Vodní ráz v systému vodovodu a topení: příčiny + preventivní opatření

Jedním z hlavních problémů při provozu autonomních systémů vytápění a dodávky vody je kolísání tlaku. Vodní ráz v systému vodovodu a vodního ohřevu, který vznikne v důsledku tohoto prudkého kolísání, může způsobit vážné poškození. Je třeba mu předejít, souhlasíte?

Řekneme vám, jak tomuto jevu předejít a neutralizovat jeho negativní důsledky, a zajistit tak nepřetržitý provoz okruhů. U nás se dozvíte, jaké metody se používají k vyloučení vodního rázu v systémech, které dopravují vodu k odběrným kohoutkům a topným zařízením.

V článku, který je předložen k seznámení, je podrobně rozebrána podstata vodního rázu. Jsou uvedena preventivní opatření, která vylučují vznik nebezpečné situace. Pro názorné pochopení složitého tématu jsou připojena schémata, fotografické ilustrace a videa.

Co je to vodní ráz?

Vodní ráz představuje krátkodobý, ale výrazný skok tlaku v systému naplněném kapalinou. Tento jev vzniká v okamžiku srážky proudu kapaliny s překážkou, která se objeví v jeho dráze. K typickým příkladům vzniku takových překážek patří prudké uzavření uzavírací armatury, náhlé zastavení čerpadla, vzduchová bublina atd.

Když proud vody narazí na překážku, pokračuje setrvačností v toku stejnou rychlostí, jakou se pohyboval před vznikem překážky. První vrstvy, které jsou v kontaktu s překážkou, se stejnou rychlostí zhušťují v důsledku příchodu dalších vrstev.

Kvůli neustálému přidávání nových vrstev proudu tlak prudce roste a kapalina “hledá” způsob, jak uvolnit svou část, aby se tlak vybil.

Podobná situace téměř vždy nastává při přerušení průtoku kulovým kohoutem nebo šoupětem. Na první pohled se může jevit jako neškodná. Proto jí mnozí majitelé nevěnují zvláštní pozornost.

Ve skutečnosti byste měli co nejdříve odstranit zjištěné předpoklady pro vznikající defekt trubek a armatur. Kvůli vodnímu rázu totiž v otopné soustavě vznikají praskliny a trhliny a také poškození zařízení.

Tomuto vážnému problému mohou předcházet lupání a údery a také cizí hluk v trubkách přivádějících vodu, doprovázený charakteristickým „vrčením“.

Lupání vzniká převážně v místech, kde jsou trubky většího průměru spojeny s hrdly menšího průřezu. Voda procházející podél jejich vnitřních stěn naráží na překážku, i když jen částečnou.

Pravidelný výskyt hydraulického rázu negativně ovlivňuje provoz systému a výrazně zkracuje jeho životnost.

Při vzniku havarijních situací v důsledku vodního rázu mohou utrpět:

• zařízení (naruší se těsnost potrubí a zničí se topná tělesa);
• majetek (voda vytékající z poškozené sítě zaplaví byt a poškodí nábytek);
• členové domácnosti (pokud došlo k poruše v systému vytápění, hrozí nebezpečí vážných tepelných popálenin).

Podle statistických údajů vzniká „lví podíl“ havárií potrubí, což je asi 60 %, v důsledku vodního rázu. Častěji lze negativní důsledky tohoto jevu pozorovat u opotřebovaných trubek pokrytých korozí.

Následky pravidelných hydrodynamických rázů mohou být nepředvídatelné a nejčastějším z nich je proražení.

Nejvíce nepříjemností způsobuje dlouhým potrubím, například při instalaci podlahového vytápění, v jehož okruzích cirkuluje kapalina ohřátá na určitou teplotu.

Míra poškození do značné míry závisí na místě vzniku překážky: pokud je na začátku dlouhého potrubí, bude zvýšení tlaku nepatrné, pokud na konci – výrazně vyšší.

