Vysoké odpory tvarovek lisovaných systémů potrubí

Dnes již málokdo pochybuje o výhodách plastových potrubních systémů s lisovanými spoji, které jsou ukládány do podlah. Tyto systémy však mají jeden problém - vykazují vysoké ztráty tlaku na tvarovkách a běžné výpočtové programy s těmito odpory dosud nepočítají. Sám jsem v minulosti absolvoval několik školení různých výrobců. Velmi často jsem slyšel doporučení, abychom se nebáli vyšších rychlostí v potrubí, které je dokonale hladké. Vždy jsem se v diskuzi zeptal, jak je to vlastně s odpory tvarovek. Převážně jsem dostával odpovědi v tom smyslu, že se jedná o místní odpor, který neovlivní významně celkovou tlakovou ztrátu v rozvodu. V některých případech jsem získal koeficienty, kterými se lze dopočítat odporu tvarovek - pokud se tím budu chtít vůbec zabývat. Jenže tyto koeficienty, běžně používané pro systémy měděných a ocelových rozvodů, nelze tak snadno aplikovat na lisované systémy, protože z neznámých důvodů nejsou v podkladech výrobců uvedeny vnitřní průměry tvarovek, tedy nejsme schopni stanovit rychlost proudění ve tvarovce a tudíž ani odpor, závislý druhou mocninou právě na rychlosti. Pokud se spokojíme s vnitřním průměrem potrubí (tak jako i většina výpočtových programů) vychází samozřejmě odpory přijatelné.

S měřením vnitřních průměrů různých tvarovek a ručními výpočty skutečného odporu jsem samozřejmě začal, až se objevily problémy. Rozsáhlejší soustava z vícevrstvého potrubí, navržená spolehlivým programem na rozdíl tlaku cca 20 kPa, provedená i zregulovaná podle projektu, vykazuje naprosto nedostatečný výkon těles na koncích větví. Musím přiznat, že mě výsledky natolik zaskočily, že považuji za nutné se o výsledky podělit s ostatními projektanty.

Odpor tvarovek dle dodavatele systému - versus skutečný odpor

V následujícím textu porovnávám tlakovou ztrátu na tvarovce lisovaného systému vícevrstvého potrubí dle údajů dodavatele a poté stejné tvarovky dle obecně publikovaných pravidel v technické literatuře.

Jak známo, tlaková ztráta na místním odporu potrubí se počítá ze vztahu

d_p = (x*ρ*w²)/2

Kde
d_p je tlaková ztráta (Pa)
x je součinitel místního odporu (-)
ρ je hustota kapaliny (kg/m³)
w je rychlost kapaliny (m/s)

Publikované místní odpory pro fitinky PRESS v rozvodech vícevrstvého potrubí:

(tyto hodnoty jsou převzaty z internetových stránek jednoho z dodavatelů systému)

Koleno/oblouk 90° (prvek s ostrými hranami)	x=1,3
T-kus - odbočka (prvek s ostrými hranami)	x=1,6
T-kus rozdělení proudu. (prvek s ostrými hranami)	x=1,7

Obecně publikované místní odpory pro tvarovky do potrubí:

(tyto hodnoty jsou převzaty z publikace Výpočtové tabulky pro vytápění od autorů Laboutka, Suchánek, sešit projektanta č.9)

Náhlé zúžení při poměru d1/d2=0,58

x=0,30

T-kus - odbočení proudu je závislý na poměru odbočujícího toku a pohybuje se pro všechny tři shodné průměry v následujících relacích:

Pro 30% odbočujícího toku	x=2,9
Pro 50% odbočujícího toku	x=4,9
Pro 70% odbočujícího toku	x=12,0

Náhlé rozšíření při poměru d2/d1=0,58

x=0,44

Zásadním problémem snad všech dodavatelů a výrobců tvarovek je chybějící údaj o vnitřním průměru fitinky.

