Hőmérséklet befolyása az áramlási ellenállásra

Gyakran bosszankodom, amikor egy-egy gyártónál az egyes csőméretekhez tartozó súrlódási ellenállást diagramok vagy táblázatok formájában adják meg, de semmilyen információ nincs azzal kapcsolatosan megadva, hogy az milyen vízhőmérséklet mellett készült.

Mivel a víz kinematikai viszkozitása eléggé markánsan változik a hőmérséklet függvényében, ezért ez jelentős, akár 40 %-os eltérést is jelenthet. A mellékelt táblázatban számított értékek szerepelnek, jól látható ez az eltérés. A számított értékeket a műanyag csövekre megadott diagrammal lehet összevetni.

1. táblázat: 15 és 80 °C hőmérsékletű közeggel üzemelő csőszakasz áramlási ellenállása

A hatás erőteljesebben jelentkezik a kisebb csőátmérőknél, de 20-25 % eltérés a nagyobb méreteknél is jellemző.

Speciális közegek használata

Időnként előfordul, hogy fagyvédelem miatt például fagyálló keverékkel üzemelő rendszert kell építenünk. Ezzel kapcsolatosan óvatos mindenki, mert tudja, hogy ennek a rendszernek az ellenállása nagyobb, mint tiszta víz esetén lenne.

Az egyszerűsítés érdekében gyakran szorzószámokat tartalmazó táblázatokat használnak, amelyek a koncentráció függvényében az ellenállás növekedés mértékét adják meg. Ilyenre lehet példát találni Recknagel [1] 5.3.4 fejezetében, ahol etilénglikol keverékek viszkozitását a töménység és hőmérséklet függvényében az 1. ábra mutatja be.

1. ábra Fagyálló keverékek kinematikai viszkozitása

A rendszer ellenállás növekedésének változását leíró összefüggés:

ahol: HA a fagyállóval feltöltött rendszer áramlási ellenállása [Pa]
Hw a vízzel üzemelő rendszer áramlási ellenállása [Pa]
ν a fagyálló kinematikai viszkozitása [m2/s]
νw a víz kinematikai viszkozitása [m2/s]

Az említett könyvben sem világos, hogy milyen feltételek mellett kell az ellenállás változását értelmezni. Ugyanolyan tömegáram, ugyanakkora teljesítmény, vagy azonos áramlási sebesség mellett. Mivel a viszkozitás mellett más közegjellemzők, így a sűrűség és a fajhő is jelentősen változik, ezért ez egy fontos kérdés lehet.

A WinWatt programban fel vannak dolgozva a monoetilénglikol és propilénglikol keverékek mint alkalmazható közegek. A program a hőmérséklet függvényében számítja a közeg fizikai jellemzőit. A viszkozitást összevetettem a diagrammal, az eredmények jól illeszkednek.

Kísérletképpen egy egyszerű csőszakasz áramlási ellenállásának változását megpróbáltam a programmal különböző feltételek mellett ellenőrizni. A közeg jellemzőinek változását mutatja be a 2. táblázat 2,5 °C hőmérsékleten, a számítás eredményeit a 3. táblázat tartalmazza.

2. táblázat: Víz és 60 %-os monoetilénglikol keverék fizikai jellemzői 2,5 °C hőmérsékleten

3. táblázat: Vízzel és 60 %-os monoetilénglikol keverékkel üzemelő csövek ellenállása

A fajlagos súrlódási ellenállást összehasonlítva látható, az eredmény nagyon függ attól, hogy milyen méretű csőről van szó. A kisebb átmérőnél nagyságrenddel nagyobb változások jelentkeznek. A változás oka elsősorban az, hogy az áramlás jellege erősen változik. A 20x2 mm méretű csőnél víz esetén a lamináris és átmeneti tartomány határán van az áramlás, míg a fagyállóval a stabil lamináris áramlás a jellemzi. Hasonló a helyzet az 54x1,5 mm méretnél is még. A könyvben szereplő összefüggés csak a nagyobb átmérők esetén kezd jellemzővé válni.
Az eredményekből az is világos, hogy nem mindegy, minek az állandósága mellett vizsgáljuk a változást. A könyvben szereplő esetben valószínűleg azonos teljesítmény melletti mérés eredményeit publikálták.

Érdesség hatása az áramlási ellenállásra

Gyakran találkozni azzal a kijelentéssel, hogy egy műanyagcső áramlási ellenállása azért kisebb, mert simább a cső fala. Vajon milyen mértékben jelentkezik ez a hatás?

Az egyes csőanyagok érdesség értékei a Recknagel [1] könyv alapján:

4. táblázat Különféle csövek ε érdessége

2. ábra 20 mm belső átmérőjű cső ellenállása 80 °C víz esetén, különböző csőérdesség mellett

A diagramon jól látható, hogy a réz (ε=0,0015) és műanyag (ε=0,007) csövek közt nincs jelentős különbség. Az acélcsövek (ε=0,066) ellenállása ennél kb. 20 %-al nagyobb. Az igazán markáns változások 1 mm feletti érdességnél kezdődnének, ez viszont már nem a vízzel üzemelő csövekre jellemző tartomány.

A következő bekezdésből kiderül, hogy a csőátmérő ennél sokkal markánsabb hatással rendelkezik.

