Podno grijanje
Naprimjer, s obzirom na činjenicu da s toplim zrakom u kanalima pod podlogom s velikim površinskim podno grijanje s toplim zrakom već više od dvije tisuće godina, odnosno vodovodno s toplim zrakom s ugradjenim grijaćim cijevima u građevinsku konstrukciju (strop, zid i pod) gotovo 100 godina, u realizaciji značajno prevladavaju grijaće instalacije s tradicionalnim grijaćim tijelima - radijatorima i konvektivnim prenosom topline u prostor.
Dakle, osnovna pitanje glasi: zašto konvektivno a ne infracrveno grijanje?
INFRACRVENI NAGREVANJE
Pri infracrvenom grijanju prostora koristi se infracrveni toplinski tok grijaće površine (tijela), kojim se direktno, tj. bez srednjeg djelovanja unutarnjeg zraka, griju okolne građevinske konstrukcije prostora i samo vrlo mali dio toplinskog toka grijaća površina konvekcijom direktno zraku u grijanom prostoru (dakle obrnuto konvektivnom grijanju prostora konvektivnim grijaćim tijelima). Zato su unutarnje površinske temperature građevinskih konstrukcija koje formiraju prostor pri infracrvenom grijanju više od temperature zraka u takvim grijanim prostorima (opet obrnuto konvektivnom grijanju prostora).
Toplinske zrake koje emitira (zrači) površina zagrijanih čvrstih tijela (infracrvenih grijaćih površina) su zapravo elektromagnetne valovi s valnom duljinom 0,78 do 400, tj. u rasponu infracrvene dijelove spektra elektromagnetnih valova, koje se šire brzinom 300 000 km.s-1.
ŠIRJENJE TOPLINE PRI INFRACRVENOM GRIJANJU
Pri teorijskom rješavanju grijaćih instalacija u prostorima objekata zemaljskih građevina uvijek je potrebno odrediti grijaći kapacitet, odnosno toplinski tok koji je potreban za osiguranje tražene toplinske udobnosti za čovjeka - korisnika.
Grijaći kapacitet se u tehnici grijanja najčešće računa iz uvjeta toplinske ravnoteže grijanog prostora (prostora, sobe itd.) i to u ustaljenom stanju. Baš pri ovom računu potrebno je osnovno razlikovati konvektivno grijanje (gdje grijaće tijelo prenosi u grijani prostor toplinski tok uglavnom konvekcijom) i infracrveno grijanje, odnosno podno grijanje (gdje grijaća površina prenosi toplinski tok u grijani prostor uglavnom zračenjem).
Iz navedenih razmatranja slijedi da se pri infracrvenom načinu grijanja grijaća površina toplinski tok zračenjem - bez srednjeg djelovanja zraka prostora okolnim hlađenim površinama prostora, pri čemu vrijedi da je učinkovita temperatura (tj. prosječna temperatura okolnih površina) veća od temperature zraka.
Dakle, jasno je da se pri infracrvenom grijanju značajna količina topline širi zračenjem i samo mala količina toplinskog toka prenosi konvekcijom. Zato pri računu grijaćeg kapaciteta moramo odrediti:
- toplinsku ravnotežu infracrvene grijaće površine,
- toplinsku ravnotežu zraka,
- toplinsku ravnotežu infracrvene grijaće površine i zraka,
- toplinsku ravnotežu grijanog prostora.
Vrste infracrvenog grijanja
Danijas možemo infracrveno grijanje podijeliti ovako:
- velikopovršinsko grijanje (stropno, zidno i podno grijaće površine), poznato kao podno grijanje
- cjelokupno grijanje objesnim infracrvenim panelima,
- individualno grijanje bliskim pločama (infracrveni paneli),
- grijanje infracrvenim zračilima.
Iz podjele vidjeti da u principu infracrvena grijaća površina može biti smještena u građevinskoj konstrukciji kao njezin nedjeljiv dio (velikopovršinske grijaće instalacije) ili je stvorena kao samostalna grijaća površina slobodno smještena u prostoru (infracrveni paneli, grijaće ploče, infracrvena zračila).
Ako izlazimo iz navedene konstrukcijske razlike, onda su osnovni različiti i u pogledu površinske temperature grijaćih površina, time dalje i na izbor toplinske sredstva i njegove temperature i na kraju i time povezanim specifičnim toplinskim kapacitetom infracrvene grijaće površine.
VELIKOPLOŠNO INFRACRVENI GRIJANJE
Grijaća površina pri velikopovršinskom infracrvenom grijanju je obično jedna od zidova koje ograničavaju grijani prostor i to ili strop, zid ili pod.
Površinska temperatura grijaće površine mora biti relativno niska (40 do 45 °C pri stropnom, 55 do 60 °C pri zidnom i 25 do 30 °C pri podnom grijanju), čime slijedi da će i temperatura sredstva biti isto niska. Grijaća površina se može zagrijavati :
- toplom vodom (najčešće),
- toplim zrakom,
- električno (otporno).
Iz navedenog slijedi da sistemi velikopovršinskog infracrvenog grijanja rade s nižim temperaturama toplinske sredstva. Ovi niskotemperaturni sistemi su prikladni za korištenje energije dobivene iz niskopotencijalnih energetskih izvora, koji su geotermalna voda, solarne energije, odnosno otpadna toplina i toplina okoline. Grijaća površina pri velikopovršinskom grijanju je jedna od zidova ograničavajuća grijani prostor. Prema korištenoj površini dijelimo velikopovršinske sisteme na:
- stropno
- zidno.