Nejčastěji se efekt projevuje, když byly při pokládce topného systému použity trubky různých průměrů. Pokud nejsou „různokalibrové“ trubky pomocí přechodek sjednoceny na společný „jmenovatel“, je nárůst tlaku v topném systému nevyhnutelný. V této situaci se pro ochranu systému okruh vybavuje speciálním ventilem – termostatem.

Příčiny vzniku vodního rázu

Fyzikální podstata tohoto jevu spočívá v úplné ztrátě nebo podstatném snížení průchodnosti vodovodů, v důsledku čehož se zvyšuje tlak kapaliny v systému.

V domech, kde byly neodborně navrženy a vybudovány inženýrské sítě, lze v potrubí často slyšet charakteristické poklepávání a cvakání.

Jsou vnějším projevem vodního rázu a vznikají, když v uzavřeném systému náhle ustane cirkulace kapaliny a poté se také náhle obnoví její pohyb.

Jako přirozené překážky v potrubí často působí vzduchové kapsy, přechodky z většího průměru na menší, nebo instalovaná uzavírací armatura.

Pokud se na dráze vodního proudu pohybujícího se určitou rychlostí objeví překážka, jeho rychlost se zpomalí, ale objem dále narůstá. Nenacházeje východisko, vytváří zpětnou vlnu, která při srážce s hlavní vodní masou zvyšuje tlak v systému. Někdy může dosáhnout prahu 20 Atm.

Vzhledem k těsnosti potrubí se nahromaděný objem nemá kam dostat, ale silná energie přesto hledá únik do vnějšího prostředí. Rázová síla vzniklá při této srážce vytváří nebezpečí protržení trubky, která nemá dostatečnou rezervu pevnosti.

Z tohoto důvodu je pro vybavení systému nutné použít bezešvé vodovodní a plynovodní trubky přizpůsobené vodním sítím, odpovídající GOST 3262-75, nebo tlakové metaloplastické alternativy vyrobené podle GOST 18599.

V důsledku trvalého působení vodní energie se jak samotné potrubí, tak pevné prvky systému budou postupně nebo rychle ničit.

Hlavními faktory vyvolávajícími vznik vodního rázu v trubkách jsou:

• výpadky v provozu nebo porucha oběhového čerpadla;
• přítomnost vzduchu v uzavřeném okruhu systému;
• výpadky dodávky elektrické energie;
• při náhlém uzavření uzavírací armatury.

Krátkodobé zvýšení tlaku v uzavřeném okruhu v důsledku čerpání kapaliny nad stanovenou normu může nastat, pokud při zapnutí čerpadla začne oběžné kolo svůj pohyb s vysokými otáčkami.

V poslední době se při zařizování autonomního topného systému místo starých ventilů a šoupat stále častěji používají kulové kohouty, jejichž konstrukce neumožňuje plynulý chod.

Jejich schopnost mít rychlý účinek má i odvrácenou stranu, neboť patří mezi nejčastější příčiny vodního rázu.

Pokud při spuštění systému nebyl z něj vypuštěn vzduch, v okamžiku otevření kulového kohoutu dojde ke srážce vzduchu s prakticky nestlačitelnou kapalinou.

Z hlediska bezpečnosti jsou šroubové kohouty výhodnější, protože díky postupnému odšroubování matice zajišťují plynulé otevírání/zavírání uzavírací armatury.

Analogická situace nastává i tehdy, když před spuštěním systému není z okruhu vypuštěn vzduch. V okamžiku otevření kohoutu se voda střetává se vzduchovou bublinou, která v podmínkách uzavřeného systému funguje jako jakýsi pneumatický tlumič.

Jak se problému vyhnout?

Snížit intenzitu a neutralizovat vliv nadměrného tlaku pomůže kvalitní ochrana systému vodovodního potrubí.

Ochranné mechanismy autonomních systémů proti vodnímu rázu jsou ve většině případů zaměřeny na vyhlazení síly proudu vodní hmoty.

K prevenci vzniku nadměrného tlaku jednorázového i trvalého charakteru, a to jak na samostatném úseku okruhu, tak v celém systému, se uplatňuje řada základních opatření.

