Badanie współczynników oporów miejscowych ζ w trójnikach żeliwnych i PVC

Na wzrost oporów hydraulicznych w kształtce wpływa szorstkość wewnętrznej ścianki, kąt wygięcia kształtki i wielkość średnicy. W związku z tym układy wodociągowe, w których występują duże opory hydrauliczne, generują większe koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, ponieważ należy dla nich dobrać większe pompy i silniki elektryczne o większej mocy.

Celem artykułu jest przedstawienie analizy wyników badań współczynników oporów miejscowych obliczonych wg PN-76/M-34034 [13] i wyznaczonych z pomiarów wykonanych na stanowisku pomiarowym.

Zakres artykułu obejmuje badania współczynników oporów miejscowych w trójnikach żeliwnych i PVC, których średnica wynosiła 0,02 m.

Budowa instalacji wodociągowej w budynkach mieszkalnych

Instalacja wodociągowa w budynkach mieszkalnych wyposażana jest w podstawową armaturę czerpalną i przybory sanitarne. Najczęściej stosowaną armaturą są baterie czerpalne z ruchomą wylewką do zlewu i umywalki, bateria czerpalna natryskowa oraz zawór prosty do miski ustępowej i pralki (rys. 1 - patrz: rysunek główny).

Do podgrzewania wody ciepłej stosuje się gazowe albo elektryczne przepływowe lub zbiornikowe podgrzewacze wody.

Instalację wodociągową wykonuje się z rur stalowych ocynkowanych, miedzianych lub z tworzywa sztucznego PVC, PE, PP, PB. Popularne są też rury warstwowe PEX-AL-PE, łączone zaciskowo.

Na przykład przy zastosowaniu rur stalowych podłączenie do sieci wodociągowej pojedynczego budynku mieszkalnego dwukondygnacyjnego wykonuje się z rur o średnicy wewnętrznej 40 mm, a piony wodociągowe z rur o średnicy 32 mm [8], natomiast do podłączenia armatury czerpalnej stosuje się rury o średnicach:

• 15 mm – dla końcowych odcinków podłączeń lub podłączenia pojedynczych zaworów i baterii czerpalnych do pionu wodociągowego,
• 20 mm – dla końcowych odcinków pionu wodociągowego, który jest obciążony jednym punktem czerpalnym, oraz dla podłączeń do pionu wodociągowego obciążonych co najmniej dwoma punktami czerpalnymi,
• 25 mm – dla środkowych odcinków pionów oraz podłączenia do punktów czerpalnych o dużej wydajności (np. zawór spłukujący ciśnieniowy przy misce ustępowej, zawór w hydrancie ogrodowym).

Wszystkie materiały stosowane w instalacjach wodociągowych, łącznie z materiałami zespołów zabezpieczających, które mają kontakt z wodą pitną, powinny spełniać wymagania norm europejskich i kryteria krajowych dopuszczeń, jak również powinny być wzajemnie nieagresywne w środowisku przepływającej wody oraz innych płynów i substancji, z którymi mogą mieć kontakt.

Stagnacja wody w instalacji wodociągowej może spowodować obniżenie jej jakości w wyniku znacznego stężenia substancji rozpuszczonych lub substancji w zawiesinie oraz rozwoju bakterii. Stopień pogorszenia jakości zależy od zastosowanych materiałów do jej budowy, temperatury otoczenia i czasu trwania wody w bezruchu.

Ze względów higienicznych konieczne jest płukanie instalacji wodociągowych po okresach bezruchu wody.

Fragmenty instalacji wodociągowej, z których korzysta się rzadko lub przez krótki okres, powinny być po wykorzystaniu odizolowane oraz przepłukane przed ich ponownym wprowadzeniem do eksploatacji.

Rurociągi niewykorzystywane należy odłączyć od instalacji wodociągowej.

