Определение диаметров самотечных трубопроводов. Определение диаметров самотечных трубопроводов Простой трубопровод постоянного сечения

Сточные воды в канализационной сети должны двигаться с такой скоростью, чтобы из них на трассе не осаждалось твёрдое содержимое. В противном случае оно со временем неизбежно приведёт к заиливанию элементов транспортирования - трубопроводов или лотков.

Но существует и верхний предел скорости потока. Твёрдые частицы в воде, движущейся с большой скоростью, повышают механическое истирание поверхности коллекторов.

Расчётные скорости

Максимальная расчётная скорость - это предельная скорость течения сточных вод в каналах и трубах, при которой материалу коллекторов не наносятся механические повреждения.

Минимальная расчётная скорость (критическая) - наименьшая скорость течения, потребная для предотвращения заиливания труб и коллекторов.

Средняя скорость сточных вод - отношение расхода Q сточных вод в линии к величине её живого сечения ω:

v = Q/ω м/сек.

Скорости течения в различных местах поперечного сечения потока на самом деле неодинаковы. Чем ближе к середине (ядру) потока, тем они больше, чем у дна и стенок. Донная и пристеночная скорости минимальны. Рассчитывать канализационную сеть на донные и пристеночные скорости невозможно из-за высокой сложности таких расчётов. Поэтому базовой величиной, из которой исходят при проектировании, является транспортирующая способность потока. Она определяется через расчётную скорость течения. Главный критерий определения этой скорости - обеспечение самоочищения коллекторов и труб.

Для линий с самотёком нужная скорость обеспечивается правильной величиной уклона. Там, где уклон невозможен, используются канализационные насосы соответствующей мощности.

Расчётная скорость - это скорость протекания сточных вод при расчётных (максимальных) величинах расхода и, соответственно, наполнения. Расчётные скорости должны находиться между предельно допустимыми её величинами в канале - максимальной и минимальной.

За максимальную расчётную скорость движения сточных вод по нормам следует принимать для

• металлических труб - не более 8 м/сек;
• неметаллических (железобетонных, бетонных, асбестоцементных, керамических и прочих) - до 4 м/сек.

На величину расчётных самоочищающих каналы и трубы скоростей движения стоков влияют такие параметры как гидравлический радиус или степень наполнения и крупность взвешенных веществ, имеющихся в сточных водах.

Минимальная расчётная скорость течения в трубопроводах не прошедших очистки бытовых и дождевых сточных вод при расчётной величине наполнения указана в соответствующих СНиП.

Если наполнение труб канализационной сети не является расчётным, то скорость их самоочищения vн (индекс «н» означает «незаиливающая») вычисляется по формуле, предложенной профессором Н. Ф. Федоровым:

• R — гидравлический радиус в м;
• n - показатель степени корня (3,5 + 0,5R).

Наименьшая расчётная скорость в лотках и трубах для сточных вод осветлённых или очищенных биологическими способами может приниматься равной 0,4 м/сек.

В дюкерах с диаметрами до 800 мм в качестве нижнего предела расчётных скоростей для неосветлённых сточных вод принимается величина 1 м/сек. Для диаметров больше 80 см vн определяется также по формуле Фёдорова.

Сточные воды должны подходить к дюкеру со скоростью не выше расчётной скорости в самом дюкере. При этом нужно соблюдать минимальные величины, которые были указаны выше или вычислены по формуле Фёдорова.

Для того, чтобы коллекторы самоочищались, скорость по пути потока должна постоянно увеличиваться. Необходимые величины скорости задаются уклонами трубопроводов. Минимальные значения уклонов для любых систем канализации при расчётном их наполнении труб с диаметрами:

• 150 мм - 0,007;
• 200 мм - 0,005;
• 1250 мм и выше - 0,0005.

Нагрузка начальных отрезков сети канализации с трубопроводами 200 мм и менее практически никогда не достигает расчётной. Поэтому скорость в них не вычисляется, и они называются безрасчётными.

Для канализационных же трубопроводов с диаметром больше 200 мм нужные минимальные уклоны необходимо рассчитывать с учётом обеспечения скорости течения, гарантирующей самоочищение коллектора. Вполне удовлетворительные результаты даёт для этого простейшая эмпирическая формула:

Здесь диаметр трубы d берётся в мм.

