Гидравлический расчет водопроводной сети: цели, варианты и порядок проведения вычислений

• С учетом полученных значений расхода воды внутренний водопровод проектируют из простой полипропиленовой трубы диаметром 25мм (горизонтальные отводы от стояка) и 32 мм (вертикальный стояк).
• На основании значений длины первого и второго расчетного участка, величины коэффициента i и Kl (для таких условий они равны 0,083 и 0,3 соответственно) потеря напора на первом и втором расчетном участке будет равна:

Нl уч.1= L1×i×(1+Kl) = 5×0,083×1,3=0,54 м.вод. столба;

Нl уч.2= L1×i×(1+Kl) = 5,5×0,083×1,3=0,59 м.вод. столба.

Суммарная потеря напора на двух расчетных участках будет равна 1,14 водного столба или 0,114 атмосферы.

• Требуемый напор в точке ввода для такого здания будет равен:

Hтр=10+(2-1)×4=14 метров водяного столба или 1,4 атмосферы

• Фактический требуемый напор в точке ввода для данного коттеджа будет равен:

Нф= Hтр+ Нl расч.уч.1+ Нl расч.уч.2=14+1,14=15,14 метров водного столба или 1,5 атмосферы

Благодаря произведенному расчету, хозяин дома на этапе проектирования с учетом давления магистрального водопроводного трубопровода своего населенного пункта может планировать определенную схему внутренней водопроводной сети.

Гидравлический расчет сети

Гидравлический расчет сети заключается в определении по установленным расчетным расходам наиболее выгодных диаметров труб и соответствующих потерь напора для каждого участка сети.

Экономический расчет магистральной сети города имеет важное значение, так как водопроводная сеть – самый дорогой элемент водопровода. Для расчета сети требуется прежде всего установить расчетные расходы воды по участкам сети. Если число водоразборных точек невелико и в каждой точке сосредоточен определенный по величине расход воды, то в расчетной схеме водоотдачи могут быть учтены все сосредоточенные расходы.

В большинстве случаев отбор воды из сети производится во многих точках и получается большое количество расчетных участков, а расчет сети получается весьма трудоемким, поэтому в городских водопроводных сетях принимают схему равномерно распределенного отбора воды на хозяйственно-питьевые нужды населения.

Расход воды крупных потребителей (промышленные предприятия, железнодорожные вокзалы, пристани, банно-прачечные комбинаты и т.д.) выделяются в сосредоточенные расходы в определенных узловых точках у места их расположения.

Расход, приходящийся на 1 м длины сети (в л/с), называется удельным

где qmax – максимальный расчетный секундный расход, л/с; qсоср – сосредоточенные расходы крупных потребителей, л/с; L – общая длина сети (в длину сети не включаются участки, проходящие по незастроенной территории), м.

При принятой методике расчета считают, что расход воды на каждом участке магистральной сети пропорционален его длине. Расход воды на каждом участке называют путевым расходом и определяют по формуле q = qyдl л/с, где I – длина участка сети, м.

Тогда путевой расход для участка 1–2 (см. рис. 8.10, а) будет равен qпут = 0,05 • 100 = 5 л/с.

Каждый промежуточный участок сети, кроме путевого расхода, несет транзитный расход Qт, идущий на питание последующих участков, т.е. расход на участке равен Qр = = Qг + αQпут

Для участка 1–2 получим Qр 1-2 = 23 + α • 5.

С достаточной степенью точности мы получим те же расчетные расходы, если разобьем путевой расход пополам и приложим его в начальной и конечной точках рассматриваемого участка:

По принятой методике расчета путевые расходы воды переводятся на расходы, сосредоточенные в узловых точках сети. Узловой расход каждого узла сети равен полусумме путевых расходов участков, примыкающих к данному узлу:

Для определения диаметров труб участков сети применяют известную формулу гидравлики трубопроводов, связывающую площадь живого сечения трубы ω (в м2), с расходом q (в м3/с), и со скоростью движения воды v (в м/с):

Из этой формулы очевидно, что диаметр трубы зависит не только от расхода, но и от скорости движения воды. Если принять малую величину расчетной скорости, то трубопровод получится относительно большого диаметра, а следовательно, будет иметь более высокую стоимость. Наоборот, чем больше будет скорость движения воды, тем меньше будут диаметр трубопровода и его строительная стоимость. Однако увеличение скорости движения воды вызывает резкое увеличение потерь напора в трубах и, следовательно, увеличение затрат электроэнергии на подачу воды к потребителям, т.е. стоимости эксплуатации водопровода. Кроме того, скорость движения воды по водопроводным трубам имеет и технические пределы. При скорости 2 м/с и больше в трубопроводах могут возникать гидравлические удары, опасные для прочности труб и стыковых соединений.

