Гидравлический расчет водопроводной сети

Определение диаметров труб. Гидравлический расчет водопроводной сети заключается в определении диаметров труб и потерь напора на преодоление сопротивления в трубах при пропуске по ним расчетного количества воды. Знание потерь напора необходимо также для расчета высоты водонапорных башен, а также для выбора насоса с требуемой напорной характеристикой.

Расход воды определяется количеством и составом водопотребителей, а также принятыми строительными нормами и правилами водопотребления (СНиП).

Расчет водопотребления производится с целью определения численных значений среднесуточного расхода Q_ср.сут, максимального суточного расхода Q_maxсут и максимального часового расхода Q_maxчас с учетом затрат воды на поение животных и на производственно-технические нужды. В расчетах также необходимо учесть расход воды на тушение возможного пожара и создание в системе минимально необходимого запаса (на случай отключения электроэнергии, наложения карантина при эпизоотии и т. п.). Для расчета необходимо знать среднесуточные нормы водопотребления, состав и количество водопотребителей каждого вида.

Нормой водопотребления называется количество воды в литрах, расходуемое одним потребителем в сутки. Применительно к животным она включает расходы на поение, мойку помещений, молочной посуды, приготовление кормов, охлаждение молока и др. Расход воды на фермах очень неравномерен как в течение года (по сезонам), так и в течение суток (по часам). Его колебания оцениваются соответствующими коэффициентами неравномерности: для животноводческого сектора k_сут = 1, 3 и k_ч = 2, 5; для жилищно-коммунального сектора в сельской местности k_сут = 1, 2…1, 4 и k_ч = 1, 5…2, 0.

Среднесуточный расход воды на ферме Q_ср.сут, м³/сут, определяется по формуле

, (1.1)

где n_i – число потребителей i -гo вида; q_i – среднесуточная норма потребления воды i -м потребителем, л/сут; N – общее число потребителей.

Максимальный суточный расход воды Q_maxсут определяется из равенства

, (1.2)

где k_сут – коэффициент суточной неравномерности.

В сутки максимального водопотребления среднечасовой расход Q_ср.ч, м³/ч, составит

, (1.3)

а максимальный часовой расход Q_maxчас, м³/ч, будет

, (1.4)

где k_ч – коэффициент часовой неравномерности.

Для обоснования выбора насосов и расчета поточных линий требуется знать секундный расход Q_maxс, м³/с, который рассчитывается по формуле

. (1.5)

Запас воды на противопожарные нужды предусматривает быструю и бесперебойную подачу ее к месту возникновения пожара в достаточном количестве и с необходимым напором в течение 3 ч.

Если дебит источника водоснабжения недостаточен для тушения пожара, то на ферме предусматривается устройство специальных резервуаров для хранения неприкосновенного трехчасового запаса воды. Расход воды на наружное тушение одного пожара через гидранты для зданий объемом от 3 до 5 тыс. м³ принимают равным 10…20 л/с. В фермских водопроводах низкого давления необходимый напор для тушения пожара создается с помощью передвижных пожарных насосов, которые присоединяются к пожарным гидрантам наружной водопроводной сети.

Для объектов с пожарным расходом более 20 л/с потраченный на тушение пожара неприкосновенный запас воды в резервуарах должен быть восстановлен в течение 24 ч, а для объектов с пожарным расходом менее 20 л/с – в течение 36 ч.

В качестве примера рассмотрим схему внутреннего водопровода в животноводческом помещении, а именно в свинарнике-откормочнике комплекса по выращиванию и откорму 54 тыс. свиней в год (т. п. 802–142), показанную на рис. 1.10. На комплексе сектор откорма состоит из пяти свинарников, в которых размещены 18000 голов секциями в групповых станках по 25 голов. В свинарнике установлены 146 автопоилок. Внутренняя кольцевая сеть собрана из труб диаметром 50 мм и размещена на высоте 3, 02 м от пола свинарника. Автопоилки и поливочные вентильные краны присоединены к кольцевой сети отводами (спусками) из труб диаметром 25 и 15 мм. Кроме того, в свинарнике установлено 12 смывных баков вместимостью по 1000 л для удаления жидкого навоза из каналов самотечной системы, в которые вода из баков подается по трубам диаметром 80 мм.

Главный магистральный трубопровод, питающий водой все внутренние водопроводы комплекса, выполнен из стальных труб диаметром 200 мм и проложен в поперечной галерее, устроенной в коридоре, который проходит через все его свинарники. Вода в магистральный трубопровод поступает из наружной сети с двух сторон: со стороны входа в коридор и со стороны выхода из него. К числу водопотребителей в каждом свинарнике относятся также душевые помещения и санузлы.

1 – баки для смыва навоза; 2 – поливочные краны; 3 – автопоилки; 4 – задорный кран (вентиль); 5 – кольцевая сеть внутреннего водопровода

Рисунок 1.10 – Схема внутреннего водопровода в свинарнике-откормочнике комплекса по выращиванию 54 тыс. голов

Для гидравлического расчета на основании генерального плана хозяйства составляют расчетную схему водопроводной сети, на которую по участкам наносятся исходные данные: секундные расходы воды каждым участком q_yчi, л/с; длина каждого участка , м; геодезические отметки потребителей (высоты) z_i, м, и все устанавливаемые, приборы и сооружения. Расход воды определяется суммированием секундных расходов всех потребителей q_ni, л/с, расположенных на каждом i -м участке.

