Ciśnienie to jeden z tematów, które trudno pominąć w pracy związanej z wykonywaniem instalacji grzewczych. Choć temat ciśnienia pojawia się w codziennej praktyce instalatora to teoria i terminologia, kojarząca się z naukami ścisłymi, często zniechęcają do samokształcenia. Skutkiem tej niechęci bywa pojawienie się niekorzystnego rozkładu ciśnienia w instalacji. Ograniczając do minimum teorię w niniejszym tekście zajmiemy się praktycznym wykorzystaniem wiedzy na temat ciśnienia, która jest potrzebna do prawidłowego montażu naczynia przelewowego (w instalacji typu otwartego) bądź przeponowego (w instalacji typu zamkniętego).
Ciśnienie – podstawowe pojęcia
Ciśnienie najprościej rzecz ujmując to siła, z jaką naciskamy na daną powierzchnię. Na co dzień spotykamy się z kilkoma rodzajami ciśnień. Dla porządku wyjaśnimy tylko po krótce podstawowe pojęcia.
Ciśnienie bezwzględne
Spotykamy się np. z pojęciem ciśnienia bezwzględnego, czyli ciśnienia mierzonego względem próżni tj. zera absolutnego. Oczywiście taka wartość, poza warunkami laboratoryjnymi, nie występuje nigdzie, ponieważ w przyrodzie nie ma zupełnej próżni.
Ciśnienie atmosferyczne i ciśnienie względne w instalacji
Ciśnienie atmosferyczne to siła, z jaką powietrze atmosferyczne napiera na powierzchnię Ziemi. Wynosi ono około 1000 hektopaskali, czyli inaczej 1 bar. W instalacjach grzewczych interesuje nas w szczególności ciśnienie względne, które mierzone jest właśnie względem ciśnienia atmosferycznego. Jeżeli manometr wskazuje wartość 1 bara na instalacji to wiemy, że ciśnienie bezwzględne wynosi około 2 bary.
Uwaga:
Skoro wiemy już, że ciśnienie w górach jest zawsze niższe niż nad morzem, to warto pamiętać o innej, istotnej zależność, a mianowicie takiej, że wysokość ciśnienia ma wpływ na temperaturę wrzenia wody. Tam, gdzie występuje niższe ciśnienie, czyli jak wspomnieliśmy w górach, temperatura wrzenia wody również będzie niższa.
Ciekawostka:
Na szczycie Ziemi, jak nazywa się najwyższą górę świata, czyli Mount Everest, temperatura wrzenia wody wynosi zaledwie 68 stopni!
Ciśnienie w ciepłownictwie
Wyższe ciśnienie to wyższa temperatura wrzenia wody
W ten sposób, zgodnie z obietnicą, przechodzimy do praktycznego wykorzystania wiedzy z zakresu fizyki w ciepłownictwie oraz codziennej pracy związanej z wykonaniem instalacji grzewczych.
Z opisanych wyżej zależności wynika bowiem, iż podnosząc ciśnienie w instalacji jednocześnie podwyższamy temperaturę wrzenia wody (medium). Oznacza to, że utrzymując wysokie ciśnienie w rurach ciepłowniczych (16 bar) jesteśmy w stanie efektywnie przetransportować duże ilości ciepła, ponieważ temperatura wrzenia wody wyniesie w takich warunkach ponad 130 stopni.
W instalacji dążymy do osiągnięcia nadciśnienia
Wykonując instalacje grzewcze również zależy nam, aby ciśnienie wody grzewczej (medium) w instalacji było wyższe niż ciśnienie atmosferyczne.
Dążymy zatem do osiągnięcia nadciśnienia.
W instalacji chcemy uniknąć podciśnienia, czyli ciśnienia niższego niż atmosferyczne, aby uniknąć zasysania powietrza z zewnątrz do instalacji poprzez np. odpowietrzniki automatyczne PrimoVent G3/8" z Aquastop AFRISO, które są niezbędnym elementem każdej instalacji. Osiągając nadciśnienie unikniemy ryzyka pojawienie się powietrza w instalacji, które powodowałoby korozję stalowych elementów instalacji, a także zmniejszało wydajność oddawania ciepła.
