Расчёт диаметров трубопроводов коммуникаций водозабора производится по значениям допускаемых скоростей в условиях нормального режима работы водозабора. Для самотечных труб, согласно скорость должна быть в пределах от 1 до 1,5. Диаметр самотечных труб принимаем по таблицам Шевелёва.

Принимаем две самотечные линии. Принимаем 700 мм =1,23 м/с.

Определение потерь в самотечных линиях, возникающих в процессе эксплуатации:

, где

L– длина самотечной линии. Длина самотечной линии определяется из профиля дна реки. Это расстояние по горизонтали от наружной стены водозабора (принимается на расстоянии 5м от уреза воды при ВУВ) до места расположения оголовка,L=43,5 м.

V – скорость движения потока воды в трубе,
=1,23 м/с;

=2,45 м/с;

 - сумма коэффициентов местных сопротивлений, принимаем по :

= выхврезервуар=

3*0,25+0,1+0,97+1,0=3,57м

Нормальный режим:

0,47 м

Аварийный режим:

Q ав. =Q расч =961,22л/с;

1,65 м

7. Система промывки кассетных фИльтров, оголовков и самотечных труб

Рис.5. Система промывки кассетных фильтров, оголовков и самотечных труб.

При достижении перепада уровней в реке и в одной или обеих камерах колодца, критической величины, необходимо приступить к промывке фильтрующих кассет и самотечных труб. Разность уровней определяется по показаниям датчиков. Вначале производится импульсная промывка фильтров одного из оголовков. Если после 3-4 импульсных промывок фильтров и самотечных трубопроводов, перепад уровней не восстановлен до нормальной величины, то приступают к напорной обратной промывке. Трубопроводы подводящих воду на промывку самотечных линий и фильтров подключается в камере переключения к напорному водоводу. Диаметр подводящих трубопроводов определяется следующим образом:

Скорость воды при обратной промывке должна удовлетворять следующему условию:

,

где - скорость воды в промывной линии, принимаем1,5 м/с;

- скорость воды в самотечной линии, м/с

При этом, расход воды на промывку самотечной линии определяется по формуле:

,

где - диаметр самотечной линии, м

м/с

м 3 /с

Согласно принимаем диаметр труб подачи промывной воды при
4м/с диаметр
мм.

Расчёт импульсного промыва

Рис. 6. Расчёт импульсного промыва.

Расчет импульсного промыва рыбозащитных кассет затопленных водоприемников состоит в определении максимальной скорости течения воды в самотечном водоводе при промыве. По этой скорости можно косвенно судить об эффективности его применения (например, в сопоставлении с возможно достижимой скоростью течения при промыве обратным током воды). Максимальную скорость течения воды в самотечном водоводе
м/с, при некоторых принятых значениях, L, D и d определяют по формуле

Где и- полуамплитуды колебания уровня жидкости в вакуумстояке, м;

, - продолжительность первого полупериода колебания уровня жидкости в вакуумстояке

где F и ω - площади соответственно живого сечения вакуумстояка и самотечного водовода.
приF=ω

L-длинна самотечной линии

Ѳ- характеристика основного гидравлического сопротивления определяется по формуле:

При этом коэффициент ѱ находят по формуле:

Где, λ - коэффициент гидравлического трения;

L и Dс - длина и диаметр самотечного водовода, м;

∑ζ - сумма коэффициентов местных сопротивлений при движении воды от водоисточника к включительно.

h– потери напора в фильтрующей кассете,h=0.3;

V– скорость воды в фильтрующей кассете, определяется по формуле:

,м/с

Где,
- скорость втекания воды в кассету

Ρ=50%- пористость загрузки кассеты

м/с

Характеристику дополнительного сопротивления находят по формуле

где D u d - диаметр соответственно вакуумстояка и клапана для впуска воздуха. D=700 мм;d=100 мм;

Определяем - высота подъёма воды в вакуумном стояке

принимается 3-8 м

По графику расчётов импульсной промывки определяем

;
м/с

В основе гидравлических расчетов безнапорных (самотечных) трубопроводов лежит условие соблюдения установившегося равномерного движения воды в трубах по двум основным формулам:

• формула неразрывности потока

• формула Шези

где q — расход жидкости, м 3 /с; ω — площадь живого сечения, м 2 ; V — скорость движения жидкости, м/с; R — гидравлический радиус, м; i — гидравлический уклон (равный уклону трубы при установившемся равномерном движении); С — коэффициент Шези, зависящий от гидравлического радиуса и шероховатости смоченной поверхности трубопровода, м 0,5 /с.

