7. Отбор воды из водопроводной сети. Расчетная схема раздачи воды из сети. Путевые и сосредоточенные расходы. Определение узловых расходов. Определение диаметров труб водопроводных сетей, понятие об экономически наивыгоднейшх диаметрах.

Потокораспределение и расходы:

всю магистральную сеть разбивают на расчетные участки, границы которых являются узлами. Узлы сети намечают в точках отбора воды крупными потребителями, в местах устройства пересечений и ответвлений магистралей, в точках примыкания напорных водоводов и водонапорной башни.

Отбор воды, приходящийся на единицу длины сети, называют удельным расходом и определяют по формуле

Где Q – полный расчетный расход воды, отбираемый потребителями, л/с;

- сумма сосредоточенных расходов воды, отбираемой крупными потребителями и противопожарные расходы, л/с;

- суммарная длина магистральной сети, м.

Расход воды определенным участком, называемым путевым расходом, определяют по формуле

где l – расчетная длина рассматриваемого участка, м

При гидравлическом расчете водопроводных сетей переменный расход заменяют некоторым постоянным по длине участка расходом, который является равноценным в гидравлическом отношении и дает ту же величину потерь напора на участке, что и переменный. Расчетный расход Q_р участка, имеющего путевой расход Q_пут и транзитный Q_тр может быть вычислен по формуле Дюпюи

Q_р = Q_тр + αQ_пут,

г де α – коэффициент, меняющийся от 0,5 до 0,56, в зависимости от соотношения транзитного и путевого расходов участка.

В практике расчеты коэффициент α принимают равным 0,5, тогда Q_р = Q_тр + 0,5Q_пут, что соответствует замене путевого расхода каждого участка двумя узловыми расходами, равными 0,5 Q_пут, и сосредоточенными в начале и конце участка. Когда к узлу примыкает несколько участков с путевыми отборами, то приведенный к узлу отбор равен полусумме путевых расходов всех участков, примыкающих к данному узлу.

Вычисленные таким образом узловые расходы наносят на расчетную схему сети, показывая их стрелкой, выходящей из соответствующего узла, с указанием величины расхода в л/с. На этой же схеме указывают отдельно в соответствующих точках сосредоточенные расходы крупных водопотребителей и общий расход, подаваемый в сеть. При этом сумма всех узлов и сосредоточенных расходов должна равняться расчетному секундному расходу сети, поступающему от башни.

По расчетной схеме сети можно легко определить расчетные расходы на участках, то есть составить предварительное потокораспределение. Нахождение расчетных расходов участков разветвленных сетей представляет собой простую задачу. В кольцевых же сетях при заданной конфигурации и известных величинах водоотборов в узлах можно наметить неограниченное число вариантов распределения расходов по участкам сети.

Одним из основных условий предварительного потокораспределения в кольцевых сетях является соблюдение правила баланса расходов в узле (соответствующего первому правилу Кирхгофа). Это условие можно выразить уравнением Q = 0. Это означает, что сумма линейных расходов, приходящихся к любому узлу, должна быть равна сумме расходов, уходящих от этого узла, включая узловой отбор.

Другим важнейшим условием предварительного потокораспределения в кольцевых сетях является удовлетворение требования надежности, состоящего в том, что параллельные магистрали должны быть взаимозаменяемыми при возможных авариях и иметь примерно равную пропускную способность. Для этого по параллельным магистралям следует направлять приблизительно равные расходы. Полученные таким образом расчетные расходы на участках показывают на расчетной схеме стрелкой, направленной по ходу течения воды.

Определение диаметров труб водопроводных линий

После определения расчетных расходов воды на каждом участке сети определяют диаметры труб, предварительно выбрав их материал и класс точности.

Определение диаметров труб производят по расчетным расходам участков Q_р , при этом за основной расчетный случай принимают - час наибольшего водопотребления или наибольшего транзита в башню (для сетей с контррезервуаром).

Для водопроводных труб круглого сечения Q =  = d² /4,

откуда Чем меньше скорость , тем больше будет диаметр труб, следовательно, будет завышена стоимость водопроводной сети. Чем больше скорость в трубах, тем будут большие потери напора на гидравлические сопротивления, что приводит к увеличению мощности оборудования насосных станций и затрат электроэнергии на подъем воды.