Расчетная схема тупиковой сети показана на рисунке 1.11. На ней начальные и конечные точки участков обозначены номерами по ходу движения воды.

Для расчета водопроводных сетей важно уяснить, что по всем участкам, кроме конечных (тупиков), идут два потока с путевым расходом q_n, достаточным для удовлетворения потребителей, расположенных на рассматриваемом участке, и с транзитным расходом q_T, предназначенным для потребителей, расположенных по ходу потока за рассматриваемым участком. Поэтому расход воды в начале любого участка сети равен сумме путевого и транзитного расходов. Через конечную точку каждого расчетного участка проходит только транзитный расход, так как весь его путевой расход уже израсходован. На следующем участке, расположенном вслед за рассматриваемым, снова будут два расхода: путевой – для потребителей нового участка; транзитный, уменьшенный на величину путевого расхода этого участка.

l – длина участка; q – расчетный расход участка

Рисунок 1.11 – Расчетная схема тупиковой водопроводной сети

Таким образом, в любом сечении расчетного участка расход, проходящий по участку, будет изменяться от до . Расчетный расход линии находится из равенства

, (1.6)

где а – коэффициент, учитывающий соотношение значений транзитного и путевого расходов, зависящий от равномерности (по длине) забора воды из линии потребителями; значение а принимают равным 0, 5, тогда

, (1.7)

Суммируя среднесуточные расходы с учетом норм водопот-ребления по всем потребителям, можно рассчитать, пользуясь формулой (1.7), суточный расход воды по всему объекту (ферме, комплексу).

Диаметр трубы каждого из участков водопроводной сети определяют по расчетному расходу на i -м участке.

При этом используют уравнение

, (1.8)

где F_i – площадь i -го живого сечения напорной трубы, м²; v – скорость движения воды, м/с.

Из зависимости (1.8) получают формулу для определения диаметра трубы D, на i -м участке:

. (1.9)

Скорость движения воды в трубах диаметром 50…300 мм принимают равной 0, 7…1, 0 м/с; для труб диаметром 300…1000 мм – от 1, 0 до 1, 5 м/с. Диаметры труб наружных сетей можно выбирать, пользуясь данными, приведенными в табл. 1.5.

Таблица 1.5 – Диаметр труб наружного водопровода

Внутренний диаметр труб водопроводной сети можно определить в зависимости от числа обслуживаемых водоразборных точек:

Количество водоразборных точек 1…3 4…10 11…20 21…40 41...60

Внутренний диаметр труб, мм 15 20 25 32 40

Потери напора в трубах. Напор – это гидравлическое давление в водопроводной сети, выраженное через высоту водяного столба в метрах. При анализе работы трубопровода различают потери на трение по длине и местные потери (в задвижках, кранах, отводах и т. п.), вызываемые изменением скорости или направления потока воды.

Применительно к водопроводным трубам круглого сечения потери напора на трение h_T по длине выражают через скорость v или расход Q и их значения определяют соответственно по формулам

, (1.10)

или

, (1.11)

где h_Т – потери напора на трение по длине трубопровода, м; λ – коэффициент гидравлического сопротивления, зависящий от материала труб, степени шероховатости их стенок и диаметра (для приближенных расчетов можно принимать λ = 0, 03); v – скорость движения воды в трубах, м/с; l – длина трубопровода, м; D – диаметр трубопровода, м; Q – секундный расход воды, м³/с; g = 9, 81 м/с² – ускорение свободного падения.

Для расчетов определяют потери напора на единицу длины трубопровода (на 1, 100, 1000 м), называемые гидравлическим уклоном, который находят из формулы

, (1.12)

Потери напора в местных сопротивлениях h_М определяют, пользуясь выражением

, (1.13)

где ξ – безразмерный коэффициент местного сопротивления; v – скорость движения воды за местным сопротивлением, м/с.

Значения коэффициентов сопротивления в зависимости от устройства, обусловливающего местное сопротивление, приведены ниже:

Задвижка:

в среднем положении 2, 0

при полном открытии 0, 1

Кран 5…7

Резкий изгиб трубы на угол 90° без закругления 1, 25…1, 5

Колено с углом 90° при радиусе закругления,

равном или большем двух диаметров трубы 0, 5

Выход из трубы в сосуд большего поперечного сечения 0, 1

Вход во всасывающую коробку с обратным клапаном 5…10

В протяженных водопроводных сетях потери в местных сопротивлениях оценивают как 3…5 (в наружных) и 5…10% (во внутренних) от всех линейных потерь на трение.

Полные потери напора в трубопроводе определяются как сумма потерь на трение по длине и потерь в местных сопротивлениях, т. е.

. (1.14)

Для нормальной работы водоразборных приборов в каждом пункте сети должен оставаться еще некоторый запас напора, называемый свободным напором. В наружной водопроводной сети на фермах свободный напор соглсно СНиП быть не менее 10 м. Для водопроводной сети соответствующие значения должны быть не менее 4 м для автопоилок и 2 м для водоразборных кранов. Свободные напоры на вводах в производственные помещения устанавливают в соответствии с расходами воды, которые они обеспечивают.