Izolace potrubí podle evropských doporučení
Článek je určen projektantům a provozovatelům sítí s cílem pomoci snadnému navrhování tepelných izolací bez obav z evropských předpisů a učinit návrh izolace snadným, bez zdlouhavých a v případě součinitelů přestupu tepla i zbytečných výpočtů.
Izolace potrubí slouží ke zvýšení přenosové schopnosti tepelných sítí a navrhuje se podle kritérií, vztažených ke koeficientu prostupu tepla Uo = kΦ (W.m-1.K-1) podle vztahu (1)
α1 (W.m-2.K-1) je součinitel přestupu tepla na vnitřním povrchu trubky
α2 (W.m-2.K-1) je součinitel přestupu tepla na vnějším povrchu izolace
λTR (W.m-1.K-1) je měrná tepelná vodivost materiálu trubek
λiz (W.m-1.K-1) je měrná tepelná vodivost materiálu izolace
d (m) je vnitřní průměr trubky
D (m) je vnější průměr trubky
Diz (m) je vnější průměr izolace
Ve vztahu (1) jsou součinitelé přestupu tepla
Nu je Nusseltovo číslo
Re je Reynoldsovo číslo
Pr je Prandtlovo číslo podle vztahu (3)
w (m.s-1) je rychlost proudění vody v trubce
λv (W.m-1.K-1) je tepelná vodivost vody v závislosti na teplotě
ve kterém
λv (W.m-1.deg-1) je teplotní vodivost vody v závislosti na měnící se teplotě při proudění potrubím
ρ (kg.m-3) je měrná hmotnost vody v závislosti měnící se teplotě při proudění potrubím
c (J.kg-1.deg-1) je měrné teplo vody v závislosti na měnící se teplotě při proudění potrubím
ν (m2.s-1) je kinematická viskozita vody v závislosti na měnící se teplotě při proudění potrubím
tj. součinitel přestupu tepla konvekcí + součinitel přestupu tepla radiací podle (4)
kdet1 (°C) je teplota přívodu nebo zpátečky v daném úseku potrubní sítě
t2 (°C) je teplota okolního vzduchu v daném úseku potrubní sítě
T1 (°C) je absolutní teplota t1 + 273,158
T2 (°C) je absolutní teplota t2 + 273,158
Diz (m) je vnější průměr izolace
C (W.m-2.K-4) je součinitel sálání trubky nebo povrchu izolace
Vztah (4) je vlastně Nusseltův vzorec, sestavený na základě Wamslerových pokusů, včetně složky sálání, a tento vzorec předpokládá, že povrchová teplota trubky se rovná teplotě vody, takže nemůže být úplně přesný, ale u izolovaných potrubí není vnější plocha trubky omývána chladným vzduchem, takže povrchová teplota trubky se teplotě vody blíží a radikální pokles teploty nastává až ve vrstvě izolace. K výpočtu obou součinitelů přestupu tepla je však potřebné znát přesný pracovní průběh teplot "t1" a "t2" v každém úseku potrubní sítě, což umožňují pouze termohydraulické algoritmy, protože teplota "t1" představuje jak teplotu přívodní vody, tak i teplotu vratné vody, která na trase mezi tepelným zdrojem a spotřebiči tepla musí nabývat obrácených hodnot, tj. zatímco teplota přívodu od zdroje ke spotřebičům klesá, teplota zpátečky musí od zdroje ke spotřebičům stoupat, aby byla v tepelné síti udržena shodná střední teplota vody, potřebná pro účinnost regulačních procesů (viz průběh "tp" a "tz" v TAB. 3).
Evropské doporučení určovat součinitele α1 a α2 podle příslušných vztahů a podobnostních kritérií je tedy bez termohydraulického software nereálné, protože klasické algoritmy průběh teplot vody v TAB. 3 určit nedovedou. Tento článek jsem napsal proto, abych kolegy projektanty zbavil zbytečných obav z náročnosti výpočtů izolace a současně upozornil na některé nedostatky evropských doporučení.
