Trajektorią cząstek płynącej wewnątrz rurociągu cieczy jest linia równoległa do osi rury. W takiej sytuacji prędkość płynięcia cząstek zmniejsza się od osi rury, gdzie ma największą wartość, do ścianek gdzie ta wartość jest zerowa.
W przypadku gdy trajektoria ta nie jest tak uporządkowana, możemy stwierdzić że ruch cieczy odbywa się w sposób turbulentny. W tym przypadku cząsteczki osiągają największą prędkość w osi rury, najmniejszą, ale nie zerową przy ściankach.
Czy ciecz zachowuje się tak jak w pierwszym czy w drugim opisanym przypadku zależy od czterech czynników:
- średniej prędkości cyrkulacji cieczy wewnątrz rurociągu,
- średnicy wewnętrznej rury,
- lepkości płynu,
- chropowatości wewnętrznej ścianki rury.
Trzy pierwsze czynniki są połączone we wzór zwany„liczbą Reynoldsa”:
Dopóki wartość liczby Reynoldsa jest mniejsza niż 2000 możemy mówić o ruchu liniowym, laminarnym. Powyżej tej wartości jest ruch przejściowy w którym zwiększające się poszczególne wartości zmieniają ruch cząsteczek w ruch turbulentny. Nie ma on konkretnej przypisanej wartości liczby Reynoldsa, gdyż zależy także od chropowatości ścianek rury.
Wewnętrzne powierzchnie rury mają różne nierówności. Z tego powodu przyjmuje się średnią wartość chropowatości zwaną chropowatością bezwzględną K mierzoną w mm lub m. Zależność pomiędzy chropowatością bezwzględną a średnicą rury zwana jest chropowatością względną.
Opory liniowe pojawiające się podczas płynięcia cieczy można obliczać na podstawie różnych wzorów, lecz najczęściej wykorzystywanym ze względu na swoją uniwersalność jest wzór Darcy’ego- Weisbacha:
Współczynnik oporu jest funkcją liczby Reynoldsa i chropowatości względnej rury. Można stwierdzić, że liczba Reynoldsa zależy od układu przepływu hydraulicznego (laminarny, turbulentny lub przejściowy) oraz powierzchni ścianki rury (gładka lub chropowata).
Możemy również na podstawie różnych wzorów obliczyć współczynnik oporu. Najczęściej wykorzystywanym jest formuła Colebrook’a:
W załączniku policzony został opór liniowy dla rur PB przyjmując wartość współczynnika chropowatości 0,0015.
Do tej pory zajmowaliśmy się tematyką oporów powstających w rurach, lecz pełna instalacja składa się z wielu innych elementów takich jak kształtki (kolana, redukcje) oraz mechanizmy regulujące (np. zawory). Wszystkie te elementy powodują również powstawanie oporów miejscowych dla cieczy płynącej wewnątrz instalacji.
Ze względu na różnorodność kształtek, zaworów itp. opory miejscowe mogą być określone tylko
za pomocą obliczeń. Istnieje także wiele wzorów na ich obliczanie, jednakże my wykorzystamy wzór z normy europejskiej prEN806 – 3.
Spadek ciśnienia w kształtkach jest obliczany za pomocą wzoru:
Gdzie współczynnik ζ ma swoją wartość dla odpowiednich elementów armatury, zgodnie z poniższą tabelą:
Obliczanie spadku ciśnienia.
Załóżmy że mamy 10 metrową rurę o średnicy 32 mm i grubości ścianki 2,9 mm, zamontowane są na niej 4 kolana 90o. Przez instalację przepływa woda z prędkością 0,8 l/s.
- Zgodnie z wykresem z załącznika, spadek ciśnienia w przewodzie wynosi w przybliżeniu 0,1m.sł.w./m (metr słupa wody/metr) przy szybkości przepływu cieczy 1,5 m/s. W związku z tym spadek ciśnienia ponad 10 metrów rury wynosi w przybliżeniu 1 m.sł.w.
- Zgodnie z tabelą umieszczoną w rozdziale Przepływy i opory, współczynnik ma wartość 0,7. Zakładając, że wartość gęstości p = 999,7 kg/m3, dla tej złączki przy prędkości 1,5 m/s, indywidualny spadek ciśnienia wynosi 0,787 kPa. Dla 4 kolanek, spadek ciśnienia na wszystkich złączkach będzie wynosił 3,15 kPa lub 0,315 m.sł.w.