Od konvektivnog grijanja grijaćim tijelima velikopovršinsko infracrveno grijanje se razlikuje načinom prenosa topline i toplinskim odnosima u sobi. Pri konvencionalnom grijanju grijaće tijelo grije zrak u sobi, koji prenosi toplinu zidovima. Temperatura unutarnjeg zraka je viša od temperature zidova. U sobi nastaje karakteristični struj zraka i zbog toga relativno veliki razlika temperatura zraka pod stropom i uz pod.
Pri velikopovršinskom grijanju prenos topline se ostvaruje zračenjem i konvekcijom. Udio infracrvene topline pri stropnom grijanju je 80%, pri zidnom 65% i pri podnom grijanju je 55%.
Konstrukcijsko izvođenje grijaće površine biva vrlo raznoliko. U principu razlikujemo dva osnovna rješenja:
- grijaća površina je ugrađena, odnosno je nedjeljiv dio građevinske konstrukcije,
- grijaća površina je samostalna, to je grijaća ploča, a to:
- ili pričvršćena na jednu od građevinskih konstrukcija,
- ili smještena slobodno u grijanom prostoru.
U prvom slučaju površina ploče građevinske konstrukcije se grije toplom vodom koja teče cijevima (registrima), pri čemu su te cijevi zabitane u građevinsku konstrukciju. Pri izvođenju infracrvenog grijanja se tek dodatno, u završenoj građevini, objesite grijaće cijevi ispod nosivog stropa i u podhvatima se prekrive slojem obloge. Infracrvene grijaće ploče koje se smještaju na građevinske konstrukcije u prostoriji (ili i slobodno u prostoru) su najčešće metale ili keramičke i staklene. Te ploče se grije obično električno.
VELIKOPLOŠNO PODLAHOVO GRIJANJE
Ako je grijaća cijev (registar) dio poda određenog prostora, govorimo o velikopovršinskom podnom grijanju. Danijas je riječ o grijaćem sistemu koji u odnosu na mnoge pozitivne osobine, preživi određenu renesansu i sve više se počinje koristiti u stanogradnji (najviše u kućama), u objektima civilnog opremanja (dječjim vrtićima, vrtićima, sportskim dvorima, bazenima itd.), kao i u velikoprostorovima (masovne garaže, industrijske fabrike, poljoprivredne građevine).
Velikoplošno podno grijanje u prošlosti se koristilo kao dopuna stropnom grijanju, ako površina stropa nije bila dovoljna za pokrivanje toplinskih gubitaka. Iznimno širem primjenom podnog grijanja dolazilo je i zbog zahtjeva niske temperature površine poda, čime je povezan i nizak toplinski učinak. Novi koncepti, arhitektonski dizajni, poboljšanje toplinsko-tehničkih svojstava zgrada i progresivni konstrukcijski materijali za izradu grijanih sustava omogućili su danas stvaranje brojnih sustava podnog grijanja.
Izbor podnog grijanja u prvom redu je određen samim objektom. On mora zadovoljiti toplinsko-tehnička svojstva tako da prosječni toplinski gubitak bude manji od 20 W.m-3, odnosno prosječna godišnja potrošnja topline niža od 70 do 80 kWh.m-2. Iz navedenog je jasno da je minimalna energetska potreba u prvom redu uzrokovana samim objektom, zatim režijem rada s mogućnošću akumulacije topline u podu s toplinskom tromostijom od otprilike 4 do 8 h i s visokim stupnjem samoregulacije.
Optimalni toplinski stanje unutrašnjih prostora s podnim grijanjem obično je osigurano za 2 do 4 K nižim rezultantnim temperaturama nego kod konvekcijskog grijanja, istovremeno s gotovo idealnim vertikalnim i horizontalnim temperaturnim gradientom.
PODNO VODOVODNO GRIJANJE
Iz prethodnog izjave jasno je da podno vodovodno grijanje pripada među zračajna grijanja, pri čemu je međutim udio zračajnog dijela na ukupnom prenosu topline s grijane površine samo nešto veći od topline konvekcijom (55 % : 45 %). Istovremeno to vrlo pogodno međusobno utječe na prednosti oba načina prenosa topline u unutrašnjem prostoru.
Podno vodovodno grijanje je istovremeno velikoplošno, tj. grijane cijevi su dio konstrukcije poda. Uzimajući u obzir higijenske zahtjeve koji se odnose na ograničenu površinsku temperaturu poda, a time i relativno nižim specifičnim toplinskim učincima grijanog poda, grijane cijevi gotovo uvijek su smještene ispod cijele površine poda. To iznimno pozitivno utječe na jednolikost prenosa topline u unutrašnjem prostoru i pomaže stvaranju toplinski homogenog uniformnog okruženja, bilo da je vertikalno ili horizontalno.
