Скорость движения жидкости в самотечной. Расчетные скорости движения сточных вод и минимальные уклоны. Дополнительное покрытие трубопровода

К безнапорным (самотечным) трубопроводам относятся канали­зационные трубы, водосточные каналы (ливнеспуски), самотечные нефтепроводные и водопроводные трубы и т.д.

Наиболее распространенными формами сечений безнапорных трубопроводов являются: круглое (рис.5), овоидальное (рис.5) и лотковое (рис.5). Эти сечения характеризуются интересной гидравлической особенностью: наибольший расход и наибольшая скорость в них имеют место не при полном, а лишь при частичном наполнении.

Объясняется это тем, что при заполнении верхней части подобных сечений смоченный периметр растет быстрее, чем площадь, и поэтому начинает уменьшаться гидравлический радиус, что приводит одновременно к уменьшению скорости и расхода.

Гидравлические расчеты безнапорных трубопроводов выполняются аналогично расчетам открытых каналов, что естественно, поскольку безнапорный трубопровод представляет собой по существу также открытый канал; отличием трубопроводов от каналов в гидравлическом смысле является только отмеченное выше уменьшение гидравлического радиуса трубопроводов при заполнении его верхней части, в то время как гидравлический радиус каналом все время возрастает с увеличением наполнения.

Рис.6 Рис.7

Для упрощения расчетов значения характеристик трубопроводом (площади сечения, гидравлического радиуса и величин и зависящие от глубины наполнения, могут быть вычислены для определенных форм сечения заранее.

Если обозначить через W 0 и значения модуля скорости и модуля расхода при полном наполнении h 0 трубопровода, а теми же буквами без индекса –их значения при некотором частичном наполнении h, можно вычислить значения отношений

в зависимости от ; получающиеся при этом зависимости для трубопроводов круглого, оваидального и лоткового сечений представлены в виде графиков на рис.6, 7, 8. Пользуясь этими графиками, значения скорости и расхода Q при частичном наполнении можно находить по формулам

8.5. Безнапорное движение при ламинарном режиме

На практике, например при сливе весьма вязких нефтей и нефтепродуктов и их течении в открытых лотках и самотечных трубах, при решении некоторых задач в области химического и нефтезаводского аппаратостроения, иногда приходится встречаться с ламинарным безнапорным движением жидкости.

В этом случае оказывается возможным определить теоретическим путем потери напора (подобно тому, как при ламинарном движении в напорных трубах) и получать расчетные зависимости для расхода. Не приводя здесь соответствующих решений, математически обычно весьма сложных и громоздких, ограничимся лишь сводкой некоторых расчетных формул для каналов наиболее часто применяемых форм поперечных сечении. По И.А.Чарному, для канала прямоугольного сечения при глубине потока h и ширине b расход жидкости может быть подсчитан по формуле

где i –уклон дна канала; g –ускорение силы тяжести; v –кинематическая вязкость жидкости.

Если глубина потока весьма мала по сравнению с шириной, то

Для канала трапецеидальной формы гидравлически наивыгоднейшего сечения с углом

Для полукруглого канала

Диаметр самотечных труб определяется при УНВ по расходу при нормальном режиме работы водозабора и по скорости движения воды 0.7…2.0 м/с (Таблица 14 ).Скорость движения воды в самотечных трубопроводах принимается не менее скорости течения воды в реке при УНВ. Количество самотечных водоводов должно быть не менее двух. При укладке самотечных водоводов путём опускания под воду применяют стальные трубы с усиленной изоляцией.

Водоводы заглубляются под дно реки не менее, чем на 0,8-1,5м на судоходных для защиты от подмыва речным потоком, истирания песком, повреждения якорями судов и плотов. Водоводы не должны иметь резких поворотов, сужений, расширений. Могут укладываться горизонтально, с прямым и обратным уклоном.

Диаметр трубопровода:

где Qр - расчётный расход одной секции, равный 0,8 м3 /с;

Vрасч - расчётная скорость.

Принимаем по сортаменту труб dфакт =800 мм.