Uwaga: Do pomiaru nadciśnienia używamy manometru np. AFRISO, a podciśnienie zmierzymy wakuometrem.
Ciekawostka:
Dla zainteresowanych i chłonących wiedzy teoretycznej podanej w rozrywkowej formie przytaczamy poniżej zasłyszany dowcip, który pomoże przypomnieć sobie podstawowe jednostki, w tym ciśnienia:
Oto fizyczny suchar:
Po śmierci wielcy fizycy, Newton, Einstein oraz Pascal trafiają do nieba. Aby urozmaić sobie wieczność panowie bawią się w chowanego. Jako pierwszy szuka Einstein. Zaczyna odliczać. W tym czasie Paskal szybko chowa się za chmurką. Newton natomiast zupełnie nieśpiesznie rysuje na chmurze, na której akurat stoi, kwadrat o boku 1 metra, gdy kończy staje dokładnie w jego środku. Einstein kończy odliczanie, odwraca się i na widok stojącego spokojne Newtona krzyczy uradowany: "Widzę Cię, widzę Newton!" Newton niewzruszony odpowiada:
"Nie, nie, nie! To nie ja! Jeden Newton na metr kwadrat to Pascal."
Mamy nadzieję, iż ten żarcik pomoże zapamiętać, iż jednostką ciśnienia jest Paskal. W obliczeniach będziemy się posługiwać jednostką „bar”. Dlatego zapamiętajmy: jeden bar to 100 000 Paskali.
Rozkład ciśnień w instalacji grzewczej typu otwartego i zamkniętego
W ten oto sposób, zgodnie z obietnicą, możemy przejść do praktyki instalatora, w której na co dzień wymagana jest umiejętność prawidłowego montażu naczynia przeponowego bądź przelewowego w instalacji. Dla dalszych wyjaśnień pomocny będzie wybór modelowego obiektu oraz instalacji.
Modelowy budynek
Proponujemy zatem dla potrzeb materiału poradnikowego przyjąć, iż wykonujemy instalację w podpiwniczonym, piętrowym domu jednorodzinnym z instalacją grzejnikową rozmieszoną na obu kondygnacjach. Modelowy dom, o którym mowa, jest opalany kotłem stałopalnym, który jest usytuowanym w piwnicy. Dalej rozpatrzymy dwa warianty tj. instalacje grzewczą typu otwartego i zamkniętego.
Norma PN-EN 12828
Norma PN-EN 12828 mówi, iż minimalne ciśnienie panujące w instalacji grzewczej powinno być wyższe o 0,3 bara od ciśnienia hydrostatycznego w tej instalacji.
Ciśnienie hydrostatyczne
Ciśnienie hydrostatyczne to po prostu ciśnienie wywierane przez słup wody na powierzchnię. Po pierwsze więc musimy ustalić wartość ciśnienia hydrostatycznego, co nie jest trudne i wymaga zmierzenia wysokości od najniższego punktu instalacji do najwyższego. Skoro wiemy, że kocioł znajduje się w piwnicy, i to jest najniższy punkt naszej instalacji, to załóżmy ok 2 metry wysokości, aby wyjść z piwnicy, kolejne około 2,50 – w zależności od tego jaką wysokość ma nasze pomieszczenie na parterze, i dalej dodajmy wysokość do grzejników znajdujących się na piętrze budynku, które są zamontowane najczęściej na wysokości ok 1 m. Sumując wszystkie te wartości, czyli wysokości, otrzymamy wysokość 5,5 metra. Zakładając, że na każdy metr słupa wody przypada mniej więcej 0,1 bara ciśnienia to 5,5 metra to inaczej 0,55 bara ciśnienia hydrostatycznego. Trudno się nie zgodzić, że ten rachunek jest dziecinnie prosty. Dalej wystarczy dodać 0,3 bara, aby wiedzieć, że minimalne ciśnienie w naszej modelowej instalacji powinno wynosić 0,85 bara. Po wykonaniu tego prostego rachunku, który mówi nam, ile powinno wynosić minimalne ciśnienie w instalacji pozostaje nam zastanowić się w jaki sposób takie ciśnienie wytworzymy.