- W związku z tym spadek całkowitego ciśnienia w instalacji wynosi 1,315 m.sł.w.:
0,315 m.sł.w. z powodu kształtek,
1,000 m.sł.w. ze względu na rurę.
Generalną właściwością tworzyw jest wydłużalność pod wpływem temperatury. Przy wzroście temperatury tworzywa wydłużają się, przy spadku – kurczą. Zmiany te charakteryzuje współczynnik termicznej wydłużalności liniowej α. Można go określić ze wzoru:
W rozdziale rozszerzalność cieplna podaliśmy wartość współczynnika wydłużalności dla różnych materiałów. Mając to na uwadze przy 10 m odcinku rurociągu i wzroście temperatury o 50°C wydłużalność tych materiałów będzie:
PRZYKŁAD
Obliczenia wydłużeń: (zgodnie ze wzorem)
| Długość rury |
L0 = 10 m |
| Temperatura pokojowa |
Tr = 20°C |
| Temperatura projektowana |
Tp = 70°C |
| Wzrost temperatury |
ΔT = 50°C |
Z wykresu w załączniku można wyliczyć potencjalne wydłużenia rurociągów PB. Na wykresie z załącznika możemy określić siłę oddziaływania rurociągu pomiędzy dwoma punktami mocowania przy zmianach temperaturowych. Kolejny wykres prezentuje porównanie wspomnianych sił występujących w trzech różnych tworzywach.
Podczas określania naprężeń nie tylko bierzemy pod uwagę zmiany długości lecz także moduł elastyczności materiału z którego wykonany jest rurociąg. Aby obliczyć długość ramienia elastycznego korzystamy ze wzoru:
Stała C zależy od rodzaju materiału:
C= 10 dla PB
C= 30 dla PP-R
C= 34 dla PVC-C
C= 12 dla PEX
PRZYKŁAD
Określanie długości ramienia elastycznego
podstawiając dane do powyższego wzoru:
| Długość rury |
L0 = 10 m |
| Ø rury |
40 mm |
| Wydłużenie |
65 mm |
| Wzrost temperatury |
ΔT = 50°C |
Zatem w przypadku odcinka 10 m rury o średnicy ø 40 i zmianie temperatury o 50°C długość ramienia elastycznego dla poszczególnych materiałów powinna wynosić:
Mocowanie przewodów odbywa się za pomocą obejm lokalizowanych w odpowiednich odległościach.
Maksymalny odcinek (L1) dozwolony pomiędzy obejmami przedstawiono poniżej
Dla pionów L1 powinien być pomnożony x1.3
Rury zintegrowane
Rury wewnątrz innych rur, rury wewnątrzosłonowe lub izolacyjne.
Kiedy powłoka chroniąca lub izolująca jest zintegrowana, należy upewnić się, że nie występują żadne deformacje lub przemieszczenia poszczególnych warstw. Kiedy używamy rur zabezpieczających np.: typu peszel w instalacjach zalewanych w podłodze - betonie, należy upewnić się że beton nie przedostał się do wnętrza rur zabezpieczających.
Rurę osłonową należy zainstalować tak aby uwzględniała wygięcie rury nie mniejsze niż 8 średnic zewnętrznych rury.
Uwaga: system rura w rurze jest często używany dla średnicy 25 mm lub mniejszej.
Gdy instalujemy rurę w rurze osłonowej, obie rury muszą zaczynać się przed wejściem w podłogę lub w ścianę.
Rurociągi bez rury osłonowej
Gdy rury zatapiamy w betonie to powinny być zainstalowane na takiej głębokości, która uwzględnia rozszerzalność materiału rury. Dla polibutylenu promień wygięcia nie powinien być mniejszy niż 8 średnic zewnętrznych dla rur o średnicy 25 mm i mniejszych. Rury przed betonowaniem należy mocować aby wygięcia nie były mniejsze i koniecznie przy przejściach ze ścian w podłogę. Możemy betonować systemy nierozbieralne, zgrzewane, klejone i zaprasowywane lecz zgodnie z wytycznymi producenta. Sprawdźmy również lokalne prawo budowlane.
Wolna pętla lub zawieszenia rurociągów i wykładziny ochronne
Wykonawca powinien zapewnić właściwe zamocowanie rur. Należy zachować szczególne środki ostrożności gdy mamy do czynienia z gorącymi mediami. Gdy rury podwieszamy lub gdy rury przechodzą przez przegrody należy je zamocować w punkcie przejścia przez podłogę lub ścianę. Zawsze należy przestrzegać wytycznych producenta systemu.