Основная трудность при проведении гидравлических расчетов заключается в определении коэффициента Шези.

Рядом исследователей предложены собственные универсальные формулы (эмпирические или полуэмпирические зависимости), в той или иной степени описывающие зависимость коэффициента Шези от гидравлического радиуса, величины шероховатости стенок трубопровода и других факторов:

• формула Н, Н. Павловского:

где п — относительная шероховатость стенки трубы; для определения показателя степени у используется формула

у=2,5·√n-0,13-0,75·√R·(√n-0,1)

• формула А. Маннинга:

• формула А. Д. Альтшуля и В. А. Лудова для определения у.

у=0,57-0,22·lgC

• формула А. А. Карпинского:

у=0,29-0,0021·С.

На базе указанных и других аналогичных зависимостей построены таблицы гидравлического расчета и номограммы, которые позволяют инженерам-проектировщи- кам проводить гидравлический расчет безнапорных сетей и каналов из различных материалов. Расчет безнапорных самотечных трубопроводов рекомендуется производить с использованием известной формулы Дарси — Вейсбаха:

i=λ/4R · V 2 /2g

где λ — коэффициент гидравлического трения; g — ускорение свободного падения, м/с 2 .

Коэффициент Шези можно определить как:

Наиболее апробированными и лучше других согласующимися с опытными данными, из отмеченных ранее формул, полученных отечественными исследователями, являются формулы Н. Н. Павловского. Справедливость этих формул подтверждена и проверена инженерной практикой, и не вызывает сомнений возможность дальнейшего их использования для гидравлического расчета безнапорных сетей из керамики, бетона и кирпича, т. е. тех материалов, где коэффициент шероховатости п составляет порядка 0,013-0,014, а также полимерных с определенными поправочными коэффициентами.

Современные тенденции широкого использования новых труб из различных материалов (в том числе полимерных) в период ремонта и реконструкции старых сетей приводят к тому, что водоотводящая сеть городов из года в год становится все более разнородной, что сказывается на трудностях оценки гидравлических показателей, а также на затруднении эксплуатации, так как для каждого разнородного участка трубопровода должны применяться соответствующие методы обслуживания (например, прочистки и т. д.).

Для трубопроводов из новых материалов на сегодняшний день пока нет строгих гидравлических зависимостей изменения коэффициентов С и λ, Более того, каждый производитель новых типов труб обнародует свои, подчас необъективные критерии оценки гидравлической совместимости труб из различных материалов. Задача еще более усугубляется, когда таких материалов много и каждый из них находит свою нишу при ремонте сетей. В результате появляется некое подобие сети с «заплатками». Это не исключает гидравлического дисбаланса, т. е. возможных негативных тенденций, связанных с подтоплением в местах стыковки труб или на определенных расстояниях от мест стыковки.

Таким образом, проектировщику на каждый вид материала трубопровода или защитного покрытия желательно иметь унифицированные зависимости изменения гидравлических характеристик, т. е. результаты натурных экспериментов по определению коэффициентов Шези, Дарси и других параметров труб из различных материалов. Отсюда в качестве вывода надо констатировать значимость проведения экспериментальных гидравлических исследований. Полученные в период экспериментов на одном диаметре опытные значения коэффициента Шези могут являться критерием приближенного гидравлического подобия для перехода на другие диаметры.

Выберем сечение 1-1 по свободной поверхности жидкости в резервуаре А, сечение 2-2 - по свободной поверхности жидкости в резервуаре В (рис. 7). Плоскость сравнения совместим с сечением 2-2.

Рисунок 7 - Схема к расчету диаметра самотечного трубопровода

Составим уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2:

В данном случае:

Так как уровни в резервуарах А и В постоянны, то скоростные напоры и равны нулю.

