W każdym systemie przesyłania płynów, takich jak woda w sieciach wodociągowych, nieuniknione są straty ciśnienia. Dzielimy je na dwa główne typy: straty liniowe i straty miejscowe, które mają kluczowe znaczenie dla efektywności i niezawodności systemów, zwłaszcza w kontekście ochrony przeciwpożarowej i pomiaru zużycia wody.
Czym są straty liniowe i miejscowe?
Charakterystyka strat liniowych
Straty liniowe to straty ciśnienia, które występują na długości przewodu. Są one wywołane przede wszystkim tarciem wewnętrznym płynu oraz tarciem przepływającej cieczy o wewnętrzną stronę ściany przewodu. Dla przewodów rurowych, szczególnie tych uznawanych za chropowate, straty liniowe zależą od współczynnika oporów liniowych. Im dłuższy przewód i wyższa prędkość przepływu, tym większe straty liniowe.
Charakterystyka strat miejscowych
Z kolei straty miejscowe to straty ciśnienia wywołane obecnością przeszkód w przewodzie. Ich wielkość jest ściśle uzależniona od typu i geometrii tych przeszkód. Na przykład, strata miejscowa może być związana ze zmianą kierunku przepływu (np. w kolankach, odsadzkach), zmianą geometrii przewodu (np. redukcje, kryzy, dyfuzory, armatura) lub zmianą przepływu masowego cieczy (np. odgałęzienia przewodów typu trójniki). Opory miejscowe zależą od współczynnika oporów miejscowych i prędkości przepływu cieczy. Współczynniki oporów miejscowych są zazwyczaj wyznaczane doświadczalnie i dla typowych kształtek oraz armatury występują w postaci stabelaryzowanej. Dla armatury handlowej producenci często podają indywidualny współczynnik Kv zamiast współczynnika oporów miejscowych.
Wodomierze sprzężone: geneza i problemy eksploatacyjne
Wodomierze sprzężone były przez długi czas kompromisem w przedsiębiorstwach wodociągowych, szczególnie tam, gdzie występowały zarówno ogromne przepływy pożarowe, jak i małe rozbiory bytowe na zakładach przemysłowych. W XX wieku technologia nie pozwalała na osiąganie wysokiego zakresu pomiarowego przez pojedyncze wodomierze. Konieczne było połączenie niskich progów rozruchu z możliwością przepuszczenia dużych przepływów pożarowych. Zamiast łączyć atrybuty w jednym urządzeniu, postanowiono połączyć urządzenia, które te atrybuty posiadają.
Zasada działania i wady
Sam pomysł był całkiem sensowny, lecz do jego skutecznej realizacji niezbędne było zastosowanie elementu przełączającego strumień wody między małym a dużym wodomierzem. Tym elementem jest zawór zmiennego obciążenia. Praca tego zaworu polega na przełączaniu (otwieraniu lub zamykaniu) przepływu przez główny wodomierz. Zawór ten jest wykonany w postaci grzyba wyposażonego w sprężynę. W momencie, gdy przepływ przez wodomierz rośnie, wzrasta opór generowany przez mały wodomierz boczny, co powoduje otwarcie zaworu zmiennego obciążenia i uruchomienie dużego wodomierza. Analogicznie, podczas zmniejszenia przepływu następuje sytuacja odwrotna. Stąd też wodomierze sprzężone jako jedyne mają parametr: punkt przełączania.
Do prawidłowego działania wodomierza sprzężonego niezbędne jest prawidłowe funkcjonowanie zaworu zmiennego obciążenia. Niestety, w rzeczywistych warunkach bardzo trudno jest zapewnić idealnie klarowną wodę bez zanieczyszczeń. Zanieczyszczenia osiadające w wodomierzu i na zaworze mogą powodować jego nieszczelność, a tym samym niekontrolowany przepływ przez duży wodomierz poniżej jego progu rozruchu. Taka sytuacja generuje straty dla Przedsiębiorstwa Wodociągowego, ponieważ woda przepływająca przez duży wodomierz jest nieopomiarowana (niesprzedana).
Zdarzają się sytuacje, że grzyb zaworu zawiesił się w pozycji otwartej, a wodomierz wskazywał zero zarówno na dużym, jak i na małym wodomierzu. Należy zaznaczyć, że w takiej sytuacji oba wodomierze są sprawne; woda po prostu wybiera drogę przez większy wodomierz, ponieważ ta ma niższe straty ciśnienia. Najgorszym typem uszkodzenia zaworu zmiennego obciążenia jest jego zapieczenie się w pozycji zamkniętej. W tej pozycji woda w całości przepływa przez mały wodomierz i jest pomierzona, ale budynek de facto nie posiada ochrony przeciwpożarowej.
