1.2.5. Основы гидравлического расчета водопроводной сети

Система водопровода состоит из отдельных элементов, работа которых должна быть рассмотрена во взаимной связи. Сущность расчета водопроводных сетей сводится к подбору правильных диаметров труб и определению потерь напора для преодоления сопротивления в трубах при пропуске по ним расчетных расходов воды. Определять потери напора необходимо для расчета водопроводных сооружений, работающих совместно с сетью (водонапорной башни, насосов, подающих воду в сеть). Рассчитать систему водопровода - значит назначить размеры сооружений так, чтобы вода была подана потребителям в требуемом количестве, с требуемым напором при соблюдении условий экономичности.

Величину потери напора определяют по формулам гидравлики:

h = LV²/2Dg,

где h - потеря напора,  - коэффициент потери напора, зависящий от режима движения воды, шероховатости внутренней поверхности трубы, вязкости жидкости, L - длина трубопровода, D - диаметр трубопровода, V - скорость движения воды.

Гидравлическим уклоном i называется потеря напора, отнесенная к единице длины трубопровода:

i = h/ L = V²/2Dg.

Потери напора определяют по таблицам, в которых величина дается в зависимости от q и D, где q - расход воды (таблица для гидравлического расчета стальных, чугунных и асбоцементных труб Ф.А. Шевелева).

Если трубопровод круглого сечения, то мы имеем

q = FV и F = D²/4.

Из этих равенств

V = q/F = 4q/D², (1)

D = 4q/V. (2)

В упомянутых таблицах приведены также значения скорости V в зависимости от q и D. При расчете водовода и распределительной сети задаются распределением потоков, поэтому в формулах (1) и (2) постоянными для каждого участка являются расходы q.

Что же произойдет, если мы, сохраняя постоянные величины q, L, h, будем менять D? Очевидно:

1) увеличивая диаметр D, мы уменьшаем скорость V и соответственно уменьшаем сопротивление h, т.е. экономим электроэнергию, требующуюся для начального напора, за счет перерасхода материалов труб вследствие применения труб большего диаметра;

2) уменьшая D, мы увеличиваем V, вместе с тем увеличиваем h, что потребует большего напора. Таким образом, мы перерасходуем электроэнергию за счет экономии материала труб.

Учитывая стоимость электроэнергии и материала труб, выбирают экономически оптимальное значение D.

При предварительных расчетах это делается путем назначения расчетной скорости V, при которой получаются оптимальные значения D:

для труб D 100 - 300 мм V=0,5 – 1,0 м/с;

400 - 600 мм V=0,8 – 1,5м/с;

свыше 600 мм V=1,0 – 2,0 м/с.

В разветвленной (тупиковой) сети вода движется на каждом участке в одном направлении. Поэтому методика расчета такой сети следующая.

1. Определяют расчетные расходы воды каждого участка и, задавшись скоростями (в пределах рекомендуемых), находят диаметры труб каждого участка.

2. Определяют потери напора во всех линиях (общую потерю напора) суммированием потерь напора по направлению от начала сети до самой высокой (диктующей) ее точки.

3. В соответствии с суммарным расходом в сети, полученной потерей напора до диктующей точки, геометрической высотой подъема и требуемым свободным напором подбирают насос.

4. Расчет кольцевых сетей ведется на основании двух положений: уравнения равенства расходов и уравнения потерь напора в кольцах сети.

Уравнение равенства расходов составляется на основании "равновесия узла", т.е. такого условия, при котором сумма потоков воды, притекающих к узлу, равна сумме потоков воды, вытекающих из узла:

q_узл. = 0.

Уравнение равенства потерь напора составляется на основании положения о том, что потоки воды для возможности встречи в какой-либо точке должны иметь одинаковые потери напора, т.е. для любого водопроводного кольца, находящегося в гидравлическом равновесии, алгебраическая сумма потерь напора должна быть равна нулю:

h_кол. = 0.

Расчет кольцевой сети ведется в следующей последовательности:

1. По схеме определяют условия питания расчетных участков и их длину.

2. Составляют расчетную схему и определяют удельный расход воды.

3. Устанавливают путевые расходы и заменяют их узловыми.

4. По полученным расчетным расходам и допустимой скорости движения воды в трубах намечают диаметры линий по участкам кольцевой сети и определяют потери напора в трубах.

5. Вычисляют суммарные потери напора по отдельным ветвям кольца и проверяют их равенство.

6. При необходимости увязывают кольца, добиваясь равенства в них потерь напора.

