Instalacje ciepłej wody ze stali kwasoodpornej

Dotychczas stosowana norma PN-92/B-01706 [1] dopuszczała do stosowania materiały instalacyjne stykające się z wodą, które miały świadectwo Państwowego Zakładu Higieny o „dopuszczeniu do kontaktu z wodą do picia”. Norma ta została w maju 2009 r. wycofana [2].

W zakresie instalacji wodociągowych przesyłu wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi do zbioru polskich norm wprowadzono normy Unii Europejskiej:

• PN-EN 806-1 Postanowienia ogólne [3],
• PN-EN 806-2 Projektowanie [4],
• PN-EN 806-3 Wymiarowanie przewodów. Metoda uproszczona [5].

Ich zakres tematyczny nie w pełni zastępuje dotychczasową normę, można więc przypuszczać, że wydawane będą kolejne części. W normach serii PN-EN 806 stal kwasoodporna jest jednym z materiałów zalecanych do stosowania w instalacjach wodnych.

W Polsce instalacje ze stali kwasoodpornej (nierdzewnej) przeznaczone do wody pitnej nie były dotychczas stosowane, co może być przyczyną braku w literaturze fachowej informacji o zasadach ich projektowania. Autor opracował więc własną propozycję takich zasad.

Stosowane materiały

W wewnętrznych instalacjach wodociągowych dla wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi stosowane mogą być materiały, które spełniają wymagania normy PN-EN 806-1 [3]. Jednym z nich jest stal kwasoodporna, stosowana dotychczas w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym, spożywczym itp.

W wewnętrznych instalacjach wodociągowych, dla wody zimnej i ciepłej, przewidziane są rury lekkie ze stali kwasoodpornej, produkowane zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 10312:2006 [6].

Norma ta przewiduje dwie grubości ścianek rur (seria 1 i 2). W instalacjach ciepłej wody należy stosować rury z serii 2 wraz ze złączkami zaciskowymi lub wtłaczanymi. Zaleca się, aby złączki te również były wykonane ze stali kwasoodpornej. Dopuszcza się także stosowanie złączek z miedzi lub jej stopów. Umożliwiają to jednakowe średnice zewnętrzne rur z miedzi, stopów miedzi i ze stali kwasoodpornej, a więc również jednakowe średnice wewnętrzne złączek wykonanych z tych materiałów.

Przewidziane w normie PN-EN 10312 [6] lekkie rury ze stali kwasoodpornej serii 2 zestawiono w tabeli 1.

Określanie średnic przewodów w instalacjach ciepłej wody

W instalacjach ciepłej wody występują rurociągi rozprowadzające wodę do punktów jej poboru i rurociągi cyrkulacyjne zapewniające odpowiednią temperaturę wody w punktach poboru. Średnice przewodów rozprowadzających wodę określamy na podstawie obliczeniowych natężeń przepływów wody oraz wielkości ciśnienia dyspozycyjnego dla projektowanej instalacji.

Jeżeli instalacja ciepłej wody jest zasilana przez przyłącze bezpośrednio z sieci wodociągu zewnętrznego, skutkuje to zazwyczaj nieco mniejszym ciśnieniem dyspozycyjnym przeznaczonym na straty ciśnienia w instalacji. Przy zasilaniu pośrednim przez urządzenie hydroforowe ciśnienie dyspozycyjne wyznaczy się w projekcie.

W doborze średnic przewodów zasilających uwzględnić należy wymagania normy PN-EN 806-3 [5], która przewiduje (ze względów akustycznych) dopuszczalną prędkość przepływu wody w rurach 2 m/s (z wyjątkiem gałązek przyłącznych punktów czerpalnych).

W praktyce stosuje się ponadto zasadę, aby na przewodach rozdzielczych, magistralnych strata ciśnienia nie przekraczała 10% wartości ciśnienia dyspozycyjnego.