По условиям эксплуатации водопроводных сетей предельное значение скорости, определенное требованиями предохранения сети от разрушающего действия гидравлических ударов, принимают равным 2,5 - 3 м/с. Нижний предел скорости принимается из условия незаиляемости трубопроводов в пределах 0,5 - 0,6 м/с. Поэтому выбрать экономически наиболее целесообразный диаметр трубы можно только после сопоставления нескольких вариантов и сравнения строительной и эксплуатационной стоимостей.

В практике проектирования водопроводных сетей используют различные приближенные методы определения экономически наивыгоднейших диаметров труб(применяют формулы расчета диаметра через экономический фактор и стоимость трубопровода и тд.). Определение экономических диаметров труб по формулам представляет собой достаточно трудоемкую работу. Поэтому в практических расчетах подбор экономических диаметров труб водопроводных линий производят по таблицам предельных расходов в зависимости от значения экономического фактора и материала труб.

Под предельными расходами понимают граничные расходы (в табл. выделен. черн.), при которых данный стандартный диаметр будет более выгоден, чем другие. В таблицах Ф.А.Шевелева и А.Ф.Шевелева “Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб” приведены величины предельных расходов для различных труб при значениях экономического фактора Э, равных 0,5; 0,75 и 1. В этих же таблицах для каждого диаметра выделены рекомендуемые области применения при Э = 0,75. Для возможности пользования этими таблицами необходимо предварительно вычислить расход на каждом расчетном участке.

Определение потерь напора в водопроводных линиях сети

Потери напора на трение в водопроводных трубах пропорциональны их длине и зависят от диаметра труб, скорости течения воды, характера стенок труб и от области гидравлического режима их работы.

Основной формулой для определения потерь напора является формула Дарси-Вейсбаха

где		- коэффициент гидравлического сопротивления, зависящий от материала труб, степени шероховатости их стенок и диаметра;
l и d		- длина и диаметр трубы;
		- скорость движения воды;
	g	- ускорение свободного падения.

При гидравлическом расчете водопроводных сетей для определения потерь напора в трубах широко используют, формулу

h = i l

где i - гидравлический уклон, определяющий потерю напора на единицу длины трубопровода.

С учетом местных потерь напора в фасонных частях и арматуре, принимаемых 5-10 % величины потерь по длине, общие потери напора на участке составят

h = (1,05 ... 1,1) i l .

Величину гидравлического уклона i определяют по различным формулам в зависимости от материала труб. Например: для неновых стальных и чугунных труб, работающих в квадратичной области при   1,2 м/с ;

Для обеспечения процесса определения потерь напора в водопроводах широко используются различные вспомогательные таблицы. Они дают величины потерь напора на единицу длины (т.е. i или 1000 i - потерю на 1000 м длины) для всех стандартных диаметров труб различных типов в широком диапазоне расходов.

Структура таких таблиц (в том числе Ф.А.Шевелева и А.Ф.Шевелева) имеет вид:

Q, л/с	d, мм
	d1		d2		d3		d4
	,	1000 i,	,	1000 i,	,	1000 i,	,	1000 i,
	м/с	м	м/с	м	м/с	м	м/с	м

По этим таблицам, можно для заданного Q подобрать диаметр и определить величину потерь на 1 км и потерю, соответствующую заданной длине. Или имея заданную величину располагаемого напора H, м, и длину водопроводной линии l, км, найти i = H/l и затем определить по таблицам требуемый диаметр при заданном расходе или возможный расход при принятом диаметре.

Вместе с тем при расчетах водопроводных сетей потерю напора удобно выражать через расчетный расход по формуле

h = K·A·l·Q² = S·Q²,

где	A = i/Q2	- значение называется удельным сопротивлением труб; оно равно сопротивлению трубы длиной 1 м при расходе 1 м3/с. Значение A даются в таблицах Ф.А.Шевелева и А.Ф.Шевелева;
	S	- сопротивление участка трубы длиной l при расходе, равном единице, S = A l ;

К - поправочный коэффициент, учитывающий неквадратичность зависимости потерь напора от средней скорости движения воды. Значения K также даются в таблицах Ф.А.Шевелева и А.Ф. Шевелева

8. Определение потерь напора в трубопроводах. Формулы, таблицы и графики для гидравлического расчета водопроводных сетей. Задачи гидравлического расчета водопроводных сетей.

Задачи гидравлического расчета

Гидравлический расчет водопроводных сетей производят для того, чтобы выбрать наиболее экономичные диаметры труб, а также определить потери напора в них, величину которых необходимо знать при расчетах водопроводных башен и насосных станций.

Потокораспределение и расходы:

Для расчета магистральной водопроводной сети необходимо перейти от реальной схемы отбора воды к расчетной. На рис. 3.3, а показана последовательность такого перехода.

