Badanie współczynników oporów miejscowych ζ w kolankach żeliwnych i PVC

Do obliczania strat hydraulicznych w kształtkach niezbędna jest znajomość wartości liczbowej współczynników oporów miejscowych z, które są podane w normie PN-76/M­--34034 [12] oraz w licznych publikacjach [1–3, 5, 9–11, 15–17].

W zależności od tego, z jakich źródeł literatury korzystamy, dobierając współczynniki oporów miejscowych przy obliczaniu strat hydraulicznych w rurociągach wodociągowych, otrzymujemy różne wyniki.

Przeczytaj także: Złączki zaprasowywane do instalacji gazowych >>

Na wzrost oporów hydraulicznych w kształtce ma wpływ szorstkość wewnętrznej ścianki, kąt jej wygięcia i wielkość średnicy. Układy wodociągowe, w których występują duże opory hydrauliczne, generują większe koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, ponieważ należy do 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 i wyznaczonych z pomiarów wykonanych na stanowisku pomiarowym. Zakres artykułu obejmuje badania współczynników oporów miejscowych w kolankach 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).

Do podgrzewania wody ciepłej stosowane są gazowe lub 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.

Przeczytaj także: Modernizacja instalacji c.o. w budynkach po termomodernizacji >>

Przykładowo przy zastosowaniu rur stalowych podłączenie do sieci wodociągowej pojedynczego budynku mieszkalnego dwukondygnacyjnego wykonuje się z rur o średnicy wewnętrznej 40 mm, a piony wodociągowe – 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, lub podłączeń do pionu wodociągowego obciążonych co najmniej dwoma punktami czerpalnymi,
• 25 mm – dla środkowych odcinków pionów lub podłączeń 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, mające kontakt z wodą pitną powinny spełniać wymagania norm europejskich i kryteria krajowych dopuszczeń, powinny być również 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 materiałów zastosowanych do budowy, temperatury otoczenia i czasu trwania bezruchu wody.

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

Przeczytaj także: Jak uniknąć awarii armatury wod-kan? >>

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

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

Żeby doszło 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 zajdzie taka sytuacja, należy zastosować odpowiednie zabezpieczenie przewidziane w normie PN-EN 1717 [14], które zapobiegnie zanieczyszczeniu wody w instalacji wodociągowej przez osad, szkodliwą wodę 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 [14].

Metodyka badań

Badania miejscowych oporów hydraulicznych w kolankach żeliwnych i PVC wykonano w laboratorium na stanowisku pomiarowym (rys. 2). Układ rurociągów i urządzeń badawczych 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) oraz zawór grzybkowy (4), który odcinał dopływ wody podczas wymiany kolanek. Na początku i na końcu kolanka (7) zostały zamontowane wężyki impulsowe (8), które podłączono do odcinających zaworów kulowych (9). Straty hydrauliczne w poszczególnych kolankach mierzono za pomocą elektronicznego miernika różnicy ciśnienia (10).

Przeczytaj także: Wymiana instalacji wody i kanalizacji w budynku >>

Kształtki 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 kolankach wg normy PN-76/M­‑34034 [12], przyjmując na jej podstawie współczynniki chropowatości bezwzględnej dla nowych kolanek ocynkowanych k = 0,25 mm i nieocynkowanych k = 1 mm, natomiast dla nowych kolanek PVC k = 0,025 mm przyjęto z publikacji [4]. W drugim etapie wyznaczono współczynniki oporów miejscowych dla kolanek żeliwnych i PVC na podstawie przeprowadzonych badań eksperymentalnych.

Podczas pomiarów na elektronicznym prze­pływomierzu obserwowano nieznaczne pulsacje natężenia przepływu wody wywołane pracą pompy, które wpływały 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 wykonywano po dwa odczyty w dwuminutowych odstępach czasu.

W czasie pomiaru strat hydraulicznych w kolankach występowały straty w krótkich odcinkach rur z PE i śrubunkach łączących badane kształtki z końcówkami impulsowymi (rys. 1).

