03-06-2014_19-50-32 / Методич указания к расчетно-графической работе

кроме того, они менее удобны в эксплуатации. Русловые водозаборы применяют в тех случаях, когда река имеет пологие берега и небольшую глубину у берега и когда в прибрежной полосе вода загрязнена.

Рис. 3. Схема руслового водозабора:

1 – оголовок; 2 – подающий трубопровод; 3 – всасывающая труба к насосу; 4 – береговой колодец

Ковшовые водозаборы устраивают, если на реке бывает шугоход, донный лед и высокая мутность воды. Они представляют собой естественные или искусственные затоны, из которых и осуществляют водозабор (рис.4, а, б, в).

Рис. 4. Ковшовые водозаборы:

а и б – соответственно с низовым и верховым входом; в – с двумя входами; 1 – водоприемные сооружения; 2 – дамбы; 3 – ковши; 4 – направление течения воды в реке; 5 – донные течения

Инфильтрационные заборы в простейшем виде представляют

собой шахтные колодцы, располагаемые вдоль источника, берега которого сложены из водопроницаемых гравелитных или песчаных грунтов. Подрусловые инфильтрационные водозаборы устраивают в виде дырчатых труб, укладываемых под руслом мелких речек, ложе которых сложено из водопроницаемых слоев. Плавучие и передвижные водозаборы устраивают для временных водопроводов. При этом насосные агрегаты размещают на баржах, понтонах и др., что позволяет забирать воду из любого места водоисточника (рис.5, а,

б).

Рис. 5. Временные водоприемники:

а – плавучий; б – передвижной; 1 – понтон; 2 – насосная станция; 3 – гофрированные вставки; 4 – напорный трубопровод; 5 – прицеп; 6 – обратный клапан с защитной сеткой

Зa6op воды из подземных источников осуществляется при помощи шахтных колодцев, буровых скважин, трубчатых колодцев, каптажных сооружений на родниках и горизонтальных водосборов (траншей, галерей, кяризов). Шахтные колодцы устраивают для забора воды из водоносных пластов, залегающих на глубине 30 м и более. Шахтный колодец (рис.6, а) состоит из трех основных элементов: шахты 4 или ствола – часть колодца от поверхности земли

Приложение 1

Варианты заданий по водоснабжению

Таблица 2.17. Технические характеристики вихревых насосов

Постройте высотную схему подачи воды из источника в бак с указанием численных значений величин, отмеченных на схеме (Приложение 3, рис. 3). Подберите электродвигатель к насосу с учётом нужного запаса мощности по формуле:

α – коэффициент запаса мощности (принимается от 2 до 1,1; причём большие значения - для электродвигателей малой мощности).

Таблица 2.15. Технические характеристики насосов типа К и КМ

Таблица 2.16. Технические характеристики погружных электронасосов типа ЭПН и ЭЦВ

30...50 м предусматривают смотровые колодцы 2. К горизонтальным водосборам относятся также и кяризы – водозахватные галереи с колодцами для их устройства и вентиляции. Известны кяризы в несколько километров.

Дебит совершенного горизонтального водосбора (основание которого лежит на водоупоре), расположенного нормально к потоку подземных вод (рис.9), определяется по формуле:

где Q – длина водосбора, м; к – коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сутки; H -мощность водоносного пласта, м; h – глубина наполнения водосбора водой, м; R – радиус действия (влияния) водосбора, м.

Рис. 9. Расчетная схема горизонтального водосбора

1.5. Подъемное оборудование и насосные станции

При выборе водоподъемного оборудования в каждом конкретном случае учитывают тип, дебит, глубину залегания и изменение уровня водоисточника, конструкцию водозаборного сооружения, размеры и режим потребления, требуемый напор, энергетические ресурсы и экономику хозяйства. Для подъема воды из поверхностных водоисточников применяют центробежные и вихревые насосы и другие установки. Подъем воды из буровых скважин осуществляется главным образом погружными центробежными, винтовыми и водоструйными установками (насосами). Шахтные колодцы оснащают центробежными, вихревыми и водоструйными насосами.

В пастбищном водоснабжении, кроме перечисленных видов насосов, применяют ленточные и шнуровые водоподъемники, передвижные водоподъемные установки, оборудованные пневматическими насосами замещения (эрлифты), а также ветронасосные установки с цетро6ежными и поршневыми насосами.