Temperatura grijane vode je obično niža od 50 °C, pa se istovremeno može govoriti o podnom vodovodnom grijanju i kao o niskotemperaturnom, što ima više prednosti. Jedno je osiguranje značajnih štednji toplinske energije u radu, istovremeno omogućavanje primjene netradicionalnih niskopotencijalnih energetskih izvora, kao što je sunčeva zračenja, energija geotermalnih voda, odnosno toplinske dizalice koje koriste toplinu okoline.
Tačno ti činjenice pripadaju podno vodovodno grijanje među progresivne grijanje, garantujući sve tri E, tj. energetske, ekološke i ekonomske aspekte grijanja zgrada. S druge strane, unatoč postojanju takvog načina grijanja već pre više od 2 000 godina, dolazi do njegove najveće ekspanzije i renesanse upravo danas.
Zato je potrebno teorijski točno definirati principe za praktičnu primjenu podnog vodovodnog grijanja, što se odnosi na izbor, izračun, projektiranje, ocjenjivanje, konstrukciju, montažu, regulaciju, rad i primjene.
IZBOR ZGODA ZA PODNO GRIJANJE
Budući da nije svaki građevinski objekt prikladan za primjenu sustava podnog grijanja, nužno je da se pri izboru zgrade osiguraju zahtjevi:
- toplinsko-tehnički,
- higijenski,
- energetski.
UTVRĐIVANJE KLJUČNIH TOPLINSKO-TEHNIČKIH VELIČINA
Toplinsko-tehnička svojstva građevinskih konstrukcija i zgrada osiguravaju se veličinama:
- toplinskog otpora građevinskih konstrukcija,
- toplinske izolacije građevinskih konstrukcija,
- toplinske prijemljivosti podnih konstrukcija,
- količine zamučene i isparene vodene pare u građevinskim konstrukcijama,
- zrakopropustnosti građevinskih konstrukcija, njihovih spojeva,
- toplinskom stabilnošću prostorije,
- potrošnje energije za grijanje.
Pri projektiranju građevinskih konstrukcija i zgrada određenim stanjem unutrašnjeg okruženja zahtijevaju se kriteriji minimalne temperature unutrašnje površine prema članku 3 STN 73 0540 i maksimalne potrošnje energije za grijanje prema čl. 21 STN 73 0540.
GRIJANE CJEVI
Najvažniji član grijanog poda su grijane cijevi, pa ćemo dalje detaljnije karakterizirati:
- cijevi za grijanje,
- cijevi za podno grijanje.
CJEVI ZA GRIJANJE
Danas pri centralnom grijanju najčešće koristimo ovaj cjevovodni materijal:
- metale cijevi,
- plastične cijevi,
- kombinirane cijevi.
METALNE CJEVI
Koristi se čelik (crni), zavareni, nehrđajući i bakar. Rastresit je materijal fitinzi i spojki (temperirana livena željeza, bakrena legura, bronce, crveni metali itd.). Raznolikost materijala je uzrok kontaktnog korozije, koja ima veliki utjecaj na trajnost grijanog uređaja.
a) Čelične cijevi
Pripadaju među klasične cjevovodne materijale. Pretežno se koriste čelične glatke bezšavne cijevi. Spajanje se uspostavilo na zavarivanju i prostorne promjene u cjevovodnoj mreži stvaraju se savijanjem na toplinu. Zavareni spojevi se koriste samo za povezivanje armature i grijanih tijela. Više od stoljetnim iskustvima uspješno su uklonjeni većini nedostataka. Ostaje samo visoka zahtjevnost za zavarivačku djelatnost. Baš ta okolnost stoji sada protiv uvodnja tankostijenih čeličnih zatvorenih pravokutnih profila, jer zrcalni zavar nije omiljen i danas se već ne koristi.
b) Zavarene čelične cijevi
Zavarene čelične cijevi su jedan od najstarijih cjevovodnih materijala, koji međutim zahtijeva savršeno zanatsko obradivanje. Zinkovska sloj nema uvijek istu debljinu i istu kvalitetu. Pri upotrebi modernih zavrtaca potom pri stvaranju navoja često dolazi do značajnog lokalnog oslabljenja nosive dijela cijevi. Ta okolnost uzimajući u obzir uklanjanje zavarene površine je uzrok pukotinskih korozije. Budući da zavareni spojevi zahtijevaju stručnost i su vremenski zahtjevni, po mogućnosti se zamjenjuju zavarivanjem. Može se konstatirati da upotrebom debelostijenih cjevovoda su već na opadanju.
c) Neželjezne cijevi
Zdanlivo idealne neželjezne cijevi naišle su pri realizaciji na problem spajanja. Zavarivanje u tom slučaju zahtijeva visoko specijalizirani tehnički postupak, jer inače dolazi do neželjenih transkristalnih deformacija. Također pri zavarivanju srebrnom zavarom često se pojavljuje opasnost korozije u području dodira zavara s nehrđajućom površinom. Tek početkom sedamdesetih godina nastao je značajan okret, kada je firma Mannesmann razvila spajanje neželjeznih cijevi pritiskanim objemima od autentike neželjezne čelika.