При выборе диаметров труб руководствуются так называемой экономической скоростью движения воды. Величина этой скорости зависит от целого ряда условий: стоимости энергии, стоимости труб и их укладки, расчетного срока службы и материала труб.

Потери напора на трение в трубах определяют по формуле

где q – расход, м3/с; l – длина трубопровода, м; d – диаметр труб, м; k – коэффициент потери напора.

В практике расчета сети для определения потерь в трубопроводах в большинстве случаев пользуются формулой h = il, где l – длина трубопровода, км, i – потери напора на 1000 м принимают по таблицам Ф. А. Шевелева, м.

Гидравлический расчет разветвленной сети производят в следующей последовательности. В первую очередь рассчитывают главную магистраль 1–2–3–4–5, соединяющую начальную точку сети с наиболее удаленной и возвышенной из конечных ее точек. Затем рассчитывают ответвления 2–10–11; 2–9; 3–6–7; 6–8 (см. рис. 8.10, а).

Расчет сети может быть произведен, когда заданы требуемые напоры во всех узлах и необходимо определить требуемый напор в начальной точке; заданы напоры в начальной и в узловых точках и требуется определить диаметры труб для пропуска воды при располагаемом напоре.

При расчете кольцевой сети в общем случае неизвестными являются как диаметры участков, так и расходы на участках. Следовательно, каждый участок сети дает две неизвестных – диаметр и расход, а общее число неизвестных равно удвоенному числу участков.

Для нахождения этих неизвестных необходимо составить надлежащее число уровней. Рассмотрение законов движения жидкости по замкнутому контуру позволяет составить некоторое число уровней для их нахождения.

1. Сумма расходов, приходящих в узел, равна сумме расходов, уходящих из этого узла, плюс узловой расход.

Если обозначить расходы, приходящие в узел, знаком “+”, а уходящие (включая узловой расход) – знаком “-“, то алгебраическая сумма расходов будет равна нулю:

Σq=0.

2. В каждом замкнутом кольце сети сумма потерь на участках, где вода движется по часовой стрелке (обозначим условно-положительными), равна сумме потерь напора на участках, на которых вода движется против часовой стрелки (обозначим – отрицательными), т.е. алгебраическая сумма потерь в кольце равна нулю: Σh = 0 или ΣSq2 = 0, где S – сопротивление участка S = Аl; А – удельное сопротивление трубы (принимается по таблице Ф. А. Шевелева).

Однако решение системы квадратных уравнений для сети с большим количеством колец весьма сложная задача, поэтому гидравлический расчет сети производят различными приближенными способами, причем все они сводятся к методу последовательного приближения.

Рассмотрим два метода увязки сети – метод В. Г. Лобачева и метод Μ. М. Андриашева.

В. Г. Лобачев разработал теорию расчета кольцевых сетей и предложил метод увязки, основанный на итеративном способе решения системы квадратных уравнений.

Возьмем одно кольцо I, состоящее из соединенных расчетных точек (колодцев) 3–4–5–в (см. рис. 8.10, а), с намеченным распределением расходов воды q, но которым определены диаметры труб d; длина участков известна.

Предположим, что при первом предварительном распределении расходов не удалось достигнуть условия Σh = 0 и мы получили Σh = Δh или

Величина отброшена как относительно малая по сравнению с членами, содержащими q и .

Числитель есть :, а знаменатель является удвоенной суммой произведений расходов каждого участка на его сопротивление, т.е. Δq = Δh2Σq.

Если сеть состоит из нескольких колец, то задача сводится к решению системы стольких уравнений, сколько колец в сети.

При увязке сети по этому методу каждое кольцо рассматривается вне их взаимной связи и поправочный расход вводится в каждое кольцо отдельно. Μ. М. Андрияшев предлагает поправочный расход проводить но замкнутому контуру, охватывающему несколько колец. Величина и направление поправочного расхода определяются на основании анализа невязок, полученных в отдельных кольцах. Путь поправочного расхода выбирают так, чтобы он был направлен против направления потока в перегруженных участках и совпал с потоком в недогруженных.

Гидравлический расчет водопровода: простые методы

Для чего выполняется гидравлический расчет водопроводной сети? Какие именно параметры нуждаются в расчете? Существуют ли какие-то простые схемы расчетов, доступные для новичка? Сразу оговорим: этот материал ориентирован прежде всего на владельцев небольших частных домов; соответственно, такие параметры, как вероятность одновременного использования всех сантехнических приборов в здании, нам определять не нужно.

Как и любая инженерная система, водопровод нуждается в расчете.

Что рассчитывается

Гидравлический расчет внутреннего водопровода сводится к определению следующих параметров:

1. Расчетного расхода воды на отдельных участках водопровода.
2. Скорости потока воды в трубах.

Подсказка: для внутренних водопроводов нормой считаются скорости от 0,7 до 1,5 м/с. Для пожарного водопровода допустима скорость до 3 м/с.

