Měření průtoku topné vody v potrubích o velké jmenovité světlosti

Měření průtoku proudícího média v potrubích o velké jmenovité světlosti (DN více než 200) je častou měřicí úlohou v energetice, a to jak při výrobě, tak i při distribuci tepla. Měří se průtok spalin, plynu, horké vody, spalovacího vzduchu, syté a přehřáté páry, napájecí, topné i chladicí vody, parního kondenzátu nebo mazutu. Relativně samostatnou oblastí je měření průtoku topné vody proudící v potrubích teplovodů a horkovodů pro účely měření množství tepla předaného vodou. Těmto měřením se věnuje následující článek.

Oblast měření průtoku topné vody proudící v potrubích teplovodů a horkovodů pro účely měření množství tepla předaného vodou má několik zvláštností, a to zejména:

• Proudění je vždy turbulentní a Reynoldsovo číslo Re charakterizující proudění dosahuje vysokých hodnot (v závislosti na střední rychlosti proudění).
• Obvykle je požadována pokud možno malá tlaková ztráta měřidel vřazených do potrubí. Velká tlaková ztráta způsobuje mj. zvýšení nákladů na spotřebovanou energii pro čerpání oběhové vody.
• Průtokoměr je často součástí sestavy stanoveného měřidla pro měření množství tepla předaného vodou a výsledky měření by měly být pokud možno přesné a hodnověrné, mj. i z důvodu čerpání dotací na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny.

Na základě výsledků – naměřeného množství tepla předaného vodou – je následně posuzována hospodárnost výroby tepla (nebo by alespoň měla být posuzována) a spotřeba primárních zdrojů v daném místě a čase, tj. v případě České republiky, Evropy a v podstatě celého světa spotřeba uhlíkatých paliv (uhlí, zemního plynu, topného oleje nebo dřeva).

V následujících odstavcích se autor bude zabývat podrobnějším popisem uvedených specifik.

Charakter proudění topné vody v horkovodních sítích

Proudění tekutin je možné charakterizovat Reynoldsovým číslem Re, které je definováno pro kruhové zcela zaplněné potrubí takto:

R_e = (v d)/v

kde:

v je střední rychlost proudění měřené tekutiny v daném průřezu (m·s^–1),

d   vnitřní průměr potrubí (m),

ν   kinematická viskozita proudící tekutiny (m²·s^–1).

Střední rychlosti proudění v horkovodních potrubích dosahují obvykle hodnot 0,3 až 2,5 m/s, pro rychlou orientaci poslouží tab. 1, ve které jsou hodnoty uvedené v jednotkách běžné technické praxe.

V tab. 2 jsou obsaženy hodnoty Reynoldsova čísla pro teplotu topné vody 60 °C v závislosti na DN potrubí a objemovém průtoku topné vody. Šedě vyplněné buňky označují rozsah hodnot v běžné technické praxi.

Již bylo uvedeno, že hodnoty Reynoldsova čísla jsou v tabulce stanoveny pro teplotu topné vody +60 °C a tomu odpovídající kinematickou viskozitu. Pro teploty topné vody v rozsahu 100 až 150 °C, což jsou obvyklé hodnoty v potrubí topné vody s vyšší teplotou (tzv. přívod), jsou hodnoty kinematické viskozity přibližně poloviční, a tedy hodnoty Reynoldsova čísla dvojnásobné (!).

Průtok topné vody v horkovodním potrubí se měří vždy za zvýšené teploty a poměrně velkého tlaku. Je požadována nízká nejistota měření v rozsahu průtoků Q_max/Q_min přibližně 0 : 1 (zimní a letní provoz).

Požadavku na malou tlakovou ztrátu vyhoví zejména magneticko-indukční a ultrazvukové průtokoměry. Magneticko-indukční průtokoměry jsou však méně výhodné pro svou malou odolnost proti možnému vzniku vakua při mimořádných provozních stavech. Jejich použití také není vhodné při malé elektrické vodivosti topné vody a na výstelce průtokoměrů se může usazovat povlak magnetitu.

Někteří provozovatelé se domnívají, že je i v současné době vyhovující měření průtoku topné vody škrticím orgánem, např. clonou. Výpočet ukáže, že takové měření je energeticky velmi nevýhodné: pro průtok 500 m³/h a průměrnou tlakovou ztrátu za provozu 20 kPa během topného období trvajícího 200 dnů je roční spotřeba energie na překonání této tlakové ztráty 13 000 kW·h.

Ultrazvukový průtokoměr má téměř nulovou tlakovou ztrátu, je dokonale odolný proti tlakovým rázům a případnému vzniku vakua a vyznačuje se malou nejistotou ve velkém měřicím rozpětí (typicky Q_max/Q_min ≥ 0 : 1).

Průtokoměry využívající rychlostní princip i primární prvky vyžadují pro správnou funkci osově symetrický tvar rychlostního profilu. Výrobce, normativní dokumenty a Schválení typu měřidla uvádějí požadavky na montáž a velikosti požadovaných přímých úseků před měřidlem a za ním. Tyto hodnoty jsou obvykle stanoveny na základě výsledků provedených zkoušek a zkušeností z dřívějšího provozu takovýchto průtokoměrů.

Měření tvaru rychlostního profilu je při hodnotách velkých Reynoldsových čísel obtížně proveditelné. Při měření na horkovodním potrubí jde o měření při vysokém tlaku a teplotě protékající vody a v laboratorních podmínkách je obtížné dosáhnout obdobné hodnoty Reynoldsova čísla, které charakterizuje dané proudění.