Ovaj način spajanja se postepeno proširuje i na druge vrste cijevi (npr. plastične, gdje se najčešće koriste brončani pritisnuti prijelazi). Pritisnutim prijelazima specijalnim ručnim električnim alatom u roku se formira vodootporno spajanje između cijevi i prijelaza. Jedina slabost čini pritisnuti tesnički O-ring, smješten na kraju prijelaza, koji je obično od butilkaučuka. Mišljenja o trajnosti ovog materijala se razilaze, a još nisu dovoljno dugoročne iskustva.
d) Bakrene cijevi
Bakar pripada među najprekrasnije materijale za cijevi. Bitno je striktno poštovati doziranje inhibitora u grijaću vodu. Reakcijom vode i bakrenog površina formira se i zaštitni sloj bakrenog oksida i oslobađaju se ioni bakra. Ako zbog nepoznavanja ili iz nužde iza dijela bakrenih cijevi se nalaze čelične (čak i cinkirane) cijevi ili aluminij, dolazi do intenzivnog korozivnog napada na taj materijal. Ovdje može pomoći prikladan inhibitor.
Veoma važan radni postupak je spajanje bakrenih cijevi. Veoma pogodno se spaja mekancem ili tvrđancem. Mekancem se spaja pri temperaturi od 230 do 240 °C, a tvrđancem pri 710 do 730 °C. Te temperature je nužno striktno poštovati. Koriste se samo vodom rastvorljivi leći, čije ostatke se ispiranjem izbacuju iz cijevi.
Pri poštovanju uvjeta spajanja i upotrebi dezoksidičanog bakra SF-Cu s udjelom bakra minimalno 99,9% jamči se visoka otpornost na koroziju i dovoljna čvrstoća i tankozidnih cijevi. Montaža je prilično jednostavna i brza. Cijevi se mogu koristiti do radnih pritisaka do 4 MPa i radnih temperatura do 150 °C.
PLASTIČNE CIJEVI
Između cijevi pogodnih za centralno grijanje, nužno je razlikovati sustave podnog grijanja i klasične. Sustavi podnog grijanja zahtijevaju veliku savitljivost cijevnih petlji i osim toga su manje toplinski opterećeni u odnosu na klasične grijaće sustave.
Za podno grijanje pogodni su vrsti PB, PE-X, PVC-C, PP-R. U tom kontekstu treba napomenuti da za vrstu PVC maksimalna radna temperatura iznosi samo 60 °C, a za PVC-C radna temperatura je trajna 90 °C i privremena 110 °C. Sličan raspon vrijedi za PB, PE-X i PP-R. Posebno mjesto zauzima PVDF, koji se može koristiti do raspona 140 °C. Postepeno se neke vrijednosti moraju precizirati. Naprimjer, poznato je da halogeni (fluor, hlor, brom, jod) reagiraju s PE i dolazi do molekularnih promjena, do krhkosti materijala i gubitka čvrstoće već pri temperaturama 20 °C. U Sjedinjenim Američkim Državama je utvrđeno da dolazi do starenja i destrukcije kod PB nakon dugotrajne upotrebe pod djelovanjem hlora. Ovo otkriće međutim ne može se u potpunosti primijeniti na naše uvjete, jer koncentracija hlora u vodi u SAD ima daleko više vrijednosti (do 2 ppm).
Glavna prednost plastičnih cijevi je jednostavna i brza montaža. Spajaju se ili lepljenjem (PVC), ili zavarivanjem (PB, PE, PP), ili prijelazima i vijčanim priključcima (PB, PE-X, PP).
Glavna mana plastičnih cijevi je mala otpornost na pritisak pri višim temperaturama, mala čvrstoća (prostorna oblikovna stabilnost) i posebno velika duljinska toplinska širenja. U usporedbi s nehrđajućem čeliku, širenje kod PB je 10 puta, kod PP 12 puta, kod PE 14 puta, a kod PE-LO čak 23 puta veće. Tu činjenicu treba uzeti u obzir kod rješavanja pričvršćivanja i vodjenja plastičnih cijevi. Bez redovitih podrški i eliminacije dilatacije cijevi kompenzatorima, plastične cijevi uopće ne bi trebalo instalirati.
VISESTRUKI CIJEVI SA METALNOM UNUTRAŠNJOŠĆU
Drugi smjer razvoja izlazi iz činjenice da je apsolutnom zaštitom od difuzije kiseonika metal. Na osnovi toga razvijeni su višestruki plastični cijevi sa metalnom unutrašnjošću. Do sada su najviše usvojena dva osnovna tipa:
a) Jedan tip s unutrašnje ugrađenim dužim zavaranim aluminijevim slojem debljine oko 0,5 mm. Ove cijevi su sastavljene od unutrašnjeg sloja plastičnog materijala (PB, PE-HD, PE-X, PP-R), od srednjeg sloja lepljive komponente, od zavaranog aluminijevog sloja, opet od srednjeg sloja, lepljive komponente i od vanjskog plastičnog sloja.
b) Drugi tip se razvio iz obične plastične cijevi, čvrsto omotane aluminijevom folijom debljine oko 0,2 mm, oba strane opremljene lepljivom komponentom i zbog vanjske zaštite opremljene tanjim slojem plastičnog materijala.
Kompozit plastičnog materijala s metalom ne mora se formirati samo s aluminijem. U tankozidnu nehrđajuću čeliku može se ugraditi plastična cijev s nanetom lepljivom komponentom, koja je narednim toplinskim obradom pritisnutim na čelični sloj. Višestruke cijevi s metalnom unutrašnjošću minimiziraju toplinsko duljinsko širenje na vrijednosti koje se približavaju aluminiju. Su stabilnije, čime se smanjuje potreban broj nužnih pričvršćivača.