1. Оптимального диаметра водопровода, обеспечивающего приемлемое падение напора. Как вариант – может определяться потеря напора при известном диаметре каждого участка. Если с учетом потерь напор на сантехнических приборах будет меньше нормированного, локальная сеть водоснабжения нуждается в установке подкачки.

Несложный опыт наглядно демонстрирует падение напора в водопроводе.

Расход воды

Нормативы расхода воды отдельными сантехническими приборами можно обнаружить в одном из приложений к СНиП 2.04.01-85, регламентирующему сооружение внутренних водопроводов и канализационных сетей. Приведем часть соответствующей таблицы.

В случае предполагаемого одновременного использования нескольких сантехнических приборов расход суммируется. Так, если одновременно с использованием туалета на первом этаже предполагается работа душевой кабинки на втором – будет вполне логичным сложить расход воды через оба сантехнических прибора: 0,10+0,12=0,22 л/с.

При последовательном подключении приборов расход воды суммируется.

Особый случай

Для пожарных водопроводов действует норма расхода в 2,5 л/сна одну струю. При этом расчетное количество струй на один пожарный гидрант при пожаротушении вполне предсказуемо определяется типом здания и его площадью.

На фото – пожарный гидрант.

Скорость потока

Предположим, что наша задача – гидравлический расчет тупиковой водопроводной сети с известным пиковым расходом через нее. Нам нужно определить диаметр, который обеспечит приемлемую скорость движения потока через трубопровод (напомним, 0,7-1,5 м/с).

Большая скорость потока вызывает появление гидравлических шумов.

Формулы

Расход воды, скорость ее потока и размер трубопровода увязываются друг с другом следующей последовательностью формул:

• S – площадь сечения трубы в квадратных метрах;
• π – число “пи”, принимаемой равным 3,1415;
• r – радиус внутреннего сечения в метрах.

Полезно: для стальных и чугунных труб радиус обычно принимается равным половине их ДУ (условного прохода).
У большинства пластиковых труб внутренний диаметр на шаг меньше номинального наружного: так, у полипропиленовой трубы наружным диаметром 40 мм внутренний приблизительно равен 32 мм.

Условный проход примерно соответствует внутреннему диаметру стальной трубы.

• Q – расход воды (м3);
• V – скорость водяного потока (м/с) ;
• S – площадь сечения в квадратных метрах.

Пример

Давайте выполним гидравлический расчет пожарного водопровода для одной струи с расходом 2,5 л/с.

Как мы уже выяснили, в этом случае скорость водяного потока ограничена м/с.

1. Пересчитываем расход в единицы СИ: 2,5 л/с = 0,0025 м3/с.
2. Вычисляем по второй формуле минимальную площадь сечения. При скорости в 3 м/с она равна 0,0025/3=0,00083 м3.
3. Рассчитываем радиус внутреннего сечения трубы: r^2 = 0,00083/3,1415 = 0,000264; r = 0,016 м.
4. Внутренний диаметр трубопровода, таким образом, должен быть равен как минимум 0,016 х 2 = 0,032 м, или 32 миллиметра. Это соответствует параметрам стальной трубы ДУ32.

Обратите внимание: при получении промежуточных значений между стандартными размерами труб округление выполняется в большую сторону.
Цена труб с диаметром, отличающимся на шаг, различается не слишком сильно; между тем уменьшение диаметра на 20% влечет за собой почти полуторакратное падение пропускной способности водопровода.

Пропускная способность первой и третьей труб различается вчетверо.

Простой расчет диаметра

Для быстрого расчета может использоваться следующая таблица, непосредственно увязывающая расход через трубопровод с его размером.

Потеря напора

Формулы

Инструкция по расчету потери напора на участке известной длины довольно проста, но подразумевает знание изрядного количества переменных. К счастью, при желании их можно найти в справочниках.

Формула имеет вид H = iL(1+K).

• H – искомое значение потери напора в метрах.

Справка: избыточное давление в 1 атмосферу (1 кгс/см2) при атмосферном давлении соответствует водяному столбу в 10 метров.
Для компенсации падения напора в 10 метров, таким образом, давление на входе в водораспределительную сеть нужно поднять на 1 кгс/см2.

• i – гидравлический уклон трубопровода.
• L – его длина в метрах.
• K – коэффициент, зависящий от назначения сети.

Формула сильно упрощена. На практике изгибы трубопровода и запорная арматура тоже вызывают падение напора.

Некоторые элементы формулы явно требуют комментариев.

Проще всего с коэффициентом К. Его значения заложены в уже упоминавшийся нами СНиП за номером 2.04.01-85:

А вот с понятием гидравлического уклона куда сложнее. Он отражает то сопротивление, которое труба оказывает движению воды.

