Инженерное оборудование, тепло-, газо-, водоснабжение территорий и зданий. Электрические сети и схемы электроснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Учебное пособие

Инженерное оборудование, тепло-, газо-, водоснабжение территорий и зданий. Электрические сети и схемы электроснабжения

Содержание

1. Подземные коммуникации

1.1 Инженерные сети

1.2 Принципы размещения и способы прокладки подземных коммуникаций

2. Основы гидростатики

2.1 Понятие о гидравлике

2.2 Основные физические свойства жидкостей

2.3 Основы гидростатики

3. Основы гидродинамики

3.1 Виды движения жидкостей

3.2 Равномерное и неравномерное движение

3.3 Режимы движения жидкостей

3.4 Истечение жидкости из отверстий через водосливы. Гидравлический удар в трубопроводах

4. Водоснабжение поселений

4.1 Источники водоснабжения

4.2 Водозаборные сооружения из подземных источников

4.3 Водозаборные сооружения из поверхностных источников

4.4 Водонапорные башни и резервуары

4.5 Водоподъемные устройства

4.6 Устройство и оборудование наружной водопроводной сети

4.7 Очистка и обеззараживание воды

4.8 Гидравлический расчет водопроводной сети

4.9 Водоснабжение фонтанов

5. Водоснабжение зданий

5.1 Системы и схемы водоснабжения

5.2 Элементы внутреннего водопровода

5.3 Противопожарные водопроводы

6. Канализация и санитарная очистка поселений

6.1 Классификация сточных вод и системы канализации

6.2 Наружные канализационные сети

6.3 Очистка сточных вод

6.4 Система хозяйственно-бытовой канализации

6.5 Внутренний водосток с покрытий

6.6 Дворовая система канализации

7. Теплоснабжение поселений

7.1 Источники тепла

7.2 Тепловые сети

7.3 Виды топлива

7.4 Горячее водоснабжение

8. Отопление и вентиляция зданий

8.1 Система отопления зданий

8.2 Отопительные приборы

8.3 Вентиляция

8.4 Кондиционирование воздуха

8.5 Оборудование и устройство систем вентиляции и кондиционирования

9. Газоснабжение

9.1 Система газоснабжения поселений

9.2 Газопроводные сети

9.3 Внутреннее устройство газоснабжения зданий

10. Системы электроснабжения объектов

10.1 Общие сведения

10.2 Напряжение электрических сетей

10.3 Структура потребителей и понятие о графиках их электрических нагрузок

10.4 Надежность электроснабжения городских потребителей

10.5 Электроснабжение городских предприятий

10.6 Выбор схемы распределения электроэнергии

10.7 Электрические сети внутри объекта на напряжении 6-10 кВ

11. Конструкторское выполнение электрических сетей

11.1 Общие сведения

11.2 Воздушные линии

11.3 Кабельные линии

11.4 Способы прокладки кабелей напряжением 6-10 кВ

12. Устройство осветительных и силовых сетей общественных, жилых зданий и предприятий

12.1 Основные положения и определения

12.2 Выбор напряжений сетей

12.3 Вводные и вводно-распределительные устройства

12.4 Схемы построения осветительных и силовых сетей

12.5 Виды электропроводок

13. Устройство и расчеты электрических сетей жилых зданий

13.1 Устройство сетей

13.2 Конструктивное устройство электрических сетей внутри зданий

1. Подземные коммуникации

1.1 Инженерные сети

Подземные коммуникации города - важнейший элемент инженерного оборудования и благоустройства, удовлетворяющий не обходимым санитарно-гигиеническим требованиям и обеспечивающий высокий уровень удобств для населения. В качестве подземных коммуникаций поселений прокладывают сети водоснабжения (горячего и холодного), водоотведения бытовых, производственных и атмосферных загрязненных вод, водостока (ливневой канализации), дренажа, газификации, энергоснабжения, сигнализации, специального назначения, а также сети радиотелефонной и телеграфной связи, новые осваиваемые виды (пневматическая почта и мусороудаление) и т.д.

Инженерные сети населенных пунктов проектируют как комплексную систему, объединяющую все надземные, наземные и подземные сети с учетом их развития на расчетный период. Подземные сети прокладывают преимущественно под улицами и дорогами. Для этого в поперечных профилях улиц и дорог предусматривают места для укладки сетей: на полосе между красной линией и линией застройки прокладывают кабельные сети (силовые, связи, сети сигнализации и диспетчеризации); под тротуарами располагают тепловые сети или проходные коллекторы; на разделительных полосах - водопровод, газопровод и хозяйственно-бытовую канализацию. При ширине улиц более 60 м в пределах красной линии сети водопровода и канализации прокладывают по обеим сторонам улиц. При реконструкции проезжих частей улиц и дорог обычно сети, расположенные под ними, переносят под разделительные полосы и тротуары. Исключение могут составлять самотечные сети хозяйственно-бытовой и ливневой канализации.

Удельная протяженность сетей зависит от плотности жилого фонда, а следовательно, и от этажности застройки. С увеличением плотности жилого фонда от 1900 м²/га (при 2-этажной застройке) до 4000 м²/га (при 9-этажной застройке) общая относительная протяженность сетей уменьшается в 2,6 раза.

Городские подземные коммуникации постоянно развиваются, представляют собой сложную систему - важную часть городского "организма". Подземные сети подразделяют на транзитные, магистральные и распределительные (разводящие).

К транзитным относятся подземные коммуникации, которые проходят через город, но в городе не используются, например газопровод, нефтепровод, идущий от месторождения к другим поселениям.

К магистральным относятся основные сети города, по которым подаются или отводятся основные виды носителей в городе, рассчитанные на большое число потребителей. Их располагают обычно в направлении основных транспортных магистралей города.

К распределительным (разводящим) сетям относятся коммуникации, которые ответвляются от магистральных сетей и подводятся непосредственно к домам.