Straty ciśnienia w instalacji rozprowadzającej

Straty ciśnienia w instalacji rozprowadzającej ciepłą wodę są sumą strat odcinków prostych rur magistralnych (od wodomierza głównego w budynku do najniekorzystniej położonego punktu poboru wody) oraz leżących na tej drodze oporów miejscowych przepływu:

gdzie:

Δp – straty ciśnienia w instalacji [Pa],Δpi – jednostkowe straty ciśnienia [Pa/m],

li – długość rozpatrywanego odcinka rury [m],

Z – straty ciśnienia w oporach miejscowych instalacji [Pa].

Jednostkowe straty ciśnienia

Jednostkowe straty ciśnienia w rurach prostych określa się wzorem Darcy–Weisbacha (dla li = 1 m):

gdzie:

λ – współczynnik tarcia (współczynnik liniowych strat ciśnienia),

di – średnica wewnętrzna rury [mm, cm],

ν – prędkość przepływu wody w rurze [m/s],

ρ – gęstość wody [kg/m³].

Zalecana w instalacjach wodociągowych prędkość przepływu wody mieści się w zakresie 0,2–2 m/s. Znane są także średnice rur ze stali kwasoodpornej podane w normie [6].

Założyć również możemy, że stosowanie różnych wzorów do określania strat ciśnienia na przewodach rozdzielczych i cyrkulacyjnych niepotrzebnie skomplikuje obliczenia hydrauliczne. Przewidując zastosowanie jednego wzoru do obliczeń hydraulicznych instalacji ciepłej wody, określić należy średnie parametry wody. Jest to jednak również wartość znana.

Żeby w instalacji rozprowadzającej można było określić jednostkowe straty ciśnienia, należy wyznaczyć współczynnik tarcia λ (współczynnik liniowych strat ciśnienia). Współczynnik ten jest zależny od burzliwości przepływu wody (liczby Reynoldsa) i od chropowatości ścianek rur. W zależności od swojego charakteru przepływy występować mogą w rurach hydraulicznie gładkich lub chropowatych. Granicę tych przepływów określa się w normie [7] wzorem Altšula–Lejčera:

gdzie:

e_gr – graniczna względna chropowatość ścianek rur,

Re – liczba Reynoldsa.

Rury ze stali kwasoodpornej zaliczane są do hydraulicznie gładkich. Podane dla nich chropowatości bezwzględne k wynoszą [8]: ścian rur – ≤ 0,8 mikrometra, spawu wzdłużnego – 1 mikrometr. W lekkich (cienkościennych) rurach ze stali kwasoodpornej, stosowanych w wewnętrznych instalacjach wodociągowych, przyjąć można, że k = 1 mikrometr (0,001 mm). Dla znanych średnic wewnętrznych rur stalowych kwasoodpornych i przyjętej wartości współczynnika chropowatości bezwzględnej w tabeli 2 wyznaczono względną chropowatość tych rur. Do wyznaczenia chropowatości granicznej względnej e_gr należy określić średnie parametry wody w instalacji ciepłej wody.

W warunkach technicznych [9] wymaga się, aby w punktach czerpalnych temperatura ciepłej wody nie była niższa niż 55° i nie wyższa niż 60°C. Schłodzenie wody w przewodach cyrkulacyjnych, w zależności od rozciągłości zładu i sprawności izolacji rurociągów, wynosi (10–15) K. Przyjmując bardziej niekorzystny dla pompy przypadek, czyli temperaturę wody na zasilaniu 55° oraz 40–45° na cyrkulacji, do obliczeń można założyć, że średnia temperatura wody dla całego układu wynosi 50°C. Woda o tej temperaturze ma gęstość właściwą ρ = 988 kg/m³ oraz współczynnik lepkości kinematycznej ν = 0,56×10–6 m²/s.

Dla przyjętych powyżej parametrów wody w tabeli 2 porównano chropowatość bezwzględną obliczeniową z porowatością graniczną określoną wzorem (3). Z porównania tego wynika, że w zakresie średnic rur ze stali nierdzewnej stosowanych w instalacjach wodociągowych należą one do grupy hydraulicznie gładkich. W obliczeniach współczynników tarcia λ rur hydraulicznie gładkich powszechnie stosowany jest wzór Blasiusa:

Przyjmuje się, że wzór Blasiusa stosować należy do liczby Re = 100 000. Ze względu na jego wygodną w zastosowaniu postać w praktyce wzór ten używany był nawet do wartości Re = 300 000 [10].

