Tlakové ztráty tvarovek

Pokud je příčinou nefunkčního zařízení záměna materiálu, pak při případném soudním sporu musí znalec zkoumat dvě možné příčiny. Tou první může být vada na straně projektu, kdy prvek otopné soustavy nebyl v dokumentaci popsán dostatečně jednoznačným způsobem (zde například součinitelem místního odporu tvarovek), a tím umožnil realizační firmě provést záměnu za levnější materiál.
Druhou příčinou může být nedodržení parametrů projektu realizační firmou. Pokud záměna některých prvků otopné soustavy vede až k výměně oběhového čerpadla, jak je to popsáno v následujícím článku, pak může být firma odsouzena k náhradě škody za rekonstrukci celého díla, nebo k náhradě škody nejenom za pořízení výkonnějšího čerpadla, ale i k náhradě škody za rozdíl ve spotřebě elektrické energie mezi původním a novým, výkonnějším oběhovým ­čerpadlem, a to za celou dobu životnosti otopné soustavy.
Tuto skutečnost by si měli uvědomit nejenom projektanti, ale zejména realizační firmy, pro které malý okamžitý zisk může později vést k velké finanční ztrátě.

Recenzent: Miloš Bajgar

Tvarovky, neboli fitinky, jsou nedílnou součástí potrubí jakékoli otopné soustavy. Různé materiály potrubí umožňují využití rozdílných technologií spojování potrubí. V otopné soustavě nejčastěji pracujeme s potrubím plastovým, měděným, ocelovým a v poslední době je stále více používáno i nerezové potrubí. U plastového potrubí (jednovrstvé nebo vícevrstvé potrubí) je nejčastěji využívána při spojování potrubí technologie polyfuzního svařování nebo lisování. U měděného potrubí je využita technologie měkkého pájení nebo lisování. U ocelového potrubí je možné využít klasické svařování (obloukem, plamenem apod.) anebo u tenkostěnného nerezového potrubí je vy­užívána opět technologie lisování. Z pohledu vlivu na hydrauliku otopné soustavy je tak zřejmé, že použití různého materiálu potrubí, a tím i rozdílných technologií spojování, bude mít vliv na místní ztráty těchto spojů.

Tlakové ztráty – teorie

Při každém pohybu tekutiny v potrubí vznikají odporové síly, působící proti pohybu tekutiny. Odpory se projevují tlakovými ztrátami tj. úbytkem tlaku tekutiny. Z pohledu fyzikálního principu lze tlakové ztráty dělit na tlakové ztráty třením a místními odpory. Třecí ztráty vznikají v celém objemu proudící tekutiny (tzn. v celém průtočném průřezu a na celé délce potrubí). Naproti tomu ztráty místní se omezují pouze na části potrubí, kde dochází k narušení proudu, tj. deformaci rychlostního profilu (např. kolena, T-kusy, shybky, oblouky, apod.). Obecný vztah pro stanovení celkových tlakových ztrát pro proudění tekutiny v potrubí je,

kde je

• Dp_z – celková tlaková ztráta [Pa],
• l – součinitel tření [–],
• d – vnitřní průměr potrubí [m],
• l – délka potrubí [m],
• w – střední rychlost proudění [m/s],
• r – hustota vody [kg/m³],
• x – součinitel místního odporu [–].

Z pohledu tvarovek je jasné, že zásadní otázkou je součinitel místního odporu x [–]. Ten bude závislý na konkrétním typu tvarovky a technologii provedení napojení na potrubí. Např. u nekvalitně provedeného lisovacího spoje může hrát významnou roli také deformace kruhového průřezu potrubí.

Provedení tvarovek

V článku se zaměříme zejména na základní tvarovky v podobě kolen 90° a T-kusů. Variabiliu provedení kolena s úhlem 90° ukazuje obr. 1 [L1]. Z pohledu místních tlakových ztrát se jako nejhorší jeví provedení b) a c). U těchto variant zvyšuje hodnotu místních ztrát jednak zúžení průtočného průřezu v místě napojení, a jednak také ostrý přechod směru proudění (varianta c). Ukázka jak se liší jednotlivé hodnoty místních ztrát pro dané varianty ukazuje tabulka 1.

Složitější řešení při výběru hodnoty místního odporu představují tzv. T-kusy. V tomto případě je totiž velmi důležité, v jakém směru, s ohledem na proudění vody, je místní ztráta uvažována, a jaký je poměr rozdělení, resp. spojení, hmotnostního průtoku vody. Hodnoty místních odporů T-kusu pro základní va­rianty uvádí tabulka 2. Jak ukazují tabulky 1 a 2 jsou rozdíly v jednotlivých hodnotách místních ztrát opravdu výrazné.

