Прямоточне водопостачання фонтанів

Прямоточне водопостачання фонтанів здійснюють:

1. За наявності двох водойм (водотоків), які мають значну геодезичну різницю висот і зв’язані між собою водотоком, що створюють єдину екосистему. У цьому разі вода з верхньої водойми, перш, ніж потрапити в нижню, живить фонтан (рис.2). Таку схему можна використовувати в парках зі значним похилом рельєфу місцевості, коли джерелом живлення фонтана є джерела і річки, розташовані вище за парк.

Рис.2.

2. При живленні фонтану від міського водопроводу (рис.1,а) слід враховувати зміну протягом дня напору в зовнішній водопровідній мережі. Якщо гарантійного напору у водопровідній мережі є недостатньо для формування певної водної картини, рекомендують застосовувати насоси підживлення (рис.3). Використану воду скидають у водовідвідну мережу.

Рис.3.

Оборотне водопостачання фонтанів

Оборотне водопостачання фонтанів полягає в повторному використанні відпрацьованої води її циркуляцією насосним обладнанням. Оборотну систему водопостачання застосовують також для підвищення напору, якщо гарантійний напір не забезпечує створення необхідного художнього малюнка фонтанних струменів.

На сьогодні будівництво нових и реконструкція старих фонтанів ґрунтується на принципах оборотного водопостачання.

Насоси для подачі води в системах оборотного водопостачання фонтану встановлюють у приміщенні (машинному залі), розташованому окремо – у сусідній будівлі чи в під землею (рис.1,б) або суміщеному з фонтаном (рис.4) чи в резервуарі під чашею фонтану (рис.5) або безпосередньо в чаші фонтану.

Рис.4.

У конструкції фонтана з оборотним водопостачанням необхідно передбачати постійне поповнення води і підтримання її на певному рівні, чого досягають влаштуванням у борту фонтана чи в скульптурній композиції ніші з механічним чи електронним сенсором рівня води і трубопроводом поповненням води від міського водопроводу.

Сучасне обладнання дозволяє мінімізувати втрати води фонтаном. На рис.6 зображено схему мінімізації втрат води фонтаном завдяки збиранню розбризканої води і поверненню її в чашу фонтану.

Датчики контролю рівня води слідкують за підтриманням постійного, необхідного рівня води в фонтані, дозволяють своєчасно позбавлятися від надлишків після злив й автоматично доливати воду при сильному випаровуванні в жару.

Рис.5.

Рис.6. Схема мінімізації втрат води фонтаном:

1 – приймальний лоток; 2 – самопливний трубопровід;

3 – занурений насос з поплавковим клапаном увімкнення;

4 – гідроізольований акумуляторний бак; 5 – фільтр; 6 – забір води на фільтрацію

Основними елементами схем водопостачання фонтанів є (рис.1):

1. Подавальний напірний трубопровід.

2. Розподільча мережа з насадками для створення струменів і запірно-регулювальною арматурою.

3. Приймальна чаша (резервуар).

4. Відвідний чи циркуляційний трубопроводи.

5. Трубопроводи спорожнення та переливу.

6. Насосна установка.

Фонтанні насадки

Фонтанні насадки виготовляють з латуні, бронзи, неіржавіючої сталі, пластика чи в сочетании цих матеріалів, з ретельним шліфуванням їхньої внутрішньої поверхні. Шорстка поверхня насадок сприяє швидкому руйнуванню струменів у повітрі, а тому застосування сталевих насадок, які швидко іржавіють, не рекомендується. Особливу увагу слід звертати на ретельну обробку вихідних отворів циліндричних насадок, обрез яких повинен бути перпендикулярним до осей насадок.

Фонтанні насадки призначені для надання воді саме заданої форми (розсіювання, розбризкування, викид струменя, безперервна течія у вигляді півкулі, лійки тощо). Сукупність різноманітних насадок і розмірів фігур, які ними створюються, дозволяє створювати самые причудливые водні картини.

Для забезпечення вертикальних, компактних і високих струменів необхідно забезпечити плавний перехід від труби до насадки, поступовий перехід від труби до насадки, поступовий перехід від меншого діаметра до більшого, не допускати різких змін поперечних перерізів і слідкувати за ретельним шліфуванням поверхні насадка. Висота і форма струменя залежать від напору біля насадки і її конструкції.

