e-gépész online szaklap

Érdekességek a csövek, idomok áramlási ellenállása terén

| | |  9 | |

A szakmában jelenleg nagyon sok különböző anyagú, méretű csőrendszer van jelen. Ezeknek a csöveknek a kötése változatos módon történhet, ezért idomok garmadája szerepel a kínálatban. Azt gondolnánk, hogy az áramlási ellenállás szempontjából ez a terület nem tartalmaz furcsaságokat, érdekességeket, azt lehet mondani „egyik cső olyan, mint a másik”. A cikkben azt kívánom bemutatni, melyek azok a dolgok, amelyekre érdemes odafigyelni.

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

Hozzászólások

A hozzászóláshoz be kell jelentkeznie.


Zoárd | 2017. nov. 11.

Kedves Zoltán! Nem ismerem a rendszert amit összerektak, de hogy egy puffer tartálynak 40-60 kPa ellenállása legyen ott valami nagyon el van "izélve" a rendszerben. A poén kedvéért ha küld egy kapcsolási rajzot, már szívesen végig rágom, tanulságként a hidraulikai rendszert. Az e-gpészen keresztül szerintem el tudja juttatni hozzám.


TAKÓ Zoltán | 2017. nov. 10.

Nos a végeredmény közben megvan, de az adott hőcserélőkben nem lehet ezt áttolni sehogysem, megkaptuk a mérési eredményeket a hajdutól minél nagyobb az áranlás annál nagyobb az ellenállás, amíg 2m3 nél 40 3.5m3 nél 80kPa az ellenálás de van a tartályban szerencsénkre egy másik hőcserélő ami ugyan kissebb és csak a tartály alját melegití ezért a 42es gerincet 1"ra megosztottuk a két hőcserélő között és beszabályoztuk melyiken mennyi menjen át igy akár 6m3ra is eljutottunk 1.1m/s sebességgel. Sok segitséget kaptunk minden ágról, innen is de a legnagxobb segitség az ultrahangos mérés volt amit ezuton is köszönünk, ha tapasztalatainkkal tudunk bárkinek segiteni szívesen segítünk .


TAKÓ Zoltán | 2017. okt. 25.

Üdvözlöm az olvasókat, a fejleményeket megírnám, és ha a végére jártunk tanulságképp azt is, mint kiderült a puffertartályok a dugók a rendszerben, a bennük lévő hőcserélő ellenállása 60 kPa , ha még hozzávesszük az idomok, áramlásmérő és még a hőszivattyú ellenállását még örülnünk kell annak az áramlásnak amit eddig elértünk.


TAKÓ Zoltán | 2017. okt. 24.

Kedves Zoárd! Hogy tovább göngyölítsük az ügyet, tanácsára megkerestünk egy épületgépészt, de lehet nem a megfelelőt. Megtekintette a rendszert a helyszínen és azt mondta ez Ö sem tervezte volna másképp, nem tudja miért nincs meg a megfelelő áramlásunk, próbálkozni kell a csőkeresztmetszet bővítéssel. lehet tovább kell keresnünk, de mindenképp elgondolkodtató, hogy ha ugyanígy terveztettük volna meg mennyivel lennénk elöbbre vagy közelebb a megoldáshoz...


TAKÓ Zoltán | 2017. okt. 22.

Kedves "Zoárd" Teljesen igaza van a tervezéssel, jelen esetben mi kész tények alapján dolgoztunk teljesen megbiztunk a forgalmazóban aki maga is telepít és megadta, hogy mivel kell szerelni mivel mondván eddig csak ez vált be állításuk szerint, sőt 32/100 az és 32/80 as szivattyúkat is adták a rendszerhez mondván ez kell minimum. De mostmár nem tudjuk mi van... A kissebbik körön min. 3m3/h kellene elérni míg a nagyon 5 de 28x1 rézcsővel alig vagyunk 2m3/h nál jelenleg. De a 42 mm tanácsát mindenképp megfogadjuk.


Zoárd | 2017. szept. 19.