Cső belső átmérőjének hatása

Gyakran lehet azzal találkozni, hogy a kivitelező kiváltja a terveken szereplő csövet más típusúra, vagy kisebb méretű csövet alkalmaz. Vajon milyen ennek a hatása az áramlási ellenállásra? Mit értünk „20-as” cső alatt, és mennyire azonos a különböző anyagokból készült „20-as” cső?

Ha nem gondolunk utána, akkor meghökkentő, hogy a belső átmérő ötödik(!) hatványával arányos a cső súrlódási ellenállása. A mindenki által ismert összefüggés kissé átalakítva:

Ennek a hatása különösen kis csőátmérőknél nagyon jelentős. Ezek után világos, hogy nem mindegy, hogy ¾” méretű cső 20,4 mm belső átmérőjét, a 20x1 mm-es rézcső 18 mm-es belső átmérőjét, a 20x2 mm PE cső 16 mm-es belső átmérőjét vagy a 20x2,8 mm-es PP cső 14,1 mm-es belső átmérőjét kell a „20-as” cső esetében használnom.

Az 5. táblázat két csupán kis mértékben eltérő méretű cső ellenállásait mutatja be azonos vízsebesség vagy azonos tömegáram mellett. A táblázat azért is tanulságos, mert az elmúlt évben a Magyar Installateur mellékleteként kiadott csőméretezési diagram is elkövette azt a hibát, hogy ugyanarra a vonalra mind a 20x2 mm, mind a 20x2,8 mm méretet írta fel.

5. táblázat Áramlási ellenállás függése a csőmérettől

A táblázatban látható, hogy ennél a csőméretnél kb. 15 % eltérés van a súrlódási ellenállásban, ha azonos a sebesség. Sokkal nagyobb az eltérés, ha azonos tömegáramról beszélünk. Ha a táblázat utolsó két oszlopát nézzük meg, ott azonos térfogatáram melletti számításnál kb. 20 %-os sebesség eltérés és 65 %-os ellenállás eltérés tapasztalható a 3. és 4. oszlop eredményeihez képest.

A szivattyúk csatlakozó mérete gyakran akár 2 mérettel is kisebb, mint a cső mérete. Nagy hibát követ el az a szakember, aki ilyen esetben az elzáró szerelvény és visszacsapószelep méretét a szivattyú csatlakozási mérete alapján választja meg. Előfordult a praxisunkban az, hogy olyan hőközponttal találkoztunk, ahol erre visszavezethető okok miatt arról lehetett beszélni, hogy a szivattyú emelőmagasságának 70 %-a a közvetlenül mellette levő szerelvényeken esett, a rendszerre alig jutott már nyomáskülönbség.

Ugyancsak ennél a gondolatnál kell azon elmélkedni, hogy a fittingek alaki ellenállási tényezője vajon milyen átmérő mellett számolt sebességre vonatkozik. Különösen préscsatlakozású rendszerek műanyag fittingjeiél tapasztalható az, hogy a fitting belső átmérője sokkal kisebb a cső méreténél. Egy ilyen fitting áramlási ellenállása többszöröse lehet ahhoz a fittinghez képest, amelynek belső átmérője a csőével megegyezik.

Hogyan válasszunk csőméretet?

A rendszerek kialakításakor előzetesen csőméretet kell választani. Ez a szakmában gyakran a vízsebesség alapján történik. A fűtéstechnikában azt javasolják, hogy ne legyen nagyobb a sebesség 1 m/s értéknél. Ha valaki csupán ezt a szempontot veszi alapul, akkor ismét problémákkal kerülhet szembe.

Egy kis átmérőjű, a szerelési gyakorlatban gyakran használt 16x2 mm méretű műanyagcső fajlagos ellenállása 80 °C közeg esetén 1 m/s sebesség mellett 1433 Pa/m. Ugyanakkor a 108x3,6 mm-es acélcsőnél 1 m/s sebesség mellett 113 Pa/m, tehát tizede az ellenállás.

A kisebb csőméreteknél ezért sokkal kisebb sebesség engedhető meg, míg nagy átmérőknél, pl. a távfűtésben nyugodtan akár 2-3 m/s sebesség sem jelent túlzott ellenállást. Szerencsésebb ezért inkább a fajlagos súrlódási ellenállás alapján a cső méretét megválasztani. Szivattyú fűtések esetén az S’= 50  300 Pa/m tartomány használata célszerű. Igaz persze az is, hogy a sebességet mindenféle segédeszköz nélkül is számolni lehet, míg a fajlagos súrlódási ellenállásnál táblázatra vagy diagramra van szükség.

A szakma más területein más szempontok is szerepet játszanak. A vízellátás területén sokkal nagyobb nyomáskülönbség használható el, ezért nagyobb értékek is megengedhetőek. A légtechnikában, az eltérő közeg miatt a csövek áramlási ellenállása nagyon csekély, sokkal inkább az alaki ellenállások a meghatározóak. Egy-egy iránytörés ellenállása esetenként több tíz méter cső áramlási ellenállásával egyenértékű.

Összefoglalás

A cikkben arra kívántam a figyelmet felhívni, hogy ezen a területen sokat számít a szakmai rutin, de ez a rutin speciális helyzetekben nem képes a számításokat helyettesíteni, mert egyes kérdések sokkal összetettebbek annál, hogy azokra ökölszabályokat lehetne gyártani.

Irodalom
[1] Recknagel-Sprenger-Schramek: Fűtés- és klímatechnika 2000, Dialóg-Campus Kiadó, Budapest-Pécs 2000.

A cikk forrása