Praktické srovnání nabízí tabulka 3, kde jsou uvedeny hodnoty tlakových ztrát pro vybrané tvarovky při různých rychlostech proudění. Jak je z teorie proudění zřejmé, s rostoucí rychlostí roste i tlaková ztráta (1). Na druhou stranu s ohledem na rozličné hodnoty místní ztráty podle typu provedení tvarovky je rozptyl hodnot tlakových ztrát řádově ve stovkách procent.

Provedení spoje

Dalším zdrojem místní tlakové ztráty může být nekvalitně provedený spoj potrubí. Např. u měděného potrubí zatečení pájky na vnitřní stranu trubky způsobí zúžení průtočného průřezu, a tím i zvýšení tlakové ztráty. Obdobná situace může nastat i u plastového potrubí v případě svařování potrubí na tupo (obr. 2). V místě sváru může vzniknout tzv. svalek, který opět způsobuje zúžení průtočného průřezu a zvýšení tlakové ztráty. V případě polyfuzního svařování plastového potrubí může stejná situace nastat při nekvalitně provedeném spoji.

Hodnoty místních ztrát u PE potrubí experimentálně ověřených prof. Melicharem [L3] uvádí tabulka 4. Jak ukazují výsledky měření, s klesajícím průměrem potrubí, roste podíl místní ztráty ve spoji. Přičemž za povšimnutí stojí fakt, že u potrubí z PP jsou tyto místní ztráty vždy vyšší.

Příklad – hydraulický výpočet potrubní sítě otopné soustavy

Následující příklad (obr. 3) představuje řešení výpočtu tlakových ztrát při návrhu hydraulického vyvážení potrubní sítě otopné soustavy. Navržena je horizontální, dvoutrubková, protiproudá soustava s nuceným oběhem vody. Navržené potrubí je polybutenové s kyslíkovou bariérou o průměrech 16 x 2 a 14 x 2 mm. Teplotní spád otopné soustavy byl navržen 50/40 °C.

 V tabulce 5 jsou uvedeny výsledky výpočtu tlakových ztrát u hydraulicky nejvzdálenějšího otopného tělesa (podlahový konvektor v místnosti 1.04) v případě po­užití tvarovek s vnitřním průměrem větším nebo stejným jako trubka. Tabulka 6 uvádí výsledky výpočtu tlakových ztrát v případě použití tvarovek s vnitřním průměrem menším než trubka (viz údaje výrobce potrubí).

Závěr

Jak předchozí text ukázal, problematika místní ztráty tvarovek je velmi důležitá. Ačkoli projektant může správně navrhnout a hydraulicky vyvážit potrubní síť, důležité bude skutečné provedení potrubní sítě při montáži. Samozřejmě, že na prvním místě pro většinu montážních firem může být cena tvarovek. To poté může vést k výběru tvarovek s jinou hodnotou místních ztrát než bylo původně uvažováno v projektu. Následkem toho pak pro takto provedenou otopnou soustavu nemůže vyhovět původně navržené oběhové čerpadlo (ačkoli je původní projekt správně). Jak ukazuje jednoduchý příklad v článku, rozdíl při použití různého provedení tvarovek byl pro tento případ 300 %, nicméně v praxi mohou být tyto rozdíly i mnohem větší.

Literatura

1. VRÁNA, J.: Vliv místních odporů na tlakové ztráty v potrubí. [citace 2012-4-23]. Dostupné z: http://www.tzb-info.cz/8514-vliv-mistnich-odporu-na-tlakove-ztraty-v-potrubi.
2. LABOUTKA, K., SUCHÁNEK, T.: Výpočtové tabulky pro vytápění. Sešit projektanta č. 9. Praha, STP 2001. 208 s.
   ISBN 80-02-01466-9.
3. MELICHAR, J., VESELSKÝ, J.: Místní energetická ztráta spoje PP a PE potrubí, zhotovené svařováním na tupo. In: VVI, 2013, roč. 15, č. 1, s. 4–8. ISSN 1210–1389.
4. ČSN 75 5455/Z1 Výpočet vnitřních vodovodů, ČNI, Návrh změny 04/2013.

---

Fittings pressure losses

Calculation of the pressure losses is based on the characteristic properties of the elements. The differences especially between fittings Elbow and Tee are described. The example points out the differences between the tabular values and producers value.

Keywords: fittings, pressure losses, hydronic system