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 kolanka. Otrzymane wielkości strat hydraulicznych w rurze z PE i śrubunkach odejmowano od wielkości strat hydraulicznych odczytanych z miernika różnicy ciśnień, uzyskując w ten sposób rzeczywiste straty hydrauliczne tylko dla kolanka.

Pomiar strat hydraulicznych w poszczególnych kolankach wykonywano w następujący sposób (rys. 1): po zamontowaniu kolanka (7) i otworzeniu zaworu (4) i (12) włączano pompę (2) i otwierano zawory (9) na rozdzielaczu elektronicznego miernika różnicy ciśnienia (10), który za pomocą wężyków impulsowych (8) połączony był z początkiem i końcem badanego kolanka.

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 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 jego warunków 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 [13].

Przeczytaj także: Korozja zaworów kulowych w instalacjach wodociągowych >>

Badania przeprowadzono w trzech losowo wybranych kolankach wykonanych z żeliwa nieocynkowanego i ocynkowanego oraz PVC o średnicy DN 20 i kącie nachylenia 90°, wyprodukowanych przez dwóch producentów kolanek żeliwnych (firmę I i firmę II) oraz dwóch producentów kolanek PVC (firmę III i firmę IV).

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

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

gdzie:
DH – straty hydrauliczne [m],
Sz – suma współczynników oporów miejscowych [-],
z – 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 · s²].

Omówienie wyników

Na rys. 3 przedstawiono wyniki badań współczynników oporów miejscowych w kolankach żeliwnych, a na rys. 4 w kolankach PVC. Podczas pomiarów straty hydrauliczne w kolankach rosły wraz ze wzrostem przepływu wody i jest to tendencja prawidłowa, zgodna z danymi literaturowymi.

Współczynnik oporu miejscowego wyznaczony z pomiarów dla kolanek żeliwnych nieocynkowanych wyprodukowanych przez firmę I wyniósł z_knI = 5,5, a wyprodukowanych przez firmę II z_knII = 2,1 (rys. 3). Natomiast współczynnik oporu miejscowego wyznaczony z pomiarów dla kolanek ocynkowanych wyprodukowanych przez firmę I wyniósł z_koI = 4,3, a wyprodukowanych przez firmę II z_koII = 2,0. Różnica między z_knI a z_koI wynosi 23%, a między z_knII i z_koII tylko 5%.

Natomiast współczynnik oporu miejscowego dla żeliwnych nowych kolanek obliczony wg normy [12] dla współczynnika chropowatości bezwzględnej k = 0,25 mm (kolanka ocynkowane) wyniósł z_k0,25 = 0,6, a dla k = 1 mm (kolanka nieocynkowane) z_k1 = 1, różnica między nimi wynosi 67%. Wartości współczynników oporów miejscowych w kolankach żeliwnych wyznaczone z pomiarów i wg normy [12] znacznie się różnią.

W kolankach ocynkowanych dla firmy I różnica między nimi wynosi 617%, a dla firmy II wynosi 223%. Natomiast w kolankach nieocynkowanych dla firmy I różnica między nimi wynosi 450%, a dla firmy II wynosi 110%.

Współczynnik oporu miejscowego wyznaczony z pomiarów dla kolanek PVC (rys. 4), wyprodukowanych przez firmę III wyniósł z_kIII = 2,7, a dla wyprodukowanych przez firmę IV z_kIV = 2,6. Natomiast współczynnik oporu miejscowego dla kolanek z PVC obliczony wg normy [12] dla współczynnika chropowatości bezwzględnej k = 0,025 mm wyniósł z_k0,025 = 0,6.

Wartości współczynników oporów miejscowych w kolankach wyznaczone z pomiarów i wg normy [12] znacznie się różnią. W kolankach dla firmy III różnica między nimi wynosi 350% a dla firmy IV – 333%.

