Водоснабжение и гидравлический расчет фонтана

В ходе работы студент определяет способ водоснабжения фонтана и проводит необходимый гидравлический расчет.

Одной из важнейших характеристик, определяю­щих место размещения фонтана относительно искусст­венных или естественных источников воды, является его мощность по расходу воды (от 1 до 150 л/сек). Оптимально расход воды фонтана не должен превышать 50-60 л/сек (не вызывать значительное изменение влажности воздуха).

В настоящее время существует прямоточное и оборотное водоснабжение фонтана (рисунок 5). Правильный выбор способа водоснабжения обеспечивает бесперебойную работу фонтана, гарантирует соответствие водной картины проекту и снижает стоимость эксплуатационных затрат.

Рисунок 5 – Способы водоснабжения фонтанов

1— от городского водопровода со сбросом воды в лоток; 2 — от городского водопровода со сбросом воды в сеть водостока; 3 — из различных источников при помощи насоса со сбросом в водосточную систему; 4 — при помощи насоса из специальной емкости для воды или другого источника со сбросом в этот же резервуар (рециркуляция воды); 5 — при помощи насоса из водоема, в котором расположен фонтан со сбросом воды в него же; 6 — из местного источника, расположенного выше форсунки, с прямым сбросом в водоем

Прямоточное водоснабжение фонтанов осуществляется в ряде случаев:

1. При наличии двух водоемов (водотоков) имеющих значительную геодезическую разность высот и связанных между собой водотоком, образующих единую экосистему. В данном случае вода из верхнего водоема, прежде чем попасть в нижний, осуществляет питание фонтана.

2. При расходе фонтана 2-5 л/сек допустимо применение прямоточного водоснабжения от городского водопровода со спуском использованной воды в водосточную сеть.

3. При значительной стоимости электроэнергии и небольшой стоимости воды, допустимо использование прямоточного водоснабжения фонтана из городской сети при расходах более 5 л/сек. В случаях, когда давления в водопроводной сети не достаточно для формирования определенной водной картины, рекомендуется использовать насосы подкачки.

Оборотное водоснабжение фонтанов заключается в повторном использовании отработанной воды, путем ее рециркуляции насосным оборудованием. На сегодняшний день строительство новых фонтанов и реконструкция старых основывается на принципах оборотного водоснабжения (в РГР студент применяет оборотное водоснабжение).

Насосы для подачи воды в системах оборотного водоснабжения фонтана могут быть расположены в насосной станции, в подвале ближайшего здания, в резервуаре под фонтанной чашей или непосредственно в фонтанной чаше.

В конструкции фонтана с оборотным водоснабжением необходимо предусматривать постоянное пополнение воды и поддержание ее на определенном уровне, что достигается устройством в борту фонтана или в скульптурной композиции – ниши с механическим (электронным) сенсором уровня воды и трубопроводом долива воды.

В РГР студент проектирует фонтан (чертеж на листе формата А3) с учетом минимизации потерь воды (рисунок 6).

Рисунок 6 – Продольный профиль фонтана с учетом минимизации потерь воды

1 - приемный лоток, 2 - самотечный трубопровод, 3 - погружной насос с поплавковым клапаном включения, 4 - гидроизолированный аккумуляторный бак, 5 - фильтр, 6-забор воды на фильтрацию

В РГР студент рассчитывает расход и потери воды фонтаном, общий напор по фонтанному трубопроводу. Расход воды в фонтане производится по формуле истечения жидкости через насадки:

Q = μω_НV₀ = μω_Н ,

где Q – расход воды, м³/с;

μ — коэффициент расхода насадки (смотри задание) зависит от ее формы, угла конусности (приложение А21);

ω_Н — площадь поперечного сечения выходного отвер­стия насадки (определяется по диаметру выходного отверстия насадки, приведенного в задании), м²;

h₀ — скоростной напор у насадки или высота фонтанной струи, м (смотри задание);

V₀ — скорость воды при выходе из насадки, м/с.

При движении воды по фонтанному трубопроводу общий напор (Н) тра­тится на преодоление местных потерь (h_м), напора сопротивления по длине трубопро­вода (h_ДЛ) и на создание скоростного напора (h₀) при выходе струи из насадки:

Н = h_м + h_ДЛ + h₀, (м)

Потери на местные сопротивления вычисляются по формуле Вейсбаха:

h_м = (ξм×V²)/2g,

где ξм – коэффициент местного сопротивления;

V – скорость потока в трубе, м/сек.