Po podstawieniu wzoru Blasiusa do zależności (1) oraz po dokonaniu odpowiednich przekształceń (podanych w [11]) otrzymamy postać wzoru:

gdzie:

G – strumień masy wody (masowe natężenie przepływu) [kg/s],

di – [m].

W projektowaniu instalacji wodociągowych obliczeniowe natężenie poboru wody określa się w dm³/s (l/s). Wygodniejszy w obliczeniach jest również wzór dla średnicy wewnętrznej podanej w wymiarze centymetrowym.

Ponieważ w instalacjach ciepłej wody G ≠ V, dla temperatury wody 50°C jej gęstość wynosi ρ = 0,988 dm³/kg, do wzoru (5) podstawić można wartość G175 = 0,9791 – V1,75 i otrzymać postać wzoru:

Podstawiając wartości ν i ρ, otrzymamy wzór, który przyjęto do wyznaczenia nomogramu jednostkowych strat ciśnienia w instalacjach ciepłej wody w rurach lekkich ze stali nierdzewnej:

gdzie:

V – strumień objętości wody (objętościowe natężenie przepływu) [dm³/s],

di – [cm].

Powyższy wzór oraz podany nomogram (rys. 1) przeznaczone są do obliczeń strat ciśnienia zarówno w przewodach rozprowadzających wodę ciepłą w instalacji, jak i w przewodach cyrkulacyjnych instalacji.

Straty ciśnienia w oporach miejscowych

Do łączenia rur lekkich ze stali kwasoodpornej, stosowanych w instalacjach ciepłej wody przeznaczonej dla ludzi, stosuje się przeważnie również złączki zaciskowe ze stali kwasoodpornej.

W związku z jednakowymi wymiarami średnic zewnętrznych występującymi w instalacjach z miedzi lub stopów miedzi oraz w instalacjach ze stali kwasoodpornej budowa kształtek w tych instalacjach jest do siebie zbliżona. Ponieważ współczynników oporów miejscowych Ç dla kształtek ze stali nierdzewnej literatura nie podaje, do obliczeń hydraulicznych instalacji ze stali nierdzewnej stosować należy wartości współczynników podawane dla instalacji z miedzi (autor zebrał je w publikacji [12]).

Szczegółowe określanie miejscowych strat ciśnienia polecane jest w instalacjach przeznaczonych dla budynków użyteczności publicznej oraz w obiektach przemysłowych. Natomiast w instalacjach ciepłej wody przeznaczonych dla budynków mieszkalnych może być stosowany uproszczony sposób obliczeń.

Straty ciśnienia w oporach miejscowych mogą być obliczane jako dodatek procentowy do liniowych strat ciśnienia instalacji. W „tradycyjnych” wykonaniach instalacji (rury stalowe ocynkowane, kształtki z żeliwa ciągliwego łączone na gwint) norma [1] przewidywała 30-proc. dodatek strat ciśnienia na opory miejscowe.

Z obliczeń podanych w publikacji [13] wynika, że udział ten jest różny dla różnych materiałów stosowanych obecnie w instalacjach wodociągowych i dla instalacji z miedzi wynosi 90–130%. Wynika z tego, że w instalacjach ciepłej wody wykonanych ze stali nierdzewnej w budynkach mieszkalnych na straty miejscowe przyjmować należy dodatek nie mniejszy niż 100% liniowych strat ciśnienia. Mniejsze wartości można stosować tylko w budynkach jedno- lub dwurodzinnych.

Dobór średnic przewodów cyrkulacyjnych

Średnice przewodów cyrkulacyjnych w instalacjach ciepłej wody określa się na podstawie obliczonych średnic przewodów rozprowadzających. W doborze tych średnic należy się kierować zaleceniami podanymi w publikacji [14].

Dobór pompy cyrkulacyjnej

Pompa cyrkulacyjna ma zapewnić wymaganą temperaturę wody w punkcie czerpalnym w okresie całej doby. Dobiera się ją dla okresu, w którym występuje mały lub zerowy rozbiór wody.