Ove cijevi se mogu spajati vijčanim priključcima, pritisnutim prijelazima ili direktnim pritiskanjem. Trajnost cijevi određena je dvije osnovne uvjeti. Prvo, treba spriječiti mogući ulaz vode, odnosno zrakom vlažnosti na prednju reznu površinu višestruke cijevi (spriječiti dodir vode s aluminijem) i drugo, treba izbjegavati mogućnost nastanka elektrostatičke korozije između bakra ili crvenog bronca i aluminija.
CIJEVI ZA PODNO GRIJANJE
Iz prethodnog dijela jasno je da je škala materijala za centralno grijanje vrlo široka, ali za podno grijanje pogodni su najviše:
- bakar,
- plastični materijali,
- kombinirane cijevi.
BAKRE CIJEVI ZA PODNO GRIJANJE
Bakar kao radni materijal sigurno je utjecao na istoriju kulture. Budući da se u prirodi pojavljuje i u čistom stanju, kao metal mogao se obraditi još u najranijim vremenima. U starom Egipu koristio se kao sredstvo za plaćanje. Prvi spomeni o vodovodima od bakra poznati su još iz 2500. godine prije nove ere, kada su se lijevani bakreni limovi postavljali u grobnici Sahure u Egipu.
Oko 1900. godine počela se koristiti kao kvalitetna krovna obloga, posebno na važnim reprezentativnim zgradama i crkvama. Godine 1933. zabranjeno je koristiti ovaj materijal za nestratenske svrhe. U zapadnoj Evropi 1965. godine ovaj materijal je odblokiran za grijaće i instalaterske svrhe. Nažalost, istočni blok je i dalje koristio ovaj materijal samo za stratenske svrhe.
Široko korištenje bakra je moguće posebno zahvaljujući visokoj kvaliteti obradjenog materijala, na koji se postavljaju visoki zahtjevi:
- minimalni montažni troškovi,
- stabilna funkcionalna i radna sigurnost,
- duga trajnost.
Među najznačajnijim prednostima bakrenih instalacija pripadaju:
• visoka otpornost na koroziju, time u odnosu na čelične cijevi
- minimalne debljine zida,
- minimalna metarska težina,
• velika čvrstoća materijala,
• jednostavna i brza montaža s malim zahtjevima za prostor,
• dobra mogućnost prilagodbe građevinskim uvjetima i zbog toga iznimno pogodna i za dodatne instalacije,
• jednostavna i sigurna spajajuća tehnika (bez zahtjeva za vijčane priključke),
• baktericidni učinak,
• nema naslaga u cijevima (bakrene cijevi ne zasijevaju), time se osiguravaju -visoki protoci, mali pritisci,
- mogućnost postavljanja točnog unutarnjeg promjera cijevi,
- dobra toplinska vodljivost,
• ekološkost materijala (100% moguća reciklaža, bez otpadne tehnologija).
Materijal od kojeg se izrađuju bakrena vodila je dezoksidirana bakra (SF-Cu) s sadržajem čiste bakre u minimalnom iznosu 99,90%.
U osnovi razlikujemo dva vrste spajanja bakrenih cijevi:
1. Demontabilni spojevi
• Stezaljka
-konusa/konusa,
-konusa/kružna,
-ravno brtvo.
• Stezaljka s prstenom
-metalsko brtvo,
-mekano brtvo.
• Cijevni priključci.
• Priključci s prstenom.
2. Nedemontabilni spojevi
• Meke pripojnice.
• Krute pripojnice.
• Stiskanje.
• Zavarivanje.
Cijev je razvijena posebno za distribuciju za podno grijanje i priključak grijaćih tijela za jednocijevni i dvocijevni sustav grijanja. Bakrena cijev je prekrivena zaštitnim PVC omotačem koji djelomično omogućuje dilataciju i štiti cijev od fizičkog, kao i hemijskog utjecaja betonskih, odnosno obložnih smesa.
Trenutno ne postoji nijedan drugi instalacijski materijal u domaćim instalacijama u Zapadnoj Europi koji je toliko široko rasprostranjen i ima toliko raznoliko primjenu kao bakra. U Njemačkoj je trenutno oko 70 % instalacija realiziranih bakrenim instalacijskim cijevima, u Velikoj Britaniji čak 90 do 95 %.
PLASTIČNE CIJEVI ZA PODNO GRIJANJE
Osnovni građevni elementi plastova su ugljenik C i vodik H. Pri proizvodnji se koriste tri osnovna procesa, to su polimerizacija, polikondenzacija, poliadiacija.
Polimerizacijom nastaje iz monomera djelovanjem energije, katalizatora i drugih aditiva polimer. Polimerizacijom se proizvodi npr. polietilen i polipropilen.
Polikondenzacijom nastaje iz velikog broja molekula više niskomolekulskih tvari nova tvar. Polikondenzacijom se proizvodi npr. fenol-formaldehidna smola. Poliadiacija je nepravilna polimerizacija. Poliadijacijom se proizvodi npr. polikarbonat.