Instalacja typu zamkniętego z naczyniem przeponowym
Narzędziem, które pozwoli wytworzyć nadciśnienie potrzebne do odpowiedniego działania instalacji typu zamkniętego, jest naczynie przeponowe. Wystarczy, że odpowiednio ustawimy ciśnienie wstępne w poduszce powietrznej, czyli przeponie, znajdującej się w środku naczynia do wymaganego. W naszym przykładzie będzie to wartość 0,85 bara. Przepona, czyli guma rozciąga się bądź kurczy w momencie, kiedy w instalacji występują zmiany ciśnienia spowodowane zmianą temperatury. W ten sposób rekompensuje ona wahania i stabilizuje ciśnienie.
Instalacja typu otwartego z naczyniem zbiorczym przelewowym
Inaczej, w przypadku instalacji typu otwartego. W tej sytuacji, aby wytworzyć nadciśnienie, będziemy musieli na odpowiedniej wysokości zamontować naczynie wzbiorcze przelewowe.
W przypadku montażu pompy obiegowej na zasilaniu
Tutaj należy uwzględnić jeszcze jedną zmienną. Otóż w sytuacji gdy pompa obiegowa (APH 160 lub 360) w naszej modelowej instalacji jest zamontowana na jej zasilaniu to naczynie przelewowe powinno zostać zamontowane minimum 0,3 metra (30 cm) powyżej najwyższego punktu tej instalacji. Konkretnie, skoro określimy, że w naszej modelowej instalacji najwyższy punkt mamy na wysokości 5,5 metra oznacza to, że naczynie przelewowe powinno być zamontowane minimum na wysokości 5,8 metra.
W przypadku montażu pompy obiegowej na powrocie
Natomiast, jeżeli pompa obiegowa jest zamontowana na powrocie z instalacji, czyli naczynie wzbiorcze jest po stronie tłocznej pompy, to w tej sytuacji do najwyższego punktu instalacji (tj. 5,5 m) dodajemy jeszcze 0,7 razy wysokość podnoszenia pompy (5,5+0,7x6,0=9,7). Zatem naczynie powinniśmy zamontować na wysokości 9,7 metra.
Właściwe umiejscowienie naczynia przelewowego względem pompy obiegowej
Dlaczego tak ważne jest odpowiednie umiejscowienie naczynia przelewowego względem pompy obiegowej?
Przyjrzyjmy się dwóm instalacjom: instalacji typu otwartego oraz instalacji typu zamkniętego i zastanówmy się jakie będą panowały ciśnienia w każdym z punktów instalacji. Powiedzieliśmy wcześniej, że im wyższy słup powietrza czy też słup wody, tym wyższe ciśnienie. Czy w związku z tym w najniższym punkcie instalacji będzie panowało najwyższe ciśnienie?
Prawo Pascala mówi, że jeżeli dodamy dodatkową siłę zewnętrzną, działającą na gaz lub ciecz, to w każdym punkcie zbiornika instalacji będziemy mieć dokładnie takie samo ciśnienie.
W razie wątpliwości w posty sposób w domowych warunkach możemy dowieść prawa Paskala np. wykonując w strzykawce kilka otworów, a następnie napełniając ją cieczą. W momencie, kiedy zaczniemy przesuwać tłok strzykawki, zauważmy, że wszystkie strugi mają dokładnie taką samą długość. To samo zaobserwujemy, gdy nadmuchamy balon i zaczniemy naciskać go w różnych punktach, wtedy również zauważmy, że ciśnienie w każdym z punktów jest dokładnie takie samo. Dokładnie tak działa ciśnienie w instalacji grzewczej. W każdym punkcie mamy mniej więcej takie samo.
Niezależnie więc czy mamy instalację typu otwartego czy instalację zamkniętego, jeżeli czynnik grzewczy będzie miał taką samą temperaturę, w instalacji nie będzie krążyła woda (brak przepływu grawitacyjnego), a do grzejników nie zostanie doprowadzone ciepło, niezależnie od tego, jakie będzie ciśnienie statyczne w całej instalacji.