При проектировании магистральных трасс подземных коммуникаций их делают прямолинейными, параллельными оси или красной линии улицы, располагают с какой-либо одной стороны улицы, не пересекая ее. Подземные сети не должны находиться одна над другой, за исключением участков на перекрестках и ответвлениях, где предусматриваются пересечения в соответствии с нормами в разных уровнях. Наиболее целесообразным считается расположение подземных коммуникаций под зеленой зоной улицы и тротуарами, но часто бывает необходимо использовать так же часть пространства под проезжей частью улиц.

На случай реконструкции и расширения коммуникаций при комплексном проектировании предусматривают резервные участки в подземном пространстве улиц.

1.2 Принципы размещения и способы прокладки подземных коммуникаций

Размещение распределительных трасс подземных сетей на территории микрорайона и жилых кварталов зависит от общего планировочного решения и рельефа местности.

Расстояния от подземных сетей до зданий, сооружений, зеленых насаждений и соседних подземных сетей регламентируются. Все траншеи подземных сетей располагаются вне зоны давления в грунте от зданий, что способствует сохранению целостности основания фундаментов здания, предохранению его от размыва (рис. 1). Соблюдение нормативных расстояний, кроме того, предотвращает возможность повреждений, а в случае необходимости обеспечивает условия ремонта. Минимальные значения этих расстояний даны в СНиП 2.07.01-89*.

Рис. 1. Схема раздельной прокладки инженерных сетей в поперечном профиле улицы:

1 - слаботочные кабели; 2 - силовые кабели; 3 - телефонные кабели; 4 - теплосеть; 5 - канализация; б - водосток; 7 - газопровод; 8 - водопровод; 9 - граница зоны промерзания

Трубопроводы прокладывают непосредственно в грунте, а так же открыто над поверхностью земли по эстакадам, особенно в районах вечномерзлых грунтов.

Подземные инженерные сети прокладывают тремя способами (рис. 2): 1) раздельным способом, когда каждую коммуникацию прокладывают в грунте отдельно с соблюдением соответствующих санитарно-технологических и строительных условий размещения, независимо от способов и сроков прокладки остальных коммуникаций; 2) совмещенным способом (см. рис. 2, а), когда одновременно в одной траншее прокладывают коммуникации различного назначения; 3) в коллекторе (см. рис. 2, 6, в), когда в одном коллекторе совместно прокладывают сети одного или разных назначений.

Раздельный способ прокладки подземных сетей имеет большие недостатки, поскольку значительные земляные работы при вскрытии одной коммуникации могут способствовать повреждениям на других вследствие изменения давления и связанности грунта. Кроме того, сроки строительства увеличиваются из-за того, что коммуникации прокладывают последовательно. При совмещенном способе трубопроводы укладывают одновременно причем в одной траншее могут располагаться кабели, трубопроводы и непроходимые каналы. Этот способ применим при реконструкции улиц или создании новой застройки, так как объем земляных работ сокращается на 20-40%.

Рис. 2. Способы размещения инженерных сетей:

а - в общей траншее; б -- в непроходном коллекторе; в -- в проходном коллекторе; 1 -- теплосеть; 2 -- газопровод, З -- водопровод; 4-- водосток; 5 -- канализация; б -- кабели связи; 7 -- силовые кабели

Эти два способа используют при прокладке инженерных сетей одного направления. В случае, когда сеть подземных коммуникаций настолько развита, что места в траншеях недостаточно, применяют третий способ размещения сетей.

Прокладка сетей в совмещенном коллекторе позволяет сократить объем земляных работ и сроки строительства. Этот способ значительно облегчает эксплуатацию, упрощает ремонт и замену коммуникаций без проведения земляных работ. При прокладке сетей в совмещенном коллекторе можно устраивать отдельные коммуникации даже после окончания нулевого цикла строительства. В коллекторе могут быть размешены идущие в одном направлении тепловые сети диаметром от 500 до 900 мм, водоводы диаметром до 500 мм, свыше десяти кабелей связи и силовых кабелей напряжением до 10 кВ. Не допускается расположение в общих коллекторах воздуховодов, напорных трубопроводов водопровода, канализации. Не разрешается совместная прокладка газопроводов и трубопроводов с горючими и легковоспламеняющимися веществами.

Коллекторы различают по конструкции, размерам, форме поперечного сечения. Коллектор представляет собой проходную (в рост человека), полупроходную (ниже 1,5 м) или непроходную галерею из сборных железобетонных конструкций. Проходные коллекторы необходимо оборудовать приточной естественной и механической вентиляциями для обеспечения внутренней температуры в пределах 5-30°С и не менее трехкратного обмена воздуха за 1 ч, а также электрическим освещением и откачивающими устройствами.

Подземные сети имеют разную глубину заложения. Различают сети мелкого и глубокого заложения. Сети мелкого заложения располагают в зоне промерзания грунта, а сети глубокого заложения -- ниже зоны промерзания грунта. Глубину промерзания грунта определяют по СНиП 201.01-82. Для Москвы, например, она составляет 140 см.

К сетям мелкого заложения относятся сети, эксплуатация которых допускает значительное охлаждение: электрические слаботочные и силовые кабели, кабели телефонной и телеграфной связи, сигнализации, газопроводы, теплосети.

К сетям глубокого заложения относятся подземные коммуникации, которые не допускают изменения агрегатного состояния транспортируемой жидкости (переохлаждения): водопровод, канализация, водосток.

Для подземных сетей могут использоваться стальные, бетонные, железобетонные, асбестоцементные, керамические и полиэтиленовые трубопроводы. Их прокладывают непосредственно в грунте, каналах, коллекторах, тоннелях, а также открыто над поверхностью земли по эстакадам, особенно в районах вечномерзлых грунтов.

Устройство систем подземных коммуникаций требует знаний в области гидравлики (гидростатики и гидродинамики). Инженерные сети проектируют на основании гидравлических расчетов труб в соответствии со СНиП 3.05.04-85.