Provedeme-li výpočet součinitelů přestupu tepla α1 a α2 pro trubku například DN 20 (3/4"), v níž proudí 643,396 kg.h-1 vody teplé 90 °C s okolní teplotou 20 °C, dostaneme hodnoty:
Měrná hmotnost vody ρt = 965,47 kg.m-3
Tepelná vodivost vody λv = 0,674969 (W.m-1.K-1)
Kinematická viskozita vody ν = 0,0000003334 (m2.s-1)
Měrné teplo vody Ct = 4205,41 (J.kg-1.K-1)
Průtok vody Qo = 0,000185113 (m3.s-1)
Rychlost proudění vody w = 0,50517 (m.s-1)
Vnitřní průměr trubky d = 0,0216 (m)
Vnější průměr izolace Diz = 0,1016 (m)
Součinitel sálání matného povrchu izolace C = 4,652
λTR = 46,52
Pr = 2,005257
Re = 32733,07055
Nu = 124,33267
Dosadíme-li tyto hodnoty do rovnic (2) a (4), dostaneme
α1 = 3885,21554 (W.m-2.K-1)
α2 = αk + αr = 5,22578159 + 6,65060432 = 11,8763859 (W.m-2.K-1)
a ocelová trubka s tepelnou izolací (tloušťka 37,34 mm; λiz = 0,04) má koeficient prostupu tepla Uo = kΦ 0,1800 (W.m-1.K-1), s měrnou tepelnou ztrátou Qz podle vztahu (5)
Jestliže se při proudění potrubím teplota vody "t1" vlivem ochlazení změní, nebude už výše provedený výpočet součinitelů α1 a α2 platit a nebude platit ani při změně průtoku ve stejném průměru potrubí. Koeficient prostupu tepla Uo = kΦ podle vztahu (1) tedy už nebude 0,18, a proto nebude správná ani tloušťka izolace 37,34 mm, určená na základě kritéria "Uo".
Chci tím říct, že kritérium "Uo", vztažené jen k průměru potrubí, již samo o sobě vylučuje možnost přesných výpočtů klasickými postupy v reálné potrubní síti, vede k iteraci bez software TH neřešitelné a evropský požadavek určovat součinitele α1 a α2 podle příslušných vztahů a podobnostních kritérií tím pro klasické řešení oboru vytápění postrádá racionální základ.
Co se stane, budou-li součinitelé α1 a α2 místo iracionálních výpočtů voleny
Vliv součinitelů přestupu tepla na vnitřním povrchu trubky a na vnějším povrchu izolace je u dobře izolovaných potrubí jen velmi malý a pro návrh tloušťky izolace podle zavedených kritérií "Uo" téměř zanedbatelný, takže požadavek na výpočty α1 a α2 byl vlastně jen zbytečným vyvoláním obav projektantů, kteří nevlastní termohydraulický software.
Provedeme-li výpočet potřebné tloušťky izolace pro výše uvedenou trubku DN 20 (3/4") s volenými hodnotami α1 = 5000 a α2 = 12, bude při splnění kritéria Uo = 0,18 činit tloušťka izolace 37,39 mm (místo 37,34 mm) a to dokonce i když okolní teplota poklesne z 20°C na 10°C.
A provedeme-li tentýž výpočet s hodnotami α1 = 1000 a α2 = 15, bude při splnění kritéria Uo = 0,18 činit tloušťka izolace 37,93 mm. Rozdíl tedy bude činit jen 0,05 mm až 0,59 mm tloušťky izolace.
Kritérium součinitele prostupu tepla "Uo", které musí podle vyhlášky č. 193 a podle doporučení EU tepelná izolace potrubí splnit, vyvolává u projektantů i řadu dalších otázek, na které se zde pokusím odpovědět.
Projektanti žádají údaje, podle kterých by se mohli orientovat v tloušťkách izolací splňujících zavedené kritérium "Uo", a proto je alespoň základní přehled uveden v TAB. 1; v TAB. 2 a v GRAFU 2.
V TAB. 1a pro porovnání vlivu volby součinitelů α1 a α2 uvádím ještě znovu tloušťky izolací pro ocelové závitové trubky, s hodnotami α1 = 1000 α2 = 15, abych zdůraznil, že pro technický návrh izolace potrubí přesné výpočty součinitelů přestupu tepla nejsou potřebné, protože tloušťky izolací se vzájemně liší jen cca o 0,5 mm. Stejně tak i teplota vody a teplota vzduchu "tv" se projeví v tepelných ztrátách QZ, nikoliv v tloušťce izolace podle kritérií "Uo".