При поворотах (смотри задание) значение коэффициента местного сопротивления ξм, в зависимости от угла поворота α (смотри задание), принимается по таблице 6 и умножается на количество поворотов.

Таблица 6 – Коэффициент местного сопротивления в зависимости от угла поворота

Скорость потока в трубе определяется по формуле:

V = Q/ω,

где Q – расход воды в трубопроводе (расход воды в фонтане), м³/с;

ω – площадь внутреннего сечения трубы, м².

Площадь внутреннего сечения трубы рассчитывается:

ω = ,

где D – внутренний диаметр трубы (смотри задание), м.

Потери напора по длине трубопровода (h_ДЛ) опреде­ляются по формуле:

h_ДЛ = АLQ²,

где А — удельное сопротивление трубы на 1 пог. м при расходе воды 1 м3/с (таблица 7);

L — длина трубопровода (устанавливается по чертежу продольного профиля фонтана), м;

Q — расход воды в трубопроводе (расход воды в фонтане), м3/с.

Таблица 7– Значение удельного сопротивления трубы в зависимости от внутреннего диаметра трубы

Действительная высота фонтанной струи вследствие сопротивления воздуха и сжатия несколько меньше скоростного напора (h₀). Она вычисляется по формуле Люгера:

h_Д = ,

где h_Д – действительная высота фонтанной струи, м;

φ – коэффициент.

Значение φ в зависимости от диаметра выходного отверстия насадки находится по формуле:

φ = ,

где d_Н – диаметр выходного отверстия насадки (смотри задание), мм.

При устройстве циркуляционных систем водоснабжения фонтанов необходимо учитывать количество воды, теряемой на разбрызгивание, унос ветром и испарение.

Потери на разбрызгивание и унос ветром (в зависимости от конструкции фонтанной насадки, высоты струи и силы ветра), принимаются 1-2% для цилиндрических насадок и 1,5-3% для насадок распыляющих воду, от расхода воды пропускаемой насадкой. При скорости ветра более 2 м/сек. про­исходит снос капель диаметром до 0,5 мм, при скорости 7 м/сек. — диаметром до 3 мм.

В среднем, потери на испарение составляют 0,5-1% от расхода воды пропускаемой насадкой. При применении насадок специальных конструкций, предназначенных для мелкодисперсного разбрызгивания воды (создание эффекта тумана), необходимо добавлять на испарение 1% от расхода воды.

Таким образом, общие потери фонтанного комплекса составят:

Н общ. = Н исп. общ. + Н ветр.,

Количество испаряющейся с поверхности воды в основном зависит от температуры наружного воздуха, его влажности, средней скорости ветра и определяется приближенно по формуле:

Н исп. = 11,6 × (E1 – e₀) × B × t,

где Н исп. - слой испарения в фонтанной чаше за месяц, мм;

11,6 - коэффициент, учитывающий удельную всасывающую атмосферы, мм/мб мес.;

E1 - максимальная упругость водяных паров при заданной температуре (смотри задание) поверхности воды (определяется по таблице 8), мб;

e₀ - парциальное давление водяного пара в воздухе, мб;

Парциальное давление водяного пара в воздухе определяется по формуле:

e₀=μ E₁/100,

где μ - относительная влажность воздуха (смотри задание), %.

В – коэффициент, учитывающий силу ветра, определяется по формуле:

В=1+0,134V_в ,

где V_в - средняя скорость ветра за месяц (определяется студентом по агроклиматическим справочникам или берется по заданию), м/с;

t - расчетное время испарения (за 1 месяц).

Таблица 8 - Значения давления насыщенного пара над плоской

поверхностью воды (Е₁)

При расчетах необходимо учитывать размерность (1мб=100Па)

После определения (Н исп.) и зная общую площадь зеркала воды фонтанного комплекса (устанавливается по чертежу продольного профиля фонтана) студент вычисляет (Н исп. общ.). Потери на разбрызгивание и унос ветром (Н ветр.) принимаются студентом на уровне 2% от расхода воды в фонтане.

В РГР студент выбирает насос согласно рассчитанного расхода воды и общего напора. Различаются две его разновидности: погружной и поверхностный.

Погружной (рисунок 7) используется в тех случаях, когда фонтан расположен в водоеме, а насос установ­лен на дне и вне воды не применяется. Такой насос имеет несколько преимуществ: он абсолютно бесшумен, не требует сложной установки.