Подставив все значения в уравнение Бернулли (7.1), получим:

Потери напора:

При установившемся режиме уровни в резервуарах постоянны, тогда расход жидкости через самотечный трубопровод равен. Следовательно, средняя скорость жидкости в самотечном трубопроводе:

Подставляя выражение (7.3) с учетом (7.4) в (7.2), получим:

Решение уравнения (7.5) выполним графоаналитическим методом. Задаваясь значением диаметра самотечного трубопровода, построим график зависимости потребного напора

Число Рейнольдса:

Следовательно, режим течения турбулентный. Тогда коэффициент потерь на трение по длине определяем по формуле Альтшуля:

где: - шероховатость чугунных (бывших в употреблении) труб.

Вычислим по формуле (7.5) величину потребного напора для пропуска расхода при значении диаметра самотечного трубопровода:

Так как полученное значение, то последующие значения диаметра нужно уменьшать.

Проведем аналогичные расчеты для ряда других значений диаметра. Результаты расчетов сведем в таблицу 2.

Таблица 2 - Результаты расчета потребного напора

По данным таблицы 2 строим график зависимости (рис. 8) и по значению определяем диаметр самотечного трубопровода.

Рисунок 8 - График зависимости

По графику получаем.

ПОСТРОЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕТИ

При установившемся режиме работы установки, когда расход в системе трубопровода не изменяется со временем, развиваемый насосом напор равен потребному напору установки

Тогда, согласно формуле (4.2), потребный напор установки:

Давление сети:

Построим характеристику сети, используя зависимости (8.1) и (8.2) и методику определения потерь напора, изложенную в п.2.

Зададимся расходом.

Определим средние скорости, режим течения и коэффициенты сопротивления трения для каждого участка трубопровода.

Для трубопровода всасывающей линии диаметром:

число Рейнольдса:

Следовательно, во всасывающей линии режим течения турбулентный.

Для трубопровода диаметром:

средняя скорость движения жидкости:

число Рейнольдса:

Для трубопровода диаметром:

средняя скорость движения жидкости:

число Рейнольдса:

Следовательно, в трубопроводе диаметром режим течения турбулентный.

Для трубопровода диаметром:

средняя скорость движения жидкости:

число Рейнольдса:

Следовательно, в трубопроводе диаметром режим течения турбулентный.

Потери напора во всасывающей линии

где: - потери напора на трение по длине;

Местные потери напора;

и - соответственно коэффициент сопротивления трения и сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии.

Определим коэффициент гидравлического сопротивления по формуле Альтшуля:

Для всасывающей линии местные сопротивления:

всасывающая коробка с обратным клапаном с коэффициентом сопротивления;

задвижка (при полном ее открытии).

Получаем:

Вычислим потери напора во всасывающей линии:

Аналогичным образом определим потери напора в нагнетательной линии:

Так как режим течения в нагнетательной линии на всех участках турбулентный, а область гидравлического сопротивления переходная, то коэффициенты сопротивления трения определим по формуле Альтшуля:

Местные сопротивления нагнетательной линии:

два поворотных колена с коэффициентом сопротивления

регулировочный вентиль с коэффициентом сопротивления

поворотное колено с коэффициентом сопротивления

на участке трубопровода диаметром:

поворотное колено с коэффициентом сопротивления

на участке трубопровода диаметром:

поворотное колено с коэффициентом сопротивления

расходомер Вентури с коэффициентом сопротивления

Вычислим потери напора в нагнетательной линии:

Общие потери напора в трубопроводе:

Потребный напор установки:

Давление сети:

Проведем вычисления для других значений расхода. Результаты вычислений сведем в таблицу 3.

напор трубопровод насосный резервуар

Таблица 3 - Результаты расчетов для построения характеристики сети

Задачи по гидравлическому расчету водоотводящих труб возникают как при проектировании, так и при строительстве и эксплуатации водоотводящих сетей. Основными случаями расчета водоотводящей сети при равномерном установившемся движении сточных вод являются следующие:

а) заданы диаметр, уклон и наполнение труб; требуется определить расход (пропускную способность) и скорость движения сточных вод;

б) заданы диаметр и наполнение труб, а также скорость движения сточных вод; требуется определить расход (пропускную способность) и уклон труб;

в) задан расход и требуется определить диаметр и уклон труб при скорости течения и наполнении, соответствующих требованиям ТКП 45-4.01-56–2012.