К безнапорным (самотечным) трубопроводам относятся канали­зационные трубы, водосточные каналы (ливнеспуски), самотечные нефтепроводные и водопроводные трубы и т.д.

Наиболее распространенными формами сечений безнапорных трубопроводов являются: круглое (рис.5), овоидальное (рис.5) и лотковое (рис.5). Эти сечения характеризуются интересной гидравлической особенностью: наибольший расход и наибольшая скорость в них имеют место не при полном, а лишь при частичном наполнении.

Объясняется это тем, что при заполнении верхней части подобных сечений смоченный периметр растет быстрее, чем площадь, и поэтому начинает уменьшаться гидравлический радиус, что приводит одновременно к уменьшению скорости и расхода.

Гидравлические расчеты безнапорных трубопроводов выполняются аналогично расчетам открытых каналов, что естественно, поскольку безнапорный трубопровод представляет собой по существу также открытый канал; отличием трубопроводов от каналов в гидравлическом смысле является только отмеченное выше уменьшение гидравлического радиуса трубопроводов при заполнении его верхней части, в то время как гидравлический радиус каналом все время возрастает с увеличением наполнения.

Рис.6 Рис.7

Для упрощения расчетов значения характеристик трубопроводом (площади сечения, гидравлического радиуса и величин и зависящие от глубины наполнения, могут быть вычислены для определенных форм сечения заранее.

Если обозначить через W 0 и значения модуля скорости и модуля расхода при полном наполнении h 0 трубопровода, а теми же буквами без индекса –их значения при некотором частичном наполнении h, можно вычислить значения отношений

в зависимости от ; получающиеся при этом зависимости для трубопроводов круглого, оваидального и лоткового сечений представлены в виде графиков на рис.6, 7, 8. Пользуясь этими графиками, значения скорости и расхода Q при частичном наполнении можно находить по формулам

8.5. Безнапорное движение при ламинарном режиме

На практике, например при сливе весьма вязких нефтей и нефтепродуктов и их течении в открытых лотках и самотечных трубах, при решении некоторых задач в области химического и нефтезаводского аппаратостроения, иногда приходится встречаться с ламинарным безнапорным движением жидкости.

В этом случае оказывается возможным определить теоретическим путем потери напора (подобно тому, как при ламинарном движении в напорных трубах) и получать расчетные зависимости для расхода. Не приводя здесь соответствующих решений, математически обычно весьма сложных и громоздких, ограничимся лишь сводкой некоторых расчетных формул для каналов наиболее часто применяемых форм поперечных сечении. По И.А.Чарному, для канала прямоугольного сечения при глубине потока h и ширине b расход жидкости может быть подсчитан по формуле

где i –уклон дна канала; g –ускорение силы тяжести; v –кинематическая вязкость жидкости.

Если глубина потока весьма мала по сравнению с шириной, то

Для канала трапецеидальной формы гидравлически наивыгоднейшего сечения с углом

Для полукруглого канала

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

→ Системы водоотведения

Гидравлический расчет самотечных трубопроводов

Расчет самотечных трубопроводов заключается в определении их диаметра (или размеров коллектора, если он имеет не круглую форму), уклона и параметров их работы – наполнения и скорости. Обычно предварительно определяется расход, который является исходным для расчета. Расчет трубопроводов – не только гидравлическая задача. Полученные результаты должны удовлетворять технологическим и экономическим требованиям, о которых будет сказано ниже.

В целях упрощения гидравлических расчетов водоотводящих сетей движение воды в них условно принимается установившимся и равномерным. По поводу расчета самотечных трубопроводов существует две точки зрения.

По формуле (2.7) коэффициент Л (следовательно, и коэффициент С) зависят не только от относительной шероховатости, но и от числа Рейнольдса. Эта формула справедлива для всех трех областей турбулентного режима движения жидкости: областей гладкого, вполне шероховатого трения и переходной области между ними. Исследования показали, что трубопроводы водоотводящих сетей работают в области вполне шероховатого трения. Для возможных условий проектирования расчеты по формулам (2.1) – (2.3) и (2.6) – (2.7) дают практически одинаковые результаты.