2. Основы годростатики

2.1 Понятие о гидравлике

Один из необходимых составляющих элементов современного инженерного благоустройства городских территорий -- подземные инженерные сети. Они состоят из систем водоснабжения (холодного и горячего), канализации, водоотвода поверхностных вод, отопления, которые являются гидравлическими, организуют движение жидкостей в ограниченных пространствах соответствующих систем. Для их расчета используется теоретическая база науки о механике жидкости -- гидравлики, которая включает в себя гидростатику и гидродинамику.

Гидравлика -- наука, изучающая законы равновесия и движения жидкостей в рассматривающая способы приложения этих законов к решению конкретных практических задач. Гидравлика лежит в основе многих инженерных расчетов специальных сооружений.

Начало развития гидравлики относится к античному периоду. Еще за 250 лет до н. э. появился трактат Архимеда о плавающих телах, где был сформулирован закон о воздействии воды на погруженное в нее тело. Особое развитие гидравлика как наука получила - в ХV--ХVII вв. Леонардо да Винчи (1452--1519 гг.) изучал движение воды. В 1612 г. Г. Галилей теоретически подтвердил закон Архимеда. Позже, в 1643 г., Э. Торричелли установил закон и жидкости из отверстия. Б. Паскаль в 1650 г. сформулировал закон о передаче жидкостью давления, а в 1687 г. И. Ньютон выдвинул гипотезу о наличии внутреннего трения в движущейся жидкости и дал понятие вязкости жидкости.

Дальнейшее развитие гидравлики связано с именами М.В. Ломоносова, Д. Бернулли и Л. Эйлера, установивших основные законы гидродинамики.

Гидравлика как прикладная инженерная наука необходима для расчетов при проектировании сети и сооружений систем водоснабжения, канализации, водоотведения, осушения и орошения, гидротехнических сооружений, мостов, для расчета транспортирования строительных растворов по трубам, конструирования насосов, компрессоров и т.п.

2.2 Основные физические свойства жидкостей

В отличие от твердого тела жидкость характеризуется малым сцеплением между частицами, вследствие чего она обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который ее помещают.

Жидкости подразделяют на два вида: капельные и газообразные. Капельные жидкости обладают большим сопротивлением сжатию (практически несжимаемы) и малым сопротивлением касательным в растягивающим усилиям (из-за незначительного сцепления частиц и малых сил трения между частицами). Газообразные жидкости характеризуются почти полным отсутствием сопротивления сжатию. К капельным жидкостям относятся вода, бензин, керосин, нефть, ртуть и другие, а к газообразным -- все газы. Гидравлика изучает капельные жидкости. При решении практических задач гидравлики часто пользуются понятием идеальной жидкости -- несжимаемой среды, не обладающей внутренним трением между отдельными частицами.

К основным физическим свойствам жидкости относятся плотность, давление. Сжимаемость, температурное расширение, вязкость.

Плотность -- это отношение массы к объему, занимаемому этой массой. Плотность измеряют в системе СИ в килограммах на метр (кг/м³). Плотность воды составляет 1000 кг/м³.

Давление -- это отношение силы, действующей на площадку в нормальном к ней направлении, к площади площадки:

Давление в системе СИ измеряется единицей паскаль (Па). Давление в 1 Па равно силе в 1 Н, действующей на площадь в 1 м².

1 Па = 1Н/1м²

Используются также укрупненные показатели:

* килопаскаль -- 1 кПа= 103 Па;

* мегапаскаль -- 1 МПа = 106 Па.

Сжимаемость жидкости -- это ее свойство изменять объем при изменении давления. Это свойство характеризуется коэффициентом объемного сжатия или сжимаемости, выражающим относительное уменьшение объема жидкости при увеличении давления на единицу площади. Для расчетов в области строительной гидравлики воду считают несжимаемой, В связи с этим при решении практических задач сжимаемостью жидкости обычно пренебрегают.

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется модулем упругости. Модуль упругости измеряется в паскалях.

Температурное расширение жидкости при ее нагревании характеризуется коэффициентом температурного расширения, который показывает относительное увеличение объема жидкости при изменении температуры на 1°С.

В отличие от других тел объем воды при ее нагревании от 0 до 4°С уменьшается. При 4°С вода имеет наибольшую плотность и наибольший удельный вес; при дальнейшем нагревании ее объем увеличивается. Однако в расчетах многих сооружений при незначительных изменениях температуры воды и давления изменением этого коэффициента можно пренебречь.

Вязкость жидкости - ее свойство оказывать сопротивление относительно движению (сдвигу) частиц жидкости.

Силы, возникающие в результате скольжения слоев жидкости, называют силам и внутреннего трения, или силами вязкости.

Силы вязкости проявляются при движении реальной жидкости. Если жидкость находится в покое, то вязкость ее может быть принята равной нулю.

С увеличением температуры вязкость жидкости быстро уменьшается; остается почти постоянной при изменении давления.

2.3 Основы гидростатики

Гидростатика -- раздел гидравлики, изучающий законы равновесия в покоящейся жидкости. Гидростатика рассматривает жидкость и погруженные в нее тела в состоянии покоя. Жидкость, находящаяся в покое, подвергается действию внешних сил двух категорий массовых (объемных) и поверхностных. К массовым относятся силы, пропорциональные массе жидкости (сила тяжести, сила инерции), к поверхностным -- силы, распределенные по поверхности, т. е. давление. Под действием внешних сил в каждой точке жидкости возникают внутренние силы, характеризую ее напряженное состояние.

Рассмотрим некоторый объем покоящейся жидкости. Мысленно разделим этот объем на две части произвольной плоскостью и отбросим верхнюю часть. Для сохранения равновесия нижней части к плоскости необходимо приложить силы, заменяющие действие верхней части объема жидкости на нижнюю.