Последний вариант гидравлического расчета является наиболее распространенным в практике проектирования, но требует сопоставления стоимости труб и их прокладки, поскольку при уменьшении диаметров увеличивается объем земляных работ, так как для сохранения при этом пропускной способности надо увеличить скорость, следовательно, и уклон труб. Затем по заданному расходу устанавливаются наполнение и скорость движения сточных вод. Если при этом наполнение равно или близко к требуемому значению по ТКП 45-4.01-56–2012, то диаметр участка может считаться принятым. Если наполнение значительно отличается от максимально допускаемых значений, то диаметр при заниженном наполнении велик, а при завышенном наполнении мал. При завышенном наполнении труб можно или увеличить уклон, сохраняя диаметр, или увеличить диаметр, проведя технико-экономическое сравнение вариантов этого проектного решения. Одновременно производится проверка соответствия величин скоростей условиям незаиливаемости труб.

Необходимо иметь в виду, что увеличение уклона уменьшает наполнение труб при постоянном расходе, но увеличивает скорости, а уменьшение уклона увеличивает наполнение, но уменьшает скорости. Во всех случаях наполнение труб должно быть по возможности близким к допускаемому значению по ТКП 45-4.01-56–2012, а принимаемые уклоны – обеспечивать минимально возможные заглубления труб, минимально возможное количество перекачек и незаиливающие скорости.

Бытовая водоотводящая сеть рассчитывается на неполное заполнение труб. Это делается для того, чтобы обеспечить транспортирование плавающих веществ, удаление из сети вредных и взрывоопасных газов, а также для получения некоторого запаса в сечении труб, рассчитанного на неравномерное поступление сточных вод. Отношение высоты слоя воды (h) к диаметру трубы (d) называют ее наполнением. Частичное наполнение, соответствующее пропуску расчетного расхода, называется расчетным. Наполнение труб при самотечном режиме их работы нормируется ТКП 45-4.01-56–2012.

Расчетное наполнение трубопроводов в зависимости от диаметров труб должно приниматься не более:

Если наполнение труб диаметром 150–200 мм получается меньше расчетного, то участки таких трубопроводов не рассчитывают и скорость движения сточных вод в них не определяется.

Расчетное наполнение трубопроводов и каналов с поперечным сечением любой формы надлежит принимать не более 0,7 высоты, а каналов прямоугольного поперечного сечения – не более 0,75 высоты. Для трубопроводов дождевой сети и общесплавных коллекторов полураздельной системы водоотведения следует принимать полное расчетное наполнение.

Расчет водоотводящей сети выполняют, исходя из средней скорости. Средняя скорость потока получается как частное от деления расхода (q) на площадь живого сечения (w). Под самоочищающей скоростью при максимальном расчетном расходе понимают такую минимальную среднюю скорость потока, при которой взвешенные частицы из потока не выпадают. При расчетах водоотводящей сети назначают такую скорость потока, которая при расчетном наполнении будет не меньше, чем минимальная самоочичающая. При расчетном наполнении труб следует принимать следующие скорости движения потока (м/с) для труб с диаметром:

Для бытовых сточных вод с крупностью взвеси в 1 мм минимально допустимая скорость течения, при которой трубы не заиливаются, может определяться по формуле, предложенной Н. Ф. Федоровым:

где ν min – незаиливающая скорость, м/с;

R – гидравличиский радиус, м;

n = 0,35 + 0,5R – показатель степени корня.

Наименьшую расчетную скорость движения осветленных или биологически очищенных сточных вод в открытых лотках и самотечных трубопроводах допускается принимать 0,4 м/с.

Максимальная расчетная скорость движения сточных вод не должна быть опасной для механической прочности труб, по которым транспортируются вместе со сточными водами твердые вещества (галька, песок, обломки металла и т. д.). В соответствии с требованиями ТКП 45-4.01-56–2012 максимальная расчетная скорость движения сточных вод в металлических трубах должна быть не более 8 м/с, а в неметаллических – 4 м/с. Для дождевой сети – соответственно 10 и 7 м/с.