Известно, что максимальный расход воды в трубах наблюдается при наполнении h/d= 0,95. Поэтому наполнение, большее этого значения, принимать нецелесообразно. Однако, расчетные наполнения рекомендуется принимать даже меньше этого значения по следующим двум причинам. Во-первых, при определении расчетных расходов не учитывается колебание расходов в пределах часа суток, когда может наблюдаться максимальный расход. А это колебание может быть и в меньшую, и в большую стороны. Во-вторых, вследствие неравномерности движения воды, наполнение в трубопроводе в отдельных местах может быть больше расчетного. В целях исключения подтопления трубопроводов при расчетных условиях наполнение в трубопроводах бытовой водоотводящей сети рекомендуется принимать не более 0,8.

В трубопроводах дождевых сетей (водостоках) полных раздельных систем водоотведения, а также в общесплавных трубопроводах и общесплавных коллекторах полураздельных систем водоотведения при расчетных условиях наполнение рекомендуется принимать равным 1, т. е. полным. Это объясняется тем, что расчетные условия в этих трубопроводах наблюдаются весьма редко – 1 раз в 0,25-10 лет. Таким образом, значительную часть времени эти трубопроводы также будут работать при частичном наполнении.

Содержащиеся в сточных водах нерастворенные примеси способны выпадать в осадок, уменьшать сечение трубопроводов и вызывать их полное засорение. Наиболее сложно транспортируются потоком воды минеральные примеси, обладающие большой плотностью. Транспортирование нерастворенных примесей потоком является следствием его турбулентности. При определенных малых скоростях взвешенные вещества осаждаются на дно и образуют плотный слой осадка. При достижении определенной скорости осадок приходит в движение, образуя слой осадка, имеющий форму непрерывных гряд, которые движутся в направлении потока, но с меньшей скоростью (рис. 2.4). Скорость, соответствующая началу движения осадка, называется размывающей. При дальнейшем увеличении скорости и достижении определенного значения весь осадок взвешивается турбулентным потоком, а трубопровод самоочищается. Скорость, соответствующая этому моменту, называется самоочищающей. Известно также понятие критической скорости. Эта скорость – соответствующая началу осаждения примесей (при уменьшении скорости) или полного самоочищения (при увеличении скорости). Расход сточных вод в водоотводящих сетях изменяется в широких пределах от определенного минимального до известного максимального, который принимается за расчетный. Обеспечить возможность транспортирования всех примесей потоком при любом расходе, в том числе и минимальном, не представляется возможным, так как в этом случае потребовалось бы прокладывать трубопроводы с большими уклонами, а это привело бы к их значительным заглублениям. В настоящее время расчет трубопроводов производится на условии поддержания труб в чистом состоянии при максимальном расчетном расходе. Таком образом, при минимальных расходах в трубопроводах допускаются отложения, но при достижении расчетного расхода трубопроводы должны самоочищаться. Поэтому при расчете широко используется понятие самоочищающая скорость. Это минимальная скорость, которая должна обеспечиваться в водоотводящих сетях при расчетном расходе.

Рис. 2.4. Схема непрерывного передвижения отложений в водоотводящей сети

Профессоры Н. Ф. Федоров и А. М. Курганов минимальную скорость, которую необходимо соблюдать в трубопроводах из условий самоочищения, называют незаиляющей.

Формула (2.11) учитывает крупность песка, который может содержаться в сточной воде. Изменение крупности песка может быть обусловлено видом сточных вод (бытовые, дождевые, производственные), совершенством покрытий проездов, особенностями их содержания и др.

Самоочищающая скорость зависит и от коэффициента шероховатости п, так как важным источником турбулентности потока является шероховатость русла. Если в трубопроводах имеется осадок в виде гряд, то коэффициент и~0,025. Если трубопровод чист, то л~0,014. По формуле (2.11) самоочищающая скорость в первом случае меньше, чем во втором. Первый случай определяет условия самоочищения, а второй – критические условия (условия, исключающие осаждение взвешенных веществ). Формула (2.11) позволяет определять как самоочищающую скорость, так и критическую. Они различны, так как различны шероховатости русел. Но условия турбулентности в описанных двух случаях практически одинаковы.

Содержащиеся в сточных водах песок и другие минеральные примеси являются абразивными материалами, истирающими стенки трубопроводов в результате транспортирования жидкости. При этом интенсивность истирания пропорциональна скорости потока, движущегося в трубе. Поэтому на основании многолетнего опыта эксплуатации водоотводящих сетей установлены максимально допустимые скорости, равные 4 м/с – для неметаллических труб и 8 м/с – для металлических.

Расчет трубопроводов по формулам (2.1) – (2.4) или другим чрезвычайно сложен. Методы решения различных задач по расчету трубопроводов изложены в специальной литературе.

При проектировании водоотводящих сетей требуется выполнять й расчеты большого числа отдельных участков трубопроводов с различными условиями проектирования. Их расчет производится путем применения тех или иных упрощающих приемов, при которых используются разработанные таблицы, графики, номограммы, различные обобщенные параметры и др.

В настоящее время для расчета самотечных трубопроводов используют различные таблицы, к числу которых относятся таблицы А. А. Луки-1 ных и Н. А. Лукиных (Таблицы для гидравлического расчета канализационных сетей и дюкеров по формуле акад. Н. Н. Павловского. – М.: Стройиздат, 1987) и Н. Ф. Федорова и Л. Е. Волкова (Гидравлический расчет канализационных сетей. -Л.: Стройиздат, 1968). Первые составлены по формулам (2.1) – (2.4), вторые -по формулам (2.6) и (2.7).

Значения расхода сточных вод д и скорости их движения v в трубах d=2Q0 мм

В табл. 2.4 приведена краткая выдержка из первых таблиц для трубопровода диаметром 200 мм. Таблицы содержат значения расхода и скорости при различных наполнениях от 0,05 до 1,0 для всех возможных в инженерной практике диаметров и уклонов труб.

При проектировании водоотводящих сетей предварительно определяют расход. Уклон трубопровода принимают с учетом уклона поверхности земли и руководствуясь экономическими соображениями (минимальными объемом земляных работ и стоимости строительства). Расчет трубопроводов по описанным таблицам сводится к подбору диаметра трубопровода, обеспечивающего пропуск расхода при наполнении, соответствующем самоочищающей скорости.

Этот расчет весьма прост и удобен. Однако для него требуются таблицы большого объема, которые издаются отдельными книгами. Они Должны быть «под рукой» у каждого проектировщика. В то же время, изданные таблицы не охватывают всех возможных в инженерной практике Диаметров и уклонов трубопроводов и параметров их работы.

Аналогично ведется расчет по графикам и номограммам. Он требуют кропотливой работы. В инженерной практике ими пользуются реже.

Диаметр самотечных труб определяется при УНВ по расходу при нормальном режиме работы водозабора и по скорости движения воды 0.7…2.0 м/с (Таблица 14 ).Скорость движения воды в самотечных трубопроводах принимается не менее скорости течения воды в реке при УНВ. Количество самотечных водоводов должно быть не менее двух. При укладке самотечных водоводов путём опускания под воду применяют стальные трубы с усиленной изоляцией.

Водоводы заглубляются под дно реки не менее, чем на 0,8-1,5м на судоходных для защиты от подмыва речным потоком, истирания песком, повреждения якорями судов и плотов. Водоводы не должны иметь резких поворотов, сужений, расширений. Могут укладываться горизонтально, с прямым и обратным уклоном.

Диаметр трубопровода:

где Qр - расчётный расход одной секции, равный 0,8 м3 /с;

Vрасч - расчётная скорость.

Принимаем по сортаменту труб dфакт =800 мм.

Фактическая скорость:

Фактически скорость в самотечных трубах должна отвечать двум условиям:

а) должна быть больше критической, т. е. скорости, при которой не происходит заиливание труб, транспортируемыми наносами:

V ф >Vкр ,

где: -количество наносов, кг/м3 ;

w - средневзвешенная гидравлическая крупность, м/с;

d - диаметр водовода, м;

u - скорость выпадения частиц взвеси в потоке, м/с;

g - ускорение свободного падения, м/с 2 .

Найдем скорость в трубопроводе при аварийном режиме:

Условие V ф >Vкр выполняется, т.к. 1,6>1,406.

б) должна быть больше скорости захватывания в трубе наносов крупностью D, м