Реальный участок АВ имеет фиксированные точки отборов воды 1, 2, ..., 7 с различными значениями расходов q1, q2, •••, q7- Однако на стадии проектирования магистральной водопроводной сети такая информация для каждого участка отсутствует. В связи с этим делают первое допущение — считают, что отбор воды из участков сети осуществляется равномерно по длине. Количество отбираемой воды, приходящееся на единицу длины участка, называется удельным отбором qyд, л/с на 1 м, и определяется по формуле

Где Q – общий расход воды городом в расчетный час, л/с;

- сумма сосредоточенных отборов воды (расходы воды промышленными предприятиями и на тушение пожаров); л/с;

- суммарная длина магистральной сети, м.

В сумму длин 2/ не включают участки сети (или их часть), проходящие по незастроенной территории, из которых ие отбиоается вода. Не входит также в сумму длин половина длин участков с односторонним отбором воды (застройка с одной стороны). Удельные отборы определяют дифференцированно по районам города в зависимости от плотности населения (этажности застройки) и степени санитарно-технического благоустройства зданий.

Зная удельный отбор qyд, л/с на 1 м (для всего города или по районам), можно определить путевые отборы воды, л/с, из

каждого участка сети:

где l – расчетная длина рассматриваемого участка, м

Для окончательного перехода к расчетной схеме делают второе допущение—предполагают, что отбор воды осуществляется из узлов сети. При этом распределение общего путевого отбора воды из участка между узлами должно быть таким, чтобы потери напора оставались такими же, как и при путевом отборе.

П ри гидравлическом расчете водопроводных сетей переменный расход заменяют некоторым постоянным по длине участка расходом, который является равноценным в гидравлическом отношении и дает ту же величину потерь напора на участке, что и переменный. Расчетный расход Q_р участка, имеющего путевой расход Q_пут и транзитный Q_тр может быть вычислен по формуле Дюпюи Q_р = Q_тр + αQ_пут,

где α – коэффициент, меняющийся от 0,5 до 0,56, в зависимости от соотношения транзитного и путевого расходов участка. В инженерной практике это значение ринимают равным 0,5, тогда Q_р = Q_тр + 0,5Q_пут, что соответствует замене путевого расхода каждого участка двумя узловыми расходами, равными 0,5 Q_пут, и сосредоточенными в начале и конце участка. Когда к узлу примыкает несколько участков с путевыми отборами, то приведенный к узлу отбор равен полусумме путевых расходов всех участков, примыкающих к данному узлу.

Вычисленные таким образом узловые расходы наносят на расчетную схему сети, показывая их стрелкой, выходящей из соответствующего узла, с указанием величины расхода в л/с. На этой же схеме указывают отдельно в соответствующих точках сосредоточенные расходы крупных водопотребителей и общий расход, подаваемый в сеть. При этом сумма всех узлов и сосредоточенных расходов должна равняться расчетному секундному расходу сети, поступающему от башни.

По расчетной схеме сети можно легко определить расчетные расходы на участках, то есть составить предварительное потокораспределение. Нахождение расчетных расходов участков разветвленных сетей представляет собой простую задачу. В кольцевых же сетях при заданной конфигурации и известных величинах водоотборов в узлах можно наметить неограниченное число вариантов распределения расходов по участкам сети. Одним из основных условий предварительного потокораспределения в кольцевых сетях является соблюдение правила баланса расходов в узле (соответствующего первому правилу Кирхгофа). Это условие можно выразить уравнением Q = 0. Это означает, что сумма линейных расходов, приходящихся к любому узлу, должна быть равна сумме расходов, уходящих от этого узла, включая узловой отбор.

Другим важнейшим условием предварительного потокораспределения в кольцевых сетях является удовлетворение требования надежности, состоящего в том, что параллельные магистрали должны быть взаимозаменяемыми при возможных авариях и иметь примерно равную пропускную способность. Для этого по параллельным магистралям следует направлять приблизительно равные расходы. Полученные таким образом расчетные расходы на участках показывают на расчетной схеме стрелкой, направленной по ходу течения воды.

Определение диаметров труб водопроводных линий

После определения расчетных расходов воды на каждом участке сети определяют диаметры труб, предварительно выбрав их материал и класс точности.

Определение диаметров труб производят по расчетным расходам участков Q_р , при этом за основной расчетный случай принимают - час наибольшего водопотребления или наибольшего транзита в башню (для сетей с контррезервуаром).