W celu utrzymania wody w instalacji wodociągowej w stanie zdatnym do picia powinno się ją zabezpieczyć przed zanieczyszczeniem na skutek przepływu zwrotnego, który może wystąpić w dwóch przypadkach [8]:

• w wyniku spadku ciśnienia w sieci wodociągowej spowodowanego zamknięciem lub otwarciem zasuwy, pęknięciem rurociągu wodociągowego, dużymi wahaniami ciśnienia spowodowanymi: pracą pomp hydroforowych, nadmiernym zapotrzebowaniem na wodę w części systemu wodociągowego, dużym awaryjnym punktowym rozbiorem wody, np. z hydrantu pożarowego,
• w wyniku przeciwciśnienia zwrotnego mającego swoje źródło w systemie znajdującym się poza instalacją wodociągową, w którym ciśnienie sporadycznie przewyższa ciśnienie w instalacji wodociągowej.

Żeby mogło dojść do zanieczyszczenia wody w instalacji wodociągowej, muszą zostać spełnione dwa podstawowe warunki [8]:

• kontakt wody z instalacji wodociągowej z płynem zanieczyszczonym,
• droga powrotu płynu zanieczyszczonego do instalacji wodociągowej.

Jeżeli te dwa warunki wystąpią, należy zastosować odpowiednie zabezpieczenie przewidziane w normie PN-EN 1717 [15], które zapobiegnie zanieczyszczeniu wody w instalacji wodociągowej przez osad, wodę szkodliwą bądź dowolny niepożądany płyn.

W instalacji wodociągowej na rurociągach doprowadzających wodę do komory zsypu, lokalnej kotłowni, stacji obsługi samochodów, laboratorium fotograficznego, pralni czy chłodni klimatyzacyjnej należy zawsze montować zespoły zabezpieczające z zaworami antyskażeniowymi. Dopuszcza się także zastosowanie zespołów zabezpieczających w punktach czerpalnych dla urządzeń wykorzystywanych do celów bytowo-gospodarczych [15].

Metodyka badań

Badania miejscowych oporów hydraulicznych w trójnikach żeliwnych i PVC wykonano w laboratorium na stanowisku pomiarowym (rys. 2).

Układ rurociągów i urządzeń pomiarowych został zamontowany za pomocą obejm na dwóch stalowych statywach.

Rurociąg (1) doprowadzał wodę do pompy (2), która wymuszała przepływ przez stanowisko pomiarowe.

Za pompą zamontowano elektroniczny przepływomierz (3) PROMAG 33FT40 do pomiaru ilości przepływającej wody oraz zawór grzybkowy (4), który odcinał dopływ wody podczas wymiany trójników.

Na początku i na końcu trójnika (7) zamontowane zostały wężyki impulsowe (8), które podłączono do odcinających zaworów kulowych (9).

Straty hydrauliczne w poszczególnych trójnikach mierzono za pomocą elektronicznego miernika różnicy ciśnienia (10) DELTABAR 230.

Trójniki na stanowisku pomiarowym montowano za pomocą śrubunku (5) i krótkiego odcinka z rury PE (6).

W najwyższym punkcie układu pomiarowego zamontowano odpowietrznik (11).

Natężenie przepływu wody na stanowisku pomiarowym regulowano za pomocą zaworu grzybkowego (12). Stanowisko pomiarowe pracowało w układzie otwartym, a woda odprowadzana była spustem do kanalizacji (13).

Badania podzielono na dwa etapy:

• W pierwszym obliczono współczynniki oporów miejscowych w trójnikach wg PN-76/M-34034 [13]. Do obliczenia współczynników oporów miejscowych w trójnikach przyjęto z tej normy współczynniki chropowatości bezwzględnej dla nowych trójników ocynkowanych k = 0,25 mm i nieocynkowanych k = 1 mm, natomiast dla nowych trójników PVC k = 0,025 mm przyjęto z publikacji [4].
• W drugim etapie wyznaczono współczynniki oporów miejscowych dla trójników żeliwnych i PVC na podstawie przeprowadzonych badań eksperymentalnych.