Гидравлический уклон зависит от трех параметров:

1. Скорости потока. Чем она выше, тем больше гидравлическое сопротивление трубопровода.
2. Диаметра трубы. Здесь зависимость обратная: уменьшение сечения приводит к росту гидравлического сопротивления.
3. Шероховатости стенок. Она, в свою очередь, зависит от материала трубы (сталь обладает менее гладкой поверхностью по сравнению с полипропиленом или ПНД) и, в некоторых случаях, от возраста трубы (ржавчина и известковые отложения увеличивают шероховатость).

К счастью, проблему определения гидравлического уклона полностью решает таблица гидравлического расчета водопроводных труб (таблица Шевелева). В ней приводятся значения для разных материалов, диаметров и скоростей потока; кроме того, таблица содержит коэффициенты поправок для старых труб.

Уточним: поправки на возраст не требуются всем типам полимерных трубопроводов.
Металлопластик, полипропилен, обычный и сшитый полиэтилен не меняют структуру поверхности весь период эксплуатации.

Размер таблиц Шевелева делает невозможной их публикацию целиком; однако для ознакомления мы приведем небольшую выдержку из них.

Вот справочные данные для пластиковой трубы диаметром 16 мм.

При расчете падения напора нужно учитывать, что большая часть сантехнических приборов для нормальной работы требует определенного избыточного давления. В СНиП тридцатилетней давности приводятся данные для устаревшей сантехники; более современные образцы бытовой и санитарной техники требуют для нормальной работы избыточного давления, равного как минимум 0,3 кгс/см (3 метра напора).

Датчик не даст проточному нагревателю включиться при давлении воды ниже 0,3 кгс/см2.

Однако: на практике лучше закладывать в расчет несколько большее избыточное давление – 0,5 кгс/см2.
Запас нужен для компенсации неучтенных потерь на подводках к приборам и их собственного гидравлического сопротивления.

Примеры

Давайте приведем пример гидравлического расчета водопровода, выполненного своими руками.

Предположим, что нам нужно вычислить потерю напора в домашнем пластиковом водопроводе диаметром 15 мм при его длине в 28 метров и максимально допустимой скорости потока воды, равной 1,5 м/с.

Трубы этого размера чаще всего используются для разводки воды в пределах квартиры или небольшого коттеджа.

1. Гидравлический уклон для длины в 1000 метров будет равным 319,8. Поскольку в формуле расчета падения напора используется i, а не 1000i, это значение следует разделить на 1000: 319,8 / 1000 = 0,3198.
2. Коэффициент К для хозяйственно-питьевого водопровода будет равным 0,3.
3. Формула в целом приобретет вид H = 0,3198 х 28 х (1 + 0,3) = 11,64 метра.

Таким образом, избыточное давление в 0,5 атмосферы на концевом сантехническом приборе мы будем иметь при давлении в магистральном водопроводе в 0,5+1,164=1,6 кгс/см2. Условие вполне выполнимо: давление в магистрали обычно не ниже 2,5 – 3 атмосфер.

К слову: испытания водопровода при сдаче в эксплуатацию проводятся давлением, как минимум равным рабочему с коэффициентом 1,3.
Акт гидравлических испытаний водопровода должен включать отметки как об их продолжительности, так и об испытательном давлении.

Образец акта гидравлических испытаний.

А теперь давайте выполним обратный расчет: определим минимальный диаметр пластикового трубопровода, обеспечивающего приемлемое давление на концевом смесителе для следующих условий:

• Давление в трассе составляет 2,5 атмосферы.
• Протяженность водопровода до концевого смесителя равна 144 метрам.
• Переходы диаметра отсутствуют: весь внутренний водопровод будет монтироваться одним размером.
• Пиковый расход воды составляет 0,2 литра в секунду.

1. Допустимая потеря давления составляет 2,5-0,5=2 атмосферы, что соответствует напору в 20 метров.
2. Коэффициент К и в этом случае равен 0,3.
3. Формула, таким образом, будет иметь вид 20=iх144х(1+0,3). Несложный расчет даст значение i в 0,106. 1000i, соответственно, будет равным 106.
   
4. Следующий этап – поиск в таблице Шевелева диаметра, соответствующего 1000i = 106 при искомом расходе. Ближайшее значение – 108,1 – соответствует диаметру полимерной трубы в 20 мм.

Зависимость между внутренним и наружным диаметром полипропиленового трубопровода.

Заключение

Надеемся, что не переутомили уважаемого читателя избытком цифр и формул. Как уже упоминалось, нами приведены предельно простые схемы расчетов; профессионалы вынуждены использовать куда более сложные решения. Как обычно, дополнительная тематическая информация найдется в видео в этой статье. Успехов!

Гидравлические расчеты сетей водоснабжения

Объект: . Офис

Площадь: . 42 м.кв

Необходимо было переоборудовать одну из квартир в нашем доме под офис ТСЖ. По рекомендациям было принято решение обратиться в Энерджи.

