Praktyczna metoda określania współczynników oporów miejscowych złączek. Kalkulacja instalacji.

Szczególnie przy korzystaniu z prysznica z mechanicznymi mieszaczami wahania te mogą powodować niezamierzone wzrosty temperatury i dlatego nie są tolerowane przez osoby korzystające z instalacji. Jako przyczynę wahań temperatury prasa fachowa podaje występowanie kilku czynników technicznych:
* uproszczone wymiarowanie instalacji wody pitnej za pomocą wartości obciążeń, przy którym nie bierze się za podstawę większych rezerw bezpieczeństwa w formie wystarczających współczynników równoczesności lub przy którym nie są w wystarczającym stopniu uwzględnione różnice ciśnień,
* system instalacyjny, którego technika łączenia powoduje podwyższenie strat ciśnienia,
* użycie nowoczesnych urządzeń poboru, z podwyższonymi przepływami obliczeniowymi i minimalnym ciśnieniem hydraulicznym (na przykład prysznice wellness),
* zmiany w eksploatacji przez użytkownika instalacji wody pitnej (równoczesność).
Ponieważ uproszczone wymiarowanie uwzględnia tylko ryczałtowo podawane, w formie wartości zeta (z), opory miejscowe (np. złączek), to szczególnie przy małych wymiarach rur (DN 12 do DN 20) wynikają z tego ponad proporcjonalne wpływy na cały bilans ciśnienia. Rodzi to intensywne dyskusje o uproszczonej lub zdywersyfikowanej metodzie badań, ale również o różnych, występujących na rynku, technikach łączenia. Wychodzi się z założenia, że także zmodyfikowana w roku 1988 norma DIN 1988 i przedstawione w niej niezależnie od techniki łączenia wartości współczynników oporów miejscowych są przestarzałe i nie odpowiadają już dzisiejszym, nowoczesnym systemom instalacji wody pitnej.

Technika łączenia Technika łączenia typu tuleja zaciskowa sprawdza się na rynku od wielu lat. Zawdzięczamy to przede wszystkim specjalnej technice kielichowania, która umożliwia optymalny przekrój złączki. Tym samym konsekwentnie zapobiega poważnemu zwężaniu średnic wewnętrznych jako jednej z przyczyn wahań ciśnienia. Zatem mniejszego znaczenia nabierają ryczałtowe narzuty dla oporów miejscowych, wg uproszczonego wymiarowania DIN EN 806-3, co wychodzi na dobre bilansowi ciśnienia i funkcjonowaniu instalacji. W ten sposób wymiarowanie instalacji wody pitnej poniekąd zapobiega możliwym oparzeniom, równocześnie umożliwiając optymalne wymiarowanie.

Badanie przez SVGW Szwajcarskie Stowarzyszenie Branży Gazowej i Wodnej (SVGW) wzięło przedstawioną problematykę za punkt wyjścia do skontrolowania opublikowanych dotychczas wartości oporów miejscowych certyfikowanych producentów systemów. Wszyscy producenci certyfikowanych w Szwajcarii systemów rur do wody pitnej zostali poproszeni o przeprowadzenie badania straty ciśnienia i określenie wartości zeta reprezentatywnego programu złączek w oparciu o normę SN EN 1267. Ta norma jest wprawdzie pierwotnie przewidziana do mierzenia strat ciśnienia armatury z wodą jako medium kontrolnym, została jednak przeniesiona i dopasowana do mierzenia strat ciśnienia na złączkach. W wyniku tych pomiarów poznaliśmy częściowo duże różnice między publikowanymi dotychczas w informacjach technicznych poszczególnych producentów wartościami oporów, a rzeczywiście stwierdzonymi wartościami zeta. Na zlecenie SVGW wyrywkowe badania kontrolne przeprowadziły Szkoła Wyższa w Lucernie oraz instytut DVGW – Centrum Technologii Wody w Karlsruhe (TZW). Technika łączenia typu tuleja zaciskowa wypadła pozytywnie w tych badaniach i, biorąc pod uwagę przebadanych producentów, znalazła się wśród technik łączenia o najmniejszych oporach dla przepływu. Śledząc bieżące dyskusje specjalistyczne, problematyką tą zajął się również Niemiecki Instytut Norm (DIN) i Niemieckie Stowarzyszenie Branży Gazowej i Wodnej (DVGW). W ramach tworzenia normy DIN 1988-300 (załącznik krajowy do DIN EN 806-3) i arkusza roboczego DVGW W 534 opracowuje się obecnie odpowiednią metodykę do określania wartości współczynników oporów miejscowych, aby zapewnić jednorodną podstawę kontroli różnych technik łączenia. Zakończenie prac spodziewane jest pod koniec roku 2010.