Aby można było prawidłowo dobrać pompę cyrkulacyjną, należy wyznaczyć obliczeniowy punkt jej współpracy z instalacją cyrkulacyjną (obliczeniowe wielkości: natężenie przepływu wody i wymaganą wysokość podnoszenia). Zagadnienia prawidłowego doboru pompy zostały omówione w publikacji [15].

Do obliczeń strat ciśnienia w obiegu wody cyrkulacyjnej stosować należy wzór (7) i nomogram. Również i w tym przypadku udział strat ciśnienia w oporach miejscowych przyjmować należy jako 100-proc. dodatek do strat liniowych przewodów prostych.

Pozostałe elementy instalacji

Do czasu opracowania odpowiednich unormowań prawnych dotyczących projektowania instalacji ciepłej wody ze stali kwasoodpornej w doborze elementów pomocniczych instalacji (kompensacja, zawieszenia, podpory itp.) kierować się należy zaleceniami dla instalacji wykonanych z miedzi podanymi w Wytycznych [16].

Wnioski

W najbliższych latach przewiduje się znaczny wzrost zastosowania stali kwasoodpornych w wewnętrznych instalacjach wodociągowych, zwłaszcza ciepłej wody. Sprzyjać temu będzie wprowadzany od 2012 r. przez Unię Europejską system EAS (dopuszczania do stosowania wyrobów kontaktujących się z wodą przeznaczoną dla ludzi). Wymagania tego systemu bardzo dobrze spełnia stal kwasoodporna.

Do czasu wprowadzenia norm z zakresu projektowania instalacji ciepłej wody ze stali kwasoodpornej w projektowaniu tych instalacji korzystać można z wyżej podanych zasad.

Literatura

1. PN-92/B-01706 Instalacje wodociągowe. Wymagania w projektowaniu.
2. Informacja o wycofaniu normy PN-92/B-01706, „Wiadomości PKN – Normalizacja” nr 7/2009.
3. PN-EN 806-1:2004 Wymagania dotyczące wewnętrznych instalacji wodociągowych do przesyłu wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Część 1: Postanowienia ogólne.
4. PN-EN 806-2:2005 Wymagania dotyczące wewnętrznych instalacji wodociągowych do przesyłu wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Część 2: Projektowanie (oryg.).
5. PN-EN 806-3:2006 Wymagania dotyczące wewnętrznych instalacji wodociągowych do przesyłu wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Część 3: Wymiarowanie przewodów. Metody uproszczone (oryg.).
6. PN-EN 10312:2006 Rury ze stali odpornych na korozję do transportu wody i innych płynów wodnych. Warunki techniczne dostawy.
7. PN-76/M-34034 Rurociągi. Zasady określania strat ciśnienia.
8. Prospekt Centrum Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej NEUMO-POLSKA.
9. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75 poz. 690 z 2002 r., ze zm.).
10. Mielcarzewicz E., Obliczanie systemów zaopatrzenia w wodę, Arkady, Warszawa 1977
11. Nowakowski E., Rury z tworzyw sztucznych. Jednostkowe straty ciśnienia przy małych średnicach, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2000.
12. Nowakowski E., Problemy hydrauliczne cyrkulacji ciepłej wody w instalacjach z rur miedzianych, „COW” nr 7–8/2005.
13. Nowakowski E., Jeżowiecki J., Udział oporów miejscowych w stratach ciśnienia instalacji wodociągowych z tworzyw sztucznych, Seminarium Naukowo-Techniczne „Materiały z tworzyw sztucznych do budowy sieci i instalacji wodociągowych”, Gliwice-Buk 1994.
14. Nowakowski E., Średnice przepływów cyrkulacyjnych w instalacjach ciepłej wody, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2004.
15. Nowakowski E., Jeżowiecki J., Charakterystyka pracy pomp cyrkulacyjnych w instalacjach ciepłej wody użytkowej, Konferencja „Nowe technologie w sieciach i instalacjach wodociągowych i kanalizacyjnych”, Wisła 2006.
16. Wytyczne stosowania i projektowania instalacji z rur miedzianych, Wymagania