Pro možnost např. modelovat průtok v potrubí s horkou vodou o jmenovité světlosti DN 400, velikosti průtoku 1 000 m³/h a teplotě +60 °C v laboratoři na modelu potrubí o jmenovité světlosti DN 100 při teplotě vody 20 °C bylo by nutné pro dosažení Reynoldsova čísla o velikosti 1 850 000 zajistit rychlost 4,6 m/s, pro simulaci průtoku vody o teplotě +130 °C rychlost 9,2 m/s.

Velikost Reynoldsova čísla významně ovlivňuje i vzdálenost, do které se projevuje narušení tvaru a symetrie rychlostního profilu a šíření vírů v proudící vodě za tvarovkami (oblouky, koleny, T-kusy) a armaturami vřazenými v potrubí.

Pro určení charakteru proudění v obloucích a kolenech se používá tzv. Deanovo číslo, nazvané po W. R. Deanovi. Jde o Reynoldsovo číslo násobené odmocninou poměru poloměru potrubí a poloměru oblouku. Čím je Deanovo číslo větší, tím více se charakter proudění vzdaluje teoretickému odvození pro laminární proudění s dvojicí stabilních vírů.

De = Re √(R/R_c)

kde:

De je Deanovo číslo,

Re Reynoldsovo číslo,

R  poloměr průřezu potrubí,

R_c poloměr osy oblouku daného potrubí.

Na základě výše uvedeného lze předpokládat, že zvyšující se hodnota Reynoldsova čísla bude významně ovlivňovat narušení tvaru rychlostního profilu za kolenem nebo obloukem potrubí.

Ultrazvukové průtokoměry firmy Krohne umožňují měření střední rychlosti proudění kapaliny současně ve třech měřicích kanálech, viz obr. 1.

Bylo provedeno měření rychlostí v jednotlivých kanálech ultrazvukového průtokoměru Krohne UFM 3030 F DN 500, který byl instalován ve vodorovném potrubí DN 700. Přímý úsek před měřidlem měl délku 45 m (!). Před přímým úsekem, tj. ve vzdálenosti 45 m před průtokoměrem, byla tři kolena ve dvou osách.

Výsledek měření je patrný z obr. 2. Na vodorovné ose je čas v sekundách, na svislé ose střední rychlost proudění v metrech za sekundu.

Fialová křivka znázorňuje výslednou střední rychlost proudění změřenou průtokoměrem.

Z naměřených hodnot mj. vyplývá, že kdyby byl v daném místě instalován dvoukanálový ultrazvukový průtokoměr (což je obvyklé provedení ultrazvukových průtokoměrů mnoha výrobců), byla by měřená hodnota vzhledem k neexistenci údajů o měření průtoku v ose potrubí (prostřední kanál, v grafu zeleně) o přibližně 1,2 % vyšší.

Autor se nebude zabývat otázkou, zda by to bylo výhodné pro odběratele, nebo pro dodavatele, uvažme jen, že by se daný průtokoměr ve dvoukanálovém provedení a s přímým úsekem 60 DN před průtokoměrem použil např. ke garančním zkouškám účinnosti zdroje tepla.

Jednou ze zajímavých možností snížení nejistoty měření průtoku topné vody v horkovodních soustavách je použití usměrňovačů průtoku osazených před průtokoměry. Usměrňovač průtoku svou funkcí eliminuje víry, vzniklé ve tvarovkách nebo armaturách, a vytváří tak podmínky pro správné fungování průtokoměru nebo primárního prvku.

Důvody pro instalaci usměrňovače průtoku do potrubí mohou být:

• nesprávná funkce stávajícího průtokoměru z důvodu nevhodného místa montáže (rušivé prvky v potrubí před průtokoměrem),
• požadavek na instalaci průtokoměru do místa, ve kterém nejsou k dispozici požadované přímé úseky před průtokoměrem a za ním,
• požadavek na dosažení minimální nejistoty měření průtoku, popř. vyhodnocování ztrát topné vody (při osazení průtokoměru do obou větví potrubí).

Zvláště vhodný se jeví usměrňovač průtoku tvořený svazkem devatenácti trubek, zejména z důvodu zanedbatelné tlakové ztráty vzniklé vložením usměrňovače průtoku do potrubí.

Autor realizoval v posledních deseti letech několik projektů, kde byly tyto usměrňovače průtoku použity s velmi dobrými výsledky.

Závěr

Měření průtoku topné vody v horkovodních potrubích v soupravách pro měření množství tepla předaného vodou vyžaduje pečlivý výběr měřicího přístroje, správně vypracovaný návrh měřicího místa i vlastní montáže.

Měří se za vysokých hodnot Reynoldsova čísla a měření může být zatíženo velkou nejistotou. Nesprávné výsledky měření mohou výrazně ovlivnit hospodárnou výrobu a využití tepelné energie a tím způsobit významné hospodářské škody.

Nejistotu měření může podstatně ovlivnit volba správného typu průtokoměru a volba místa montáže průtokoměru s ohledem na možné rušivé prvky v potrubí ve vzdálenosti až 100× DN před průtokoměrem.

V odůvodněných případech je jedním z možných řešení montáž usměrňovače průtoku do potrubí před průtokoměrem.

(KROHNE CZ, spol. s r. o.)

Tab. 1. Střední rychlosti proudění v závislosti na DN potrubí a objemovém průtoku topné vody

Tab. 2. Hodnoty Reynoldsova čísla pro teplotu topné vody 60 °C v závislosti na DN potrubí a objemovém průtoku topné vody

Obr. 1. Uspořádání kanálů tříkanálového ultrazvukového průtokoměru firmy Krohne

Obr. 2. Výsledky měření středních rychlostí proudění v jednotlivých kanálech ultrazvukového průtokoměru (červená – dolní, zelená – střední, modrá – horní kanál, fialová – výsledek)

Obr. 3. Příklad realizace usměrňovače průtoku se svazkem devatenácti trubek