Podczas pomiarów na elektronicznym przepływomierzu obserwowano nieznaczne pulsacje natężenia przepływu wody wywołane pracą pompy. Pulsacje te wpływały również na wielkość strat ciśnienia rejestrowanego przez elektroniczny miernik różnicy ciśnienia o zakresie pomiarowym 0–500 mbar.

W celu wyeliminowania błędów pomiarowych przeprowadzono po trzy serie pomiarowe dla każdego kolanka. Po ustabilizowaniu się przepływu dla zadanych wartości natężenia wykonywano po dwa odczyty w dwuminutowych odstępach.

W czasie pomiaru straty hydrauliczne występowały w krótkich odcinkach rur z PE i śrubunkach łączących badane trójniki z końcówkami impulsowymi (rys. 2).

Dodatkowo wykonano pomiary strat hydraulicznych w tych śrubunkach z zamontowanym między nimi odcinkiem rury z PE, który stanowił sumę odcinków rur wykorzystanych do badań danego trójnika. Otrzymane wielkości strat hydraulicznych w rurze z PE i śrubunkach odejmowano od wielkości strat hydraulicznych pomierzonych w trójnikach, uzyskując w ten sposób rzeczywiste straty hydrauliczne z badanego trójnika.

Pomiar strat hydraulicznych w poszczególnych trójnikach wykonywano w następujący sposób (rys. 2): po zamontowaniu trójnika (7) i przed rozpoczęciem każdej serii pomiarowej wszystkie zawory na stanowisku pomiarowym były zamykane.

Pomiary strat hydraulicznych wykonywano odrębnie dla przepływu przelotowego B, rozbieżnego A i zbieżnego C.

Na początku każdej serii pomiarowej otwierano zawory (4) i (12) oraz: dla przepływu przelotowego B – (20) i (17), dla przepływu rozbieżnego A – (20), (18) i (16), a dla przepływu zbieżnego C – (19), (18) i (17).

Następnie włączano pompę (2) i na rozdzielaczu elektronicznego miernika różnicy ciśnienia (10) otwierano zawory: dla przepływu przelotowego B – (9) i (22), dla przepływu rozbieżnego A – (9) i (23), a dla przepływu zbieżnego C – (21) i (22).

Elektroniczny miernik różnicy ciśnienia za pomocą wężyków impulsowych (8) połączony był z początkiem i końcem trójnika dla danego przepływu wody. Następnie odpowietrzano wężyki impulsowe (8) i elektroniczny miernik różnicy ciśnienia (10) oraz cały układ pomiarowy za pomocą odpowietrzników (11).

Po usunięciu pęcherzyków powietrza z układu pomiarowego ustawiano pierwszy zadany przepływ wody za pomocą zaworu grzybkowego (12), obserwując przepływ wody na elektronicznym przepływomierzu (3).

Po ustabilizowaniu się warunków przepływu wody wykonywano odczyty z elektronicznego miernika różnicy ciśnienia (10). Następnie ustawiano kolejny przepływ wody za pomocą zaworu grzybkowego (12) i po ustabilizowaniu się warunków przepływu wody wykonywano kolejne odczyty z elektronicznego miernika różnicy ciśnienia (10).

Po skończeniu serii pomiarowej każdorazowo wyłączano pompę (2).

Pomiary strat hydraulicznych wykonywano dla zadanych przepływów wody z zakresu od 10 do 18 dm³ · min–1 z interwałem co 2 dm³ · min–1. Zakres pomiarowy został określony zgodnie z zalecanymi prędkościami przepływu wody w instalacji wodociągowej wg normy PN-92/B-01706 [14]. Badania przeprowadzono w trzech losowo wybranych trójnikach wykonanych z żeliwa nieocynkowanego i ocynkowanego oraz PVC o średnicy 0,02 m. Pomiary wykonano dla trójników wyprodukowanych przez dwóch producentów trójników żeliwnych (firmę I i firmę II) oraz dwóch producentów trójników PVC (firmę III i firmę IV).