В сельскохозяйственном водоснабжении наибольшее распространение получили центробежные насосы. Они просты по устройству и надежны в эксплуатации. Геодезическая высота всасывания центробежных насосов (т.е. высота установки насоса над динамическим уровнем воды в водоисточнике) доходит до 7 м. Обычно насос с электродвигателем в глубоких шахтных колодцах устанавливают выше динамического уровня на 5...6 м и несколько выше статического с тем, чтобы агрегат не был затоплен при повышении уровня после остановки насоса. Современными прогрессивными конструкциями насосов для подъема воды из буровых скважин являются центробежные скважинные насосы типа ЭЦВ. В конструктивном отношении насосы типа ЭЦВ относятся к многоступенчатым центробежным насосам вертикального исполнения. Они имеют подачу 0,63...1000 м3/ч при напоре 12...680 м

ипригодны для откачки воды из буровых скважин диаметром 100 мм

ивыше.

Рис. 10. Схемы водоструйной установки (а) и аппарата (б):

1 – всасывающая труба;

2 – водоструйный насос;

3 – напорная труба;

4 – водоподъемная труба;

5 – центробежный насос;

6 – бак;

7 – диффузор;

8 – смесительная камера;

9 – сопло;

10 – всасывающий патрубок насоса

Водоструйные установки (рис.10, а) состоят из питающего центробежного насоса, устанавливаемого на поверхности земли, струйного аппарата,

помещаемого в колодце или скважине ниже динамического уровня и системы трубопроводов, связывающих струйный аппарат и насос.

В струйном аппарате два потока жидкости, обладающие разными скоростями и энергиями, образуют смешанный поток (рис. 10, б) с некоторой промежуточной скоростью и энергией.

Вода от источника энергии (насоса) по трубопроводу подается к соплу, при выходе из которого поток приобретает максимальную кинетическую энергию. В узком сечении создается разряжение, благодаря чему вода по всасывающей трубе поднимается в смесительную камеру, где происходит турбулентное смешение потоков, и поднятая вода уносится рабочей струей в напорную трубу. Использование водоструйных аппаратов (установок) позволяет забирать воду из скважин с глубин б8льших предельной высоты всасывания насоса (6…7 м).

Несмотря на относительно низкий КПД (до 30%) они имеют преимущество перед погружными и поршневыми насосами: в них нет погруженных в скважину движущихся частей, а центробежный насос и двигатель располагают на поверхности в удобном для осмотра месте. Экономически целесообразно водоструйные установки

применять для подъема воды с глубины до 30 м при расходе до 10 м3/ч.

В условиях пастбищного водоснабжения при подъеме воды из глубоких пескующихся мелкотрубчатых колодцев применяют эрлифты (рис.11) с подачей 1,8...7,2 м3/ч. из трубчатых колодцев

глубиной 55...90 м.

Рис. 11. Эрлифтная водоподъемная установка: 1 – скважина; 2 – водоподъемная труба; 3 – форсунка;

4 – труба для подачи сжатого воздуха;

5 – труба для слива воды;

6 – отверстие;

7 – резервуар.

Эрлифт (рис.11) работает на принципе использования разности плотностей воды и водовоздушной смеси. Это устройство состоит из двух труб, опускаемых в колодец:

водоподъемной, по которой поднимается водовоздушная смесь, и воздушной. По ней сжатый воздух от компрессора подается в

водоподъемную трубу. В месте присоединения воздушной трубы к водоподъемной устанавливается наконечник (форсунка) с отверстиями, для того чтобы сжатый воздух поступал в водоподъемную трубу в виде пузырьков и равномерно смешивался с водой. Водовоздушная смесь поднимается по водоподъемной тубе и изливается приемный резервуар (бачок).

Эрлифты просты по устройству, надежны в работе. К недостаткам эрлифтных установок следует отнести: низкий КПД (0,20...0,25), а также заглу6ление водоподъемной трубы под динамический уровень на одну - две высоты подъема воды, что требует бурения глубоких скважин.

Насосная станция - это комплекс гидротехнических сооружений и оборудования для подъема воды насосами. В зависимости от расположения в общей схеме водоснабжения насосные станции могут быть первого и второго подъемов (см. рис.1).