Гидростатическое давление измеряется в единицах силы, де ленных на единицу площади. В системе СИ за единицу давления принят паскаль -- равномерно распределенное давление, при котором на площадь 1 м² действует сила 1 Н.

Гидростатическое давление обладает двумя свойствами:

* гидростатическое давление всегда направлено по внутренней нормали к площадке, на которую оно действует;

* гидростатическое давление в любой точке жидкости действует одинаково по всем направлениям, т.е. не зависит от угла наклона площадки, на которую оно действует.

Поверхностью равного давления или поверхностью уровня называют поверхность, во всех точках которой гидростатическое давление имеет одинаковое значение (на границе раздела жидкости с газом эту поверхность называют свободной).

Возможны три характерных положения свободной поверхности жидкости, находящейся под действием силы тяжести и силы инерции.

1. Если покоящаяся жидкость находится под действием только силы тяжести, то свободная поверхность жидкости представляет собой горизонтальную плоскость.

2. Если жидкость заключена в цистерне, которая движется прямолинейно с постоянным ускорением, то она находится в относительном покое, т. е. не перемещается относительно цистерны.

3. Если жидкость заключена в сосуде, который вращается вокруг вертикальной оси с постоянной угловой скоростью, то она находится в относительном покое.

Закон Паскаля гласит: давление. приложенное к свободной поверхности жидкости, передается во все ее точки без изменения. из него следует, что сила давления на площадку внутри жидкости пропорциональна площади этой площадки.

Абсолютное, или полное, гидростатическое давление состоит внешнего давления на свободную поверхность жидкости и манометрического (избыточного) давления, которое создает слой воды над рассматриваемой точкой. В открытом сосуде на свободную поверхность жидкости действует атмосферное или барометрическое (зависящее от высоты над уровнем моря) давление.

Вакуум это газовая среда, имеющая давление ниже атмосферного.

Для измерения давления применяют манометры и вакуумметры.

В основу принципа действия многих гидравлических машин положены законы гидростатики. Одним из наиболее широко применяемых в технике является закон Паскаля. Например, гидравлические прессы и гидравлические домкраты представляют собой конструкции из сообщающихся сосудов, в которых установлены поршни. Сила, приложенная к одному поршню, через гидростатическое давление передается другому поршню, причем в пропорциональной зависимости от их площадей.

3. Основы гидродинамики

3.1 Виды движения жидкостей

Гидродинамика рассматривает законы движения жидкостей. Параметры, характеризующие движение, -- скорость и давление -- изменяются в потоке жидкости, в пространстве и во времени. Основная задача гидродинамики состоит в исследовании этих параметров в потоке жидкости.

Установившимся называют такое движение жидкости, при котором скорость потока и давление в любой его точке не изменяются с течением времени и зависят только от ее положения в потоке, т.е. являются функциями ее координат. Примерами установившегося движения может служить истечение жидкости из отверстия резервуара при постоянном напоре, а также поток воды в канале при неизменном его сечении и постоянной глубине.

Неустановившимся называют такое движение жидкости, при котором скорость движения и давление в каждой данной точке изменяются с течением времени, т.е. являются функциями не только координат, но и времени. Примером неустановившегося движения служит истечение жидкости из отверстия резервуара при переменном напоре. В этом случае в каждой точке сечения струи, вытекающей из отверстия, скорость движения и давление изменяются во времени.

Если в нескольких точках потока, взятых на определенном расстоянии друг от друга, провести векторы, показывающие значение и направление скоростей движения частиц жидкости в данный момент времени, то образуется ломаная линия. Если уменьшить длину отрезков, в пределе ломаная линия станет кривой. Эта кривая, называемая линией тока, характеризуется тем, что в данный момент времени во всех ее точках векторы скоростей будут касательными к ней.

Если в движущейся жидкости выделить бесконечно малый замкнутый контур и через все его точки провести линии тока, соответствующие в данному моменту времени, получится как бы трубчатая непроницаемая поверхность, называемая трубкой тока. Жидкость, движущаяся внутри трубки тока, образует элементарную струйку.

Совокупность элементарных струек, представляющая собой непрерывную массу частиц, движущихся по какому-либо направлению, образует поток жидкости. Поток может быть полностью ли частично ограничен твердыми стенками, например, в трубопроводе или канале, и может быть свободным, например, струя, выходящая из сопла гидромонитора.

3.2 Равномерное и неравномерное движение

Живым сечением потока называют поперечное сечение потока, перпендикулярное его направлению.

Расходом потока Q называют объем жидкости, проходящей в единицу времени через живое сечение потока. Расход жидкости измеряют в м³/с или л/с. Иногда пользуются понятием весового расхода G, под которым подразумевают вес жидкости, проходящей в единицу времени через сечение потока.

Между весовым и объемным расходами существует такая зависимость:

G=yQ

где у -- удельный вес жидкости.

Равномерным называют такое установившееся движение жидкости, при котором живые сечения в средняя скорость потока не меняются по его длине. Примером равномерного движения служит движение жидкости в цилиндрической трубе или канале не в неизмененного сечения и постоянной глубины.

Неравномерным называют такое установившееся движение жидкости, при котором живые сечения и средние скорости потока изменяются по его длине. Примером неравномерного движения служит движение жидкости в конической трубе, в естественном русле, на перепаде.

При равномерном движении линии тока представляют собой систему прямых параллельных линий. Такое движение называется параллельноструйным. При движении жидкости в естественных руслах живое сечение обычно непрерывно изменяется вдоль потока по форме, так и по площади. Такое движение жидкости является установившимся неравномерным.

Для облегчения изучения такого движения в гидравлике введено понятие плавно изменяющегося движения, которое характеризуется следующими свойствами:

кривизна линий тока в потоке считается весьма незначительной;

угол расхождения между отдельными линиями тока очень мал;

живые сечения потока являются плоскими;

давление распределяется по живому сечению по гидростатическому закону.

