Fyzikální vlastnosti nemrznoucích směsí a navrhování soustav

Důsledkem je v lepším případě odlišné chování soustavy, v horším případě pak třeba i destrukce expanzní nádoby. Fyzikální vlastnosti teplonosné látky mají přitom zásadní vliv jak na návrh zabezpečovacího zařízení, tak i na návrh potrubí, čerpadel, armatur a dalšího zařízení. Rozhodujícími vlastnostmi teplonosné látky jsou měrná hmotnost ρ (kg.m⁻³), měrná tepelná kapacita C (J.kg⁻¹.K⁻¹), tepelná vodivost λ (W.m⁻¹.K⁻¹), kinematická viskozita ν (m².s⁻¹) a součinitel teplotní roztažnosti β (K⁻¹).

Fyzikální vlastnosti teplonosné látky potřebují mít projektanti k dispozici ve formě ucelených podkladů, protože ve všech případech různých koncentrací nemrznoucích směsí jde vlastně o jinou teplonosnou látku.

V TAB.1, TAB.2 a TAB.3 jsou pro porovnání uvedeny základní fyzikální vlastnosti vody a v různé koncentraci i směsí voda + propylenglykol (vypočteno dle podkladů M.Conde Engineering Zurich Switzerland) a Tyfocor L "G" s inhibitory (údaje Bosch).

Výpočet hodnot v TAB.2 byl proveden podle vztahů (1) a (2) a kořenů A1 až A5 M. Conde Engineering Zurich Switzerland

Vztah (1) pro ρ (kg.m⁻³), C (J.kg⁻¹.K⁻¹) a λt (W.m⁻¹.K⁻¹)

Vztah (2) pro dynamickou viskozitu, z níž byl následně proveden výpočet kinematické viskozity ν (m².s⁻¹)

Údaje v TAB.3 jsou převzaté hodnoty Bosch.

Údaje v obou tabulkách byly doplněny o vypočtené hodnoty tepelné roztažnosti β (K⁻¹) podle vztahu (3), kde to = 10°C.

1. Vliv fyzikálních vlastností na velikost expanzní nádoby

Pro porovnání slouží příklad výpočtu objemu EN za stejných podmínek. t = 90°C, objem kapaliny v soustavě Vo = 300 dm³, Ph,dov,A = 250 kPa, hydrostat.výška h = 7,5 m, požadovaný rozdíl mezi absolutními tlaky za tepla a za studena p2a − p1a = 100 kPa

Výstupy:

Voda + 50% PPG – ρ = 981,87324 kg.m⁻³, β = 0,063885993 při Δt = 80 K, η = 0,361232151, ΔV = 19,1658
Voda – ρ = 965,41975 kg.m⁻³, β = 0,03556 při Δt = 80 K, η = 0,365592193, ΔV = 10,6668

Pozn.:

U solárních kolektorů s eventuelní záměrnou volbou vyššího pracovního tlaku pro snížení vývinu par se rozdíl velikosti expanzní nádoby snižuje.

2. Vliv na průtok

Přenášený tepelný výkon P = 10 000 W, tp = 90 °C, tz = 70 °C, tv = 20 °C, ts = 79,44026824 °C

Vstupy - výstupy:

Voda + 50% PPG – Cts = 3763,2695 J.kg⁻¹.K⁻¹
Voda – Cts = 4196,48379 J.kg⁻¹.K⁻¹
Tyfocor L "G" 50% – Cts = 3775 J.kg⁻¹.K⁻¹

3. Vliv na tlakové ztráty v potrubí

Použité výpočtové vztahy:

Měrná tlaková ztráta v přímém potrubí R (Pa.m⁻¹)

Rychlost proudění teplonosné látky w (m.s⁻¹)

Objemový průtok Qo (m³.s⁻¹)

Reynoldsovo číslo Re (-)

Součinitel tření λ (-) v laminární oblasti proudění

Součinitel tření λ (-) v přechodové oblasti proudění

Součinitel tření λ (-) v turbulentní oblasti proudění

Tlaková ztráta vřazeným odporem Z (Pa) a součinitel ξ pro známou tlakovou ztrátu Z a rychlost w (m.s⁻¹)

Celková tlaková ztráta (Pa)

4. Orientační shrnutí a porovnání výsledků

Nezjednodušené výpočty poskytují přesnější obraz o vlivu nemrznoucích směsí na dimenzování potrubí a na parametry oběhového čerpadla, než publikované vztahy zjednodušené. Obecně lze říci, že při pracovní teplotě kolem 80 °C nejsou rozdíly proti průtoku vody tak významné, jak někdy vyplývá ze zjednodušených výpočtů.

Při střední teplotě 80 °C a při teplotním spádu 20 K je k přenesení stejného výkonu u směsi voda+50% PPG potřebný průtok cca 111,5% průtoku vody a tlaková ztráta potrubí DN 20 přitom činí cca 142,9% tlakové ztráty vody.

Při nižších pracovních teplotách se u nemrznoucí směsi výrazněji mění kinematická viskozita než u vody, významně klesá měrná tepelná kapacita a narůstá měrná hmotnost.

