Teplotná rozťažnosť potrubných vedení

Neoddeliteľnou súčasťou návrhu vykurovacieho systému je riešenie teplotnej rozťažnosti potrubného vedenia. V žiadnom normatívnom predpise však nie je dané, ako sa musí v projekte riešiť upevnenie potrubia a jeho dilatácie. V rámci tejto problematiky si treba uvedomiť, že projekt tepelnej techniky musí byť v prvom rade taký, aby bolo dielo realizovateľné a funkčné!

Projektant nemusí do projektovej dokumentácie zaznamenávať detailný systém kotvenia potrubia, mal by však o systéme kotvenia a upevnenia uvažovať, aby sa dielo dalo vôbec realizovať. To isté platí o dilatácii, ktorá má zaručiť správnu funkčnosť potrubného vedenia pri všetkých teplotných stavoch. Systém kotvenia a uloženia potrubného vedenia je preto vždy lepšie opísať v projektovej dokumentácii, a to najmä pri väčších dimenziách potrubí, keď je upevnenie nevyhnutné riešiť vzhľadom na vzniknuté sily pôsobiace v mieste kotvenia do stavebnej konštrukcie.

Je tu však jeden závažný nedostatok – celý rad projektov síce rieši teplotnú rozťažnosť či predpisuje umiestnenie vlnovcových kompenzátorov teplotnej rozťažnosti, opomína však druhý faktor, ktorý je rovnako dôležitý ako samotná kompenzácia. Je ním vhodná voľba upevnenia potrubia v mieste kompenzácie, ktorá má zaistiť správne osové vedenie. Často sa zabúda na efekt „nafúknutia“ kompenzátora už od pretlaku pri tlakovej skúške. Ďalej je nevyhnutné zabezpečiť prístup k vlnovcovým kompenzátorom, aby ich bolo možné skontrolovať alebo v prípade netesnosti dotiahnuť. Z toho vyplýva, že kompenzátor v žiadnom prípade nemožno zamurovať do steny alebo zaliať do podlahovej konštrukcie.

Pri riešení teplotnej rozťažnosti potrubí treba stanoviť okrajové teplotné podmienky, ktoré môžu nastať v potrubí alebo aj v jeho okolí. Zároveň treba správne určiť teplotný faktor rozťažnosti pre daný materiál potrubia.

Určenie teplotnej rozťažnosti potrubia
Teplotná rozťažnosť
Určí sa podľa vzorca
 
Δl_x = l . α . Δt    (1)
 
kde
    l    je    dĺžka úseku (m),
    α    –    súčiniteľ teplotnej rozťažnosti materiálu (K-1),
    Δ_t    –    rozdiel teplôt (najvyššej teploty teplonosnej kvapaliny a najnižšej teploty okolia; Dt = tm – ti).
 
Súčinitele teplotnej rozťažnosti potrubných materiálov

• meď – 1,7 . 10^-5 (K^-1),
• oceľ – 1,2 . 10^-5 (K^-1),
• hliník – 2,38 . 10^-5 (K^-1).

 
Teplotná rozťažnosť potrubia závisí od dĺžky potrubia (l) a rozdielu teplôt (Δt)

Teplotná rozťažnosť potrubia pri konkrétnych materiáloch
Pri teplote teplonosnej látky 75 °C a teplote okolia 20 °C je teplotná rozťažnosť potrubia:

• meď – 1 mm/m,
• oceľ – 0,7 mm/m,
• hliník – 1,3 mm/m.

Teplotnú rozťažnosť potrubia možno riešiť viacerými spôsobmi – osovou alebo tvarovou kompenzáciou, pričom osovú kompenzáciu možno realizovať buď osovými kompenzačnými vsuvkami, alebo U-kompenzátormi.
 
Výpočet osovej sily do pevného bodu pri ležatom rozvode
Výpočet sa realizuje podľa vzorca
 
F_OS = F_D + F_T  + F_P (N)    (2)
 
pričom platí, že:
 
F_P = p_max . A₀ (N)     (3)
 
kde F_P je sila od pretlaku v potrubí, s ktorou sa počíta len pri vlnovcových alebo gumových kompenzátoroch; ide o súčin maximálneho pretlaku v sústave p_max (Pa) a aktívnej plochy kompenzátora A0 (m²), ktorý udáva výrobca.
 
F_T = m_p . µ . g (N)    (4)
 
kde F_T je sila do pevného bodu od ostatných podpier vplyvom trenia v týchto podperách; ide o súčin celkovej hmotnosti potrubia na trase mp (kg), súčiniteľa trenia podpier µ (–) a gravitačného zrýchlenia g (m/s²).
 
F_D = k . DL (N)    (5)
 
kde F_D je sila vplyvom dilatácie potrubia; ide o súčin tuhosti kompenzačného prvku k (N/m) a vypočítaného predĺženia potrubia DL (m).

Tuhosť vlnovcových kompenzátorov uvádza výrobca, a keďže je veľmi nízka (od 6 do 30 (N/mm)), tvorí zanedbateľnú zložku. Pri tvarových kompenzátoroch treba čerpať z tabuliek, diagramov alebo softvéru. Zároveň ich však treba kontrolovať, aby sa neprekročilo dovolené ohybové napätie rúrky.
 
Výhody a nevýhody jednotlivých systémov kompenzácie
Osový vlnovcový kompenzátor
Medzi jeho pozitíva patrí značná kompenzácia s minimálnymi nárokmi na priestor.