Polimeri se mogu podijeliti u dvije grupe:
• homopolimeri, čiji makromolekularni lanac se sastoji od pravilno se ponavljajućih istih molekula,
• kopolimeri, u kojima su na osnovni lanac povezane jedinice druge vrste molekula. Prema prostornom rasporedu makromolekula razlikujemo linearni i grančasti polimeri.
U odnosu na način tehnološke obrade i ponašanje plastova pri toplini ih dijelimo na termoplastove, duroplaste i elastomere.
Svojstva termoplastova utječu na poredanost ili neporedanost makromolekula. Djelomično kristalni plasti su savitljivi i elastični. Amorfni plasti su obrnuto tvrđi i krhki. Termoplastove se mogu toplinsko reverzibilno obraditi i prilagoditi.
Duroplasti (termoseti) se ne mogu toplinom oblikovati ni zavariti. Javni su predstavnici ove grupe smole. Posebnu grupu među duroplastima čine termoelasti, koji zadržavaju savitljivost, ali se ne mogu toplinsko oblikovati ni zavariti. Glavni predstavnik termoelasta je mrežasti polietilen.
Elastomeri se mehaničkim opterećenjem značajno deformiraju. Nakon smanjenja opterećenja vraćaju se u izvorni stanje. Ne mogu se toplinsko oblikovati i nisu zavarljivi. U ovu grupu spadaju sintetski gumeni materijali.
Vrste plastova koje se koriste za grijanje
Plastovi koji se kod nas koriste za instalaciju za grijanje su pretežno PEX, PP-B, PP-R, C-PVC, PB i PVDF.
Poli-propilen blok kopolimer PP-B sadrži 20 do 30% etilenske komponente, koja omogućuje veću savitljivost i elastičnost pri niskim temperaturama (do -20 °C). Bezpritisna toplinska otpornost je do 90 °C. Cijev iz ovog plasta je namijenjena za podno grijanje. Spaja se zavarivanjem ili mehaničkim priključcima.
Poli-propilen statik kopolimer PP-R razvijen je pretežno za sanitarnu tehniku. Ima dobru pritisnu otpornost i pri višim temperaturama i koristi se za podno grijanje, kao i za centralno grijanje. Bezpritisna otpornost premašuje 100 °C. Spaja se mehaničkim priključcima, zavarivanjem na točku ili polifuzijom.
Poli-butilen PB je vrlo savitljiv i ima visoku molekulsku masu. Pri velikoj čvrstoći istaknuje se i otpornost na stvaranje napetostnih pukotina. Bezpritisna toplinska otpornost premašuje 100 °C, krhne pri - 18 °C. Koristi se za distribuciju podnog i centralnog grijanja. Budući da ima dobre mehaničke osobine, proizvodi se sa zidovima tanjim od ostalih plastičnih cijevi. Spaja se mehaničkim priključcima, zavarivanjem na točku ili polifuzijom.
Hlorirani polivinil klorid C-PVC ima povećan sadržaj hlora, koji nije higijenski problem pri transportu tople vode cijevima od ovog plasta. Bezpritisna toplinska otpornost premašuje 1 OO °C. Ovaj plast se proizvodi različitim načinima, pa se njegove osobine djelomično razlikuju prema pojedinim proizvođačima. Spaja se lepljenjem, pri čemu bi trebali lepiti samo cijevi i priključke dostavljene jednim proizvođačem s njegovim preporučenim lepkom.
Poli-viniliden fluorid PVDF ima visoku mehaničku čvrstoću i značajnu otpornost i pri visokim temperaturama. Također je dobro obradiv. Toplinska područje primjene kreće se od - 40 do + 140 °C. Je otporan na UV i gama zračenje, čime dobija dobru otpornost na starenje. Isto tako je otporan na trošenje, fiziološki neštetan i teško zapaljiv. Njegova cijena je prilično visoka. Spaja se polifuzijom, infracrvenim zrakama, zavarivanjem na točku ili mehaničkim priključcima.
Svojstva plastova
Među svojstvima plastova, koja bi se trebalo sigurno primijetiti, je toplinska otpornost, zapaljivost, propustnost, električna vodljivost, toplinska vodljivost i toplinska širenja.
Granica temperature, ispod koje se polimer topi i mekne bez promjene strukture, je granica toplinske otpornosti. Ako bismo plast dalje toplinski opteretili, došlo bi do promjene mehaničko-fizičkih svojstava i postepeno i do degradacije polimera i tim do njihovog zanemarenja. Ako ocjenjujemo toplinsku otpornost cijevi namijenjenih za instalaciju za grijanje, trebali bismo djelomično se osigurati, jer pri nepravilnom zavarivanju dolazi do djelomične degradacije lokalnim pregrijavanjem.
Da bi se spriječilo ili smanjilo starenje plastova dodaju se stabilizatori, pigmenti i antioksidansi. Procesom starenja podrazumijevamo odvijanje neobratnih promjena mehaničkih svojstava plastova, koje su uzrokovane djelovanjem kisika, temperature i UV zračenja. Starenje se odvija u odnosu na toplinsku degradaciju sporije.