Объект: . Квартира

Площадь: . 58 м.кв

Я-мама трех дочек. С переездом в новую квартиру в Москве столкнулись с проблемой, как разместить троих детей в одной комнате и при этом.

Объект: . Дом

Площадь: . 680 м.кв

Моя детская мечта, обзавестись своим большим домом, и вот этот момент наступил! Мы с мужем начали думать над проектом, как все будет, что.

Объект: . Дом

Площадь: . 280 м.кв

С женой решили переехать и заняться строительством нового дома. Понадобилась помощь в проектировании инженерных систем. Долго искали.

Объект: . Квартира

Площадь: . 156 м.кв

Заказывала дизайн-проект проект, для квартиры с инженерными проектами в комплекте. Сама не хотела ничего подобного делать и вообще в этом.

Объект: . Дом

Площадь: . 64 м.кв

Давно с мужем мечтали о загородном доме. Купили участок с домом, но дизайн интерьера в нем нам совсем не нравился, мы решили сделать ремонт.

Объект: . Квартира

Площадь: . 68 м.кв

После приобретения квартиры столкнулись с необходимостью ремонта. По совету знакомых мы обратились в ENERGY-SYSTEM. В минимально сжатые.

Объект: . Дом

Площадь: . 98 м.кв

Срочно понадобился проект перепланировки загородного дома. Перебрала кучу компаний, но везде дорого, либо не успевают сделать в назначенный.

Объект: . Квартира

Площадь: . 64 м.кв

Родители на свадьбу подарили нам трехкомнатную квартиру. Но сама квартира была в таком ужасном состоянии, что я даже не знала с чего начать.

Объект: . Стоматология

Площадь: . 54 м.кв

Решила открыть частную стоматологию, о которой мечтала с детства. Взяла в аренду помещение, нужен был дизайн-проект, обратилась в Энерджи.

Статьи / Инженерные системы / Гидравлические расчеты сетей водоснабжения

В чём состоит значимость выполнения гидравлических расчетов сетей водоснабжения

Смысл и назначение сетей водоснабжения легко может назвать практически любой человек, поскольку заключаются они в организации снабжения водой всех нуждающихся в этом объектов любого назначения. Создание каждой инженерно-коммуникационной системы (и водоснабжение не является исключением из общего правила) предваряет комплексная и обширная работа по выполнению многочисленных расчётов математического и экономического свойства. При этом экономическая целесообразность представляется одной из самых важных составляющих всего этого процесса. Необходимо не просто организовать подачу воды во все узлы и участки системы, но сделать это таким образом, чтобы финансовые затраты на создание водоснабжающей сети и её эксплуатацию были наименьшие из возможных.

С обывательской точки зрения расчёт и проектирование водоснабжения представляет собой выбор труб необходимого диаметра для водопровода и их прокладка впоследствии. На самом же деле всё обстоит гораздо сложнее и масштабнее: помимо выбора труб, нужно ещё грамотно и максимально выверенно рассчитать потери напора воды в системе, предусмотреть, какое оборудование следует установить, чтобы его мощность соответствовала потребностям сети и ещё многое другое.

Пример проекта водоснабжения дома

Цели выполнения гидравлических расчетов сетей водоснабжения

В жилых зданиях водопроводные системы состоят из нескольких элементов, в число которых сходят пункты забора воды, располагаемые на месте ввода водопроводной системы в здание, водомерный узел, оборудование для регулирования подачи воды, насосы, трубы внутренней сети водопровода, размещаемые по всему зданию, стояки системы распределения воды по сети и устройства водоразбора.

Существует два варианта проведения гидравлических расчётов сетей водоснабжения: поверочный и проектный. Цель выполнения расчёта систем внутреннего водоснабжения состоит в том, чтобы определить все оптимальные параметры создаваемой инженерной системы для правильного расхода воды и необходимого уровня её давления в системе. Особого внимания заслуживают расчёты системы водоснабжения для наиболее удалённых от точек водоразбора участков, поскольку давление на них неизбежно падает, но всё равно оно должно соответствовать нормативным показателям.

Методика проведения гидравлических расчетов сетей водоснабжения

Поскольку речь идёт о сложном технологическом процессе, то логично будет разбить его на несколько последовательно выполняемых этапов:

• Создание аксонометрического плана сети водоснабжения, на котором размещается поэтажная разводка водопроводной сети с указанием всех узлов водоразбора и систем обеспечения водой для технических и противопожарных целей.
• Распределение всей системы на отдельные участки на схеме, за начало берётся наиболее удалённый от водоразборного узла участок.
• Определение условных объёмов расхода воды на каждом участке системы, вычисление оптимального количества водопотребляющих узлов. Уровень расхода воды для каждого из участков сети находится по формуле – q = 5 qoХa, где

qo – это показатель максимального расхода устройств водоразбора, измеряемый в литрах за секунду;

а=PN – коэффициент, который определяется путём произведения вероятности включения водоразборных приборов системы водоснабжения в единовременном режиме (Р) на число задействованных на данном участке сети приборов (N).

