4.3.2 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

α	30°	40°	50°	60°	70°	80°	90°
ξм	0,2	0,2	0,4	0,55	0,7	0,9	1,1

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

d, мм	38	50	75	100	125	150	200	250	300	400	500
А	41840	10340	1113	268	82,4	31,4	6,86	2,11	0,805	0,176	0,054

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)

Т,°С	Е1, Па	Т,°С	Е1, Па	Т,°С	Е1, Па	Т,°С	Е1, Па
6	873,1	11	1313,5	16	1819,4	21	2488,9
7	1002,6	12	1403,4	17	1939,0	22	2646,0
8	1073,5	13	1498,7	18	2065,4	23	2811,7
9	1148,8	14	1599,6	19	2198,9	24	2986,4
10	1228,7	15	1706,4	20	2340,0	25	3170,6

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

Модель	Мощность (P max), Вт	Напор (H max), м	Расход (Q max), м³/час
Насос KP 150 A1	300	5,5	8,5
Насос KP 250 A1	500	7,5	11,5
Насос КР 350 A1	700	9,0	14,0
Насос АР 12.40.04. A1	700	10,0	17,0
Насос АР 12.40.06. A1	900	13,0	18,0
Насос АР 12.40.08. A1	1300	15,0	21,0
Насос АР 12.50.11. A1	1700	17,0	30,0

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 характеристики напорных фильтров

Модель	Размер	Объем фильтра, литров	Мощность УФ лампы, Вт	Вес, кг.
Filtoclear 3000	380х310	5	9	5
Filtoclear 6000	380х430	9	11	5,5
Filtoclear 11000	380х550	14	11	6
Filtoclear 15000	380х670	17	11	6,5

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.