Varianta #1. Plynulé uzavírání systému

To je jeden ze základních požadavků při spouštění a vypínání potrubních systémů, který je jasně stanoven v normativních dokumentech.

Jde o to, že energie hydraulického rázu vzhledem k pružnosti stěn trubky nepůsobí najednou celou svou silou. Díky kompenzaci pružných deformací je rozdělena do několika časových intervalů.

A proto při stejné celkové síle rázu bude výkon dopadu v určitém okamžiku výrazně nižší. Prostřednictvím plynulého zapnutí lze prodloužit v čase proces nárůstu tlaku a minimalizovat tak významná poškození systému.

Při výběru uzavírací armatury je vhodné dávat přednost výrobkům, které mají relativně velký interval uzavření vody.

Ventily, jejichž konstrukce počítá s velkým intervalem do okamžiku uzavření vody, se instalují již ve fázi montáže zařízení.

Varianta #2. Použití automatických zařízení

Automatika musí být nastavena na plynulou korekci statického tlaku v systému. Požadovaného účinku se dosahuje instalací čerpadel s automatickou změnou otáček nebo agregátů s elektronickým řízením, které jsou vybaveny vestavěnými frekvenčními měniči.

Použití automatických systémů umožní kontrolovat průtok kapaliny a také snímat údaje o jejím tlaku v potrubí

Čerpadla vybavená automatickou regulací otáček elektromotoru jsou schopna plynule zvyšovat/snižovat tlak v systému. Software přitom současně plní dva úkoly: sleduje změny tlaku ve vodovodu a automaticky reguluje tlak.

Způsoby komplexní modernizace systému

Komplexní modernizace systému zahrnuje instalaci zařízení zaměřeného na neutralizaci působení nadměrného tlaku.

Způsob #1. Použití kompenzátorů a tlumičů

Tlumiče a hydroakumulátory plní současně tři funkce: shromažďují kapalinu, čímž odstraňují její nadbytečný objem ze systému, a také přispívají k prevenci nežádoucího jevu.

Kompenzační zařízení, jehož roli plní hydroakumulátor, se instalují ve směru pohybu vody v těch úsecích topného okruhu, kde je vysoká pravděpodobnost kolísání tlaku v systému.

Hydroakumulátor nebo tlumič představuje ocelovou baňku o objemu až 30 litrů, obsahující dvě sekce oddělené pryžovou nebo kaučukovou membránou.

Při vzniku přetlaku v systému začne vodní sloupec první sekce tlačit na oddělovací membránu, čímž se ohýbá směrem ke vzduchové komoře.

Při zvýšení tlaku jsou hydraulické rázy „odhazovány“ do nádrže. Ohýbáním gumové membrány směrem ke vzduchové komoře v okamžiku stoupání vodního sloupce je dosaženo efektu umělého zvětšení objemu okruhu.

Jako tlumicí zařízení se používají trubky z teplotně odolné vyztužené pryže nebo elastického plastu.

Elastický materiál tlumicích zařízení samovolně pohlcuje energii hydraulického rázu v místě, kde tlak dosáhl kritické hodnoty.

K dosažení požadovaného efektu stačí použít výrobek o délce 20–30 cm. Pokud má potrubí větší délku, úsek tlumiče se zvětší o dalších 10 cm.

Způsob #2. Instalace ochranného ventilu membránového typu

Ochranný ventil membránového typu se umísťuje na odbočku potrubí poblíž čerpadla, aby při přetlaku vypouštěl stanovené množství vody.

Ochranný ventil vybavený tuhým těsněním, které plní funkci rychlého snížení tlaku, je spolehlivým pojistným prvkem autonomního systému.

V závislosti na výrobci a typu modelu je ochranný ventil uváděn do pohybu elektrickým příkazem z regulátoru nebo pomocí pilotního zařízení s rychlým účinkem.

Zařízení se aktivuje, když tlak překročí bezpečnou úroveň, a chrání čerpací stanici při náhlém zastavení zařízení. V okamžiku nebezpečného nárůstu tlaku se zcela otevře, a když klesne na normální úroveň, regulátor se pomalu zavře.