Фактическая скорость:

Фактически скорость в самотечных трубах должна отвечать двум условиям:

а) должна быть больше критической, т. е. скорости, при которой не происходит заиливание труб, транспортируемыми наносами:

V ф >Vкр ,

где: -количество наносов, кг/м3 ;

w - средневзвешенная гидравлическая крупность, м/с;

d - диаметр водовода, м;

u - скорость выпадения частиц взвеси в потоке, м/с;

g - ускорение свободного падения, м/с 2 .

Найдем скорость в трубопроводе при аварийном режиме:

Условие V ф >Vкр выполняется, т.к. 1,6>1,406.

б) должна быть больше скорости захватывания в трубе наносов крупностью D, м

Диаметры самотечных и всасывающих трубопроводов определяют по рас­четному расходу при нормальном режиме работы водозабора и скорости дви­жения воды в трубах определяется по формуле (16):

где
- расчетный расход одной секции;

- допустимая расчетная скорость в трубопроводе (1табл. 2.2, 2.3).

Скорости в самотечных трубах должны быть проверены:

а) на незаиляемость транспортируемых по трубе диаметром D (м) мелкими наносами в количестве  (кг/м 3), имеющими средневзвешенную гидравлическую крупность  (м/с). (табл. 9):

, м/с, (17)

где
;

с - коэффициент Шези.

Незаиливающую скорость
можно также определить по формуле (18):

(18)

где = 8g/c 2 - коэффициент гидравлического трения.

Для частиц взвеси крупностью d = 1 мм с гидравлической крупностью

= 0,094 м/с значения следующие:

, м/с

б) на подвижность попадающих в водовод влекомых наносов крупностью мм:

, м/с (19)

1.7 Выбор способа и расчет системы промыва элементов

Хотя скорость в самотечных водоводах назначают больше незаиливающей, полностью исключить осаждение взвеси невозможно, поэтому пре­дусматрива­ется промыв трубопроводов.

Для обеспечения требуемой промывной скорости
необходимы расходы (
), превышающие нормальную работу самотечной линии. Для ряжевых фильтрующих водоприемников
для фильтров с приемом воды снизу вверх
для отверстий, расположенных в вертикальной плоскости и огражденных сороудерживающими решетками
для фильтрующих рыбозаградительных кассет, установленных в вертикальной плоскости
Промывка самотечной линии может быть прямой – при движении промывной воды от оголовка к ко­лодцу, обратной – движение промывной воды от колодца к оголовку и импульсной.

Для прямой промывки необходимо увеличить скорость движения воды в промывочных трубах уменьшением на время промывки число работающих са­мотечных линий. При выключении одной из двух линий и заборе того же коли­чества воды, которое забиралось до промывки, но через 1 самотечную линию, скорость промыва в трубе увеличивается в 2 раза; при выключении одной из трех самотечных труб скорости в двух промывочных трубопроводах увеличи­вается в 1,5 раза. При прямой промывке на время закрытия одной из линий ме­жду водоисточником и береговым колодцем создается определенный перепад уровней воды. Затем задвижка этой линии быстро открывается, и вода по ней с большей скоростью устремляется в береговой колодец, вынося из него все от­ложения, которые затем удаляются гидроэлеватором. Такой способ промывки осуществляется при больших уровнях водоисточника.

При обратной промывке самотечные линии соединяются промывными ли­ниями с напорными трубопроводами НС I. Линии 350 ÷ 600 мм и более 600 мм промываются водовоздушным или импульсным способом. Для этого в колодце на выходе из самотечной линии устанавливают герметически закрывающийся затвор. Перед ним подключают к линии напорную колонну высотой 6 ÷ 8 м и диаметром в 1,5 ÷ 3 раза больше диаметра промывной линии. Вверху в колонне с помощью патрубка подключают вакуум насос для создания в ней разряжения. Если в самотечной линии в период промывки закрыть затвор и создать в напор­ной колонне вакуум, вода поднимется в ней в соответствии степени разряжения уровня. При срыве вакуума в колонне находящаяся в ней вода устремляется в самотечную линию и образовавшимся током промывает отверстия оголовка. Промыв повторяют несколько раз и осуществляют в период низкого уровня воды в источнике. При расходах воды на промывку более 5%
применяют обратную водовоздушную промывку или импульсную, сжатым воздухом.