• Определение показателя потери напора воды на участках водопроводной системы. Этот показатель вычисляется по формуле: , где

i – это уровень гидравлического уклона участка;

l – длина участка;

kl – коэффициент, зависящий от назначения водопроводной сети, для жилых зданий он составляет 0,3.

• Используя данные из таблиц гидравлического расчёта водопроводных труб, вычисляют общий уровень потерь напора в системе водоснабжения. Сначала выясняется данный показатель на каждом участке, после чего все они суммируются, и в итоге получается искомая цифра, позволяющая определить величину напора системы водоснабжения на вводе в здание. Если этот показатель сильно разнится с напором на магистральной сети, то ставится вопрос о необходимости установки дополнительного насосного оборудования.

Аналогичным образом в случае необходимости производится также расчёт и системы горячего водоснабжения.

Примерную стоимость проектирования водоснабжения, вы можете рассчитать воспользовавшись калькулятором представленным ниже:

Задачи гидравлического расчета водопроводных сетей

Конечной целью расчета водопроводной сети является определение диаметров линий сети и потерь напора в них. В том случае, если известны диаметры, характеристики насосных станций, регулирующих емкостей и др., то в результате расчета определяются истинные расходы в линиях сети, действительные подачи воды всеми водопитателями и создаваемые ими напоры, а также давления во всех узлах сети и нефиксированные отборы.

Для подлежащей расчету водопроводной сети всегда должны задаваться ее конфигурация, длины участков и узловые отборы воды, В основе гидравлического расчета водопроводных сетей лежат положения о том, что распределение воды по линиям сети происходит в соответствии с законами Кирхгофа. Так, в соответствии с I законом Кирхгофа в каждом узле должен соблюдаться материальный баланс, отвечающий принципу сплошности потока. По условиям работы водопроводной сети это означает, что алгебраическая сумма расходов в любом узле сети равна нулю:

По II закону Кирхгофа требуется выполнение условия суммарного нулевого изменения перепадов давления (разности потенциалов) в любом контуре системы. Для кольцевой сети это означает, что алгебраическая сумма потерь напора в любом контуре i-й сети равна нулю:

(∑S_ikq_ik β )_I = 0, где q_ik — расход по участкам водопроводной сети, м 3 /с; Q_i — узловые отборы, м 3 /с; S_ik — гидравлическое сопротивление линии.

Если имеются напорно-расходные характеристики водопитателей F(Q)_М и нефиксированных отборов F(Q)К, расположенных в узлах системы М и К, то в дополнение к последнему уравнению используются уравнения вида

Взаимодействие между водопитателями и нефиксированными отборами осуществляется через потери напора (∑S_ikq_ik β )_MK в линиях сети, их соединяющих. Распределение потоков в кольцевой сети, при котором соблюдаются указанные законы, соответствует минимуму энергии, расходуемой на преодоление потерь напора в трубах.

Прежде чем установить число уравнений I и II законов Кирхгофа, характеризующих потокораспределение в системе, рассмотрим свойства водопроводной сети. Рассматривая геометрические свойства кольцевой сети, можно установить определенную связь между числом ее элементов, т.е. числом колец, узлов и участков. Обозначив число колец через n, число узлов — через m, число участков — через р и число водопитателей и нефиксированных отборов — через е, можно установить следующую зависимость:

Это положение является следствием теоремы Эйлера о соотношении между числом граней, вершин и ребер выпуклого многогранника. Оно позволяет установить зависимость между числом уровней I и II законов Кирхгофа при расчете водопроводных сетей и числом неизвестных.

В случае если диаметры линий сети известны, можно однозначно определить расходы в линиях сети. Искомые расходы q_ik находятся из совместного решения системы p = m+n+e-1 уравнений I и II законов Кирхгофа, из которых n + е — нелинейные уравнения и m – 1 — линейные уравнения типа.

Для разветвленных сетей, не имеющих колец, число уравнений определяется соотношением р = m +е – 1. При отсутствии характеристик водопитателей и нефиксированных отборов их число уменьшается до m – 1.

При отыскании потокораспределения соблюдение линейных уравнений достигается на стадии предварительного потокораспределения.

В общем случае, рассматривая уравнения II закона Кирхгофа, становится ясно, что помимо неизвестных q_ik, подлежащих отысканию, в них входят также неизвестные диаметры линий d_ik. Это вызвано тем, что значения S_ik, входящие в формулу потерь напора, выражаются в функции диаметров. Таким образом, любое изменение диаметров линий сети будет приводить к перераспределению расходов, протекающих по ним. С другой стороны, перераспределение расходов приводит к необходимости назначения новых диаметров. В этой ситуации сталкиваются (как уже указывалось выше) с задачей технико-экономического расчета. В результате этого расчета отысканию подлежат 2р неизвестных: р значений q_ik и столько же значений d_ik. Для одновременного нахождения всех 2р неизвестных полученных уравнений недостаточно.

