Základy hydrauliky rozvodných sítí, tlakové proudění v potrubí, tlakové ztráty.

Systém zásobování vodou

• Přiváděcí řád – doprava vody z vodního zdroje či úpravny do vodojemu
• Zásobovací řád – doprava vody z vodojemu do spotřebiště (rozvodná vodovodní síť)

Podle vzájemného výškového umístění vodního zdroje, vodojemu a spotřebiště:

• Gravitační vodovod – vodní zdroj či úpravna dostatečně převyšuje spotřebiště – výškový rozdíl vyvolá alespoň hydrodynamický tlak 0,25 MPa
• Výtlačný vodovod – vodní zdroj či úpravna leží níže než vodojem (tlaková pásma po 30 m, max. 60 m).

Z hlediska zásobování a výškového uspořádání je vodovodní síť města rozdělena do tlakových pásem.

Tlakovým pásmem rozumíme část vzájemně propojené sítě pod stejným hydrostatickým tlakem. Jedná se o zónu, která je řízena jedním nebo více objekty na vodovodní síti, které určují stabilní tlak ve spotřebišti vzhledem k jeho nadmořské výšce.

V každém tlakovém pásmu je hydrostatický tlak určován některým ze tří způsobů - hladinou vody ve vodojemu, výstupním tlakem z tlakové stanice nebo výstupním tlakem z redukčního ventilu.

Tlak vody ve vodovodním potrubí je závislý na množství odebírané vody ze sítě v určitém časovém okamžiku a na místních tlakových ztrátách ve vodovodní síti a přípojce. Pak hovoříme o hydrodynamickém tlaku, který se na každém místě vodovodu mění v průběhu dne.

Pro vodovody vybudované po 1. lednu 2002, tj. od počátku platnosti zákona č. 274/2001 Sb. o vodovodech a kanalizacích, ve znění pozdějších předpisů, platí následující:

• maximální přetlak při nulovém odběru v nejnižších místech vodovodní sítě každého tlakového pásma nesmí převyšovat hodnotu 0,6 MPa (v odůvodněných případech se může zvýšit na 0,7 MPa).

• hydrodynamický přetlak v rozvodné síti při maximálním odběru Q_h musí být v místě napojení každé vodovodní přípojky nejméně 0,25 MPa, při zástavbě do dvou nadzemních podlaží alespoň 0,15 MPa.

Z ČSN 75 5401 - Navrhování vodovodních potrubí.

U hydrantu pro odběr požární vody musí být zajištěn statický přetlak (hydrostaticky přetlak) nejméně 0,2 MPa; při odběru nemá přetlak (hydrodynamicky přetlak) klesnout pod 0,05 MPa. Z ČSN 73 0873 Požární bezpečnost staveb, Zásobování požární vodou.

U gravitačního vodovodu se tlakové poměry ve spotřebišti odvozují z následujícího základního schématu.

1 – čára maximálního hydrostatického přetlaku
2 – čára minimálního hydrodynamického přetlaku
z – tlaková ztráta v úseku délky L

Při návrhu vodovodního potrubí je nutno uvažovat s umístěním snímacích zařízení pro přenos provozních údajů (tlaku a množství) do řídicích center (dispečink) pro automatizovaný provoz vodovodu.

Jaké mohou být příčiny problémů s tlakem vody u spotřebitele?

• Tlak vody je jednorázově nedostatečný, nebo žádný – příčinou je obvykle porucha, nebo plánovaná odstávka na vodovodním zařízení.
• Tlak vody je kolísavý – dlouhodobě se opakující pravidelné kolísání tlaku může být způsobeno odběrovou špičkou, poddimenzováním vodovodní přípojky nebo domovních rozvodů, poruchou nebo závadou na vodovodním zařízení.
• Tlak vody je příliš vysoký – obvyklou příčinou je porucha nebo závada na vodovodním zařízení.
• Tlak vody je nižší než obvykle – došlo k zavzdušnění domovních rozvodů po spuštění odstaveného vodovodu po opravě poruchy – je nutné odvzdušnění vnitřních rozvodů, kontrola průchodnosti filtru na vodovodních bateriích, eventuelně provozovatel vodovodní sítě musí provést kontrolu a pročištění vodoměrné sestavy.

Tyto požadavky na tlakové poměry ve vodovodní síti ovlivňují návrh vodojemů a koncepční řešení konkrétního vodovou. Jeli rozdíl nadmořských výšek v zásobovaném spotřebišti větší než 30 m je zpravidla nutné rozdělit spotřebiště do více tlakových pásem. Návrh tlakových pásem může ovlivnit i výška zástavby ve spotřebišti.
Rozsáhla spotřebiště (tlaková pásma) je vhodné zásobovat minimálně ze dvou vodojemů z různých stran. V takovém případě se doporučuje umístit všechny vodojemy příslušného tlakového pásma na stejné kotě.