Korozija plastova se najprije pokazuje unutar plastova, a kasnije i na površini. Korozija plastova se pokazuje promjenom sastava i promjenom svojstava plastova. Promjena je uzrokovana djelovanjem hemijskih i fizičkih utjecaja. Negativan utjecaj mogu imati i neki metali, kao što su bakar, kobalt i njihove legure. Kod dodira metala s nekim plastovima dolazi do termooksidacije, koja je katalizirana metalnim jonima i pokazuje se ometanjem strukture plastova. Zbog toga treba koristiti priključke i prelaze s odgovarajućom površinskom obradom, preporučene proizvođačem plastične cijevi. Pojavom sitnih pukotina pokazuje se korozija plastova pri naprezanju. Kod plastičnih proizvoda ne moramo uzimati u obzir promjene dimenzionih tolerancija i promjene mehaničkih svojstava utjecajem djelovanja vlažnosti. Plastovi su nepropustni i njihova propustnost i navlaženost su vrlo niske. Plastovi uopće se smatraju izolatorima, nisu električki vodljivi. Druga činjenica je da kod plastičnih cijevi, kroz koje se transportuju sitni materijali ili plinovi, dolazi do iskrenja statičke elektricitete. Površinski otpor kreće se oko vrijednosti 1014 ohm i ovisi o stupnju zagađenja površine i o postotku vlažnosti zraka.
Iz razloga dizajna cjevovog sistema vrlo je važna duljinska toplinska širenja. Toplinsko širenje je kod plasti deset puta veće nego kod čelika ili bakra. Ako projektant ne uzme u obzir tu osobinu plastičnih cijevi u potpunosti, može doživjeti mnogo problema koje se može ukloniti samo ponovnim položenjem cijevi.
Koeficijent toplinske vodljivosti plastičnih cijevi je vrlo nizak, ali taj činjenicu ne opravdavamo za odbijanje toplinske izolacije kod plastičnih cijevi. Plastične cijevi ne mogu biti pripojene termoizolantom i mnoge plastične instalacije direktno zahtijevaju opću izolacijsku zaštitu.
Osnovni podaci koji se koriste kod upotrebe plastičnih cijevi
Važan faktor koji utječe na upotrebu plastičnih cijevi je njihov vijek trajanja. Neke godine se govorilo o vijeku trajanja od 50 do 60 godina bez obzira na radne uvjete i vrstu korištenog plasta. Sada je jasno da se tu granicu vijeka trajanja mora pomicati prema dolje i vrlo strogo ocjenjivati u skladu s korištenim plastom i u skladu s radnim uvjetima kojima je plast izložen. Kod rada, plastična cijev je opterećena istovremeno radnim pritiskom i radnom temperaturom. Budući da je istovremeno djelovanje pritiska i temperature vrlo važna činjenica, u praksi se određuje minimalni vijek trajanja instalacije. Taj vijek trajanja se određuje u ovisnosti o dvije gore navedene parametre prema eksperimentalno utvrđenim izotermama. Naprezanje u zidu cijevi, koje se nanosi na y-os, direktno je proporcionalno vanjskom promjeru cijevi, debljini zida i unutarnjem prethotisku i obrnuto proporcionalno ovisi o dvostrukoj debljini zida.
Plastične cijevi se proizvode u ovom nizu: PN2,5 PN4 PN6 PN10 PN12,5 PN16 PN20 PN25.
Broj iza skraćenice PN određuje maksimalni radni pritisak (Pa) kod temperature vode do 30 °C tijekom 50 godina. Iz toga slijedi da za projektirane više temperature treba za isti pritisak i isti vijek trajanja birati viši pritiskovu klasu, jer s porastom temperature vode pada maksimalno dopušteni radni pritisak.
Plastične cijevi se označavaju u milimetarskom nizu. Označavanje treba sadržavati: ime proizvođača, oznaku materijala, vanjski ili unutarnji dimenzije x debljina zida, radni pritisak/temperaturu, datum proizvodnje, naziv cijevi, pr. registracijski broj.
Spajati možemo plastične cijevi međusobno, plastičnu cijev s cijevima od drugog materijala, cijevi s profilima, cijevi s armaturama ili cijevi na potrošače. Za taj svrhu se koristi cijeli sustav spajanja cijevi. Sve spojeve moraju zadovoljavati određene zahtjeve, pa ih provjeravamo s obzirom na otpornost prema pritisku, temperaturi ili hemijskim utjecajima, pri čemu zahtijevamo funkcionalnost i tesnost spoja.
Difuzija kisika kroz zidove plastičnih cijevi
O grijaćim poliolefinskim cijevima često se raspravlja, jer su mjerilo kvalitete cijelog sustava i cilj njegovog pitanja. Zato im treba posvetiti povećanu pažnju.
Aktualnim problemom koji se trenutno posveti povećana pažnja je difuzija kisika kroz zidove plastičnih cijevi.
Utvrđeno je da molekule zrakoplovne kisik prolaze kroz mrežu plasta, sve dok ne dostignu grijaću vodu. Grijaća voda, stalno zasićena kisikom, postaje tada prema metali vrlo agresivna. Količina unesena kisika ovisi o vrsti plasta i o temperaturi. Nadalje, utvrđeno je da pritisci promjene kod viših temperatura izazivaju osjetljivost na stvaranje umornih površinskih pukotina, čime se kisikova difuzija povećava. Budući da molekula s malim polumjerom atoma difundira lakše u mrežu stvorenu od atoma s većim polumjerom, dolazi se najprije do mrežanja plasta. Uspjelo se tako gotovo ukloniti stvaranje umornih pukotina, ali kisikovoj difuziji se nije potpuno spriječila. Zato dalji smjer razvoja vodi do cjelokupnog prekrivanja plastičnih cijevi slojem specijalnog polimera, koji služi kao difuzijska prepreka. Postotna učinkovitost i vijek trajanja ove prepreke ovisi, međutim, o korištenom polimeru.