Ważne kroki Aby sprostać aktualnym wymaganiom ze Szwajcarii, pierwszym zadaniem było takie doprecyzowanie i rozwinięcie metody badawczej wg SN EN 1267 lub DIN EN 1267, aby na stanowiskach badawczych znajdujących się od dziesiątków lat w instytutach technologii wodnej, mogły być wykonywane również pomiary strat ciśnienia na złączkach. Udało się to we współpracy z TZW w Karlsruhe. W tym celu TZW używa do mierzenia ciśnienia na stanowiskach badawczych zdefiniowanych głowic pomiarowych zgodnych z DIN 3546-1. Poprzez zastosowanie po jednej głowicy pomiarowej na odcinku wlotowym przed próbką i wylotowym za próbką ustala się różnicę ciśnień. Zazwyczaj wbudowana w stanowisko badawcze armatura zostaje zastąpiona zdefiniowanym próbnikiem rury. Rysunek 1 przedstawia schematycznie odcinek próbny z głowicami kontrolnymi i próbnikiem rury. Za pomocą układu probierczego ustala się stratę ciśnienia wszystkich elementów, które leżą pomiędzy obiema głowicami pomiarowymi.
Aby otrzymać z tego stratę ciśnienia na złączce, trzeba odjąć stratę ciśnienia wszystkich innych elementów. Osiąga się to w ślepej próbie, tzn. na odcinku rury bez złączki, który (nie licząc brakującej złączki) jest zbudowany analogicznie do wyżej przedstawionego próbnika. Tę metodykę badania nazywamy pomiarem metodą różnicową, a niezależne akredytowane komórki kontroli, jak np. TZW, dysponują dużym doświadczeniem w tym zakresie. Na rysunku 2 przedstawiono schematycznie odcinek z próbnikiem bez złączki. Przy tej strukturze badania można zarejestrować dokładne pary pomiarowe straty ciśnienia strumienia objętości tak dla próbnika ze złączką, jak i bez niej. Wygenerowanie ciągłych, dokładnych krzywych straty ciśnienia było możliwe, ponieważ stanowisko badawcze TZW jest zamkniętym systemem, którego strumień objętości regulowany jest bezstopniowo za pomocą pompy sterowanej przetwornicą częstotliwości i do tego rejestrowanych jest ok. 100 wartości różnicy ciśnień na sekundę. Przykładowe krzywe przedstawia wykres.