3.3 Режимы движения жидкостей

В 1880 г. Д.И. Менделеевым было высказано предположение о существовании двух отличающихся друг от друга режимов течения. В 1883 г. О. Рейнольдс экспериментально изучил эти режимы. Опыты показали, что при невысоких скоростях наблюдается ламинарное (слоистое) течение без перемешивания частиц и пульсаций скорости. Причем при течении отсутствует поперечное перемещение жидкости, ее частицы перемещаются почти по параллельным траекториям. При постоянном перепаде давления течение стационарно (не зависит от времени).

При значительных скоростях наблюдается течение, в котором частицы жидкости перемещаются по достаточно сложным траекториям. Скорости движения меняются по величине и направлению, поэтому в потоке возникают вихри. Слои жидкости перемешиваются а отдельные частицы совершают неупорядоченное хаотическое движение по сложным траекториям. Такое течение называется турбулентным. Если в турбулентном потоке пустить по течению капельку красителя, то окрашивается все сечение потока.

О. Рейнольдсом было установлено, что ламинарный режим течения происходит при малых скоростях течения, поперечных размерах потока, плотностях и больших коэффициентах шероховатости. Турбулентные режимы течения характеризуются большой скоростью, большим поперечным размером и малой вязкостью текущей среды. Рейнольдсом было введено число, названное впоследствии числом Рейнольдса (Rе). Оно пропорционально отношению силы инерции к вязкости. В ходе испытаний было установлено, что в трубах круглого сечения напорных трубопроводов переход ламинарного течения в турбулентное происходит приблизительно при значении Rе = 2300. При числах Rе, меньших 2300, течение обычно бывает ламинарным, а при числах Rе, больших 2300, -- турбулентным. Критическое число Рейнольдса зависит от формы поперечного сечения канала. Для безнапорного течения в открытом русле Rе = 900.

Примером турбулентного течения может служить процесс вытекания газообразных продуктов сгорания из трубы котельной или печной трубы.

Пример ламинарного течения -- это истечение воды из крана умывальника, если открыть очень малую струйку воды. Большинство течений, окружающих нас в природе, турбулентные. Ламинарные течения встречаются только в очень узких каналах, какими являются капилляры кровеносных сосудов человека, или при течении жидкостей с большой вязкостью (например, мазута) в трубопроводах.

Ньютон в 1686 г. сформулировал закон вычисления касательной силы трения, действующей на единицу площади жидкости или стенки твердого тела, находящегося в жидкости, который был экспериментально доказан в 1883 г. профессором Н.П. Петровым. С его помощью можно определить, при каком значении коэффициента вязкости произойдет переход ламинарного течения в турбулентное.

Для воды коэффициент вязкости в системе СИ при температуре 20°С равен 10-6 м²/с.

В протяженных трубопроводах становятся существенными потери напора за счет трения жидкости о стенку трубы, приводящие к превращению части механической энергии в теплоту. Эта часть потерь напора называется потерями напора по длине трубы. К потерям напора приводят также повороты, резкие сужения, расширения и другие изменения геометрии трубы, способствующие вихреобразованию. Эти препятствия потоку называются местными сопротивлениями. Значения коэффициентов местного со противления приведены в справочной литературе.

3.4 Истечение жидкости из отверстий через водосливы. Гидравлический удар в трубопроводах

Истечение жидкости из отверстий. Струя, вытекающая из отверстия, преодолевает местные сопротивления. При вытекании струи через отверстие, имеющееся в вертикальной стенке емкости, на некотором расстоянии от него происходит сжатие ее попе речного сечения. По характеру сжатие бывает полным, если струя сжата по всему периметру отверстия, и неполным, если струя не имеет бокового сжатия с одной или нескольких сторон, например если отверстие примыкает к стенке или ко дну сосуда, которые при этом являются направляющими для вытекающей струи.

Полное сжатие будет совершенным, если отверстие расположено на значительном расстоянии от боковых стенок и дна сосуда (они не оказывают влияния на сжатие струи), и несовершенным, если на него оказывают влияние стенки или дно сосуда.

Насадком называют короткую трубу, присоединенную к отверстию в тонкой стенке. Длина насадка равна трем--пяти диаметрам отверстия. По форме насадок может быть внешним цилиндрическим, внутренним цилиндрическим, коническим сходящимся, коническим расходящимся и коноидальным.

Водосливом называют сооружение (стенку), через которое происходит перелив жидкости. По форме выреза в стенке водосливы бывают прямоугольными, трапецеидальными, треугольными, круглыми, параболическими и т.д.

По условиям бокового сжатия потока различают водосливы без бокового сжатия, когда ширина русла равна ширине водослива, и водосливы с боковым сжатием -- ширина русла больше ширины водослива. При проектировании водослива рассчитывают объемный расход жидкости, через водослив, который определяется как объем жидкости, истекающей из прямоугольного отверстия.

Гидравлический удар в трубопроводах. Называя жидкость несжимаемой или капельной, имеют в виду малую ее сжимаемость по сравнению с газами. При изменении давления на 0,1 МПа объем жидкости изменяется всего на сотые доли процента. Есть, однако, процессы, при которых и эти изменения объема существенны и им нельзя пренебрегать. К их числу относится большая группа динамических процессов, связанных с распространением волн давления в трубопроводах, в частности явление гидравлического удара.

В напорном трубопроводе при внезапном изменении скорости движения жидкости, мгновенной остановке или появлении движения возникает гидравлический удар, сопровождающийся резким повышением и понижением давления. Например, при мгновенной остановке движения жидкости, когда кинетическая энергия переходит в работу сил давления, т. е. жидкость оказывается сжатой, в трубопроводе возникает удар непосредственно у крана. Ударная волна распространяется по жидкости с постепенным затуханием колебаний.

Возникающее добавочное давление внутри трубопровода может привести к разрыву стыковых соединений, арматуры, стенки трубопровода. Если трубопровод перекрыт с обеих сторон, то наблюдается постепенное затухание ударной волны. При наличии свободной поверхности (бака) волна затухает сразу.