Не обращаясь на данном этапе к методам полного технико-экономического расчета, можно сделать вывод, что гидравлический расчет сетей следует вести, задаваясь диаметрами. Как было отмечено выше, выбор диаметров отдельных участков сети не может быть произведен совершенно произвольно, так как диаметр, в известной степени, есть функция проводимого трубой расхода, поэтому для точного выбора диаметров необходимо назначать предварительное потокораспределение.

5.5. Принципы гидравлического расчета водопроводных сетей

Водопроводная сеть является одной из главных частей системы водоснабжения.

Водопроводная сеть состоит из магистральных и распределительных трубопроводов. Магистральные трубопроводы (линии) в основном осуществляют транспортировку воды, а распределительные трубопроводы обеспечивают подачу воды из магистральных линий непосредственно на объекты водопотребления.

Магистральные линии водопроводных сетей по своей форме подразделяются на разветвленные (тупиковые) и кольцевые (замкнутые). Водопроводная сеть должна удовлетворять следующим основным требованиям: достаточно оптимальное обеспечение заданных расходов к местам водопотребления; надежность эксплуатации и экономичность.

Выбор диаметров труб участков водопроводной сети производится с учетом скоростей в трубопроводе, соответствующих экономически наивыгоднейшим диаметрам. Расход воды, сосредоточенный в определенной узловой точке магистрального трубопровода, называется узловым расходом Q.

Расход, достаточно равномерно распределенный на участке сети между узловыми точками, – путевой расход . В начале участка сети путевой расход максимальный, а в конце его он равен нулю. Путевой расход, приходящийся на единицу длины участка, называют удельным расходом . Удельный расход

, (5.28)

где – длина участка, на котором происходит водоразбор.

Величина удельных путевых расходов зависит от конкретных объектов, осуществляющих водопотребление, а также от различных моментов работы сети.

Расход воды, проходящий через участок без использования его на водопотребление и следующий на другой участок сети, является транзитным расходом . Транзитный расход постоянен по длине участка магистральной сети.

При гидравлических расчетах определенного участка сети принимается расчетный расход . Расчетный расход учитывает постоянный транзитный и переменный путевой расходы.

Расчетный расход находится по следующей формуле:

, (5.29)

где – коэффициент, зависящий от соотношения значений транзитного и путевого расходов, а также от равномерности распределения водозабора на участке сети длиной.

В целях упрощения гидравлического расчета трубопроводов сети принимается .

Узловой расход в определенной точке равен половине путевых расходов участков, которые примыкают к узлу:

. (5.30)

Разветвленная тупиковая водопроводная сеть

В разветвленной водопроводной сети расход, поступающий к каждой водозаборной точке, осуществляется с одной стороны. Разветвленная сеть состоит из главной магистральной линии и присоединенных к ней ответвленных участков трубопровода, обеспечивающих подачу воды к конечным водозаборным точкам.

Рис. 5.11. Схема разветвленной сети

На рис. 5.11 изображена схема разветвленной тупиковой сети, точками обозначены узловые точки. Участки сети длиной располагаются между точками. Точка 1 является началом разветвленной водопроводной сети. В данной точке может быть установлена насосная станция или водонапорная башня.

При расчете разветвленных водопроводных сетей должны быть известны длины . участков между узловыми точками, расходы воды в узловых точках, удельные путевые расходы на определенных участках, геодезические отметки расположения узловых точек и свободные напоры в узловых конечных точках.

Расчет разветвленной сети начинается с выбора главной магистральной линии. Главная магистраль (см. рис. 5.11), начинается в точке сети 1 и соединяется с самой удаленной концевой точкой, например 8, имеющей наибольшую геодезическую высоту . Магистраль должна обеспечить суммарный расход, необходимый для подачи воды в концевые узловые точки ответвлений сети, находящихся на геодезических отметках z, и заданный свободный напор . Вычислив расчетные расходы на участках магистралей, далее определяются диаметры трубопроводов, гидравлические потери и уклоны каждого участка.

Расчетный расход участка складывается из суммы расходов, которые будут в его конце и на других участках, находящихся за ним.

Рассмотрим, например, участки 3-4 и 6-7 (см. рис. 5.11). На участке 3-4 имеет место распределенный расход с удельным путевым расходом . За участком 6-7 находится участок 7-8 с путевым удельным расходом .

Расчетный расход на участке сети 3-4, имеющий путевой распределенный расход,

,

где , -узловые расходы; – путевой расход, ; – транзитный расход.