Подрібнення струменя в повітрі відбувається завдяки силі земного тяжіння, руйнуванню струменя від вирових явищ при її виході з насадки і від опору тертю струменя повітрю. Остання величина є незначною, і при розрахунку струменів її можна не враховувати. Вирові явища, зумовлені зміною напрямку трубопроводу і турбулентністю руху води в ньому, призводять до того, що струмінь одразу після виходу з насадки розривається і подрібнюється на окремі краплини.

Для уникнення швидкого руйнування вертикальних чи похилих струменів і для забезпечення їх максимальної компактності і найбільшої висоти підйому довжина прямої ділянки перед обрезом насадки повинна бути не менше 20d. Якщо цю вимогу практично неможливою, то необхідно перед насадками на прямих ділянках встановлювати спеціальні спрямовувачі – заспокоювачі струменів, що являють собою вставку з плоских пластинок, які перетинаються між собою (рис.1).

Спрямовувач треба встановлювати на відстані не менше 3–4 діаметрів труби від фасонної частини, яка є джерелом утворення вирів; вихідний кінець, більш тонкий, має знаходитися не ближче 1–2 діаметрів до входу в насадку. Довжина заспокоювача повинна в 12–15 разів перевищувати ширину його чарунок, а діаметр в 4–5 разів перевищувати діаметр насадок.

Установка таких спрямовувачів збільшує далекобійність польоту струменя на 8…10%.

Для фонтанів використовують найчастіше циліндричні чи коноїдальні насадки, які створюють суцільний нерозривний струмінь, чи насадки, що розпилюють воду.

Типи фонтанних насадок

На сьогодні фонтанні насадки можна розділити на дві умовні групи: залежні ті незалежні від рівня води. Основна відмінність між насадками цих двох груп полягає в способі формування водного струменя. Принцип роботи насадок, залежних від рівня води, в основному, полягає на принципі ежекції (рис.8).

Рис. 1. Заспокоювач струменя перед насадкою

Насадки, незалежні від рівня води, представлено насадками зі звичайним виливом води.

Для створення певного художнього ефекту необхідно мати роздроблений вертикальний струмінь чи використовувати насадки спеціальних конструкцій для утворення водяних фігур.

Рис.8. Насадка, зависимая от уровня воды

Дзвін. Дзвін можна встановити в чаші будь-якого діаметру. Висота цього фонтану залежить від величини (?) самої насадки, а діаметр куполу – від продуктивності насоса. Такий фонтан можна встановити в ставку (чаші) будь-якого діаметру. Насадка "дзвін" є трубою з двома дисками на кінці вихідного отвору. Між дисками є зазор, регулюючи який, змінюють товщину шару води. За допомогою точного регулювання зазору можна отримати тонку суцільну плівку води у вигляді півсфери.

Тюльпан. Фонтан "тюльпан", як і фонтан "дзвін", також формується двома дисками. Але суцільна плівка води повинна виходити не горизонтально, а під кутом 30…40° вгору.

Риб'ячий хвіст. Насадка "риб'ячий хвіст" передбачає такий же принцип, що і "тюльпан": вода виходить вгору під кутом 30…40°, але не у вигляді тонкої плівки, а у вигляді окремих струменів.

Півкуля. Це складна конструкція, що складається з великої кількості насадок типу "дзвін", але менших за розміром. Насадки встановлено в строгій відповідності один з одним, щоб формована ними плівка води складала стінки півкулі.

Гейзер. Вода з цієї насадки б'є широким, важким, пінявим струменем. Утворюється такий струмінь завдяки подачі повітря з боків. Щоб привести фонтан-гейзер в дію, потрібний потужніший насос, ніж для решти видів фонтанів.

Кільце. Фонтан типу "кільце" виконують з труби, сформованої у формі кільця. Обидва кінці труби замикаються на підвідну напірну трубу. У зігнутій трубі висвердлюють отвори одного діаметру, в кожен з яких вставляють насадка у вигляді направляючого сопла.