Protože s lisovanými tvarovkami pro vícevrstvé potrubí běžně pracuji, změřil jsem si vnitřní průměry tvarovek pro potrubí jednoho z dodavatelů. Zde jsou naměřené hodnoty vnitřních průměrů di:

Tvarovka pro lisování potrubí 16/2	di=7 mm
Tvarovka pro lisování potrubí 20/2	di=10 mm
Tvarovka pro lisování potrubí 26/3	di=14 mm
Tvarovka pro lisování potrubí 32/3	di=19 mm

Z těchto údajů již jasně vyplývá, že rychlosti ve tvarovkách jsou až cca trojnásobné, než uvažují výpočtové programy. Pokud by tedy byly správné součinitele místních odporů, skutečné tlakové ztráty na tvarovkách by byly až devětkrát větší, protože rychlost v rovnici vystupuje ve druhé mocnině. To již skutečně není zanedbatelné...

Hrubý rozpor mezi publikovaným a skutečným odporem:

Pro konkrétní výpočet jsem vybral zcela běžný případ na konci větve o teplotním spádu např. 70/55 °C, kde jsou dvě otopná tělesa o výkonu 1,75 kW a T-kus 16/16/16. Budeme se zabývat tlakovými ztrátami v okruhu tělesa připojeného na střední vývod T-kusu. Ve společné přívodní trubce o vnitřním průměru 12mm je rychlost prodění 0,5 m/s, v přípojkách těles je rychlost 0,25 m/s.

Pokud budeme počítat tlakovou ztrátu při tomto odbočení proudu v T-kusu 16x16x16 metodou, kterou nám nabízí výrobce systému vícevrstvého potrubí s lisovanými spoji a do výše uvedeného vztahu dosadíme rychlost odpovídající vnitřnímu průměru potrubí 12 mm (jiný průměr z podkladů neznám) 0,5 m/s - dojdeme k následujícímu výsledku:

d_p=1,6*1000*0,25²/2
d_p=50 Pa

Tlaková ztráta na fitinku tedy činí dle údajů výrobce 50 Pa

Pokud použiji výpočtovou metodiku obecně publikovanou a budu uvažovat změřený vnitřní průměr fitinky, rozkládá se řešení na následující části:

1. Stanovení skutečné rychlosti ve fitince
2. Výpočet odporu vlivem náhlého zúžení při náběhu kapaliny do fitinky
3. Výpočet odporu vlastního fitinky pro uvažovaný případ při skutečné rychlosti
4. Výpočet odporu vlivem náhlého rozšíření při výtoku kapaliny z fitinky

Ad1)

Při rychlosti 0,5 m/s v potrubí o vnitřním průměru 12 mm vychází rychlost ve fitince o vnitřním průměru 7 mm:

w₂ = w₁ *d_i1² / d_i2²

Kde
w₁ = rychlost v potrubí
w₂ = rychlost ve fitince
d_i1 = vnitřní průměr potrubí
d_i2 = vnitřní průměr fitinky

po dosazení

w₂ = 0,5 * 12² / 7² = 1,47 m/s

Skutečná rychlost ve fitince na vstupu tedy činí 1,47 m/s

Ad2)

Náhlé zúžení (dle publikovaných hodnot při zúžení ze 12 na 7 mm činí x=0,30)

d_p = 0,30 * 1000 * 1,47² /2 = 324 Pa

Ad3)

Vlastní tvarovka (dle publikovaných hodnot při stejných průměrech a 50 % odbočení toku činí x=4,9), počítáno pro rychlost v odbočujícím proudu

d_p = 4,9 * 1000 * 0,735² /2 = 1324 Pa

Ad4)

Náhlé rozšíření (dle publikovaných hodnot při rozšíření z 10 na 14 mm činí x=0,44)

d_p = 0,44 * 1000 * 0,25² /2 = 14 Pa

Celková tlaková ztráta pro odbočující proud kapaliny v T-kusu tedy podle podrobného výpočtu a obecně publikovaných pravidel činí:

d_p = 324 Pa + 1324 Pa + 14 Pa

d_p = 1 662 Pa

Obecný výpočet tlakové ztráty na fitinku vede k hodnotě 1 662 Pa

!!! Vypočtená tlaková ztráta tvarovky je tedy 33x větší, než udává výrobce!!!

