانه با این کار مشکل را حل نکرده، بلکه تنها تایمر یک معادله فیزیکی را از نو به کار انداخته است.[3]

حذف مکانیکی هوا با تجهیزات مدرن

برای شکستن این زنجیره معیوب، باید جلوی رسیدن نیتروژن به طبقات بالا را پیش از صعود گرفت. سیستم‌های قدیمی به ایرونت‌های چدنی ساده متکی بودند که نیاز به دست‌کم ۴۵ سانتی‌متر لوله افقی مستقیم داشتند تا حباب‌ها فرصت بالا آمدن پیدا کنند.[5]

اما این جداکننده‌های غیرفعال در به دام انداختن ریزحباب‌ها به‌شدت ناکارآمد بودند. جان زیگن‌تالر در مقاله‌ای برای نشریه PM Engineer می‌نویسد: «زمان زیادی طول می‌کشید تا مولکول‌های حل‌شده اکسیژن و نیتروژن به حباب‌هایی به اندازه کافی بزرگ تبدیل شوند که تله‌های چدنی بتوانند آن‌ها را گرفته و خارج کنند.»[5]

مهندسی تأسیسات نوین این معضل را با «جداکننده ریزحباب» (میکروبابل سپریتور) برطرف کرده است. این تجهیز باید در نقطه‌ای با کمترین میزان حلالیت گاز نصب شود؛ بر پایه قانون هنری، یعنی داغ‌ترین نقطه ممکن با کمترین فشار کاری.[1][2]

در سیستم‌های حرارت مرکزی خانگی، این نقطه دقیقاً روی لوله رفت اصلی، بلافاصله پس از دیگ و قبل از پمپ سیرکولاتور است. ساختار داخلی یک جداکننده ریزحباب مدرن برای بهره‌برداری کامل از دینامیک سیالات مهندسی شده است.[1]

وقتی آب داغ وارد محفظه عریض‌تر جداکننده می‌شود، سرعت جریان آن فروکش می‌کند. سپس آب از میان یک شبکه متراکم از پره‌های سیمی مسی یا فولاد ضدزنگ عبور می‌کند. حباب‌های بسیار ریز نیتروژن به این سیم‌ها می‌چسبند و با الحاق به یکدیگر آن‌قدر بزرگ می‌شوند که نیروی شناوری آن‌ها را بالا بکشد.[1]

این گازها به محفظه بالایی شناور صعود کرده و از طریق شیر خودکار تخلیه هوا به فضای بیرون هدایت می‌شوند. جداکننده با جداسازی پیوسته نیتروژن پیش از رسیدن به طبقات بالا، تضمین می‌کند رادیاتورها همیشه پر از آب بمانند، پمپ بی‌صدا و بدون مانع کار کند و پای مالک خانه دیگر هرگز به آچار هواگیری باز نشود.[1]