Nowoczesne rozwiązania: wodomierze ultradźwiękowe
Od około 6 lat na polskim rynku dostępne są wodomierze ultradźwiękowe, które charakteryzują się połączeniem atrybutów niskiego progu rozruchu i ogromnej przepustowości, eliminując jednocześnie wiele wad wodomierzy sprzężonych.
Zasada działania i zalety
Zasada działania każdego wodomierza ultradźwiękowego polega na pomiarze różnicy czasu między dwiema falami ultradźwiękowymi: jedna jest wypuszczana pod prąd wody, druga z prądem wody. Dzięki takiej zasadzie działania urządzenie to jest bardzo odporne na zakłócenia strugi wody oraz na magnesy neodymowe. Posiadają również kody informacyjne opisujące stan wodomierza, co ułatwia diagnostykę.
Przepływomierze ultradźwiękowe zaciskowe
Aspekty ekonomiczne i legalizacja
Co istotne, wodomierze ultradźwiękowe nie są droższe od wodomierzy sprzężonych. Wynika to przede wszystkim ze skomplikowanej konstrukcji wodomierza sprzężonego i bardzo drogiego zaworu zmiennego obciążenia. Porównując ceny rynkowe wodomierzy ultradźwiękowych DN80 oraz wodomierzy mechanicznych, np. Powogaz MWN/JS 100/4-S, można odnieść wrażenie, że są zbliżone. Jest to jednak tylko wrażenie, ponieważ wodomierze ultradźwiękowe mają często korpus ze stali nierdzewnej, co zwiększa ich trwałość. Najmilsza niespodzianka spotyka użytkownika wodomierza ultradźwiękowego po 5 latach użytkowania, przy pierwszej legalizacji, która jest znacznie prostsza i tańsza niż w przypadku wodomierzy sprzężonych. W przypadku wodomierza sprzężonego legalizacja to koszt około 180 zł netto, ale szanse na to, że sama legalizacja wystarczy bez dodatkowych napraw, są małe. Technologia ultradźwiękowa może skutecznie uwolnić Przedsiębiorstwo Wodociągowe od wodomierzy sprzężonych, nie kosztując przy tym wiele. Jednakże, ponieważ wodomierze ultradźwiękowe są stosunkowo nowe, upłynie trochę czasu, zanim projektanci zaczną samodzielnie je projektować na przyłączach z funkcją zasilania przeciwpożarowego.
Znaczenie prawidłowego doboru w kontekście ochrony przeciwpożarowej i strat
Zanim ktokolwiek zacznie dobierać wodomierz ultradźwiękowy zamiast sprzężonego, musi upewnić się, że dane o wymogach przeciwpożarowych konkretnego przyłącza są prawdziwe. Skoro kiedyś zamontowano wodomierz sprzężony, oznacza to, że przewidziano możliwość dostarczania wody do celów przeciwpożarowych.
Wymagania p.poż. i kalkulacja przepływu
Najłatwiej jest, gdy w archiwum Przedsiębiorstwa Wodociągowego znajduje się dokument o zapewnieniu dostaw wody, gdzie czarno na białym jest napisane, ile wody i pod jakim ciśnieniem Wodociąg ma dostarczać do obiektu. W przypadku braku takiego dokumentu należy pisemnie wystąpić do właściciela lub użytkownika obiektu o określenie tych danych.
Wybór wodomierza a straty ciśnienia
Rozważmy przykład: na zakładzie mamy jeden hydrant HP80. Na wodociągu ciśnienie dynamiczne wynosi 4 bar. Proste obliczenia wskazują, że do dyspozycji mamy tylko 0,8 bar, a w praktyce 0,3 bara (zapas 0,5 bar jest wskazany, by spać spokojnie podczas odbiorów). Hydrant HP80 potrzebuje 10 l/s przy ciśnieniu dynamicznym na głowicy hydrantu 0,2 MPa. Stąd też, z nomogramu strat, dobiera się wodomierz ultradźwiękowy DN65, ponieważ przy przepływie Q=36 m³/h wykazuje on stratę ciśnienia poniżej 1,5 m słupa wody. Prawidłowy dobór wodomierza minimalizuje straty ciśnienia, co jest kluczowe dla zapewnienia odpowiedniej wydajności hydrantu podczas akcji gaśniczej.
mgr inż. M. Mitosek
PN-76/M-34034