Współczynniki oporów miejscowych ζ dla trójników żeliwnych i PVC z przeprowadzonych badań eksperymentalnych wyznaczono na podstawie równania [8]:

 (1)

które przy założeniu, że długość przewodu L równa jest zero i w układzie pomiarowym występuje tylko jedna kształtka, przekształcono do postaci:

(2)

gdzie:

∆H – straty hydrauliczne, m;

Sζ – suma współczynników oporów miejscowych, -;

ζ – współczynnik oporu miejscowego dla kształtki, -;

l – współczynnik oporów liniowych, -;

L – długość przewodu, m;

d – średnica przewodu, m;

Q – przepływ wody, m³ · s^–1;

g – przyspieszenie ziemskie, m · s^–2.

Wyniki i ich dyskusja

Na rys. 3 przedstawiono wyniki badań współczynników oporów miejscowych w trójnikach dla przepływu przelotowego, na rys. 4 dla przepływu rozbieżnego, a na rys. 5 dla przepływu zbieżnego. Podczas pomiarów straty hydrauliczne w kształtkach wodociągowych wzrastały wraz ze wzrostem przepływu wody i jest to tendencja prawidłowa, zgodna z danymi literaturowymi.

Współczynnik oporu miejscowego dla przepływu przelotowego wyznaczony z pomiarów w trójnikach żeliwnych nieocynkowanych wyprodukowanych przez firmę I wyniósł ζ_tpnI = 2,8, a przez firmę II ζ_tpnII = 1,7 (jest on o 65% mniejszy – rys. 3).

Dla przepływu przelotowego w trójnikach żeliwnych ocynkowanych firmy I współczynnik oporu miejscowego ζ_tpoI = 3,3, a firmy II ζ_tpoII = 1,9 (o 74% mniejszy).

Porównując ζ_tpnI z ζ_tpoI, różnica wynosi 18%, a dla ζ_tpnII i ζ_tpoII 12%.

Współczynnik oporu miejscowego dla przepływu przelotowego w żeliwnych trójnikach obliczony wg normy [13] wyniósł ζ_tp = 0,6. Zatem wartości wyznaczone z pomiarów i wg normy znacznie się różnią.

W przypadku trójników nieocynkowanych firmy I różnica wynosi 337%, a firmy II 183%. Natomiast dla trójników ocynkowanych firmy I różnica wynosi 450%, a firmy II 217%.

Współczynnik oporu miejscowego dla przepływu rozbieżnego wyznaczony z pomiarów w trójnikach żeliwnych nieocynkowanych wyprodukowanych przez firmę I wyniósł ζ_trnI = 5,0, a przez firmę II ζ_trnII = 3,7 (jest on o 47% mniejszy – rys. 4).

Natomiast dla przepływu rozbieżnego w trójnikach żeliwnych ocynkowanych firmy I ζ_troI = 4,1, a firmy II ζ_troII = 4,0 (różnica to niecałe 3%).

Porównując ζ_trnI z ζ_troI, różnica wynosi 22%, a dla ζ_trnII i ζ_troII 8%.

Współczynnik oporu miejscowego dla przepływu rozbieżnego w żeliwnych trójnikach obliczony według normy [13] wyniósł ζ_tr = 1,5. Zatem wartości wyznaczone z pomiarów i wg normy znacznie się różnią – w trójnikach nieocynkowanych firmy I różnica wynosi 233%, a firmy II 147%, natomiast w trójnikach ocynkowanych odpowiednio 173% i 167%.

Z kolei współczynnik oporu miejscowego dla przepływu zbieżnego wyznaczony z pomiarów w trójnikach żeliwnych nieocynkowanych wyprodukowanych przez firmę I wyniósł ζ_tznI = 5,4, a przez firmę II ζ_tznII = 4,0 (jest on o 35% mniejszy – rys. 5).

Współczynnik oporu miejscowego dla przepływu zbieżnego wyznaczony z pomiarów trójników żeliwnych ocynkowanych wyprodukowanych przez firmę I wyniósł ζ_tzoI = 4,9, a przez firmę II ζ_tzoII = 2,4 (o 104% mniejszy).

