Věčná problematika teplotní roztažnosti potrubních vedení

Nedílnou součástí návrhu otopného systému je řešení teplotní roztažnosti potrubního vedení.

V žádném normativním předpisu není předepsáno, jak musí být řešeno v projektu upevnění potrubí a jeho dilatace. Projekt tepelné techniky musí být takový, aby dílo bylo realizovatelné a funkční. Projektant tedy nemusí do projektové dokumentace zaznamenávat detailní systém kotvení potrubí, ale měl by o systému kotvení a upevnění uvažovat, aby dílo bylo realizovatelné. To samé platí o dilataci, aby při všech teplotních stavech byla zaručena správná funkčnost potrubního vedení. Proto je vždy lepší do projektové dokumentace popsat systém kotvení a uložení potrubního vedení, zvláště u větších dimenzí potrubí, kdy upevnění je nutné řešit s ohledem na vzniklé síly působící v místě kotvení do stavební konstrukce.

Je zde jeden závažný nedostatek, řada projektů řeší teplotní roztažnost, předepisuje umístnění vlnovcových kompenzátorů teplotní roztažnosti, ale opomíná druhý faktor, který je stejně důležitý jako samotná kompenzace, a tím je správná volba upevnění potrubí v místě kompenzace, aby bylo zajištěno správné osové vedení. Často se zapomíná na efekt „nafouknutí“ kompenzátoru již od přetlaku při tlakové zkoušce. Dále je nutné zajistit přístup k vlnovcovým kompenzátorům, aby bylo možné je zkontrolovat nebo v případě netěsnosti dotáhnout. Z toho vyplývá, že není možné kompenzátor zazdít ve stěně nebo zalít do podlahové konstrukce.

Při řešení teplotní roztažnosti potrubí je třeba stanovit okrajové teplotní podmínky, které mohou, jak v potrubí, ale také v okolí, nastat. Zároveň je třeba správně určit teplotní faktor roztažnosti pro daný materiál potrubí.

1. Určení teplotní roztažnosti potrubí

• l [m] délka úseku
• a [K^–1] součinitel teplotní roztažnosti materiálu
• Dt = (t_m – t_i) rozdíl teplot (nejvyšší teplota teplonosné kapaliny – nejnižší teplota okolí)

Součinitelé teplotní roztažnosti používaných materiálu pro potrubí:

• měď 1,7 ·10^–5 [K^–1]
• ocel 1,2 ·10^–5 [K^–1]
• hliník 2,38·10^–5 [K^–1]

Přibližné určení teplotní roztažnosti potrubí

Při teplotě teplonosné látky 75 °C a teplota okolí 20 °C je teplotní roztažnost potrubí:

• měď 1,0 mm/m
• ocel 0,7 mm/m
• hliník 1,3 mm/m

Teplotní roztažnost potrubí je možné řešit více způsoby. Osovou nebo tvarovou kompenzací. Osová kompenzace je proveditelná buď osovými kompenzačními vsuvkami nebo U-kompenzátory.

Výpočet osové síly do pevného bodu u ležatého rozvodu:

kde složka F_P je síla od přetlaku v potrubí, se kterou se počítá jen u vlnovcových nebo gumových kompenzátorů. Jde o součin max. přetlaku v soustavě p_max [Pa] a aktivní plochy kompenzátoru A₀ [m²], jež udává výrobce.

Složka F_T je síla do pevného bodu od ostatních podpěr vlivem tření v těchto podporách. Jde o součin celkové hmotnosti potrubí na trase m_p [kg], součinitele tření podpěr m [–] a gravitačního zrychlení g [m·s^–2].

Síla F_D je síla vlivem dilatace potrubí. Jde o součin tuhosti kompenzačního prvku k [N·m^–1] a vypočteného prodloužení potrubí DL [m]

Tuhost vlnovcových kompenzátorů uvádí výrobce, je velmi nízká od 6–30 [N·mm^–1] a tím tvoří zanedbatelnou složku, u tvarových kompenzátorů je třeba čerpat z tabulek, diagramů nebo softwaru. Zároveň je třeba kontrolovat, aby nebylo překročeno dovolené ohybové napětí trubky.