По роду используемой энергии насосные станции могут быть с электрическими, тепловыми и ветряными двигателями, а по характеру устройства – стационарные и передвижные. Насосные станции могут быть автоматическими, полуавтоматическими и с ручным управлением. При поверхностных водоисточниках станции компонуют совмещенно с водозабором (см. рис.2, а) и раздельно (см. рис.2, б). В типовых проектах института «Гипроводхоз» для забора воды из трубчатых колодцев предусмотрены подземные, наземные водопроводные станции, а также с бактерицидными установками.

Подземные насосные станции состоят из двух или трех подземных камер, в одной из которых находится герметизированный оголовок трубчатого колодца, а в остальных водомерное устройство и дренажный насос. Наземные насосные станции состоят из размещенного на поверхности земли здания, в котором размещается оголовок трубчатого колодца, водопроводное оборудование, приборы контроля и измерения расхода воды, а также шкаф управления насосным агрегатом. Насосные станции с бактерицидными установками включают также оборудование для обеззараживания воды путем облучения кварцевыми лампами.

Гидравлический расчет насосной станции заключается в определении ее подачи, полного напора и мощности. Подача насосной станции не должна превышать дебита водоисточника. Она зависит от расчетного расхода воды в сутки максимального водопотребления и продолжительности работы насосной станции в течение суток.

где Qсут. макс – максимальное суточное потребление воды (берется из графы 10 таблицы 2.5);

Рi – процент потребления воды в течение i-го часа от

максимального суточного, %.

Результаты расчетов занесите в третью строку таблицы 2.13. Потребление воды нарастающим итогом определяется путем

последовательного суммирования часовых расходов (строка 4 таблицы 2.13).

По данным таблицы 2.13 (строки 1 и 4) постройте почасовой интегральный график потребления воды.

На этот же график, нанесите линию подачи воды насосной станцией в трёх вариантах: круглосуточная работа, работа в две смены (16 ч), автоматизированная работа с перерывами. При автоматизированной работе частота включений насосно-силового оборудования не должна превышать 50...75 раз в сутки. Для электродвигателей погружных насосов эта величина должна быть уменьшена в 2...3 раза.

По интегральному графику регулирующая ёмкость бака определяется суммой наибольших ординат по избытку и недостатку между линией подачи воды и линией её потребления (более подробно методику определения регулирующего объема бака см. раздел 1.6).

Пример такого графика показан в приложении 3 (рис.2).

Кроме регулирующей емкости, в необходимых случаях предусматривается хранение в баке запаса воды на противопожарные и питьевые нужды. Запас воды на противопожарные нужды рассчитывается на 10-минутную продолжительность тушения пожара. При необходимости резервируется 17,5 % суточного объёма хозяйственно-питьевого водопотребления и запас воды для работы предприятий по аварийному графику.

Запас объёма на глубину отстойной части бака (15…20 см) и предупреждение перелива (25...30 см высоты бака) предусматривается при проектировании типовых водонапорных башен. Таким образом, расчёт ёмкости бака водонапорной башни сводится к определению минимально необходимых величин регулирующей ёмкости бака и ёмкости для хранения запаса воды.

По известной высоте и ёмкости бака выберите типовую водонапорную башню по данным таблицы 2.14.

Z б , Z д – высотные отметки местности соответственно у башни и

диктующей точки (берутся из карт местности).

Высота напорного резервуара не должна превышать 16...20 м. Минимальный свободный напор в сети водопровода населённого

пункта при вводе в здание над поверхностью земли должен приниматься при одноэтажной застройке не менее 10 м. При большей этажности на каждый этаж следует добавлять 4м. Свободный напор в сети у водопроводных колонок должен быть не менее 10 м. Величину свободного напора в промежуточных точках (на границах участков) по главному направлению определите по формуле:

промежуточной точке);

Zi – высотная отметка местности в i-ой точке.

9. Постройте графически продольный профиль трассы водопровода от башни до диктующей точки с указанием свободных напоров на границах участков (в качестве примера см. Приложение 3

рис.1).

Гидростатический напор в наружной сети хозяйственно-питьевого водопровода у потребителей не должен превышать 60 м. Если в какой-либо точке свободный напор окажется недостаточным, следует увеличить на необходимую величину напор по всей системе водопровода или увеличить диаметр труб для уменьшения гидравлических потерь.