ČSN 73 6655 Výpočty vnitřních vodovodů
0,05 MPa – baterie, sprcha
0,12 MPa – tlakové splachovače

0,1 MPa = 1 atmosféra = 1 bar = 10 m vodního sloupce

Průtok potrubím při ustáleném tlakovém režimu

Průtok vody ve vodovodních sítích je tlakový. Při navrhování a posuzování dimenzí potrubí a vyšetřování tlakových poměrů v rozvodných sítích se vychází z předpokladu ustáleného rovnoměrného průtokového režimu.

Při proudění kapaliny v potrubí vznikají tlakové ztráty, které mají původ jednak v tření kapaliny o stěny potrubí, a jednak v tzv. místních odporech.

Představme si tlakové proudění kapaliny v úseku potrubí délky L mezi dvěma profily A – B dle následujícího obrázku.

Obr. Ustálené tlakové proudění mezi profily A – B (1 tlaková čára, 2 čára energie).

rovnice průtoková: Q=S.v (m/s)

Při tomto proudění se uplatní základní rovnice hydrauliky a to:
1. rovnice kontinuity (spojitosti)

                                                        Q=S₁.v₁=S₂.v₂= konst.

(je vyjádřením zákona o zachování hmoty)

2. rovnice Bernoulliho

(je vyjádřením zákona o zachování energie)
kde:
Q – průtok potrubím [m³.s^-1],
S – plocha průtočného průřezu potrubí [m²],
v – střední profilová rychlost [m.s^-1],
h_E – energetická výška [m],
h₁, h₂ – polohové výšky [m],
ρ – hustota kapaliny [kg.m^-3],
g – tíhové zrychlení [9,81 m.s^-2], 

h_z – ztrátová výška v úseku délky L [m],
i_E – sklon čáry energie.

Při praktických výpočtech se rychlostní výška zanedbává, protože při uvažování rychlosti proudění v potrubí kolem 1,0 m/s má nepatrnou hodnotu (cca 5 cm). Znamená to tedy, že tlaková čára se ztotožní s čárou energie.

Ze schématu poměr:

 

 

je označován jako sklon čáry energie vyjadřovaný nejčastěji v ‰. S touto veličinou se pracuje při dimenzování vodovodního potrubí a při určování tlakových dynamických poměrů ve vodovodních řadech a v rozvodných vodovodních sítích.

 

Tlakové ztráty

Při proudění kapaliny v potrubí vznikají tlakové ztráty. Celkové tlakové ztráty jsou dány součtem ztrát třením a ztrát místních.

Ztráty třením

Mají původ v tření kapaliny o stěny potrubí a v tření mezi vrstvami kapaliny.
Jejich velikost závisí na druhu materiálu potrubí (jeho drsnosti), délce potrubí, průměru potrubí a průtočném množství (resp. průtočné rychlosti).

Vypočítají se podle Darcyho – Weissbachovy rovnice

kde:
h_t – ztrátová výška třením v úseku délky L [m],
λ – součinitel tření [bezrozměrný],
L – délka úseku [m],
D – vnitřní průměr potrubí [m],
v – střední průřezová rychlost [m.s^-1],
g – tíhové zrychlení [9,81 m.s^-2].

Součinitel tření λ se stanoví podle režimu proudění podle různých vzorců – pro vodovody je univerzálně použitelný vzorec White – Colebrook:

kde Re - Reynoldsovo číslo se vypočítá:

kde:
ν – kinematická viskozita [m².s^-1],
k – absolutní drsnost potrubí [m].

V praktických výpočtech se ztrátová výška třením h_t zjišťuje z hodnoty sklonu čáry energie i_E [‰] a z délky potrubí L podle známého vztahu:

 

Hodnota sklonu čáry energie se odečte při dimenzování potrubí z dimenzovacích tabulek nebo nomogramů pro návrhový průtok Q a navrženou dimenzi potrubí DN, spolu s hodnotou střední průřezové rychlosti v, pro zvolený druh materiálu potrubí.

Ztráty místní

Mají původ v místních odporech potrubí vyvolávajících nadměrnou turbulenci.
Jsou to zejména náhlé lomy, zúžení nebo rozšíření potrubí a různé armatury. Mají praktický význam pouze u tzv. hydraulicky krátkých potrubí, jako jsou sací potrubí čerpadel, násosky, shybky ap., kde platí

kde:
L je délka potrubí [m],
D jeho světlost [m].