На явлении гидравлического удара основано действие некоторых механизмов, например гидравлического тарана, поднимающего воду в горных местностях.

4. Водоснабжение поселений

4.1 Источники водоснабжения

Водоснабжение населенных пунктов осуществляют из подземных и поверхностных источников. Подземные воды могут быть безнапорными и напорными (артезианскими).

Безнапорные воды заполняют водоносные горизонты не полностью и имеют свободную поверхность. Водоносные горизонты, расположенные непосредственно у поверхности земли или в уровне соседних водоемов, называют грунтовыми. Они характеризуются повышенной загрязненностью и должны очищаться при использовании их для целей водоснабжения.

Напорные воды заполняют водоносные горизонты полностью. Примером может служить вода в водоносном горизонте, расположенном ниже близлежащих водоемов или их питающих. Артезианские воды, как правило, характеризуются высоким качеством и в большинстве случаев могут использоваться для хозяйственно-питьевых целей без очистки.

В колодце, вскрывающем напорный водоносный горизонт, вода поднимается до пьезометрической линии, т.е. уровня поверхности воды близлежащего водоема (рис. 3). Если пьезометрическая линия проходит выше поверхности земли, то наблюдается излив воды из колодца. Такие колодцы называют самоизливающимися (артезианскими).

Уровень воды, устанавливающийся в колодце при отсутствии водозабора, называют статическим.

Статический уровень безнапорных вод совпадает с уровнем подземных вод, а напорных вод -- с пьезометрической линией.

При откачке воды из колодца уровень ее снижается тем больше, чем интенсивнее откачка. Такой уровень называют динамическим.

Уровни воды и пьезометрические линии, устанавливающиеся вокруг колодцев при откачке из них воды (в поперечном разрезе они имеют выпуклую форму), называют кривыми депрессии.

Область, ограниченную кривыми депрессии, называют депрессионной воронкой.

Рис. 3. Схема образования и залегания подземных вод:

1 - водоупорные породы: 2 -- водоносные породы: К -- колодцы; И - источники (родники)

Безнапорные и напорные воды могут выходить на дневную поверхность (родники). Выход безнапорных вод называют нисходящим ключом, а выход напорных вод -- восходящим ключом. Ключевая вода отличается высоким качеством и также может использоваться для целей водоснабжения без очистки.

К поверхностным источникам водоснабжения относятся реки, водохранилища и озера. Для промышленных целей может использоваться и морская вода. При отсутствии в приморских районах пресной воды морская вода после опреснения может использоваться для хозяйственно-питьевых целей. Однако это должно быть обосновано технико-экономическими соображениями.

Воду из поверхностных источников рекомендуется использовать для водоснабжения при недостаточно дебите или непригодности подземных вод. Перед использованием для хозяйственно-питьевого водоснабжения воду из поверхностных источников обычно очищают, а перед использованием для водоснабжения некоторых производств, не нуждающихся в высоком качестве воды, ее подвергают только простейшей очистке либо вообще не очищают.

При выборе источника водоснабжения следует учитывать качество воды в нем и его мощность, требования, предъявляемые к качеству воды потребителями, технико-экономические соображен и другие факторы. Для хозяйственно-питьевого водоснабжения наиболее более пригодны подземные воды, так как они обладают сравнительно высоким качеством и часто не нуждаются в очистке.

4.2 Водозаборные сооружения из подземных источников

Выбор типа сооружения для приема подземных вод зависит от глубины их залегания и мощности водоносного горизонта. Сооружения для приема подземных вод могут быть подразделены на четыре вида: водозаборные скважины; шахтные колодцы; горизонтальные водозаборы; каптажные камеры.

Водозаборные скважины (трубчатые колодцы) служат для приема безнапорных и напорных подземных вод, залегающих на глубине более 10 м. Это наиболее распространенный вид водозаборных сооружений для систем водоснабжения городов, сельских населенных пунктов и промышленных предприятий. Их устраивают путем бурения в земле скважин, стенки которых крепят обсадными стальными трубами. По мере заглубления скважины диаметр обсадных труб уменьшают. В результате скважина приобретает телескопическую форму. Зазоры между отдельными обсадными трубами за (тампонируют) цементным раствором. В скальных грунтах стенки скважин обсадными трубами не крепят. Над верхом скважины устраивают кирпичную, бетонную или железобетонную камеру. В нижней части скважины устанавливают фильтр.

Водозаборные скважины размещают перпендикулярно направлению потока подземных вод. Их количество зависит от требуемого расхода и мощности водоносного горизонта. В зависимости от глубины залегания динамического уровня воды, она либо сам изливается из скважин в сборные резервуары, либо (при глубоком залегании) ее выкачивают насосами.

Шахтные колодцы служат для приема подземных вод, залегающих на глубине не более 30 м.

Они представляют собой вертикальный проем в грунте, доходящий до водоносного слоя. Такие колодцы делают из бетона, железобетона, кирпича, бутового камня и дерева. Их, как правило‚ опускным способом. Наиболее часто для них используют бетонные кольца круглой формы в деревянные срубы квадратной формы в плане. В дне шахтных колодцев для приема волы устраивают обратные фильтры, т.е. насыпают песок, грашебень, увеличивая крупность зерен снизу вверх. Чтобы усилить поступление воды, в стенках колодцев делают отверстия, для чего используют бетонированные трубы, фильтры или зазоры кладки. С этой же целью донный фильтр увеличивают по площади или за счет его радиального расположения (лучевой водозабор).

Шахтные колодцы располагают перпендикулярно направлению потока грунтовых вод. При значительной потребности в воде устанавливают несколько колодцев, связанных сифонами со сборной емкостью из которой воду насосами перекачивают в очистные сооружения или к потребителю.