Расчёт диаметров трубопроводов коммуникаций водозабора производится по значениям допускаемых скоростей в условиях нормального режима работы водозабора. Для самотечных труб, согласно скорость должна быть в пределах от 1 до 1,5. Диаметр самотечных труб принимаем по таблицам Шевелёва.

Принимаем две самотечные линии. Принимаем 700 мм =1,23 м/с.

Определение потерь в самотечных линиях, возникающих в процессе эксплуатации:

, где

L– длина самотечной линии. Длина самотечной линии определяется из профиля дна реки. Это расстояние по горизонтали от наружной стены водозабора (принимается на расстоянии 5м от уреза воды при ВУВ) до места расположения оголовка,L=43,5 м.

V – скорость движения потока воды в трубе,
=1,23 м/с;

=2,45 м/с;

 - сумма коэффициентов местных сопротивлений, принимаем по :

= выхврезервуар=

3*0,25+0,1+0,97+1,0=3,57м

Нормальный режим:

0,47 м

Аварийный режим:

Q ав. =Q расч =961,22л/с;

1,65 м

7. Система промывки кассетных фИльтров, оголовков и самотечных труб

Рис.5. Система промывки кассетных фильтров, оголовков и самотечных труб.

При достижении перепада уровней в реке и в одной или обеих камерах колодца, критической величины, необходимо приступить к промывке фильтрующих кассет и самотечных труб. Разность уровней определяется по показаниям датчиков. Вначале производится импульсная промывка фильтров одного из оголовков. Если после 3-4 импульсных промывок фильтров и самотечных трубопроводов, перепад уровней не восстановлен до нормальной величины, то приступают к напорной обратной промывке. Трубопроводы подводящих воду на промывку самотечных линий и фильтров подключается в камере переключения к напорному водоводу. Диаметр подводящих трубопроводов определяется следующим образом:

Скорость воды при обратной промывке должна удовлетворять следующему условию:

,

где - скорость воды в промывной линии, принимаем1,5 м/с;

- скорость воды в самотечной линии, м/с

При этом, расход воды на промывку самотечной линии определяется по формуле:

,

где - диаметр самотечной линии, м

м/с

м 3 /с

Согласно принимаем диаметр труб подачи промывной воды при
4м/с диаметр
мм.

Расчёт импульсного промыва

Рис. 6. Расчёт импульсного промыва.

Расчет импульсного промыва рыбозащитных кассет затопленных водоприемников состоит в определении максимальной скорости течения воды в самотечном водоводе при промыве. По этой скорости можно косвенно судить об эффективности его применения (например, в сопоставлении с возможно достижимой скоростью течения при промыве обратным током воды). Максимальную скорость течения воды в самотечном водоводе
м/с, при некоторых принятых значениях, L, D и d определяют по формуле

Где и- полуамплитуды колебания уровня жидкости в вакуумстояке, м;

, - продолжительность первого полупериода колебания уровня жидкости в вакуумстояке

где F и ω - площади соответственно живого сечения вакуумстояка и самотечного водовода.
приF=ω

L-длинна самотечной линии

Ѳ- характеристика основного гидравлического сопротивления определяется по формуле:

При этом коэффициент ѱ находят по формуле:

Где, λ - коэффициент гидравлического трения;

L и Dс - длина и диаметр самотечного водовода, м;

∑ζ - сумма коэффициентов местных сопротивлений при движении воды от водоисточника к включительно.

h– потери напора в фильтрующей кассете,h=0.3;

V– скорость воды в фильтрующей кассете, определяется по формуле:

,м/с

Где,
- скорость втекания воды в кассету

Ρ=50%- пористость загрузки кассеты

м/с

Характеристику дополнительного сопротивления находят по формуле

где D u d - диаметр соответственно вакуумстояка и клапана для впуска воздуха. D=700 мм;d=100 мм;

Определяем - высота подъёма воды в вакуумном стояке

принимается 3-8 м

По графику расчётов импульсной промывки определяем

;
м/с

Сточные воды в канализационной сети должны двигаться с такой скоростью, чтобы из них на трассе не осаждалось твёрдое содержимое. В противном случае оно со временем неизбежно приведёт к заиливанию элементов транспортирования - трубопроводов или лотков.