Způsob #3. Vybavení termoregulačního ventilu obtokem

Shunt představuje úzkou trubičku s průsvitem 0,2–0,4 mm, která se instaluje ve směru cirkulace teplonosné látky. Hlavním úkolem prvku je při vzniku přetížení postupně snižovat tlak.

Úzká trubička, jejíž rozsah průřezu nepřesahuje 0,2–0,4 mm, se umísťuje na stranu, odkud kapalina vstupuje do termostatu.

Metodu bypassu se používá při zařizování autonomních systémů, jejichž potrubí je provedeno pouze z nových trubek. Je to dáno tím, že přítomnost rzi a usazenin ve starých trubkách může účinnost bypassu zcela zrušit. Z tohoto důvodu se při použití bypassu na vstupu do topného okruhu doporučuje instalovat účinné vodní filtry.

Způsob #4. Použití termostatu s superochranou

Je to jakýsi pojistný prvek, který sleduje tlak v systému a nedovolí mu pracovat poté, co hodnota dosáhne kritické úrovně. Zařízení je vybaveno pružinovým mechanismem umístěným mezi termohlavicí a ventilem. Pružinový mechanismus se aktivuje při nadměrném tlaku a nedovolí ventilu zcela se uzavřít.

Takové termostaty se instalují striktně podle směru vyznačeného na tělese.

Provádění preventivních prací

Kromě přísného dodržování pravidel provozu potrubí pomáhá předcházet havárii včasné provádění preventivních opatření. Všechny procesy v systému vodovodu nebo topném okruhu jsou totiž vzájemně propojeny. A vodní ráz je pouze poslední destruktivní „kapkou“, která může vést k negativním důsledkům na pozadí neuspokojivého technického stavu vodovodu.

Vibrace potrubí a změny velikosti tlaku přispívají ke vzniku mikrotrhlin ve struktuře kovu. Vzniklé vady se při vodním rázu okamžitě projeví v místech zvýšeného vnitřního napětí: mechanických spojích, ohybech a svárech.

Prevence spočívá ve vyvážení topného systému, které se provádí po dokončení montáže nebo provedení opravy topení v rodinném domě.

Hlavní soubor prací prováděných při prevenci:

• kontrola funkčnosti bezpečnostní skupiny: pojistného ventilu, odvzdušňovače a manometru;
• pravidelná kontrola tlaku za membránou expanzní nádoby, a v případě zjištění neuspokojivých výsledků i jeho úprava;
• testování systému na přítomnost úniků a kontrola stupně opotřebení trubek;
• sledování polohy ventiluů uzavírací a regulační armatury na únik;
• pravidelná kontrola stavu filtrů, které zachycují vodní kámen, písek a částice rzi, v případě potřeby – čištění a proplachování prvků;

Prevence zaměřená na udržení bezvadného stavu vodovodní a topné soustavy zahrnuje jednoduché druhy prací. Ale neměli bychom je ignorovat. Může to totiž vést k významným výdajům peněz a času na provedení plnohodnotných oprav.

Uvedená ochranná opatření jsou nejúčinnější, pokud jsou aplikována komplexně. Díky komplexnímu přístupu k řešení problému budete schopni neutralizovat negativní důsledky a tím prodloužit životnost systému.

Závěry a užitečné video k tématu

Video #1. Ráz ve vodovodním systému, jak k němu dochází:

Video #2. Test účinnosti použití tlumiče rázů:

Tlakový ráz ve vodovodním systému je častý jev, který může způsobit vážné škody. Vaším úkolem je co nejrychleji problém odstranit. Při opakování situace totiž prvky systému brzy selžou. A oprava poté bude mnohem dražší.

Ptejte se a pište prosím komentáře do níže uvedeného bloku. Těšíme se na vaše příběhy o tom, jak jste zaznamenali tlakový ráz v systému nebo si všimli jeho následků. Zajímá nás váš názor na uvedené informace.