Podsumowanie

Wartości współczynników oporów miejscowych w kolankach żeliwnych wyprodukowanych przez firmę I są dwukrotnie większe niż w kolankach wyprodukowanych przez firmę II. Natomiast wartości współczynników oporów miejscowych w kolankach PVC wyprodukowanych przez firmę III i firmę IV są porównywalne.

Metody obliczania współczynników oporów miejscowych zaproponowane w normie PN-76/M-34034 [12] są nieporównywalne z wartościami współczynników oporów miejscowych wyznaczonych z badań eksperymentalnych. Wartości współczynników oporów miejscowych w kolankach żeliwnych wyznaczonych z badań dla firmy I są średnio pięć razy większe, a dla firmy II dwa razy większe od wartości obliczonych wg normy.

Natomiast wartości współczynników oporów miejscowych w kolankach PVC wyznaczonych z badań dla firmy III i firmy IV są średnio trzy i pół razy większe od wartości obliczonych wg normy. Producenci kolanek powinni być zobowiązani do podawania w katalogach wartości współczynników oporów miejscowych i współczynników chropowatości bezwzględnej dla swoich wyrobów.

Przeczytaj także: Eksploatacja zaworów kulowych w instalacjach wodociągowych >>

Przeprowadzone eksperymentalne badania, których wyniki znacznie odbiegają od przeprowadzonych obliczeń wg normy, wskazują, że producenci nie przywiązują należytej uwagi do wymagań zawartych w obowiązującej normie. Różnica ta wskazuje, że należy uściślić zalecane metody obliczania współczynników oporów miejscowych w kolankach.

Niezbędne są dalsze badania związane z wyznaczaniem współczynników oporów miejscowych z w kształtkach, które pozwoliłyby na uściślenie zalecanych metod 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.
2. Bylka H., Grabarczyk C., Analiza ilościowa wpływu zmian chropowatości i średnicy przewodów na dokładność obliczeń hydraulicznych, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 5/1976.
3. Cisowska I., Kotowski A., Straty ciśnienia w układach kształtek z polipropylenu, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 10/2004.
4. Grabarczyk C., 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.
6. Kalenik M., Witowska B., Eksperymentalne badania miejscowych oporów hydraulicznych w kształtkach żeliwnych, Acta Scientiarum Polonorum Architectura nr 5 (2)/2006.
7. Kalenik M., Witowska B., Badania miejscowych oporów hydraulicznych w kształtkach PVC, Acta Scientiarum Polonorum Architectura nr 6 (3)/2007.
8. Kalenik M., Zaopatrzenie w wodę i odprowadzanie ścieków, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2009.
9. Kotowski A., Wójtowicz P., Podstawy metodologiczne badań parametrów hydraulicznych ciśnieniowych rurociągów i kanałów z tworzyw sztucznych, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 1/2005.
10. Mielcarzewicz E.W., Obliczanie systemów zaopatrzenia w wodę, Arkady, Warszawa 2000.
11. Nowakowski E., Opory miejscowe w instalacjach wodociągowych, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 2/1995.
12. PN-76/M-34034 Rurociągi. Zasady obliczeń strat ciśnienia.
13. PN-92/B-01706 Instalacje wodociągowe. Wymagania w projektowaniu.
14. PN-EN 1717:2003P Ochrona przed wtórnym zanieczyszczeniem wody w instalacjach wodociągowych i ogólne wymagania dotyczące urządzeń zapobiegających zanieczyszczeniu przez przepływ zwrotny.
15. Serre M., Odgaard J., Elder A.R., Energy loss at combining pipe junction, „Journal of Hydraulic Engineering” No. 7/1994.
16. Siwiec T., Morawski D., Karaban G., Eksperymentalne badania oporów hydraulicznych w zgrzewanych kształtkach z tworzyw sztucznych, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 2/2002.
17. Wereszko D., Obliczanie strat hydraulicznych w chropowatych kolanach rurowych, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 9/1969.