4. Závěr

Údaje v TAB.2 a TAB.3 lze použít jako vstupní data při aplikaci běžného SW pro dimenzionálních výpočty okruhů soustav s nemrznoucí směsí.

Podklady

Ing. Jiří Matějček, CSc. Zkušenosti s aplikacemi nemrznoucích směsí v otopných soustavách
M.Conde Engineering Vztah (1), vztah (2)
Bosch Údaje v TAB.3

Výpočty a grafy

ORIGINAL=CRA=SOFTWARE

---

Autor své znalosti využívá i v praxi a v oblasti panelových domů provádí:

1. Vyhodnocení úspor zateplením a funkcí stávající regulační techniky v zateplených i nezateplených budovách.
2. Projekty termohydraulického seřízení a termického vyvážení soustav pro dosažení maximálních úspor tepla v zateplených i nezateplených panelových domech.
3. Projekty pro nápravu funkce vytápění.
4. Poradenství v oblasti vytápění panelových domů.

e-mail: centrotherm@seznam.cz, T 286 591 550, M 607 660 843

---

Aktualizační doplněk

Ing. Josef Hodboď, únor 2026

V tabulce níže jsou uvedeny velikosti koeficientu objemové roztažnosti β [10⁻⁵·K⁻¹] pro směs vody a propylenglykolu TYFOCOR^® L, jak je uvádí výrobce TYOFROP Chemie GmbH.

Vzhledem k tomu, že velikost koeficientu β závisí na teplotě kapaliny, výrobce pro běžný technický výpočet změny objemu doporučuje použít velikost koeficientu β určenou pro střední teplotu kapaliny mezi nejnižší výchozí teplotou kapaliny a nejvyšší uvažovanou teplotou kapaliny. Změna objemu kapaliny se pak vypočte jako součin koeficientu β, rozdílu pracovních teplot a objemu kapaliny při výchozí teplotě.

Diskuse k příkladu viz kapitola 1.

Autor ve svých tabulkách uvádí součinitel β, ale správně jde o n, součinitel zvětšení objemu, protože jde o hodnotu vypočtenou pro uvedený rozdíl teplot jako součin β a rozdílu teplot. Tedy jde o bezrozměrný údaj a jeho rozměr nemůže být K⁻¹. Veličinu n má autor uvedenu v použitém výpočetním vzorci, viz příklad výpočtu v kapitole „1. Vliv fyzikálních vlastností na velikost expanzní nádoby“, ale následně použije svou  β. Proto je mezi jeho tabulkami a přiloženou tabulkou od výrobce kapaliny TYFOCOR^® L značný číselný rozdíl a čtenáře to může klamat. Současně je nutné doplnit, že ochodně nabízené kapaliny na bázi směsi propylenglykolu a vody zpravidla obsahují i jiné látky, jako např. glycerol a různé inhibitory koroze a i tyto příměsi mají vliv na objemovou roztažnost.

Za podmínek příkladu výpočtu expanzní nádoby, který zpracoval autor, by podle doporučení výrobce TYFOCOR^® L v koncentraci 50 % by měl být použit koeficient β určený pro střední teplotu 10 + (90 − 10)/2 = 50 °C, čemuž odpovídá 68·10⁻⁵ [K⁻¹]. Z toho pak pro teplotní rozdíl 90 − 10 = 80 K vyplývá součinitel zvětšení objemu n = 0,00068 × 80 = 0,0544. Protože stupeň využití expanzní nádoby určil autor jako η = 0,361232151. Pak objem expanzní nádoby vychází:

To je méně než výpočet autora, kterému vyšlo 68,97 dm³.

Příčinu rozdílu vidím v tom, že autor do výpočtu vložil „koeficient objemové roztažnosti β“, respektive součinitel zvětšení objemu n vycházející z koeficientu objemové roztažnosti β pro nejvyšší pracovní teplotu 90 °C. Autorově hodnotě β, respektive n = 0,063885993 při Δt = 80 K odpovídá β = 0,0007985 K⁻¹, což přibližně koresponduje s údajem výrobce kapaliny pro tuto teplotu 0,00078 K⁻¹ a rozdíl mohou vytvářet příměsi.

Z tabulky koeficientů objemové roztažnosti 50% kapaliny TYFOCOR^® L od jejího výrobce je zřejmé, že teplotě 10 °C odpovídá zvětšení objemu kapaliny oproti stavu, kdy zkapalněla (pod −30 °C) dané koeficientem objemové roztažnosti β = 0,00057. Při poklesu pracovních teplot se v případě diskutovaného příkladu zmenšení objemu kapaliny zastaví na uvažovaných 10 °C a dále již pokračovat nebude. Pokud by výpočet měl být proveden přesně, pak by se zvětšení objemu kapaliny mělo počítat postupně po malých teplotních rozdílech s jim odpovídajícím koeficientem objemové roztažnosti a výsledek sečíst, řešit to integrací. Zmíněný výrobce to řeší popsaným způsobem použití střední velikosti koeficientu objemové roztažnosti.