Каскад (рис. 6) – елемент фонтана, в якому є кілька форсунок, розташованих рядом і встановлених під різними кутами. Діаметри форсунок не однакові і збільшуються від краю до центра. Завдяки цьому висота струменів зменшується від центра до краю. Діаметр розбризкування D залежить від максимальної висоти струменя Н. Параметри каскадів, які випускає фірма Heissner (Germany) під шифром W 210-LC, наведені в табл. 2 [6].

Каскад (може бути в 1, 2 та 3 яруси) по висоті струменя не повинен перевищувати діаметр чаші. Для забезпечення максимальної висоти струменя Н напір на каскаді Н_ф , згідно з попереднім розрахунком, повинен бути більшим на 10%.

Таблиця 2

Параметри каскадів W 210-LC фірми Heissner (Germany)

Параметри	Режим каскаду
	1	2	3	4	5	6
Витрата води Q, м³/год	2	3	4	5	6	8
Максимальна висота струменя H, м	1	1,25	1,5	2	3	3,1
Діаметр розбризкування D, м	0,9	1	1,2	1,5	2	2,5
Напір на каскаді Нф, м	1,1	1,37	1,65	2,2	3,3	3,4

[6]. Фірма Heissner Germany, опис виробу W 210-LC (каскад), 2007.

Вихлоп – це суцільний вертикальний струмінь висотою до 0,5 м з діаметром форсунки 25…50 мм.

Фірма Heissner (Germany) випускає вихлопи під шифром W 445-L [7]. Діаметр форсунки 34 мм. Залежно від витрати води висота вихлопу така:

Витрата води Q, м³/год 3,5 4,5 5,0 6,0

Висота вихлопу, м 0,10 0,15 0,20 0,30

[7]. Фірма Heissner (Germany), опис виробу W 445-L (вихлоп), 2007.

Потужність насоса розраховують, виходячи з висоти і форми фонтану, які визначають типом насадки. Слід пам’ятати, що фонтанні насоси призначені не для забору води, а для її нагнітання, тому вони мають набагато більшу напірну потужність і високу продуктивність. Насос повинен відповідати вимогам щодо конкретного фонтану, а місткість резервуара має бути достатньою для нормального функціонування насоса. Тому насос підбирають ще на стадії проектування.

Розрахунок продуктивності насоса залежно від висоти фонтану наведено в таблиці (насоси різних виробників можуть відрізнятися один від одного потужністю і висотою підйому навіть при однаковій продуктивності, тому ці цифри є орієнтовними).

Насоси фонтанів встановлюють на деякій віддалі від дна, використовуючи спеціальний монтажний столик або, наприклад, цегляну кладку. Не встановлюють насос в безпосередній близькості від дна, оскільки при цьому він швидко забивається донним мулом і брудом. У водоймах великої глибини переважно використовують спеціальні плаваючі фонтани, зручні в установці і обслуговуванні, але досить дорогі.

Каскад		Дзвін		Гейзер
Висота струменя, см	Продуктивність насоса, л/год	Висота струменя, см	Продуктивність насоса, л/год	Висота струменя, см	Продуктивність насоса, л/год
60	1000	30	900	20	2000
100	2000	40	1200	30	3000
150	3000	50	3000	50	4000
200	5000	60	3000	70	5000
250	6000	80	4000	80	7000
300	8000	90	6000

Гідравлічний розрахунок

При проектуванні системи водопостачання фонтанів найскладнішим є завдання розподілу води і створення струменів, що мають певні художні форми. Для вирішення цього завдання складають аксонометричну схему (рис.1,д) розподільчої мережі, групуючи насадки з однаковими конструктивними і гідравлічними характеристиками: діаметрами, формою струменів, робочими напорами і розташовуючи їхній симетрично. Для одержання однакових струменів по довжині і висоті виконують кільцювання розподільчих трубопроводів, встановлюють регулювальну арматуру, підбирають насадки з однаковим опором.

Гідравлічний розрахунок розподільчої мережі фонтанів виконують з використанням відомих формул для розрахунку напірних трубопроводів у тій же послідовності, що і при розрахунку внутрішніх водопроводів будівель. Розподільчу мережу трубопроводів розраховують на максимальну витрату води, яка залежить від типу і кількості насадків [2, c.363].

Мета розрахунку – визначення діаметрів насадків і напору.