Součinitel přestupu tepla α1, závislý na rychlostech proudění vody v praxi, se pohybuje v hodnotách cca od 2000 při rychlosti 0,2 m.s-1 do 7500 při rychlosti 1 m.s-1, přičemž u menších průměrů potrubí jeho hodnota roste. Výše uvedené tabulky se součinitelem α1 = 5000, tedy odpovídají přibližně rychlosti proudění vody 0,6 m.s-1, která se v otopných soustavách vyskytuje nejčastěji.
Při bližším pohledu na výsledky v TAB. 1 vyvstane otázka, proč u DN 32 (5/4") máme podle kritéria "Uo" navrhnout téměř dvojnásobnou tloušťku izolace než u větší světlosti DN 40 (6/4"), a kontrolním výpočtem se přesvědčíme, že jde o anomálii, kterou si autor kritérií zřejmě neuvědomil.
Pro DN 32 (5/4") d = 35,9 mm D = 42,45 mm ; tloušťka izol. = 61,07 mm ; Diz = 42,45+2*61,07 = 164,59 mm
Výpočtem zjistíme, že trubka DN 32 (5/4") skutečně splňuje kritérium Uo = 0,18 až při Diz = 0,16459 m, tj. při tloušťce izolace 61,07 mm, zatímco trubka DN 40 (6/4") splní kritérium Uo = 0,27 již při tloušťce izolace 33,68 mm a kritérium je zvoleno nešikovně.
Porovnáním hodnot (v TAB. 1 a TAB. 1a) tedy zjistíme, že chyba není ve volených hodnotách α1 a α2, ale je v samotných doporučených kritériích "Uo", přičemž zjištěná anomálie není zdaleka jediná. Anomálie spočívá v tom, že ve směru toku vody se například přívodní potrubí tepelné sítě zužuje, zatímco vnější průměr izolace se podle kritérií "Uo" v některých případech zvětšuje a v jiných zmenšuje. To je samozřejmě technický problém například při uložení potrubí na kluzných podpěrách, při provádění izolací atd. Nejen při navrhování TRV se skokovým průběhem nastavení, ale i při obyčejné izolaci potrubí se ukazuje, že skokový průběh funkcí do oboru vytápění opravdu nepatří.
OBR. 1 Nevhodný vliv skokového průběhu kritéria "Uo".
Kritérium "Uo" je ale nešikovné i z jiného důvodu. Je totiž vztaženo jen k průměru potrubí, takže tloušťka izolace musí být stejná u všech potrubí stejného průměru, bez ohledu na to, jak teplá voda v trubkách proudí. Trubka DN 100 v našem příkladu prostě musí mít tloušťku izolace cca 92,35 mm, i kdyby v ní proudila voda studená. S teplotou vody se mění jen tepelná ztráta zaizolovaného potrubí, nikoliv tloušťka izolace, protože vztah (1) s teplotou vody vůbec nepracuje, kromě vlivu teploty na součinitele přestupu tepla, jejichž význam pro tloušťku izolace je téměř nulový.
Evropská kritéria "Uo" zobrazená v GRAFU 1 o skutečném významu tloušťky navržené izolace nevypovídají. Je z nich vidět snaha unifikovat kritéria do několika skupin pokrývajících výrobní řadu trubek a pro větší světlosti potrubí (s větší tepelnou ztrátou) povolit vyšší hodnoty součinitelů prostupu tepla "Uo", zatímco potrubí menších průměrů izolovat lépe, což je logické (viz TAB. 3). Samotné sjednocení kritérií ve smyslu shodné hodnoty "Uo" vždy pro skupinu potrubí s různou světlostí DN však nijak vhodné není a je spíše zdrojem nejasností mezi projektanty.
Provedeme-li podle kritérií v GRAFU 1 výpočty tlouštěk izolací pro všechny světlosti DN, získáme přehled zdánlivých i skutečných anomálií, ke kterým nově zavedená evropská kritéria "Uo" vedou.
Tak například menší tloušťka izolace než u DN 32 (5/4") vyjde nejen u potrubí DN 40 (6/4"), ale dokonce i u potrubí DN 100, které materiálem s λiz = 0,04 "stačí izolovat" v tloušťce 55,82 mm, zatímco trubku 5/4" je nutné izolovat v tloušťce alespoň 61,07 mm. Skutečnou anomálií ovšem je, že trubku 5/4" "musíme" izolovat v tloušťce 61,07 mm i v případě, že jí bude protékat voda teplá 20 °C, zatímco potrubí 108/4 "stačí" izolovat v tloušťce 55,82 mm, i když voda bude mít teplotu 100 °C a kritéria "Uo" bylo proto možné stanovit lépe. Evropské rady sice vítáme, ale v celém našem oboru by měly být do budoucna uváženější, protože zdaleka nejde jen o izolace trubek, ale týká se to stále větších oblastí oboru vytápění, od výpočtu tepelných ztrát až po hydraulické vyvažování chybných průtoků, určených klasickými postupy.