Kedves Zoltán! Egy hálózat méretezése tervezői feladat, hiszen a teljes hidraulikai kört kell méretezni, a felvetett csőátmérő csak egy kis szösszenet a teljes feladatban. Nyílván itt is volt tervező, az ő elvárásai -tervei- szerint kell szerelni. Ha nincs terv, akkor jobb, ha bele se kezd. A forgalmazó pedig jellemzően nem ismeri a teljes rendszert. Az Ádám nagyon finoman fogalmazott azzal, hogy nem az optimális tartomány az 1300-1600 Pa/m. Épületgépészeti rendszerekben 200 Pa/m-nél kisebb ellenállású csővezeték hálózatokat szoktunk méretezni. Ettől eltérő lehet egy rövid (0,5-1,0 m-es) berendezés bekötő vezetékszakasz, mert ott a berendezés csonk méretéhez kell igazodni. Azaz egy 40x6,7 mm-es csőben nem javasolt 1,1 - 1,2 m3/h több vizet átengedni. A 4,0 m3/h-hoz minimum db=42 mm belső átmérő kell, hogy 200 Pa/m-t ne lépjük túl, de inkább NÁ50-es cső a javasolható. De terv nélkül továbbra sem tennék, egy tapodtat sem.


TAKÓ Zoltán | 2017. szept. 16.

Kedves Ádám Megtisztelr válaszával, a problémák összeadódni látszanak, mivel mint kiderűlt a puffertartályban egy 6.8 m2 1" bordásfalú rozsdamentes cső van belűl ami miatt hatalmas lehet a surlódási veszteség, a csatlakozásoknál az idomok ugyan 1" de a csatlakozás is leszűkűl mivel az idom 1" Km 32 és az abbol kilépő cső 32x5,4 felbővitve 40x6,7 re szinte semmit nem ér hisz a belsőkeresztmetszet a csatlakozásnál 21.2mm marad. Igy tehát a gyolyós szivattyú elzáró amelynek az elzárógolyó részén 25mm a szűkület már nem is jelentős. És még társul a rendszerhez egy 3m emelőmagasság is. Lecseréljük a csővezetékeket 28x1 rézcsőre, de aggályunk továbbra sem csökken a térfogatáram hiánnyal hisz az emlitett pufferben lévő 1" bordáscső és a hőtermelőben lévő 1" csatlakozás azon belűl egy lemezes hőcserélő továbbra is hatalmas veszteségre mutat előre és nem igazán tudjuk igy hogy érjük el a szükséges minimum 4 m3/ órát. Megköszönném ha válaszát a takonemeth(kukac) gmailre küldené... Eről értesitést ugyanis nem kapunk... Pedig egy jo oldal


Szalay Ádám | 2017. szept. 14.

Kedves Zoltán, amennyiben csak a "táblázatra" lenne kíváncsi, azokat megtalálja a Wavin publikált anyagai közt. Pl.: https://goo.gl/cuLMBZ 10-50-80 °C víz közegre. A jelzett rendszer(ek)ről a részletek ismeretének hiányában annyit lehet elmondani, hogy az elvárt 4 m3/h-hoz a 40×6,7 cső esetén 2 m/s vízsebesség adódik. Ehhez pedig 1300-1600 Pa/m fajlagos nyomásesés, ami akár lehetne megfelelő is, de nem tartozik az optimális tartományba.


TAKÓ Zoltán | 2017. szept. 13.

Üdvözlöm, esetleg egy táblázatot tudna adni amelyben ekoplastik 40x6,7 es csővel memutatja az adatokat? Előzmények Ezt a csövet irták ki három rendszerünkhöz, a hőforrás értékesíője, forrasztásokra kiemelt figyelmet forditottunk, ott hiba nem lehet, a kiirt keringető is beépitésre kerűlt, ami 10m3/h, és a térfogatáram mégsem éri el a 2.5 öt sem pedig minimum 4 lenne szükséges. A szivattyuk csonkja 2 coll ide 2 coll-5/4 KB golyós elzárót épitettünk be, az egyetlen pont ahol szükület lehet, vagy a tömegáram mérő nem mér helyesen 25 cm a szivattyú szivócsonkjától. Várnám válaszát

Facebook-hozzászólásmodul