2.3.Определение емкости напорного бака

ивыбор водонапорной башни

Для определения емкости напорного бака нужно принять один из трех предложенных вариантов режим водопотребления (см. таблицу 2.13) и по нему рассчитать потребление воды в течение каждого часа по формуле:

1.6. Напорно-регулирующие сооружения

Водонапорные башни служат для создания необходимого напора и подачи воды в водопроводную сеть в период, когда насосная станция не работает, или когда расход водопотребления превышает подачу насосной станции. В часы наименьшего водопотре6ления, когда подача насосной станции превышает водопотребление, излишняя вода насосной станцией подается в бак водонапорной башни. Таким образом, водонапорная башня выполняет функцию регулятора расхода, обеспечивая вместе с насосной станцией подачу воды в сеть в соответствии с графиком водопотребления. Баки водонапорных башен делают из железобетона, дерева, листовой стали и армобетона. Опора бака (ствол башни) может быть выполнена из дерева, железобетона, кирпича, стали. Схема водонапорной башни показана на рисунке 12.

Рис. 12. Схема водонапорной башни: 1 – водопроводная труба; 2 – смотровой колодец; 3 – ствол;

4 – напорно-разводящая труба;

5 – сливная труба;

6 – задвижка сливной трубы;

7 – водонапорный бак;

8 – шатер;

9– переливная (контрольная) труба;

10– утеплительный короб;

11– задвижка напорно-разводящей трубы

Институтами «Гипроводхоз», В/О «Союзводпроект» и другими проектными организациями разработаны типовые проекты конструкций водонапорных башен из кирпича, металла, дерева и железобетона с высотой до дна бака 8, 10, 12, 14, 16 м и с емкостью бака 15, 25 и 50 м3. Широкое распространение получили также бесшатровые цельнометаллические сборно-блочные водонапорные башни А.А. Рожновского с емкостью бака 10 и 15 м3 и высотой ствола

8 и 10м. В сельском хозяйстве башни высотой более 20 м обычно не применяют.

Водонапорные башни и насосные станции оборудуют автоматическими устройствами для своевременного включения и выключения насосов в зависимости от колебания уровня воды в баке. Высоту водонапорной башни, считая до дна бака, определяют по зависимости (рис. 13):

в трубопроводе от башни до диктующей точки; Zб, Zд – соответственно отметки поверхности земли у башни и диктующей точки.

Рис. 13. Схема определения высоты водонапорной башни

Объем бака водонапорной башни в общем случае определяют, исходя из хранения регулирующего, противопожарного и аварийного запасов воды. Если противопожарный запас воды предусматривается хранить в специальных безнапорных резервуарах, то при определении объема бака его не учитывают. Величину регулирующего объема воды определяют по графику водопотребления и режиму работы насосной станции, подающей воду в сеть (рис.14).

В этом случае удобнее использовать интегральный график водопотребления и работы насосной станции. Для построения

Таблица 2.11. Величины удельных сопротивлений для полиэтиленовых труб

Величину потерь напора на местные сопротивления примите в размере 20% от потерь напора по длине и занесите в графу 11 таблицы

2.7.Суммарные потери по участкам занесите в графу 12.

7.Определите суммарные потери по главному направлению и запишите их в графу 13 таблицы 2.7. Главным направлением в тупиковой водопроводной сети считается то направление, суммарные потери напора на котором наибольшие. Количество направлений (тупиков) и суммарные потери в них сравниваются на основании данных карты-схемы и графы 12 таблицы 2.7. Следует отметить, что в первых пяти картах имеются два направления, а в шестой – три.

8.Необходимую высоту напорного резервуара (отметку его дна) определите по формуле:

где ∑h – суммарные потери напора;

hсв – свободный напор у диктующей точки, м;

Величины А, β , λ и К (расходная характеристика трубопроводов)

приведены в таблицах 2.9, 2.10, 2.11, 2.12).

Таблица 2.9. Величины удельных сопротивлений для асбестоцементных труб при υ = 1 м/с

Таблица 2.10. Значения расходной характеристики К, удельного сопротивления А и коэффициента трения λ для неновых металлических труб