ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ТУПИКОВОЙ РАЗВОДЯЩЕЙ СЕТИ

Гидравлический расчёт разводящей сети проводят для определения диаметров труб на всех её участках и потерь напора в них при подаче расчётного расхода. Если водопровод предназначен также для противопожарного водоснабжения, то делают поверочный расчёт сети на подачу противопожарного расхода воды при одновременно хозяйственно-питьевом водопотреблении.

6.1 Определение расходов в водопроводной сети

После проведённой трассировки тупиковой разводящей сети необходимо определить расчётные расходы на всех её участках. Расчётным расходом называют расход, по которому рассчитывается диаметр трубопровода.

Максимальные секундные расходы промышленных предприятий, животноводческих комплексов и других крупных водопотребителей объекта водоснабжения будут являться расчётными расходами на участках, подводящих к ним воду, при условии, что эти трубопроводы не служат для путевой раздачи воды, а являются транзитными трубопроводами.

Для определения расходов, проходящих по всем остальным участкам разводящей сети, условно считают, что хозяйственный расход равномерно распределяется по длине хозяйственных участков сети. Под хозяйственным расходом понимается расход воды, поступающий на чисто хозяйственные нужды (для питья, приготовления пищи, стирки, умывания и других санитарно-гигиенических и бытовых нужд, а также для удовлетворения нужд скота, находящегося в личном пользовании). Хозяйственный расход определяется по следующей зависимости:

q_хоз. = q_{max с.к.} - q_{max с. бани} - q_{max с. больн.} (19)

где q_хоз. – хозяйственный расход, л/с;

q_{max с. бани} – максимальный секундный расход бани, л/с;

q_{max с. больн.} – максимальный секундный расход больницы, л/с.

Если в жилищно-коммунальный сектор входят ещё водопотребители нехозяйственного назначения (школы, детские сады, интернаты, административные учреждения и пр.), то их расходы также вычитаются из расхода коммунального сектора.

Под хозяйственными участками сети следует понимать те участки трубопроводов, на которых происходит раздача воды водопотребителям, т.е. помеченные значком «П» в таблице 4.

Находим удельный расход по формуле:

(20)

где q_уд. – удельный расход, л/с на 1 п.м.;

q_хоз. – хозяйственный расход, л/с;

∑ℓ_хоз. – суммарная длина хозяйственных участков сети, м.

Таким образом, об удельном расходе можно сказать, что это условный расход, который приходится на 1 погонный метр водопроводной сети.

Зная удельный расход сети, определяются путевые расходы на соответствующих участках разводящей сети.

Путевым расходом называется количество воды, забираемое на данном участке трубопровода водопотребителями в секунду.

Путевые расходы определяются по формуле:

q_пут. = q_уд. ∙ ℓ_уч. (21)

где q_пут. – путевой расход на участке, л/с;

ℓ_уч. – длина хозяйственного участка, м.

Проверка. Сумма всех путевых расходов должна быть равна хозяйственному расходу.

Очень важной задачей является определение расчётных расходов, по которым производят расчёт диаметров труб. Расчётный расход определяется на каждом участке разводящей сети, причём его определение начинают вести с самого последнего участка сети по формуле:

q_расч. = q_транз. + 0,5 q_пут. (22)

где q_расч. – расчётный расход на участке, л/с;

q_транз. – транзитный расход, проходящий через расчётный участок, л/с;

q_пут. – путевой расход на данном участке, л/с.

Транзитным расходом называется расход, идущий для питания последующих участков сети, который не расходуется на данном участке.

Проверка. Расчётный расход, проходящий по начальному участку разводящей сети, должен быть равен максимальному секундному расходу населённого пункта.

6.2 Определение диаметров труб на участках водопроводной сети

Диаметр d каждого участка водопроводной сети определяют исходя из расчётного расхода этого участка. Из курса гидравлики известна одна из основных формул гидродинамики, связывающая площадь живого сечения потока жидкости, среднюю скорость потока жидкости и расход. Эта формула имеет вид:

Q = ω ∙ V (23)

где Q – расход потока жидкости;

V – средняя скорость потока;

ω – площадь живого сечения потока.

Для трубопровода, работающего полным живым сечением и пропускающего через себя расчётный расход q_расч. эту формулу можно записать в следующем виде:

q_расч. = (24)

откуда диаметр будет равен

d_р = (25)

где d_р – диаметр, полученный по расчёту, м;

q_расч. – расчётный расход на участке, м³/с;

V – скорость воды в трубопроводе, м/с.

Как видно из анализа полученной зависимости при заданном расчётном расходе q_расч. величина диаметра может оказаться различной в зависимости от того, какая будет принята скорость движения воды в трубопроводе.

Выбор величины этой скорости зависит от экономических факторов, в основном от стоимости труб и их укладки, а также от стоимости энергии, затрачиваемой на подъём и транспортирование воды.