U hydraulicky dlouhých potrubí, kde platí > 1000, je možno místní ztráty zanedbat, protože jejich hodnota je ve srovnání se ztrátami třením nepodstatná.

Místní ztráta se vypočte ze vztahu:

kde  je součinitel místní ztráty, který je závislý na druhu a rozměru odporu a pro příslušný odpor ho najdeme v tabulkách.

V praktických výpočtech se místní ztráty počítají tak, že všechny místní odpory se nahradí ekvivalentní délkou přímého potrubí L_e stejného DN a tato délka se přičte ke skutečné délce potrubí L. V takto "prodlouženém" potrubí se vypočítá ztrátová výška třením dle vztahu:

kde L_n je náhradní délka potrubí vypočítaná jako součet skutečné délky potrubí L a ekvivalentní délky přímého potrubí L_e. Takto vypočítaná ztrátová výška již v sobě zahrnuje i místní ztráty. Pro určení ekvivalentních délek přímého potrubí místních odporů jsou sestrojeny různé nomogramy (obr. následující).

Obr. Nomogram pro určení ekvivalentních délek přímého potrubí

 

PN, přetlaky a jmenovité světlosti potrubí

Geometrické rozměry potrubí (především tloušťka stěny) jsou u tlakových systémů navrženy na odolnost potrubí vůči provozovanému vnitřnímu tlaku PN (Evropská norma ČSN EN 1333).

U systémů gravitačních (netlakových) potrubí jsou geometrické rozměry navrhovány na odolnost vůči vnějšímu zatížení.

SDR (Standard Dimension Ratio)

Vztah vnějšího průměru trubky k tloušťce její stěny. Vytváří tak standardní rozměrové řady, které se používají pro navrhované tlaky. Nejpoužívanějšími rozměrovými řadami SDR, které se přednostně navrhují pro tlakové systémy z materiálu PE 100 a PE 100 RC, jsou SDR 11 a SDR 17.
Nominální tlak PN pro potrubí z materiálu PE 100 a PE 100 RC - SDR 17 ( PN 10 bar) a SDR 11 (PN 16 bar) - tlaková třída pro použití na potrubí s vodou.

DN je hodnota udávající přibližný vnitřní průměr potrubí v mm (evropskou normou EN 150 6708 Potrubní části - Definice a výběr jmenovitých světlostí DN). 
V technických výkresech se potrubí popisuje jmenovitou světlostí (DN nebo D).

Plastová potrubí se označují jmenovitou světlostí vztaženou k vnějšímu průměru D, potrubí z ostatních materiálů (např. šedá litina, tvárná litina, atd) se označují jmenovitou světlostí vztaženou k vnitřnímu průměru DN.

Příklad - šedá litina DN 100, PVC D 110.

Pokud budete opravdu potřebovat informaci o potrubí a DN / D, zjistíte tyto informace u výrobce potrubí a v technickém listu výrobku.

 

PN - jmenovitý tlak je číselné označení, které se používá v oblasti průmyslových a stavebních aplikací, kde se pracuje s tlakovými nádobami a potrubními systémy. Tento termín je uváděn v barech a je definován jako maximální tlak, který daná potrubní součást může snést při teplotě 20 °C. Typické hodnoty jmenovitého tlaku PN jsou například PN6, PN10, PN16 nebo PN25. Čím vyšší hodnota PN, tím větší tlakovou zátěž může daný prvek snést.

Příklady:

PN16 = 16 bar = 1,6 MPa
PN25 = 25 bar = 2,5 MPa

 

V souvislosti s navrhováním, prováděním a provozováním vodovodních sítí - pojmy:

Návrhový přetlak (DP) je nejvyšší provozní přetlak v rozvodné síti nebo v tlakovém pásmu stanovený projektantem s ohledem na budoucí rozvoj zásobování, avšak bez vodního rázu.

Provozní přetlak (OP) je vnitřní přetlak, který působí v daném okamžiku v určitém místě rozvodné vodovodní sítě.

Dovolený provozní přetlak (PFA) je nejvyšší hydrostatický přetlak, kterému je součást potrubí schopna v trvalém provozu odolat.

Nejvyšší dovolený provozní přetlak (PMA) je nejvyšší občas se vyskytující přetlak včetně vodního rázu, kterému je schopna součást potrubí v provozu odolat.

Zásobovací přetlak (SP) je vnitřní přetlak v předávacím místě spotřebiteli při nulovém průtoku v domovní přípojce.

Zkušební přetlak rozvodné sítě (STP) je hydrostatický přetlak, kterým se u nově položeného potrubí zkouší jeho neporušenost a těsnost.