Горизонтальные водозаборы устраивают для приема грунтовых вод, залегающих на небольшой глубине (до 8 м) при малой мощности водоносного горизонта. Их выполняют в уровне залегания водоносного слоя из железобетонных, бетонных или керамических труб с круглыми или щелевыми отверстиям, для горизонтальных водозаборов целесообразно использовать трубы овоидального сечения, у которых больше площадь водоприемной поверхности. Для предотвращения засорения их обсыпают фильтрующей песчано-гравийной смесью. Чтобы исключить поступление в водозаборы загрязненных поверхностных вод, в уровне земли над ними устраивают глиняную подушку.

Простейшие горизонтальные водозаборы выполняют из коротких труб с зазорами в местах соединений, из кирпичной или бутовой кладки без раствора. Для их осмотра и очистки через каждые 50-150 м по их длине устраивают смотровые колодцы.

Каптажные камеры используют для получения ключевой воды. Для сбора вод восходящих ключей устраивают каптажные камеры в виде шахтных колодцев, располагая их над местами выходов воды, а для приема вод нисходящих ключей выполняют каптажные камеры с забором воды через боковые стенки в виде горизонтальных водозаборов.

4.3 Водозаборные сооружения из поверхностных источников

При водозаборе из поверхностных источников особое внимание уделяется бесперебойному качественном водоснабжению населения независимо от времени года. При этом особое значение приобретают правильный выбор места расположения водозаборных сооружений в плане и по глубине, тип и конструкция.

Место расположения водозаборного сооружения в плане выбирают как можно ближе к потребителю в устойчивом, наименее загрязненном участке водоема, выше населенных пунктов промышленных предприятий и участков сброса сточных вод по течению рек. Также его устраивают вне очагов возможного образования шуги, ледяных заторов, вне областей интенсивного движения донных наносов и с учетом возможности организации зоны санитарной охраны. Водозаборное сооружение на реках устанавливают с учетом характера изменения русла с течением времена.

Глубинное положение места забора воды на реке определяют из условия, что расстояние от низа ледяного покрова (в зимний период) до верха водозабора должно быть не менее 0,2-0,3 м. Порог между дном реки и его низом, необходимый для исключения попадания в водозаборное сооружение вместе с забираемой водой донных наносов, должен составлять не менее 0,7-1 м.

В предледоставный период вода, переохлажденная до темпера туры --0,02 ... --0,05°С, кристаллизуется на взвешенных частицах грунта, образуя глубинный лед (шугу), переносимый течением. Такие потоки часто создают аварийные ситуации на водозаборных сооружениях, полностью закупоривая их приемные отверстия. Для защиты водозаборных сооружений от глубинного льда нужно принимать специальные меры.

Водозаборные сооружения на реках по конструкции подразделяют на следующие типы:

* береговые (раздельные или совмещенные с насосной станцией)

* русловые (с самотечными линиями);

* специальные (ковшовые, инфильтрационные, из горных рек, передвижные, плавучие и др.).

Водозаборное сооружение берегового типа устраивают при сравнительно крутых берегах рек. Оно состоит из водоприемного берегового колодца и насосной станции. По фронту водоприемный колодец разделяется на отдельные секции, число которых принимается равным двум или числу всасывающих линий. Каждая секция водоприемного колодца разделена перегородкой на две камеры: приемную и всасывающую. Верх водоприемного колодца должен располагаться выше самого высокого уровня воды не менее чем на 0,5 м. Над колодцем располагают сооружение с блоком управления оборудованием.

Водозаборное сооружение руслового тона устраивают при сравнительно пологих берегах, слабых грунтах и малых глубинах воды в реке. Водозабор состоит из оголовка. который служит для закрепления концов самотечных линий в приема воды из источника, расположенного на дне русла реки, самотечных линий к заглубленному береговому колодцу и насосной станции. Самотечные линии (не менее двух) устраивают из стальных, железобетонных, а также в виде железобетонных галерей и др. Скорость движения воды в самотечных линиях во избежание их засорения следует принимать не менее 0,7-0,9 м/с.

Специальные водозаборы применяют в особых случаях. При образовании в реке глубинного льда или при высокой мутности воды целесообразно забирать воду не непосредственно из реки, а из искусственного залива, так называемого ковша, который может быть вырыт в русле реки или вдаваться в ее берег. Размеры ковшей определяют из условия всплывания глубинного льда или выпадения взвесей. Проточная скорость в них принимается 0,2-0,5 м/с. Конструкция сооружений для забора воды из ковшей аналогична конструкции обычных речных водозаборных сооружений.

Инфильтрационные водозаборные сооружения представляют собой скважины, шахтные колодцы или горизонтальные водозаборы, располагаемые вдоль реки с песчаными или песчано-гравелистыми берегами. Их целесообразно применять при необходимости получения хорошо осветленной воды и на реках с интенсивным образованием глубинного льда.

Для временных водопроводов устраивают передвижные или плавучие водозаборы. Передвижной водозабор представляет собой насосную станцию легкого типа, которая может передвигаться соответственно изменению уровня воды в реке по наклонному рельсовому пути, проложенному на берегу. При плавучих водозаборах насосные агрегаты размещаются на плавучих средствах: баржах, понтонах и т.п. Достоинствами таких сооружений являются независимость приема воды от колебания уровня воды в реке и возможность быстрого их устройства. Существенные недостатки -- необходимость применения гибких соединений трубопроводов. Тяжелые условиях эксплуатации зимой и в период паводков.

Для забора воды из водохранилищ можно использовать водозаборные сооружения двух типов: совмещенные с плотинами, водоспусками или водосбросами и отдельно стоящие.

Перед началом использования водозаборная система должна быт подвергнута технической проверке. После испытания перед пуском в эксплуатацию водопроводные линии промывают водой с большой скоростью (не менее 1 м/с).

Линии хозяйственно-питьевых водопроводов, кроме того, подвергают дезинфекции раствором, содержащим 40 мг активного хлора на 1 л воды. Хлорная вода должна находиться в трубопроводах одни сутки.