Расчетный расход участка 6-7, где нет распределенного путевого расхода,

. (5.32)

Считаем, что участок 7-8 входит в главную магистраль 1-2-6-7-8.

. (5.33)

Необходимый напор в узле 8 будет равен

, (5.34)

где – гидравлические потери на участке.

Аналогичные расчеты выполняют для всех участков принятой главной магистрали. В конце расчетов определяется потребный напор в начальной точке 1, обеспечивающий подачу воды расходом с учетом потерь напора по длине всей магистрали:

. (5.35)

Определение диаметров трубопроводов ответвлений обусловливается тем, что начальный напор в узловой точке магистрали известен. Для ветвей 2-3-4-5 гидравлические потери

. (5.36)

Полагая, что гидравлические потери равномерно изменяются по всей длине, гидравлический уклон будет одинаков для всех участков.

Средний гидравлический уклон всего участка

. (5.37)

Ориентировочно напор в узловой точке 3

, (5.38)

где .

Удельное сопротивление этого участка

. (5.39)

По значению А, используя, например, табл. 5.3, определяется диаметр трубопровода этого участка. Зная диаметр трубы, вычисляется средняя скорость потока воды V и уточняется удельное сопротивление А с поправкой на неквадратичность сопротивления (см. табл. 5.4):. Аналогично рассматриваются участки3-4 и 4-5 и находятся диаметры участков труб.

Кольцевая водопроводная сеть

Кольцевые водопроводные сети представляют собой систему смежных замкнутых колец (контуров). По надежности и бесперебойности эксплуатации кольцевые сети имеют весьма существенное преимущество перед разветвленными. В случае аварии (разрыв трубопровода) на одном из участков разветвленной сети подача воды в узловые точки, находящиеся за участком, не будет обеспечена. Для кольцевой сети подача воды не прекращается, так как поврежденный участок сети отключается, а в узловые точки вода подается по другим прилегающим к ним участкам. В случае изменения водопотребления в узловых точках в течение суток возможно осуществить переток воды из другого кольца. В кольцевой сети при возникновении гидравлического удара повышение давления в трубопроводе будет значительно меньше, чем в разветвленной сети. Однако протяженность кольцевой сети существенно больше разветвленной и, следовательно, больше и ее стоимость. Кольцевая сеть обеспечивает гарантированное водопотребление в узлах сети, что очень важно для осуществления пожаротушения.

Схема кольцевой водопроводной сети представлена на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Схема кольцевой сети

В кольцевых сетях в отличие от разветвленных неизвестными величинами являются диаметры участков, расходы на участках и их направления.

На каждом участке неизвестны диаметр и расход. Количество неизвестных соответствует числу участков кольцевой сети. Для определения диаметров и расходов в каждом участке сети необходимо составить соответствующее количество уравнений и решить эту систему уравнений. Гидравлический расчет в этом случае достаточно сложен.

Последовательность гидравлического расчета кольцевой водопроводной сети следующая.

1. Определяются путевые расходы на участках кольцевой сети. Путевые расходы приводятся к узловым расходам. Путевые расходы на участках сети:

; ;и т.д.

Предварительно намечается оптимальное направление потоков воды при неизвестных диаметрах труб по отдельным участкам сети исходя из условия, что подача воды производится в наиболее удаленные точки по наикратчайшему пути передвижения потока.

Суммарный расход воды, приходящий в узловую точку, должен быть равен сумме расходов участков, присоединенных к точке, плюс узловой расход, .

Например, для точки 3 будем иметь

.

Диаметры трубопроводов на участках определяются по расчетным путевым расходам исходя из условия наивыгоднейших экономических диаметров с использованием соответствующих таблиц.

Сумма гидравлических потерь в каждом замкнутом кольце при достаточно правильном выборе диаметров труб участков должна быть равна нулю. Принимая условие, что потери напора на участках, в которых вода движется по часовой стрелке, равны потерям напора при движении ее против часовой стрелки, .

Например, для кольца В (см. рис. 5.12)

.

Следует отметить, что при соблюдении этого условия сумма потерь в любом кольце будет равна нулю, а гидравлические потери на участках – минимальны.

Если предварительное определение путевых расходов и диаметров трубопровода участков сети не позволяет получить условие , то производится увязка сети. Увязка заключается в возможном перераспределении направления движения расчетных потоков воды, направляя несколько большие расходы на участки, где гидравлические потери меньше, или наоборот. В результате перераспределения расходов сумма гидравлических потерь должна быть близкой к нулю.

Гидравлический расчет кольцевой сети при наличии большого количества колец представляет собой весьма сложную задачу. Сложность заключается в решении систем квадратных уравнений. В связи с этим используются способы, основанные на методе последовательных приближений. Приближенный метод расчета позволяет упростить увязку кольцевых сетей. Применяются два метода увязки сетей – метод В. Лобачева и метод М. Андрияшева.