С увеличением скорости уменьшаются диаметры, а следовательно, и строительная стоимость сети. Однако при этом увеличиваются потери напора в сети, а следовательно, требуется большая мощность насосов и большая высота водонапорной башни.

С уменьшением скорости увеличиваются диаметры, а следовательно, и строительная стоимость сети. Одновременно с этим возможно возникновение такого нежелательного явления, как заиление трубопровода, т.е. выпадения из жидкости взвешенных частичек (ила, песчинок, ржавчины и др.), борьба с которым потребует дополнительных затрат. Однако в этом случае уменьшаются потери напора в сети, а следовательно, уменьшится мощность насосов и высота водонапорной башни.

Следовательно, при определении диаметров труб водопроводной сети следует принимать такие скорости, которые при данных местных условиях обеспечивали бы наиболее выгодное в технико-экономическом отношении решение, охватывающее весь комплекс водопроводных сооружений. Такие скорости принято называть оптимальными.

Оптимальные скорости, применяемые в практике проектирования, выявились в результате анализа большого количества выполненных проектов водопроводных сетей, где эти скорости обосновывались при сравнении различных вариантов.

На основании вышеизложенного по данным проф. Андрияшева М.М. для участков разводящей сети можно рекомендовать следующие оптимальные скорости

Таким образом, определяя диаметр трубопровода, на первом этапе задаются оптимальной скоростью равной 1 м/с. Полученный диаметр по расчёту округляется до ближайшего стандартного (приложения Е-К) и производится определение действительной скорости на участке трубопровода по формуле:

V_Д = (26)

где V_Д – действительная скорость на участке, м/с;

q_расч. – расчётный расход на участке, м³/с

d_ст. – принятый стандартный диаметр трубы, м.

6.3 Определение потерь напора на участках водопроводной сети

Сопротивления, которые возникают при движении жидкости в трубопроводах, называют гидравлическими сопротивлениями. Они могут быть подразделены на два вида:

- сопротивления по длине потока;

- местные сопротивления.

На преодоление этих сопротивлений затрачивается определённая часть энергии, которую принято называть потерями напора.

В соответствии с классификацией гидравлических сопротивлений и потери напора подразделяются на:

- потери напора по длине потока;

- местные потери напора.

Потери напора по длине можно определить по формуле Дарси- Вейсбаха или как её ещё называют первой водопроводной формуле:

h_ℓ = (27)

где h_ℓ - потери напора по длине, м;

λ – коэффициент трения;

ℓ - длина расчётного участка трубопровода, м;

d – диаметр участка трубопровода, м;

V – скорость движения воды на расчётном участке, м/с;

g – ускорение свободного падения, м/с².

Однако при расчёте трубопроводов гораздо удобнее пользоваться для расчёта потерь напора по длине второй водопроводной формулой, которая после некоторых преобразований вытекает из первой водопроводной формулы. Вторая водопроводная формула имеет вид:

h_ℓ = А ∙ q²_расч. ∙ ℓ ∙ k (28)

где h_ℓ - потери напора по длине, м;

А – удельное сопротивление трубопровода, (с/л)²;

q_расч. – расчётный расход на участке, л/с;

ℓ - длина расчётного участка, м;

k – скоростной коэффициент, который определяется в зависимости от действительной скорости воды в трубопроводе (приложение Л).

Уясним физический смысл удельного сопротивления трубопровода А, входящего во вторую водопроводную формулу. Удельное сопротивление – это потери напора, которые возникают в трубопроводе длиной 1 м при пропуске единичного расхода. Удельное сопротивление трубопровода – величина размерная. Если расход воды в трубопроводе q_расч. выражается в л/с, А имеет размерность (с/л)², если же q_расч. даётся в м³/с, то А принимается в (с/м³)².

Величина удельного сопротивления труб принимается в зависимости от диаметра трубопровода и материала труб по приложениям Е-К.

Потери напора местного характера определяются по формуле:

h_м = (29)

где h_м – местные потери напора, м;

ξ – коэффициент местного сопротивления;

V – скорость воды за местным сопротивлением, м/с;

g – ускорение свободного падения, м/с².

Однако ввиду многочисленности и многообразия видов местных сопротивлений в системе водопроводных сооружений потребовалось бы длительная работа по определению потерь напора в них. Поэтому, как показали исследования, величину потерь напора в местных сопротивлениях разводящей сети можно учитывать в процентах от потерь напора по длине. При расчёте наружных разводящих сетей следует принимать величину местных потерь как 10 % от потерь напора по длине. Тогда, вводя коэффициент b, равный 1,1 можно с помощью второй водопроводной формулы определить общие потери напора на участке трубопровода. Формула будет иметь вид:

h_общ. = А ∙ q²_расч.∙ ℓ ∙ k ∙ b (30)

где b – коэффициент, учитывающий потери напора в местных сопротивлениях.

Определяя потери напора, необходимо стремиться, чтобы на каждом участке их величина не превышала 5 м. В противном случае следует увеличить диаметр трубопровода.