1.3.2. Схемы и системы канализации

Схема канализации на плане включает основные сети и сооружения городской или промышленной канализации (сети, насосные станции, очистные сооружения). Выбор той или иной схемы канализации представляет собой весьма трудную задачу, правильное решение которой зависит от степени учета многих факторов: рельефа местности, грунтовых условий, расположения очистных сооружений, мощности водоема, куда спускают сточные воды, планировочной структуры населенного пункта и т.д.

Коллектором называется канализационный трубопровод, собирающий сточные воды от двух и более уличных линий. Сточные воды транспортируются по коллекторам в основном самотеком. Однако при большом заглублении коллектора в пониженных точках местности устраивают станции перекачки для подъема сточных вод на более высокую отметку, откуда они транспортируются самотеком. Для перекачки сточных вод сооружают канализационные насосные станции.

Очистные сооружения предназначены для очистки сточных вод и обработки осадков. Степень очистки сточных вод определяется расчетом.

Простейшие схемы канализационной сети, которые в том или ином сочетании встречаются на практике, следующие.

1. Перпендикулярная схема (рис. 20), когда коллекторы отдельных бассейнов или уличные сети прокладывают перпендикулярно направлению движения воды в водоеме. Такую схему применяют главным образом для отвода атмосферных и незагрязненных производственных сточных вод, не требующих очистки.

Бассейн1 Бассейн2 Бассейн3

1 10

1 07,5

2. Системы канализации и их гидравлический расчет

1.3.1. Сточные воды и их классификация

В населенных местах и на промышленных предприятиях образуются загрязнения, связанные с повседневной деятельностью человека. К загрязнениям относятся физиологические отбросы, образующиеся в результате обменных процессов в организме человека и животных, а также загрязненные воды от бань, прачечных, душей, мытья продуктов питания, посуды, помещений, улиц и т.д.

Сточные воды подразделяются на бытовые (хозяйственно-фекальные), производственные (промышленные) и дождевые (атмосферные).

К бытовым сточным водам относятся воды, поступающие от раковин, умывальников, ванн (хозяйственные воды), из санитарных узлов, т.е. воды, загрязненные в основном физиологическими отбросами (фекальные воды), из бань, прачечных, душевых помещений, после мытья помещений и т.д.

Бытовые воды содержат крупные нерастворенные вещества - остатки пищи, овощей, тряпки, песок, фекалии, загрязнения органического и минерального происхождения в нерастворенном, коллоидном и растворенном состояниях, а также различные бактерии, в том числе и болезнетворные. С санитарной точки зрения эти воды наиболее опасны.

К производственым сточным водам относятся воды, использованные в процессах производства и загрязненные теми или иными примесями. По составу они могут быть весьма разнообразными. В зависимости от вида обрабатываемого сырья и технологического процесса производства количество загрязнений в этих водах резко изменяется. Производственные сточные воды подразделяются на незагрязненные и загрязненные, содержащие органические, минеральные и смешанные загрязнения.

Дождевые воды образуются вследствие выпадения атмосферных осадков в виде дождя или таяния снега, они смывают загрязнения на территории города или промышленного предприятия. Воды после поливки улиц и зеленых насаждений по составу загрязнений близки к атмосферным и поэтому удаляются вместе с ними.

В настоящее время от населенных мест и промышленных предприятий приходится отводить смесь бытовых, производственных и дождевых вод. Такие воды называются городскими сточными водами. Нельзя допускать, чтобы отбросы органического происхождения накапливались на поверхности - их необходимо удалять с территории населенного пункта или промышленного предприятия.

Канализационные сети и сооружения предназначены для приема сточных вод, их транспортирования за пределы населенного пункта, очистки, обеззараживания и выпуска в водоемы.

Система канализации состоит из следующих основных элементов:

внутренних устройств, предназначенных для приема сточных вод и их отвода в наружнюю канализационную сеть;

наружной сети, отводящей сточные воды самотеком к очистным сооружениям или к насосным станциям;

насосных станций, служащих для перекачки сточных вод с пониженных участков сети;

напорных водоводов, предназначенных для транспортировки сточных вод от насосных станций;

сооружений для очистки и обеззараживания сточных вод и обработки осадков;

устройств выпуска очищенных сточных вод в водоемы.

1 05,0

1 02,5

1 00

Рис. 20. Перпендикулярная схема канализационной сети

2. Пересеченная схема, при которой коллекторы бассейнов канализования, прокладываемые перпендикулярно водоему, перехватываются главным коллектором, параллельным реке (рис. 21). Эта схема может применяться в местах с явно выраженным уклоном к водоему в тех случаях, когда все сточные воды необходимо подвергать очистке.