Pompa obiegowa dla wywołania ciśnienia dynamicznego
Aby poruszyć wodę, musimy dodać ciśnienie dynamiczne. Za wygenerowanie ciśnienia dynamicznego odpowiedzialna jest pompa obiegowa np. pompa obiegowa APH AFRISO. Jakie maksymalne ciśnienie jesteśmy w stanie wygenerować? Wszystko zależy od wysokości podnoszenia pompy obiegowej zamontowanej w układzie. Jeżeli wysokość podnoszenia wynosi 6 metrów, to w tym momencie maksymalne ciśnienie dynamiczne może wynosić 0,6 bara. Należy pamiętać, że za pompą obiegową ciśnienie będzie spadało w zależności od pokonywanych strat na instalacji. Straty ciśnienia na instalacji generują m.in. zawory mieszające, termostatyczne, kolanka, trójniki i wszelka inna, niezbędna dla prawidłowego działania instalacji, armatura.
Stabilizująca ciśnienie rola naczynia wzbiorczego w instalacji
Gdzie zatem najlepiej zamontować pompę obiegową? Przed, czy za naczyniem przelewowym lub przeponowym?
Odpowiedź brzmi następująco: najlepiej zamontować pompę obiegową za naczyniami, czyli na przewodzie ssącym pompy.
Dzięki temu w całej instalacji będziemy mieć nadciśnienie, a naczynia będą tzw. punktem zero. Brak naczynia przelewowego bądź uszkodzona membrana w naczyniu przeponowym skutkuje utratą kontroli nad ciśnieniem w instalacji. Po pierwsze, zarówno naczynie wzbiorcze, jak również przeponowe jest, jak wspomniano wyżej, odpowiedzialne za stabilizowanie ciśnienia w instalacji poprzez przejmowanie nadwyżek cieczy w związku z rozszerzalnością temperaturową. Zatem brak lub uszkodzenie naczynia prowadzi do wahań temperatury, a w konsekwencji do częstego otwierania się zaworu bezpieczeństwa.
Innym ryzykiem wynikającym z uszkodzenia membrany jest to, że na początku instalacji będziemy mieć nadciśnienie, a dalej podciśnienie, ponieważ tyle samo ciśnienia pompa generuje, ile musi zassać z drugiej strony króćca ssawnego. W przypadku wystąpienia w części instalacji podciśnienia istnieje ryzyko zaciągania przez nieszczelności lub odpowietrzniki powietrza do instalacji.
Ryzyko montażu naczynia na zasilaniu instalacji, przed pompą obiegową
W przypadku montażu naczynia na zasilaniu instalacji na przewodzie tłocznym pompy obiegowej istnieje ryzyko wystąpienia podciśnienia w całej instalacji. Możemy się przed tym zabezpieczyć zwiększając ciśnienie w poduszce powietrznej o wysokość podnoszenia pompy, czyli o wartość 0,6 bara lub montując naczynie przelewowe odpowiednio wyżej, dokładnie 0,7 razy wysokość podnoszenia pompy od najwyższego punktu instalacji.
Zalecany poziom ciśnienia w instalacji
Producenci źródeł ciepła pracujących w układzie zamkniętym rekomendują ciśnienie wynoszące od 1 do 2 barów, tak aby mieć pewność, że rządzenia zawsze będą pracowały w nadciśnieniu. Jeżeli taką instalację chcemy napełnić do ciśnienia 1,5 bara, to w poduszce powietrznej powinno być ciśnienie 1,2 bara. Dlaczego? Tak aby w poduszce powietrznej zawsze było ciśnienie niższe o 0,3 bara niż ciśnienie w instalacji. Dopiero wówczas będziemy mieć pewność, że naczynie będzie pracowało poprawnie. W ten oto sposób rozprawiliśmy się z jednym z najpopularniejszych, aczkolwiek błędnych przekonań, jakoby wysokość podnoszenia pompy obiegowej wynikała z wysokości geometrycznej budynku.