При расчетном наполнении для всех систем водоотведения в соответствии с ТКП 45-4.01-56–2012 рекомендуется принимать следующие наименьшие уклоны:

В зависимости от местных условий при неблагоприятном рельефе местности для отдельных коллекторов и участков уличной сети для труб диаметром 200 мм допускается уклон 0,005.

Наименьшие уклоны труб бытовой водоотводящей сети принимаются для труб диаметром: 150 мм – 0,008; 200 мм – 0,005; 250 мм и более – определяются гидравлическим расчетом в зависимости от допускаемых минимальных скоростей.

Уклоны менее 0,0005 не допускаются в связи с усилением засоряемости сетей и, следовательно, удорожанием эксплуатации их, а также в связи с трудностями выдерживания такого уклона при строительстве сетей.

Наименьшим уклоном называется уклон, обеспечивающий при расчетном заполнении незаиливающую скорость. Если наполнение труб диаметром 150 и 200 мм на отдельных участках, уложенных с нормативным уклоном, получается меньше расчетного, то такие участки считаются безрасчетными и скорости течения в них не определяются, а уклоны принимаются соответственно 0,008 и 0,005. Для ориентировочного назначения наименьшего уклона иногда используют формулу

(4.5)

Важнейшим этапом проектирования водоотводящей сети является гидравлический расчет, в итоге которого строится продольный профиль коллекторов. Продольный профиль представляет собой вертикальный разрез – разверстку верхнего слоя земли с запроектированным трубопроводом в направлении движения воды. Гидравлический расчет начинают с диктующих точек – начальных, низкорасположенных и наиболее удаленных точек схемы водоотведения. При построении продольного профиля от диктующих точек заглубление трубопровода получается наибольшим. Поэтому обеспечивается самотечное присоединение других более благоприятно расположенных всех боковых веток трубопроводов к проектируемому коллектору. Участок от диктующей точки до коллектора принято называть диктующей веткой. При построении продольного профиля трубопровода решается вопрос о соединении труб по высоте. В инженерной практике применяются два способа соединения труб в расчетной точке: «шелыга в шелыгу» и «по уровням воды». Опыт эксплуатации показывает, что для объектов водоотведения, имеющих равнинный характер со слабо выраженным рельефом местности, предпочтительны соединения труб одинакового диаметра «по уровням воды», а разного диаметра – «шелыга в шелыгу».

Трубопроводы служат руслами, по которым перекачиваются жидкости. Жидкость движется по трубопроводу потому, что её энергия в начале трубопровода больше, чем в конце. Этот перепад энергий создаётся, как правило, насосом, а иногда за счёт разности высот начала и конца трубы. В горной промышленности приходится иметь дело, главным образом, с такими трубопроводами, движение жидкости в которых обусловлено работой насосов.

При расчетах напорных трубопроводов основной задачей является либо определение пропускной способности (расхода), либо потери напора на том или ином участке, равно как и на всей длине, либо диаметра трубопровода на заданных расходе и потерях напора.

В практике трубопроводы делятся на короткие и длинные . К первым относятся все трубопроводы, в которых местные потери напора превышают 5…10% потерь напора по длине. При расчетах таких трубопроводов обязательно учитывают потери напора в местных сопротивлениях. К ним относят, к примеру, маслопроводы объемных передач.

Ко вторым относятся трубопроводы, в которых местные потери меньше 5…10% потерь напора по длине. Их расчет ведется без учета местных потерь. К таким трубопроводам относятся, например, магистральные водоводы, нефтепроводы.

Учитывая гидравлическую схему работы длинных трубопроводов, их можно разделить также на простые и сложные . Простыми называются последовательно соединенные трубопроводы одного или различных сечений, не имеющих никаких ответвлений. К сложным трубопроводам относятся системы труб с одним или несколькими ответвлениями, параллельными ветвями и т.д. К сложным относятся и так называемые кольцевые трубопроводы.

Классификация трубопроводов

1) По материалу стенок труб трубопроводы бывают стальные, чугунные, железобетонные, пластмассовые, асбестоцементные, резиновые шланги и т.д.

2) По роду перекачиваемой жидкости - водопроводы, нефтепроводы, маслопроводы и т.д.