Difuziju kisika možete ograničiti odvajanjem grijaćih krugova od kruga s pumpom, povećanjem debljine zida cijevi ili dodavanjem kisikovog aditiva u grijaću vodu.
Konačno treba reći osnovni princip, da je uzrok ovog problema radni stanje podno grijanja sustava, koji je jednom i zauvijek fiksno ugradnja u konstrukciju poda. Z tog razloga je pokušaj uvjeriti kupca i korisnika u pouzdanost i sigurnost grijaćeg sustava, da ne mora imati strah od mogućih destrukcija cjevovodnog razvoda. Jedna od tradicionalnih uzroka je korozija metaličkih dijelova pribora i uređaja grijaćeg sustava, jer su cijevi od plasta.
Rješenje se našlo sljedeće. Poznate tvrtke koriste metaličke dijelove iz čelika, čime se minimizira vjerojatnost korozije. Nadalje, protiv mogućnosti transporta nečistoć, posebno iz izvora topline izloženog mogućnosti niskotemperaturne korozije, počinju se uvoditi priključci sustava grijanja kroz toplinski izmjenjivač, dakle odvajanje primarnog kotlovskog kruga od sekundarnog kruga podnog grijaćeg površine. No i konačno, da sigurnost bude maksimalna, je pokušaj uklanjanja mogućnosti ulaska kisika direktno kroz zidove plastičnih cijevi, dakle putem dodatnog sloja - kisikove barijere. Poznati su i takvi ekstremni rješenja, gdje se dodaje i treći sloj, na bazi metalnog.
Dakle, problematika difuzije kisika uvijek će ovisiti najviše o konkretnim uvjetima korištenja, kao i o solventnosti investitora. U Njemačkoj, gdje je podno grijanje najviše korišteno, približno 60% tvrtki nudi cijevi s kisikovom barijerom.
Bitno je, međutim, da je u trenutku, uzimajući u obzir nedostatak konkretnih slučajeva iz prakse, stalno istraživanje neupotrebe kisikove barijere.
Trendovi u primjeni plasta
SRN - ukupni tržište procjenjuje se na otprilike 230 mil. m cijevi, od čega više od 1/2 je bakar, pri čemu se najviše koristi mrežani PE (70 %), dalje PPC (15 do 20 %) i PB (5 do 10 %),
Austrija - čelik i bakar čine više od 55%, ostali su plasti,
Švicarska - plasti čine čak 74 % tržišta, koriste se najviše za podno grijanje, potrošnja 4,6 m po stanovniku (godina max. PEX; PPC i PB su 4 puta niža od PEX),
Nizozemska - plasti 10 % na sanitarnoj tehnici, 10% na ÚK, pri čemu PEX 60 %, PP i PB značajno manje (1 do 2 %).
Pri korištenju plasta za cjevovodne instalacije u zgradama polazi se od pretpostavke vijeka trajanja 50 do 55 godina, tj. zamjena instalacija 1-put tijekom vijeka trajanja građevinskog objekta.
Razvoj na tržištu plastičnog materijala u SRN, Austriji i Švicarskoj potvrđuje potpunu jednakost između cjevovodnih instalacija na tradićionoj metalnoj bazi i na bazi plasta, čiji udio se kreće od 40 do 75 %.
Dominantno mjesto u proizvodnji cjevovodnih materijala ima uopće mrežani polietilen, čak oko 70 %, pri čemu polipropilen i polibuten su jednako u narednom redu.
KOMPOZITNE CJEVI ZA PODNO GRIJANJE
U posljednje vrijeme kod nas počinje se koristiti višeslojno cjevovod, tj. cjevovod sastavljen od različitih materijala. Višeslojna cijev se sastoji od osnovne plastične cijevi, aluminijevog ploča s uzdužnim zavaranim šavom i zaštitnog plastičnog sloja. Dobra prianjanje oba plastična sloja s aluminijevom folijom osigurava specijalna prijanjajuća sloj.
Kombinirane cijevi kompenziraju nedostatak plastičnih cijevi u pogledu toplinske duljinske širenja. Vrijednosti toplinskog duljinskog širenja približno su jednake onima koje se navode za aluminij, npr. tvrtke navode vrijednost 0,025 mm.m-1.K-1. Dalja prednost je da cijev može biti pričvršćena na većoj udaljenosti, jer je savijanje nakon napunjavanja vodom manje. Ove cijevi imaju određenu čvrstoću, ali istovremeno zadržavaju značajnu savitljivost. Vise slojeva cijevi se spajaju mehanički ili polifuzijskim zavarivanjem s profilima. Prije zavarivanja potrebno je ukloniti sve slojeve osim osnovne plastične cijevi.
Korištena literatura:
Dušan Petráš: Podnožno vodovodno grijanje
Dušan Petráš: Niskotemperaturno grijanje i obnovljivi izvori energije