Porównując ζ_tznI z ζ_tzoI, różnica wynosi 10%, a dla ζ_tznII i ζ_tzoII 67%. Natomiast współczynnik oporu miejscowego dla przepływu zbieżnego w żeliwnych trójnikach obliczony według normy [13] wyniósł ζ_tz = 2,4.

Zatem wartości wyznaczone z pomiarów i wg normy znacznie się różnią – dla trójników nieocynkowanych firmy I różnica wynosi 125%, a firmy II 67%, natomiast dla trójników ocynkowanych firmy I 104%, a firmy II 0%.

Na rys. 6 przedstawiono wyniki badań współczynników oporów miejscowych w trójnikach PVC dla przepływu przelotowego, na rys. 7 dla przepływu rozbieżnego, a na rys. 8 dla przepływu zbieżnego.

Współczynnik oporu miejscowego dla przepływu przelotowego wyznaczony z pomiarów w trójnikach z PVC wyprodukowanych przez firmę III wyniósł ζ_tpIII = 1,8, a przez firmę IV ζ_tpIV = 1,9 (o 5,6% większy –  rys. 6). Natomiast współczynnik oporu miejscowego dla przepływu przelotowego w trójnikach z PVC obliczony wg normy [13] wyniósł ζ_tp = 0,6. Wartości te znacznie się różnią – w przypadku trójników firmy III o 200%, a firmy IV o 217%.

Z kolei współczynnik oporu miejscowego dla przepływu rozbieżnego wyznaczony z pomiarów trójników z PVC wyprodukowanych przez firmę III wyniósł ζ_trIII = 3,1, a przez firmę IV ζ_trIV = 2,9 (jest on o 7% mniejszy – rys.7).

Współczynnik oporu obliczony wg normy [13] ζ_tr = 1,5. Wartości te różnią się – dla trójników firmy III różnica wynosi 107%, a firmy IV 93%.

Współczynnik oporu miejscowego dla przepływu zbieżnego wyznaczony z pomiarów trójników z PVC wyprodukowanych przez firmę III wyniósł ζ_tzIII = 3,8, a przez firmę IV ζ_tzIV = 3,7 (o 3% mniejszy – rys. 8). Natomiast współczynnik ten obliczony wg normy [13] wyniósł ζ_tz = 2,4. Wartości te różnią się nieznacznie – w przypadku trójników firmy III różnica wynosi 58%, a firmy IV 54%.

Badania pokazują, że rzeczywiste wartości współczynników oporów miejscowych, które występują w trójnikach żeliwnych i z PVC, są znacznie większe od wartości współczynników oporów miejscowych obliczanych wg normy [13] podczas projektowania układów wodociągowych. Uzyskane z pomiarów w oparciu o przyjętą metodykę badań wartości współczynników oporów miejscowych są większe niż zamieszczane w literaturze.

Wnioski

Metody obliczania współczynników oporów miejscowych zaproponowane w normie PN‑76/M-34034 [13] dają różne wartości w porównaniu z wartościami współczynników oporów miejscowych wyznaczonych z badań eksperymentalnych.

Wartości współczynników oporów miejscowych w trójnikach żeliwnych wyznaczone w badaniach dla firmy I dla przepływu przelotowego są średnio pięć razy większe, dla przepływu rozbieżnego średnio trzy razy większe, a dla przepływu zbieżnego średnio dwa razy większe od wartości obliczonych wg normy PN-76/M-34034 [13]. Natomiast dla firmy II dla przepływu przelotowego są średnio trzy razy większe, dla przepływu rozbieżnego średnio dwa razy większe, a dla przepływu zbieżnego średnio półtora razy większe od wartości obliczonych wg PN-76/M-34034.

Wartości współczynników oporów miejscowych wyznaczone w badaniach dla trójników z PVC wyprodukowanych przez firmę III i IV są porównywalne dla przepływów:

• przelotowego średnio dwa razy większe,
• rozbieżnego średnio raz większe,
• zbieżnego średnio o połowę większe od wartości obliczonych wg normy PN-76/M-34034.