Для водопроводных труб круглого сечения Q =  = d² /4,

откуда Чем меньше скорость , тем больше будет диаметр труб, следовательно, будет завышена стоимость водопроводной сети. Чем больше скорость в трубах, тем будут большие потери напора на гидравлические сопротивления, что приводит к увеличению мощности оборудования насосных станций и затрат электроэнергии на подъем воды.

По условиям эксплуатации водопроводных сетей предельное значение скорости, определенное требованиями предохранения сети от разрушающего действия гидравлических ударов, принимают равным 2,5 - 3 м/с. Нижний предел скорости принимается из условия незаиляемости трубопроводов в пределах 0,5 - 0,6 м/с. Поэтому выбрать экономически наиболее целесообразный диаметр трубы можно только после сопоставления нескольких вариантов и сравнения строительной и эксплуатационной стоимостей.

В практике проектирования водопроводных сетей используют различные приближенные методы определения экономически наивыгоднейших диаметров труб(применяют формулы расчета диаметра через экономический фактор и стоимость трубопровода и тд.). Определение экономических диаметров труб по формулам представляет собой достаточно трудоемкую работу. Поэтому в практических расчетах подбор экономических диаметров труб водопроводных линий производят по таблицам предельных расходов в зависимости от значения экономического фактора и материала труб.

Под предельными расходами понимают граничные расходы (в табл. выделен. черн.), при которых данный стандартный диаметр будет более выгоден, чем другие. В таблицах Ф.А.Шевелева и А.Ф.Шевелева “Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб” приведены величины предельных расходов для различных труб при значениях экономического фактора Э, равных 0,5; 0,75 и 1. В этих же таблицах для каждого диаметра выделены рекомендуемые области применения при Э = 0,75. Для возможности пользования этими таблицами необходимо предварительно вычислить расход на каждом расчетном участке.

Определение потерь напора в водопроводных линиях сети

Потери напора на трение в водопроводных трубах пропорциональны их длине и зависят от диаметра труб, скорости течения воды, характера стенок труб и от области гидравлического режима их работы.

Основной формулой для определения потерь напора является формула Дарси-Вейсбаха

где		- коэффициент гидравлического сопротивления, зависящий от материала труб, степени шероховатости их стенок и диаметра;
l и d		- длина и диаметр трубы;
		- скорость движения воды;
	g	- ускорение свободного падения.

При гидравлическом расчете водопроводных сетей для определения потерь напора в трубах широко используют, формулу

h = i l

где i - гидравлический уклон, определяющий потерю напора на единицу длины трубопровода.

С учетом местных потерь напора в фасонных частях и арматуре, принимаемых 5-10 % величины потерь по длине, общие потери напора на участке составят

h = (1,05 ... 1,1) i l .

Величину гидравлического уклона i определяют по различным формулам в зависимости от материала труб. Например: для неновых стальных и чугунных труб, работающих в квадратичной области при   1,2 м/с

;

Для обеспечения процесса определения потерь напора в водопроводах широко используются различные вспомогательные таблицы. Они дают величины потерь напора на единицу длины (т.е. i или 1000 i - потерю на 1000 м длины) для всех стандартных диаметров труб различных типов в широком диапазоне расходов.

Структура таких таблиц (в том числе Ф.А.Шевелева и А.Ф.Шевелева) имеет вид:

Q, л/с	d, мм
	d1		d2		d3		d4
	,	1000 i,	,	1000 i,	,	1000 i,	,	1000 i,
	м/с	м	м/с	м	м/с	м	м/с	м

По этим таблицам, можно для заданного Q подобрать диаметр и определить величину потерь на 1 км и потерю, соответствующую заданной длине. Или имея заданную величину располагаемого напора H, м, и длину водопроводной линии l, км, найти i = H/l и затем определить по таблицам требуемый диаметр при заданном расходе или возможный расход при принятом диаметре.

Вместе с тем при расчетах водопроводных сетей потерю напора удобно выражать через расчетный расход по формуле

h = K·A·l·Q² = S·Q²,

где	A = i/Q2	- значение называется удельным сопротивлением труб; оно равно сопротивлению трубы длиной 1 м при расходе 1 м3/с. Значение A даются в таблицах Ф.А.Шевелева и А.Ф.Шевелева;
	S	- сопротивление участка трубы длиной l при расходе, равном единице, S = A l ;
	K	- поправочный коэффициент, учитывающий неквадратичность зависимости потерь напора от средней скорости движения воды. Значения K также даются в таблицах Ф.А.Шевелева и А.Ф. Шевелева.