Określenie współczynnika We współpracy z TZW zostały zdefiniowane prędkości przepływu, przy których ze zmierzonych strat ciśnienia poszczególnych próbników można określić współczynniki oporu hydraulicznego. Dla złączki z tuleją zaciskową przeprowadzono to przy prędkościach przepływu wynoszących 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,5 i 5,0 m/s. Badanie dla 0,5 m/s okazało się niezdatne ze względu na niekorzystny stosunek wartości pomiaru do błędu pomiarowego i niebezpieczeństwo mierzenia przy przepływie laminarnym. Potwierdziło się to ostatecznie po zakończeniu szeregu pomiarów. Dla dalszych obliczeń należy zaznaczyć, że strata ciśnienia poszczególnych elementów kontrolnych była wielokrotnie mierzona dla każdej prędkości przepływu na hydraulicznych siłomierzach puszkowych, aby ją następnie włączyć do formuł obliczeniowych. Przy zastosowaniu nowoczesnej, cyfrowej techniki pomiarowej TZW osiągnięto wysoką dokładność pomiarów.
Matematycznie u podstaw programowania przyrządu pomiarowego do przeliczania strumienia objętości w próbniku (V) na prędkość przepływu (v) leży równanie ciągłości:
V = A * v = p * di2 * v/4 (1)
V – strumień objętości, względnie przepływ (l/s lub m³/h),
A – powierzchnia przekroju wewnętrznego rury przyłączeniowej (mm²),
v – prędkość przepływu (m/s),
d – przekrój wewnętrzny rury przyłączeniowej (mm).
Z obu krzywych straty ciśnienia dla próbnika ze złączką i bez złączki wynika różnica straty ciśnienia. Przy tym rozpatrzeniu staje się jasne, że wyliczona różnica straty ciśnienia odpowiada stracie ciśnienia testowanej złączki. Δpzłączka = Δppróbka – Δprura (2) Δpzłączka – strata ciśnienia na złączce (mbar), Δppróbka – strata ciśnienia na próbniku ze złączką (mbar), Δprura – strata ciśnienia na próbniku bez złączki (mbar). Ta kalkulacja może być przeprowadzona przy dowolnej ilości strumieni objętości (względnie prędkości przepływu) dzięki czemu dana jest wystarczająco duża baza dla obliczenia średniej wartości współczynnika oporu lub stworzenia odpowiednich diagramów.
Przeliczenie otrzymanej straty ciśnienia na wartości zeta następuje za pomocą następującego równania:
Δpzłączka = z * r/2 * v2 w przeliczeniu na zeta: z = 2 * Δpzłączka 2/(r * v2) (3)
z – współczynnik oporu hydraulicznego (wartość zeta) złączki,
Δpzłączka – strata ciśnienia na złączce (mbar),
r – gęstość (medium próbnego) wody (kg/m³); np. ok. 999 kg/m³ przy 18°C,
v – prędkość przepływu (m/s).
Przykładowy przebieg obliczeń z równań 1-3 dla złączki 16-16 został przedstawiony na rysunku 4. Wyniki pomiarów Za pomocą wyżej opisanej metody pomiaru zostały ustalone wartości współczynników oporów miejscowych. Przedstawione wyniki pokazują, jak pozytywny wpływ ma specjalna technika kielichowania, względnie technika łączenia typu tuleja zaciskowa, na wartości zeta każdej złączki i tym samym na cały bilans ciśnienia instalacji wody pitnej. Podsumowanie Opisane sposoby pomiaru i kalkulacji nadają się do obliczania wartości współczynników strat miejscowych różnych złączek. Ich publikacja przez producentów i umieszczanie tych wartości w programach do wymiarowania stanowi przydatną w różnorodnych kalkulacjach informację dla projektantów, firm wykonawczych i użytkowników instalacji wody pitnej. Pomiary TZW pokazały, że dostępne w wielu instytutach badawczych stanowiska kontrolne i głowice do mierzenia ciśnienia mogą być nadal bez problemu używane, ponieważ prowadzą one do pewnych i przede wszystkim powtarzalnych wyników. Wszystkie podstawy, założenia i normy (przykładowo DIN EN 1267 i DIN 3546-1) są dostępne już od kilkudziesięciu lat i muszą być tylko połączone w przemyślaną całość. Po zakończeniu szeregu pomiarów okazało się również, że istnieją wyraźne różnice pomiędzy oporami miejscowymi różnych producentów. I tak np. pomiar złączki 16-16 RAUTITAN w TZW wykazał wartość zeta 0,3, podczas gdy inni producenci w swoich informacjach technicznych podają wartość zeta porównywalnych złączek 16-16 czasem jako 3,0 i wyżej.
Oznacza to dziesięciokrotnie większe wartości oporów miejscowych w porównaniu ze wspomnianą złączką. Wprawdzie porównujemy tu tylko pojedyncze wartości, jednak współczynniki oporów miejscowych mają szczególne znaczenie przy wymiarowaniu systemu instalacji rurowych, mimo że stanowią tylko jeden z elementów kalkulacji straty ciśnienia. Na zakończenie można stwierdzić, że poddane obecnie kontrowersyjnym dyskusjom środowiska fachowego nowe opracowanie i ustalenie metod pomiaru instalacji wody pitnej, do których dąży również SVGW, DVWG i DIN, jest jak najbardziej pożądane, aby otrzymać pewne metody kalkulacji instalacji wody pitnej. Planowany obowiązek uwzględniania zróżnicowanych wartości współczynników oporu miejscowego i mająca się pojawić, prawdopodobnie jeszcze w roku 2010, norma DIN 1988-300 nie powinny jednak wprowadzić na rynku niepokoju wśród projektantów i instalatorów, ponieważ nic się nie zmieni w istniejących obecnie, podstawowych metodach obliczeniowych i te, również w przyszłości, można określić jako pewne. Uwzględniają to starannie poszczególne grupy robocze.
Ottmar Lunemann                                                                                                                                 Ilustracje z archiwum firmy REHAU.
Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdfpdf

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij