Движение жидкости в самотечных трубопроводах. Определение диаметров самотечных трубопроводов Система промывки кассетных фИльтров, оголовков и самотечных труб

Диаметры самотечных и всасывающих трубопроводов определяют по рас­четному расходу при нормальном режиме работы водозабора и скорости дви­жения воды в трубах определяется по формуле (16):

где
- расчетный расход одной секции;

- допустимая расчетная скорость в трубопроводе (1табл. 2.2, 2.3).

Скорости в самотечных трубах должны быть проверены:

а) на незаиляемость транспортируемых по трубе диаметром D (м) мелкими наносами в количестве  (кг/м 3), имеющими средневзвешенную гидравлическую крупность  (м/с). (табл. 9):

, м/с, (17)

где
;

с - коэффициент Шези.

Незаиливающую скорость
можно также определить по формуле (18):

(18)

где = 8g/c 2 - коэффициент гидравлического трения.

Для частиц взвеси крупностью d = 1 мм с гидравлической крупностью

= 0,094 м/с значения следующие:

б) на подвижность попадающих в водовод влекомых наносов крупностью мм:

, м/с (19)

1.7 Выбор способа и расчет системы промыва элементов

Хотя скорость в самотечных водоводах назначают больше незаиливающей, полностью исключить осаждение взвеси невозможно, поэтому пре­дусматрива­ется промыв трубопроводов.

Для обеспечения требуемой промывной скорости
необходимы расходы (
), превышающие нормальную работу самотечной линии. Для ряжевых фильтрующих водоприемников
для фильтров с приемом воды снизу вверх
для отверстий, расположенных в вертикальной плоскости и огражденных сороудерживающими решетками
для фильтрующих рыбозаградительных кассет, установленных в вертикальной плоскости
Промывка самотечной линии может быть прямой – при движении промывной воды от оголовка к ко­лодцу, обратной – движение промывной воды от колодца к оголовку и импульсной.

Для прямой промывки необходимо увеличить скорость движения воды в промывочных трубах уменьшением на время промывки число работающих са­мотечных линий. При выключении одной из двух линий и заборе того же коли­чества воды, которое забиралось до промывки, но через 1 самотечную линию, скорость промыва в трубе увеличивается в 2 раза; при выключении одной из трех самотечных труб скорости в двух промывочных трубопроводах увеличи­вается в 1,5 раза. При прямой промывке на время закрытия одной из линий ме­жду водоисточником и береговым колодцем создается определенный перепад уровней воды. Затем задвижка этой линии быстро открывается, и вода по ней с большей скоростью устремляется в береговой колодец, вынося из него все от­ложения, которые затем удаляются гидроэлеватором. Такой способ промывки осуществляется при больших уровнях водоисточника.

При обратной промывке самотечные линии соединяются промывными ли­ниями с напорными трубопроводами НС I. Линии 350 ÷ 600 мм и более 600 мм промываются водовоздушным или импульсным способом. Для этого в колодце на выходе из самотечной линии устанавливают герметически закрывающийся затвор. Перед ним подключают к линии напорную колонну высотой 6 ÷ 8 м и диаметром в 1,5 ÷ 3 раза больше диаметра промывной линии. Вверху в колонне с помощью патрубка подключают вакуум насос для создания в ней разряжения. Если в самотечной линии в период промывки закрыть затвор и создать в напор­ной колонне вакуум, вода поднимется в ней в соответствии степени разряжения уровня. При срыве вакуума в колонне находящаяся в ней вода устремляется в самотечную линию и образовавшимся током промывает отверстия оголовка. Промыв повторяют несколько раз и осуществляют в период низкого уровня воды в источнике. При расходах воды на промывку более 5%
применяют обратную водовоздушную промывку или импульсную, сжатым воздухом.

Гидравлические характеристики коллекторов определяются их наибольшей пропускной способностью при заданном уклоне и площади живого сечения потока. Для проектирования бытовых водоотводящих сетей принимается безнапорный режим движения жидкости с частичным (0,5-0,8) наполнением труб. Следует иметь в виду, что в сетях, предназначенных для транспортировки дождевых вод, расчетные расходы наблюдаются не чаще одного раза в несколько лет. Следовательно, водоотводящие сети работают в безнапорном режиме при частичном заполнении. Этот режим обладает рядом преимуществ перед напорным. В бытовых и производственно-бытовых сетях необходимо обеспечивать некоторый резерв живого сечения трубопровода. Через свободную от воды верхнюю часть сечения трубы осуществляется вентиляция разветвленной водоотводящей сети. При этом из трубопровода непрерывно удаляются образующиеся в воде газы, которые вызывают коррозию трубопроводов и сооружений на них, осложняют эксплуатацию водоотводящих сетей и т.п.