Výhody a nevýhody jednotlivých systémů kompenzace:

Osový kompenzátor vlnovcový:

• + značná kompenzace s minimálními nároky na prostor
• – nutnost zachovat přístup pro kontrolu a možné dotažení
• – změkčení potrubí v místě vlnovcového kompenzátoru
• – složitější postup montáže, hlavně v případě kotvení

Tvarová kompenzace:

• + lze ji použít pod povrchem bez nutnosti zachování přístupu
• + lze ji vytvořit přímo na stavbě (ale pozor na navržený rádius oblouků, které hrají podstatnou roli v návrhu!)
• + zůstává zachovaná stejná tuhost v celém potrubí
• – kompenzátor v přímém úseku i pro malé délkové roztažnosti zabírá značný prostor a může způsobovat značné komplikace v koordinaci s jinými profesemi

2. Negativní projevy potrubních rozvodů

Stále se v praxi setkáváme s potížemi při samotné realizaci upevnění potrubí s ohledem na jeho teplotní dilataci. Problémy nejsou tak výrazné, protože dílo je do jisté míry funkční, ale také můžeme vidět případy, při kterých dojde k destrukci některých částí potrubí nebo zařízení, nebo dokonce části stavební konstrukce.

Velkým tématem jsou osové (vlnovcové) kompenzátory. Pokud jsou na potrubní trase právě tyto prvky, je třeba dodržet několik zásad správného upevnění potrubí pro zajištění funkčnosti celého systému. V praxi můžeme vidět následující problémy:

• Nedostatečně zajištěné osového vedení před a za kompenzátorem, kvůli kterému pak dojde k „vyosení“ kompenzátoru, viz obr. 1
• Chybné dimenzování nebo dokonce žádný návrh pevných bodů. To má za následek velké „dilatace“, přesněji roztažení kompenzátoru jen natlakováním systému
• Porušení pevného bodu na potrubním vedení s kompenzátorem vlivem chybného návrhu / výpočtu sil do pevného bodu

Můžeme se setkat i s dalšími chybami upevnění potrubí, které nesouvisí s kompenzací potrubí. Jde o destrukci upevňovacího materiálu např. objímek vlivem trvalých velkých vibrací potrubí (viz obr. č. 2), nebo vlivem hydraulických rázů, např. u otevřených chladicích rozvodů od chladících věží. Dalším jevem může být přetížení sdružených závěsů postupným přidáváním zatížení, viz obr. č. 3, kde je zkroucený a prohnutý společný nosník.

3. Osová kompenzace

Výhoda použití osových (vlnovcových) kompenzátorů spočívá v minimální prostorové náročnosti oproti tvarovým kompenzátorům. Při jejich návrhu je třeba respektovat základní pravidla, která jsou nutná pro správnou funkci těchto kompenzátorů.

• Při použití osových kompenzátorů je třeba vždy na dané trase mít navržené pevné body.
• Výpočet sil do pevných bodů musí zohledňovat právě i složku od „nafouknutí“ kompenzátoru vlivem přetlaku.

Síla na pevný bod od přetlaku potrubí: F_P = p_max·A₀ , kde A₀ je aktivní plocha kompenzátoru udávaná výrobcem. Jasně je vidět, že čím vyšší přetlak v potrubí, tím je větší síla na pevný bod.

 

Např. na obr. 4 můžete vidět výpočet sil do pevných bodů pomocí firemního softwaru Hilti.

• Vždy u kompenzátoru (doporučuji 2 podpěry před a 2 podpěry za), které zajistí osové vedení potrubí tak, aby nemohlo dojít k „vyosení“ kompenzátoru.
• Také je třeba správně navrhnout dilatační schopnost kompenzátoru a počítat s jeho tuhostí (síla do pevného bodu od kompenzace je součin tuhosti kompenzátoru a dilatace).
• Není možné zapomenout na správný postup montáže kompenzačního prvku. Tlaková nebo tahová napětí při montáži mohou vést k trhlinkám způsobených pnutím v měchu. Kompenzátory je proto třeba uložit bez zatížení. Při montáži stoupacích potrubí nesmí váha potrubí nikdy ležet na dilatačním prvku, nýbrž se musí zachycovat např. pevným bodem. Bezpodmínečně musí být zabráněno krutu! Před instalací vlnovcového kompenzátoru je třeba vytvořit pevný bod a tím zafixovat potrubí proti axiálnímu pohybu. Kluzné body jsou určeny k zajištění správného osového vedení a zamezují možnému vybočení z osy. Vzdálenost mezi kompenzátorem a pevným nebo kluzným bodem by měla činit dvojnásobek průměru potrubí.