3) По конфигурации:

а) простые - это трубопроводы, не имеющие ответвлений;

б) сложные - это трубопроводы, имеющие хотя бы одно ответвление.

Простой трубопровод постоянного сечения

Пусть простой трубопровод постоянного сечения расположен произвольно в пространстве (рисунок 69), имеет общую длину , диаметр d = сonst и содержит ряд местных сопротивлений, например, задвижку, фильтр и обратный клапан. В начальном сечении 1 - 1 геометрическая высота равна z 1 и избыточное давление p 1 , а в конечном сечении 2- 2 соответственно z 2 и р 2 .

Скорость потока в этих сечениях вследствие постоянства диаметра трубы одинакова и равна u.

Запишем уравнение Бернулли для сечений 1- 1и 2- 2, считая a 1 = a 2 = 1 (как при турбулентном режиме) и исключая скоростные напоры вследствие равенства скоростей:

(91)

Пьезометрическую высоту, стоящую в левой части уравнения (91) назовем потребным напором

разность высот начала и конца трубопровода обозначим

Тогда уравнение (91):

(92)

Учитывая, что полные потери напора в виде степенной функции расхода можно записать в виде

равенство (92) можно записать:

(93)

где сопротивление трубопровода.

Формулы (92) и (93) являются основными для расчёта простых трубопроводов постоянного сечения.

Самотечный трубопровод

Самотечный трубопровод - это такой простой трубопровод постоянного сечения, движение жидкости по которому происходит лишь за счёт разности высот начала и конца трубопровода (рис. 70).

Рисунок 70 - Схема самотечного трубопровода

Для простого трубопровода постоянного сечения справедливо ранее полученное равенство (92):

(94)

В данном случае

Р 2 = Р атм,

Тогда равенство (94) примет вид:

или после сокращения

(95)

по этому равенству рассчитывается самотечный трубопровод, оно показывает, что весь имеющийся напор идёт на преодоление гидравлических сопротивлений h п.

Учитывая, что равенство (95) запишется:

откуда расход жидкости в самотечном трубопроводе:

где а - сопротивление трубопровода, рассчитывается по полученной выше по формуле:

Сифонный трубопровод

Сифонный трубопровод - это такой простой трубопровод постоянного сечения, часть которого расположена выше питающего его резервуара (рисунок 71).

Для того чтобы сифонный трубопровод начал работать, необходимо его заполнить жидкостью, удалив воздух. Этого можно достигнуть путем повышения временно уровня резервуара (или давления в начале трубы) выше наивысшей точки сифона (уровня z)или путем отсасывания воздуха из сифона в наивысшей точке, благодаря чему под атмосферным давлением на уровнях I - I и II - II трубопровод заполнится жидкостью. Наконец, можно запереть концы сифона и залить его жидкостью через верхнюю точку, где одновременно выпускают заполнявший трубу воздух. После сплошного заполнения сифона жидкостью он начинает работать как обыкновенная труба. Расчетом обычно определяют пропускную способность сифона и предельное значение высоты z.

Так как сифонный трубопровод - это простой трубопровод постоянного сечения, то для него справедлива формула (93):

(96)

Проанализируем эту формулу для сечений I - I и III - III (плоскость сравнения проходит по сечению III - III):

Тогда формула (96) примет вид:

или после сокращений

откуда найдётся расход Q по сифонному трубопроводу:

где а - сопротивление трубопровода, рассчитывается по полученной выше по формуле:

Для определения высоты z , на которую может подняться жидкость в сифонном трубопроводе, составим уравнение Бернулли для сечений I - I и II - II:

(97)

Если плоскость сравнения 0 - 0, совпадает с поверхностью жидкости в резервуаре 1, то z 1 = 0; Р 1 = Р а; u 1 » 0; a I = a II = 1 (принимаем режим движения жидкости турбулентным); z II = z; р II > p н.п. - давление в сечении II - II должно быть больше давления насыщенных паров жидкости p н.п. - давления, при котором жидкость закипает при данной температуре, иначе наблюдается явление кавитации - самовскипания жидкости в замкнутом объёме и образующиеся при этом пузырьки пара приводят к срыву работы сифонного трубопровода.