Но существует и верхний предел скорости потока. Твёрдые частицы в воде, движущейся с большой скоростью, повышают механическое истирание поверхности коллекторов.

Расчётные скорости

Максимальная расчётная скорость - это предельная скорость течения сточных вод в каналах и трубах, при которой материалу коллекторов не наносятся механические повреждения.

Минимальная расчётная скорость (критическая) - наименьшая скорость течения, потребная для предотвращения заиливания труб и коллекторов.

Средняя скорость сточных вод - отношение расхода Q сточных вод в линии к величине её живого сечения ω:

v = Q/ω м/сек.

Скорости течения в различных местах поперечного сечения потока на самом деле неодинаковы. Чем ближе к середине (ядру) потока, тем они больше, чем у дна и стенок. Донная и пристеночная скорости минимальны. Рассчитывать канализационную сеть на донные и пристеночные скорости невозможно из-за высокой сложности таких расчётов. Поэтому базовой величиной, из которой исходят при проектировании, является транспортирующая способность потока. Она определяется через расчётную скорость течения. Главный критерий определения этой скорости - обеспечение самоочищения коллекторов и труб.

Для линий с самотёком нужная скорость обеспечивается правильной величиной уклона. Там, где уклон невозможен, используются канализационные насосы соответствующей мощности.

Расчётная скорость - это скорость протекания сточных вод при расчётных (максимальных) величинах расхода и, соответственно, наполнения. Расчётные скорости должны находиться между предельно допустимыми её величинами в канале - максимальной и минимальной.

За максимальную расчётную скорость движения сточных вод по нормам следует принимать для

• металлических труб - не более 8 м/сек;
• неметаллических (железобетонных, бетонных, асбестоцементных, керамических и прочих) - до 4 м/сек.

На величину расчётных самоочищающих каналы и трубы скоростей движения стоков влияют такие параметры как гидравлический радиус или степень наполнения и крупность взвешенных веществ, имеющихся в сточных водах.

Минимальная расчётная скорость течения в трубопроводах не прошедших очистки бытовых и дождевых сточных вод при расчётной величине наполнения указана в соответствующих СНиП.

Если наполнение труб канализационной сети не является расчётным, то скорость их самоочищения vн (индекс «н» означает «незаиливающая») вычисляется по формуле, предложенной профессором Н. Ф. Федоровым:

• R — гидравлический радиус в м;
• n - показатель степени корня (3,5 + 0,5R).

Наименьшая расчётная скорость в лотках и трубах для сточных вод осветлённых или очищенных биологическими способами может приниматься равной 0,4 м/сек.

В дюкерах с диаметрами до 800 мм в качестве нижнего предела расчётных скоростей для неосветлённых сточных вод принимается величина 1 м/сек. Для диаметров больше 80 см vн определяется также по формуле Фёдорова.

Сточные воды должны подходить к дюкеру со скоростью не выше расчётной скорости в самом дюкере. При этом нужно соблюдать минимальные величины, которые были указаны выше или вычислены по формуле Фёдорова.

Для того, чтобы коллекторы самоочищались, скорость по пути потока должна постоянно увеличиваться. Необходимые величины скорости задаются уклонами трубопроводов. Минимальные значения уклонов для любых систем канализации при расчётном их наполнении труб с диаметрами:

• 150 мм - 0,007;
• 200 мм - 0,005;
• 1250 мм и выше - 0,0005.

Нагрузка начальных отрезков сети канализации с трубопроводами 200 мм и менее практически никогда не достигает расчётной. Поэтому скорость в них не вычисляется, и они называются безрасчётными.

Для канализационных же трубопроводов с диаметром больше 200 мм нужные минимальные уклоны необходимо рассчитывать с учётом обеспечения скорости течения, гарантирующей самоочищение коллектора. Вполне удовлетворительные результаты даёт для этого простейшая эмпирическая формула:

Здесь диаметр трубы d берётся в мм.