Kdo má tedy pravdu?

Výrobce - dodavatel systému - 50 Pa

nebo publikace "Výpočtové tabulky pro vytápění od autorů Laboutka, Suchánek"

Obecný výpočet - 1 662 Pa

Pokud nebudeme počítat se skutečnými rychlostmi ve tvarovkách, nemáme šanci se dobrat reálného výsledku. Bez znalosti vnitřních průměrů nemůžeme stanovit rychlost a vnitřní průměry fitinek nejsou publikovány - je to opravdu náhoda??

Výše uvedené výpočty nepublikuji proto, abych obecně zpochybňoval kvalitu lisovaných systémů, které sám velice často projektuji, ale proto, aby výrobci těchto systémů již konečně vyložili karty na stůl a zajistily pro nás a pro zpracovatele výpočtových programů podklady o skutečných odporech tvarovek z jejich sortimentu, založené na laboratorně naměřených hodnotách, nebo alespoň uváděli v technických podkladech skutečné světlosti tvarovek.

Stav výpočtových programů pro potrubní rozvody?

Uživatele starších verzí DOS programů PROTECH např. GDS a Dimos ujišťuji, že program bohužel netuší, že tvarovka nemusí mít stejný průměr jako potrubí. Přestože hodnotu součinitele místních odporů v tvarovkách program počítá, vychází při výpočtu tlakové ztráty na tomto místním odporu výhradně z rychlosti v potrubí a vypočítané tlakové ztráty na místních odporech jsou tedy 9x nižší než ve skutečnosti. Výsledkem jsou tedy poddimenzované pracovní body čerpadel, zejména pro vyšší rychlosti prodění teplonosné látky.

Nové programy PROTECH pod Windows DIMOSW a GDSW byly na základě mého upozornění koncem roku 2004 doplněny o výpočet zahrnující vyšší rychlost proudění u lisovaných fitinek. Problém je v tom, že katalogy dodávané s programem obsahují potřebné údaje jen pro výrobky firmy IVAR, GIACOMINY a HERZ. Od ostatních dodavatelů nejsou k dispozici. Program si součinitel místního odporu T-kusu počítá podle vztahů které firmy PROTECH získala od pana prof. Laboutky. Tyto vztahy nezohledňují zúžení a rozšíření průtokového průřezu. Výpočet popsaného případu pomocí programu DIMOSW vede tedy k nižším hodnotám než jsou uvedeny v příkladu. Stále se ale jedná o hodnoty cca 20 x vyšší, než by vyšlo bez použití výpočtu se zohledněním vlivu zvýšené rychlosti ve fitince. Ostatní programy detailně neznám, ale pochybuji, že by někdo byl tak důsledný, a přeměřoval výrobcům fitinky. Tvůrci programů pochopitelně spoléhají na údaje výrobců...

Co s tím?

Dokud nebudou k dispozici spolehlivé údaje součinitelů místních odporů od výrobců, které musí být naměřeny tak, aby zahrnovaly zúžení, rozšíření a zejména ostré hrany v kolenech a T-kusech, je nutné dimenzovat především vícevrstvé potrubí s lisovanými spoji na nižší rychlosti:

U potrubí PEX-Al-PEX volte max. rychlost	w= 0,3 m/s.
U potrubí PEX s expanzí volte max. rychlost	w= 0,4 m/s.

Jen tak zajistíte, že rychlosti ve tvarovkách nepřesáhnou 1 m/s a tlakové ztráty zůstanou v přijatelných mezích (na x=1 cca 500 Pa).

Dimenzi potrubí 16x2 používejte jen na poslední úseky - přípojky k tělesům.

Tyto zásady aplikujeme již cca 1 rok a zdá se, že k problémům již díky tomu nedochází.