Zgodnie z tą normą współczynnik oporu miejscowego dla trójnika ζ_t nie zależy od rodzaju materiału, czyli chropowatości bezwzględnej k. Jednak przeprowadzone eksperymentalne badania pokazują taką zależność. Producenci przewodów i kształtek wodociągowych powinni być zobowiązani do podawania w katalogach wartości współczynników oporów miejscowych i współczynników chropowatości bezwzględnej dla swoich wyrobów.

Znaczna różnica wartości współczynników oporów miejscowych wyznaczonych z badań w porównaniu z wartościami obliczonymi wg PN-76/M-34034 wskazuje, że należy uściślić zalecane metody do obliczania współczynników oporów miejscowych w trójnikach. Niezbędne są dalsze badania związane z wyznaczaniem współczynników oporów miejscowych ζ w kształtkach, które pozwoliłyby na uściślenie zalecanych metod do ich obliczania i dokładniejsze obliczanie strat hydraulicznych podczas projektowania instalacji wodociągowych.

Literatura

1. Brydak-Jeżowiecka D., Nowakowski E., Malinowski P., Straty ciśnienia w rurach z tworzyw sztucznych stosowanych w instalacjach wodociągowych, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 7/1994, s. 208–211.
2. Bylka H., Grabarczyk Cz., Analiza ilościowa wpływu zmian chropowatości i średnicy przewodów na dokładność obliczeń hydraulicznych, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 5/1976, s. 143–147.
3. Cisowska I., Kotowski A., Straty ciśnienia w układach kształtek z polipropylenu, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 10/2004, s. 340–345.
4. Grabarczyk Cz., Przepływy cieczy w przewodach. Metody obliczeniowe, Envirotech, Poznań 1997.
5. Kalenik M., Brzeziński K., Eksperymentalne badania wzrostu oporności hydraulicznej w eksploatowanych kształtkach wodociągowych, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej nr 211/2004, s. 165–172.
6. Kalenik M., Witowska B., Eksperymentalne badania miejscowych oporów hydraulicznych w kształtkach żeliwnych, „Acta Scientiarum Polonorum – Architectura” nr 5 (2)/2006, s. 31–43.
7. Kalenik M., Witowska B., Badania miejscowych oporów hydraulicznych w kształtkach PVC, „Acta Scientiarum Polonorum – Architectura” nr 6 (3)/2007, s. 15–24.
8. Kalenik M., Zaopatrzenie w wodę i odprowadzanie ścieków, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2009.
9. Kalenik M., Badanie współczynników oporów miejscowych z w kolankach żeliwnych i PVC, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2013, s. 68–71.
10. Kotowski A., Wójtowicz P., Podstawy metodologiczne badań parametrów hydraulicznych ciśnieniowych rurociągów i kanałów z tworzyw sztucznych, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 1/2005, s. 18–24.
11. Mielcarzewicz E.W., Obliczanie systemów zaopatrzenia w wodę, Arkady, Warszawa 2000.
12. Nowakowski E., Opory miejscowe w instalacjach wodociągowych, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 2/1995, s. 79–83.
13. PN-76/M-34034 Rurociągi. Zasady obliczeń strat ciśnienia.
14. PN-92/B-01706 Instalacje wodociągowe. Wymagania w projektowaniu.
15. PN-EN 1717:2003 Ochrona przed wtórnym zanieczyszczeniem wody w instalacjach wodociągowych i ogólne wymagania dotyczące urządzeń zapobiegających zanieczyszczeniu przez przepływ zwrotny.
16. Serre M., Odgaard J., Elder A.R., Energy loss at combining pipe junction, „Journal of Hydraulic Engineering” No. 7/1994, p. 808–830.
17. Wereszko D., Obliczanie strat hydraulicznych w chropowatych kolanach rurowych, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 9/1969, s. 295–302.