Medzi negatíva patrí:

• nutnosť zachovať prístup na kontrolu a možné dotiahnutie,
• zmäkčenie potrubia v mieste vlnovcového kompenzátora,
• zložitejší postup montáže, najmä v prípade kotvenia.

 
Tvarová kompenzácia
Medzi jej pozitíva patrí, že:

• ju možno použiť pod povrchom bez nutnosti zachovania prístupu,
• ju možno vytvoriť priamo na stavbe (pozor však na navrhnutý rádius oblúkov, ktoré hrajú podstatnú úlohu v návrhu!),
• zostáva zachovaná rovnaká tuhosť v celom potrubí.

Medzi negatíva patrí skutočnosť, že kompenzátor v priamom úseku aj pri malej diaľkovej rozťažnosti zaberá značný priestor a môže spôsobovať veľké komplikácie v koordinácii s predmetmi iných profesií.

Negatívne prejavy potrubných rozvodov
V praxi sa stále stretávame s problémami pri samotnej realizácii upevnenia potrubia vzhľadom na jeho teplotnú dilatáciu. Problémy nie sú také výrazné, pretože dielo je do istej miery funkčné, možno však vidieť prípady, pri ktorých dôjde k deštrukcii niektorých častí potrubia či zariadenia, alebo dokonca častí stavebnej konštrukcie.

Veľkou témou sú osové (vlnovcové) kompenzátory. Ak sú na potrubnej trase práve tieto prvky, treba dodržať niekoľko zásad správneho upevnenia potrubia na zaistenie funkčnosti celého systému. V praxi možno vidieť tieto problémy:

• nedostatočne zaistené osové vedenie pred kompenzátorom a za ním, pre ktoré potom dôjde k vyoseniu kompenzátora (obr. 1),
• nesprávne dimenzovanie alebo dokonca žiadny návrh pevných bodov, čoho dôsledkom je veľká dilatácia, čiže roztiahnutie kompenzátora iba natlakovaním systému,
• porušenie pevného bodu na potrubnom vedení s kompenzátorom vplyvom nesprávneho návrhu/výpočtu síl do pevného bodu.

Možno sa stretnúť aj s ďalšími chybami upevnenia potrubia, ktoré nesúvisia s jeho kompenzáciou. Ide o deštrukciu upevňovacieho materiálu – napríklad objímok – vplyvom trvalých veľkých vibrácií potrubia (obr. 2) alebo vplyvom hydraulických rázov, napríklad pri otvorených chladiacich rozvodoch od chladiacich veží. Ďalším nežiaducim javom môže byť preťaženie združených závesov postupným pridávaním zaťaženia. Na obr. 3 vidieť skrútený a prehnutý spoločný nosník.

Osová kompenzácia
Výhoda použitia osových (vlnovcových) kompenzátorov spočíva v minimálnej priestorovej náročnosti oproti tvarovým kompenzátorom. Pri ich návrhu však treba rešpektovať základné pravidlá, ktoré sú na správnu funkciu týchto kompenzátorov nevyhnutné:

• pri použití osových kompenzátorov treba mať na danej trase vždy navrhnuté pevné body,
• výpočet síl do pevných bodov musí zohľadňovať práve aj zložku od „nafúknutia“ kompenzátora vplyvom pretlaku (sila na pevný bod od pretlaku potrubí je FP = pmax . A0 , kde A0 je aktívna plocha kompenzátora udávaná výrobcom; zreteľne vidieť, že čím je vyšší pretlak v potrubí, tým väčšia je sila na pevný bod; na obr. 4 možno vidieť výpočet síl do pevných bodov pomocou softvéru),
• pri kompenzátore treba vždy zaistiť osové vedenie potrubia (odporúčame dve podpery pred a dve podpery za ním) tak, aby nemohlo dôjsť k jeho vyoseniu (obr. 5),
• zároveň treba správne navrhnúť dilatačnú schopnosť kompenzátora a počítať s jeho tuhosťou (sila do pevného bodu od kompenzácie je súčinom tuhosti kompenzátora a dilatácie),
• netreba zabúdať ani na správny postup montáže kompenzačného prvku. Tlakové alebo ťahové napätia pri montáži môžu spôsobovať trhlinky, ktoré vznikajú pnutím v kompenzačnej vložke. Kompenzátory preto treba uložiť bez zaťaženia. Pri montáži stúpacích potrubí nesmie hmotnosť potrubia nikdy ležať na dilatačnom prvku, ale musí sa zachytávať napríklad pevným bodom. Bezpodmienečne sa musí zabrániť krúteniu! Pred inštaláciou vlnovcového kompenzátora treba vytvoriť pevný bod, a tak zafixovať potrubie proti axiál­nemu pohybu. Klzné body sú určené na zabezpečenie správneho osového vedenia a zamedzujú možné vybočenie z osi. Vzdialenosť medzi kompenzátorom a pevným alebo klzným bodom by mala byť dvojnásobkom priemeru potrubia.

Obr. 5 Pri kompenzátore treba vždy zaistiť osové vedenie potrubia tak, aby nemohlo dôjsť k jeho vyoseniu

Ing. Josef Pouba, Ing. Vratislav Valenta
Foto a obrázky: Meibes

J. Pouba pôsobí v spoločnosti Meibes, V. Valenta v spoločnosti Hilti ČR.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.