Potřebu "větších tlouštěk izolací u menších průměrů potrubí" objasní průběh termohydraulicky vypočtených teplotních parametrů vody "tp" a "tz" v síti, uvedený v TAB. 3 jako školní příklad sítě izolované materiálem s λiz = 0,04, při přesném dodržení kritérií "Uo" (tj. s výpočtovými, nikoliv s výrobními tloušťkami izolace) a při jednotném uvažování α1 = 4000, α2 = 12.
Například tepelná ztráta přívodního a vratného potrubí 108/4 činí 952,03 W, což je 0,3 % přenášeného tepelného výkonu. U potrubí 3/8" činí tepelná ztráta 418,4 W, což je 10,2 % přenášeného výkonu, proto trubky malých průměrů chladnou relativně více a musejí mít menší hodnotu "Uo", která vede k větší tloušťce izolace.
TAB. 3 představuje síť záměrně zastoupenou všemi průměry potrubí až do DN 100, při rychlosti proudění vody w = 0,5 m.s-1, a ukazuje pokles teploty "tp" v koncovém bodě sítě, který je vlastně nejdůležitějším kritériem návrhu izolovaných potrubí v oboru vytápění, protože rozhoduje o účinnosti regulačních procesů a tím o úsporách tepla. Izolace by vlastně měla být taková, aby tento pokles byl minimální a až obor pokročí do úrovně TH na všech pracovištích EU, bude kritérium "tp" jistě jedním z nejdůležitějších. V TAB. 4 jsou při rychlosti 0,5 m.s-1 pro zajímavost uvedeny vypočtené hodnoty součinitelů přestupu tepla, ukazující možnost jejich volby, bez významného vlivu na výsledky. Hodnoty α1 = 5000 a α2 = 12 jsou tedy na straně bezpečnosti výpočtu i pro případné vyšší rychlosti proudění vody.
Závěr
Evropské předpisy by měly lidem práci usnadňovat a nikoliv komplikovat lpěním na požadavcích, které nemají praktický význam.
Doufám, že tento článek přispěje projektantům a provozovatelům sítí ke snadnému navrhování tepelných izolací bez obav z evropských předpisů a učiní návrh izolace snadným, bez zdlouhavých a v případě součinitelů přestupu tepla i zbytečných výpočtů. Při návrhu izolace potrubí lze použít tabulky TAB. 1, TAB. 2 nebo GRAF 2 a tloušťku izolace zvolit podle výrobní řady v hodnotě přiřazené k danému průměru potrubí.
Podklady
Jaromír Cihelka a kolektiv - Vytápění, větrání a klimatizace
Výpočtové vztahy =CRA= DELTA RESEARCH THERMOHYDRAULIC
Výstupní data ORIGINAL=CRA=SOFTWARE
Recenzent: Ing. Vladimír Galád
V odborně zpracovaném článku autor analyzuje směrné ukazatele koeficientů prostupu tepla "Uo" pro navrhování tepelných izolací potrubí podle vyhlášky č. 193/2007. Na konkrétních příkladech hodnotí význam těchto ukazatelů při projektování tepelných izolací v otopných soustavách a distribučních sítích. Článek soustřeďuje informace pro snadné navrhování tepelných izolací potrubí v oboru vytápění pro vybrané teploty proudící vody a běžné dimenze ocelových trubek.
Autor své znalosti využívá i v praxi a v oblasti panelových domů provádí:
- Vyhodnocení úspor zateplením a funkcí stávající regulační techniky v zateplených i nezateplených budovách.
- Projekty termohydraulického seřízení a termického vyvážení soustav pro dosažení maximálních úspor tepla v zateplených i nezateplených panelových domech.
- Projekty pro nápravu funkce vytápění.
- Poradenství v oblasti vytápění panelových domů.
e-mail: centrotherm@seznam.cz, T 286 591 550, M 607 660 843
The article is intended for designers and network operators and aim to help to easily design thermal insulation, without worrying about European regulations and easily realise the insulation design, without lengthy and, in the case of heat transfer coefficients, unnecessary calculations.