Розрахунок розподільчої мережі фонтана виконують у такій послідовності.

1. За аксонометричною схемою розподільчу мережу розбивають на розрахункові ділянки з визначенням довжин. Визначають утрати напорів по розрахункових ділянках (з урахуванням місцевих опорів).

2. Насоси підбирають за сумарною розрахунковою витратою води і необхідним напором. Необхідний напір [на вводі] Н_r визначають як суму геодезичної різниці позначок осі насоса і найбільш віддаленого насадка Н_gеоm , втрат напору Σh_{tot, l} і вільного напору перед насадкою Н_f:

Н_r = Н_geom + Σh_{tot, l} + Н_f .

За [3, п.7.7] втрати напору

Σh_{tot, l} = i·l·(1 + k_l) ,

де k_l – коефіцієнт, який враховує втрати напору в місцевих опорах, для подавальних і циркуляційних розподільчих трубопроводів k_l = 0,2.

3. Розподільчі мережі монтують зі сталевих, чавунних чи пластмасових трубопроводів. залежно від технологічної схеми роботи фонтана розподільча мережа може бути з одним чи декількома точками живлення.

4. Трубопроводи доцільно прокладати в каналах зі зворотним похилом 0,005–0,002 для спорожнювання у зимовий період.

5. Скидання води з чаші фонтана передбачають у мережу водостоку.

6. В оборотній схемі водопостачання передбачають підживлення водою на поповнення втрат. для цього прокладають труби діаметром 15…20 мм до чаші, влаштовують перелив і встановлюють реле рівня води.

Параметри траєкторії струменя задають при складанні архітектурно-планувальної частини проекту.

Висота струменя, його форма та траєкторія польоту залежить від типу фонтанної насадки, її діаметра, кута нахилу і напору води перед нею. Для фонтанів використовують насадки різних типів: циліндричні, конічні (конусні), щілинні, кільцеві, гвинтові, ежекційні, одно- і багатоструменеві та ін. Циліндричні і конічні насадки мають найбільше поширення.

Вільний напір перед насадкою [2, c.363]:

,

(1)

де L – горизонтальна проекція струменя (дальність дії струменя), м;

φ – коефіцієнт витікання, який залежить від конструкції насадка, приймається в межах 0,8...0,9;

Н_С – вертикальна проекція струменя (висота дії струменя), м.

Знаючи висоту польоту струменя Н_С , кут нахилу α і дальність дії L, визначають робочий напір, м, перед насадкою за формулами:

або ,

(2)

де В_о і В₁ – коефіцієнти, що залежать від кута нахилу струменя α.

залежність коефіцієнтів В_о і В₁ від кута нахилу струменя α

α, град.	15	30	45	60	70
Во	0,98 (0,982)	1,62 (1,624)	1,74 (1,74)	1,36 (1,359)	0,94 (0,937)
В1	0,07 (0,066)	0,23 (0,235)	0,43 (0,432)	0,58 (0,583)	0,64 (0,640)

Основні параметри струменів легко визначити за графіком (рис.2).

При вертикальному розташуванні насадок вільний напір перед ними [4, с.199]

,

де

d, мм	13	16	19
φ	0,0165	0,0124	0,0097

Розрахункова витрата води q, л/с, через сопла фонтанних циліндричних насадок визначають за формулою

,

(3)

де k – коефіцієнт опору, що залежить від конструкцій і діаметра наконечника насадки, (л/с)²/м,

k = 1,21·10^–5·μ²·d⁴ ;

μ – коефіцієнт витрати наконечника насадки, μ = 0,97…1,0;

S – гідравлічна характеристика насадки, м/(л/с)².

коефіцієнт опору k та гідравлічна характеристика насадки S

при коефіцієнт витрати μ = 1,0

d, мм	5	10	12	15	20	25	32	40	50
k, (л/с)2/м	0,0075	0,12	0,25	0,61	1,94	4,73	12,7	31,0	75,6
S, м/(л/с)2	133,3	8,33	4,00	1,64	0,52	0,21	0,08	0,03	0,015

Якщо застосовують кільцеві насадки з підсвіткою струменя, то витрату води визначають за формулою

,

де r₁ і r₂ – зовнішній і внутрішній радіуси кільцеві насадки, м.