Рисунок 7 – Устройство насоса

1— мотор; 2 — корпус мотора; 3 — крыльчатка насоса; 4 — сетка; 5 — выходная труба;

6 — тройник; 7 — кран для подключения дополнительных устройств;

8 — регулятор производительности; 9 — насадка

Работа насоса осуществляется по следующему принципу: вода из источника че­рез фильтр поступает в насос и выбрасывается непосредственно над ним или идет по шлангу к форсунке.

Поверхностный насос в воде не работает, поэтому устанавливается на суше. Доступность в обслужива­нии — его основное преимущество. Также его удобно использовать при конструировании водных сооружений с расходом воды от 4,5 т/час, например несколь­ких фонтанов или крупных водопадов.

Для функционирования фонтана студент подбирает насосное оборудование фирмы Grundfos (стоимость 200-400 у.е.).

Данное оборудование изготовлено из нержавеющей стали, имеет одноступенчатый погружной блочный агрегат (с вертикальным нагнетательным патрубком и фильтром в основании). Электродвигатель однофазный, с защитой встроенного термовыключателя. Насосное оборудование обеспечивает расход воды до 35 м³/час, напор до 18 м, имеет диапазон рабочей температуры от 0ºС до плюс 55ºС, диаметр условного прохода патрубка до 50 мм, электропитание в 220 В (50 Гц). В таблице 9 представлен модельный ряд насосов фирмы Grundfos.

Таблица 9 - Эксплуатационные характеристики насосов

Для обеспечения чистоты водной среды, при проектировании и строительстве фонтана необходимо предусмотреть систему фильтрации. В зависимости от габаритов, объема и типа инженерной схемы устройства циркуляции воды, подбирается фильтровальное оборудование.

Студент в РГР может применить серию напорных фильтров Filtoclear 3000 -15000 производства компании «OASE» (стоимость 270-560 у.е.). Фильтры подходят для многофункционального использования, встроенная в корпус УФ лампа позволяет сочетать в этой серии все необходимые функции, для очистки воды в фонтанах, прудах, водопадах. В таблице 10 представлен модельный напорных фильтров Filtoclear.

Таблица 10 - Эксплуатационные характеристикинапорных фильтров

После определения расхода и потерь воды в фонтане, подбора насосного оборудования студенту необходимо провести технико-экономический расчет способов водоснабжения фонтана по основным показателям, после чего сравнить их.

Схема с прямоточным водоснабжением применима в следующем случае:

N_ф P_эл > Q_ф P_в,

где N_ф - мощность потребляемая насосом в кВт/часах,

P_эл - стоимость 1 кВт/часа электроэнергии, руб.,

Q_ф - расход воды фонтаном в куб.м/час,

P_в - стоимость 1 куб.м воды, руб.

Схема с оборотным водоснабжением применяется при:

N_ф P_эл < Q_ф P_в.

Такой расчет можно рассмотреть на данном примере:

1. Расход воды фонтаном (Q_ф) = 2,4 м³/ч.

2. Мощность потребляемая насосом (N_ф) =0,095 кВт/час.

3. Потери воды на испарение и брызгоунос составляет (Q_пот.) = 0,048 м³/ч.

4. Стоимость 1 куб.м воды (P_в) = 13,93 руб.

5. Стоимость 1 кВт/часа электроэнергии (P_эл) = 1,66 руб.

6. Стоимость насоса (G) = 8 600 руб.

7. Амортизация насоса составляет 12,5 % в год. (Ам) = 1075 руб./год = 2.95 руб./сут.

8. Время работы фонтана в сутки (Т) = 10 часов.

При прямоточной системе водоснабжения затраты составят:

С_пр. = Q_ф × P_в × Т × 2,

где 2 - коэффициент учитывающий стоимость подачи воды из городского водопровода и сброс воды в городскую канализацию.

С_пр. = 2,4×13,93×10×2 = 668,64 руб./сут,

При оборотной системе водоснабжения затраты составят:

С_об. = Q_пот.× P_в × Т + N_ф × P_эл × Т + Ам.

С_об. = 0,048×13,93×10 + 0,095×1,66×10 + 2,95 = 11,22 руб./сут.

Дополнительные затраты на сопутствующие работы при проектировании фонтана студент может вычислить по данным справочного приложения А22.