В сточных водах также содержатся нерастворенные примеси органического и минерального происхождения. Первые имеют небольшую плотность и хорошо транспортируются потоком воды. Вторые (песок, бой стекла, шлаки и др.) имеют значительную плотность и транспортируются лишь при определенных скоростях турбулентного режима движения жидкости. Поэтому важнейшим условием проектирования водоотводящих сетей является обеспечение в трубопроводах при расчетных расходах необходимых скоростей движения жидкости, исключающих образование плотных несмываемых отложений. Для проведения гидравлических расчетов гофрированных двухслойных труб КОРСИС могут использоваться гидравлические формулы, номограммы и таблицы в соответствии с требованиями СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения» и СП 40-102-2000 «Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования». Расчет самотечных трубопроводов заключается в определении их диаметра, уклона и параметров работы - наполнения и скорости. Обычно исходным для расчета является расход, который определяется в первую очередь.

Где q - расчетный расход; ; - площадь живого сечения; v - скорость; С - коэффициент Шези; ; - гидравлический радиус; ; - смоченный периметр; i = hl /L - уклон лотка; hl - падение лотка на длине L .

В формуле Шези принято, что гидравлический уклон L равен уклону лотка i , так как движение воды равномерное.
Для определения коэффициента Шези рекомендуется формула Н. Н. Павловского (при 0,1

где y - показатель степени, определяемый по формуле:

Где n - коэффициент шероховатости, зависящий от состояния стенок трубопровода.

Для приблизительных расчетов Н. Н. Павловский рекомендовал следующие формулы:

При y = 1/6 формула для С (коєфициента Шези) известна как формула Маннинга, справедливая для турбулентного режима жидкости.

Известно, что максимальный расход воды в трубах наблюдается при наполнении h/d=0,95, поэтому наполнение больше этого значения принимать нецелесообразно. Расчетные наполнения рекомендуется принимать даже меньше этого значения по следующим причинам. Во-первых, при определении расчетных расходов не учитывается колебание значений в пределах часа суток, когда может наблюдаться максимальный расход. Данное колебание может быть как в меньшую, так и в большую сторону. Во-вторых, вследствие неравномерности движения воды, наполнение отдельных участков трубопровода может бать больше расчетного. В целях исключения подтопления при расчетных условиях наполнение в трубопроводах бытовой водоотводящей сети рекомендуется принимать не более 0,8. Рекомендуемые максимальные значения степени наполнения приведены в Таблице.

В трубопроводах ливневой канализации и водостоках полных раздельных систем водоотведения, а также в общесплавных трубопроводах при расчетных условиях наполнение рекомендуется принимать равным 1, т.е. полным. Это объясняется тем, что расчетные условия в этих трубопроводах наблюдаются весьма редко. Таким образом, значительную часть времени эти трубопроводы будут работать при частичном наполнении. Расход сточных вод в водоотводящих сетях изменяется в широких пределах от определенного минимального до известного максимального, который принимается за расчетный. Обеспечить возможность транспортированиявсех примесей потоком во всем диапазоне расходов, в том числе и при минимальном, не представляется возможным, так как это потребувало бы прокладки трубопроводов 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. Таким образом, при минимальных рас ходах в трубопроводах допускаются отложения, но при достижении расчетного расхода трубопроводы должны самоочищаться. Здесь вводится понятие скорости самоочистки - минимальной скорости, которая должна обеспечиваться в водоотводящих сетях при расчетном расходе.

Если в формулу Шези подставить минимальную скорость, то можно получить минимальный уклон, при котором трубопровод самоочищается. Минимальные диаметры и уклоны водоотводящей сети приведены в Таблице.

Содержащиеся в сточных водах песок и другие минеральные примеси являются абразивними материалами, истирающими стенки трубопроводов. При этом интенсивность истирания пропорциональна скорости потока. 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 труб.

Для определения минимального уклона можно использовать следующую формулу:

где d - диаметр трубопровода, мм; - коэффициент, равный:

1 при d = 500 мм,
1,1 при d = 600-800 мм,
1,3 при d = 1000-1200 мм.

Расчет трубопроводов по формулам чрезвычайно сложен. Методы решения различных задач по расчету трубопроводов изложены в специальной литературе При проектировании водоотводящих сетей требуется выполнять расчеты большого числа отдельных участков трубопроводов с различными условиями проектирования. Их расчет производится с применением тех или иных упрощающих приемов, при которых используются разработанные таблицы, графики, диаграммы.

На рисунке приведены кривые изменения скоростей v и расходов q в трубах круглого сечения в зависимости от степени их наполнения. По оси ординат отложены степени наполнения h/d , а по оси абсцисс - соответствующие этим наполнениям скорости v и расходы q, выраженные в долях от скорости и расхода при полном наполнении. Диаметр самотечного трубопровода может быть определен по номограмме в зависимости от скорости течения жидкости, уклона трубопровода и величины расчетного рас хода стоков. Номограммы представляют собой графическое отображение формулы КолбрукаУайта. При условии, что температура воды составляет 10°С, а шероховатость трубопровода -0,00025 м. Наполнение трубы - это соотношение уровня воды (Н) к внутреннему диаметру трубы (Di).

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».

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

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.