Ing. Jindřich Matějka - projektant vytápění

Komentář redakce:

V článku popisované problémy s tlakovými ztrátami v tvarovkách potrubních systémů jsou velmi zásadní při návrhu otopných systémů, kdy při použití rychlosti 0,5 m/s může dojít k výraznému ovlivnění proudění a vzniku problémů. Při návrhu vodovodních systémů tyto problémy k fatálním důsledkům nevedou, nicméně tlakové ztráty prvků systémů je obecně důležitá charakteristika pro jakýkoliv návrh potrubního systému. Za redakci jsme požádali o vyjádření některé další odborníky a jejich názory Vám přinášíme:

Antonín Chyba, CSI a.s. Praha / ZL TZB ¹⁾:

• souhlasím s autorem - ing. Matějkou, že někteří výrobci neudávají všechny potřebné údaje k zodpovědnému projektování svých výrobků které by měli - v tomto případě součinitele odporu potrubních tvarovek,
  
  
• výrobci, kteří součinitele odporu udávají, neuvádějí zase vždy všechny okrajové podmínky k jejich použití. Měli by například vždy jednoznačně uvést, k jakému průměru (a tedy místu vztažné rychlosti) se hodnoty součinitelů vztahují. Jedná-li se o výsledky zkoušek, v protokolech o zkoušce musí být místo vztažné rychlosti vždy uvedeno (v praxi bývá obvyklé, že se hodnoty vztahují k rychlosti teplonosné látky na vstupu - tj. v potrubí, jako je tomu i u jiných prvků otopných systémů, třeba u otopných těles, různých montážních celků, výměníků tepla, atd.),
  
  
• souhlasím i s tím, že projektant potřebuje znát i vnitřní průměry tvarovek. Ne snad proto, aby sám počítal vliv zmenšení a zvětšení vnitřního průřezu na tlakové ztráty (tím by vlastně na sebe přebíral zodpovědnost za to, za co by měl zodpovídat výrobce či dodavatel), ale třeba z hlediska rozhodování o možné hlučnosti (vliv rychlosti na hlučnost potrubních rozvodů s těmito tvarovkami by měl výrobce v podkladech také ujasnit),
  
  
• těší mne, že autor článek napsal. Kdo jiný než stavebníci, projektanti a uživatelé může přimět výrobce (dodavatele), aby doplnili ve svých podkladech co tam schází, chtějí-li prodávat. Výrobcům (i dalším zájemcům) v tom může pomoci každá zkušební laboratoř, která je pro obdobné zkoušky zavedená. Z jednotlivých výpočtů uvedených v článku je patrná dobrá snaha autora. Myslím, že za určitou mírnou bezradnost mohou právě výrobci či dodavatelé.

Ivana Attlová, technical advisor, WAVIN Ekoplastik s.r.o.:

Firma Wavin Ekoplastik nyní vedle systému pro vodu a vytápění z polypropylenu (systém Ekoplastik PPR) nabízí i vícevstvý lisovaný systém (Systém Ekoplastik ALUPEX). Po přečtení článku jsme porovnali zde uvedené součinitele místních ztrát s hodnotami uvedenými v našem katalogu. Hodnoty součinitelů pro jednotlivé tvarovky systému Ekoplastik ALUPEX jsou podstatně vyšší (např. pro koleno 90° uvádíme součinitele místní ztráty v rozmezí 3,7 až 2,1 v závislosti na použitém průměru, oproti 1,3 uvedené v článku), ale i tak jsou hodnoty ztrát uvedené v článku mnohonásobně větší. Souhlasíme s autorem o potřebě laboratorního ověření. Rozhodli jsme se taková měření provést - o výsledcích budeme zákazníky i čtenáře TZB info informovat.

¹⁾ Akciová společnost Centrum stavebního inženýrství poskytuje služby v oblasti zkušebnictví a certifikace pro většinu výrobků a technologií používaných ve stavebnictví, dále poradenskou, konzultační činnost v oblasti komplexních a individuálních programů regenerace a oprav panelových domů a montovaných skeletových objektů. Kontakt: email: csias@csias.cz