4.4 Водонапорные башни и резервуары

Водонапорные башни служат для достижения соответствия водопотребления и подачи воды насосной станцией, для подъема воды и регулирования подачи в потребления. Регулирующий объем бака водонапорной башни можно определять по совмещенным ступенчатым или интегральным графикам подачи и потреблен воды. В баке водонапорной башни должен храниться, кроме того запас воды для тушения пожара в первые минуты после его возникновения. Таким образом, бак водонапорной башни должен вмещать регулирующий объем бака в запас воды для тушении одного внутреннего и одного наружного пожаров в течение 10 мин.

Водонапорная башня состоит из водонапорного бака, поддерживающей конструкции (ствола) и отепляющего шатра вокруг бака. В районах с мягким климатом шатры можно не устраивать, но в этом случае бак должен иметь перекрытие. Водонапорный бак оборудуют уровнемером с сигнализацией.

Водонапорные башни бывают железобетонные, кирпичные, металлические и деревянные. Железобетонные водонапорные баш ни различают двух типов: со стволом в виде сплошного железобетонного цилиндрического стакана и со стволом из опорных колонн. Баки в таких водонапорных башнях также железобетонные с вогнутым днищем. В кирпичных водонапорных башнях ствол выполняют из кирпича в виде цилиндра или многогранника, а баки с днищем -- из стали. Металлические водонапорные башни получили распространение в сельских населенных пунктах. Деревянные водонапорные башни выполняют преимущественно на временных водопроводах.

Роль водонапорных башен могут выполнять пневматические напорно-регулирующие установки.

Резервуары служат для хранения запасов воды. В зависимости от назначения они могут быть расположены в различных местах системы водоснабжения. Резервуары предназначаются:

* для приема и хранения воды, поступающей от насосных станций;

* фильтровальных станций или районных водопроводов и воды, подаваемой далее насосными станциями для последующего подъема;

* приема свежей воды, питающей системы оборотного водоснабжения;

* хранения регулирующего объема воды и поддержания напора в сети (водонапорный резервуар);

* хранения противопожарных и аварийных запасов воды.

Резервуары могут служить одновременно для нескольких их целей.

Объем резервуаров зависит от их назначения и производительности системы водоснабжения. Так, вместимость водонапорных резервуаров для хранения регулирующего объема воды, устраиваемых вместо водонапорных башен в тех случаях, когда имеется значительное естественное возвышение, определяется так же, как вместимость баков водонапорных башен. Объем резервуаров чистой воды при фильтровальных станциях обусловливается регулирующим объемом, необходимым для возмещения разницы между равномерной подачей воды фильтровальной станцией и откачкой ее насосами станции второго подъема. Регулирующий объем резервуара определяют по совмещенному ступенчатому или интегральному графику подачи воды фильтровальной станцией и откачки ее насосами. В резервуарах чистой воды обычно хранится также запас воды для технологических целей очистной станции (промывки, фильтровки и др.) и запас воды на случай тушения пожара продолжительностью 3 ч.

Резервуары могут быть сооружены из кирпича, естественного камня и железобетона.

В настоящее время наиболее распространены железобетонные резервуары круглой (вместимостью до 2000 м³) и прямоугольной (при большей вместимости) формы. Перекрытие таких резервуаров может быть монолитным или сборным, балочным или безбалочным, плоским. Стенки и днище должны быть хорошо гидроизолированы.

4.5 Водоподъемные устройства

Водозаборные сооружения включают в себя водоподъемные устройства, основным компонентом которых являются насосы. Насос преобразуют механическую энергию приводного электрического двигателя в гидравлическую энергию движущейся жидкости. С помощью насосов можно поднять воду на определенную высоту, переместить ее на значительные расстояния по горизонтальной плоскости, заставить циркулировать в замкнутой системе, что и является основой функционирования водопроводной сети. Насосы располагаются в насосных станциях.

Насосные станции конструируются и оборудуются в зависимости от производительности, напора, мощности и коэффициента полезного действия (КПд) насосных агрегатов. Наиболее распространенным типом является центробежный насос. Его достоинства плавная и непрерывная подача воды, несложное устройство, высокая надежность, долговечность, высокий КПД. В помещении водопроводной насосной станции размещаются насосы и электродвигатели, трубопроводы, задвижки, контрольно-измерительные приборы (водомеры, манометры, вакуумметры), электрораспределительные устройства и приборы автоматизированного регулирования.

Насосные станции подразделяются на станции первого подъема, второго подъема, повысительные и циркуляционные. Насосные станции первого подъема поднимают воду из источника водоснабжения на очистные сооружения или направляют к потребителю.

Насосные станции второго подъема подают воду с очистных сооружений к потребителю.

Повысительные насосные станции предназначены для повышения напора в водопроводной сети. Циркуляционные насосные станции устраиваются в замкнуть системах.

4.6 Устройство и оборудование наружной водопроводной сети

От водозаборных сооружений источника водоснабжения через насосные водонапорные и очистные сооружения, резервуары и регулирующие устройства вода поступает в водопроводную сеть, которая подает ее непосредственно на объекты водоснабжения (рис. 4). Водопроводная сеть должна обеспечить подачу заданного количества и качества воды под требуемым напором, а также экологическую надежность и бесперебойность снабжения потребителей. При проектировании должны учитываться требования экономичности и возможность перспективного развития.

Для достижения оптимального конструктивного решения при сооружении наружных водопроводных сетей необходимо применять экологически чистые, долговечные, надежные трубы, подобранные на основе гидравлического расчета сети. Важно также выбрать правильную трассировку линий водоводов в плане.

Наружная система водопроводов состоит из сочетания подающих магистральных (главных) и распределительных (второстепенных) линий. Диаметры магистральных линий рассчитываются, распределительных -- принимаются по величине пропускаемого пожарного расхода.

Для подачи воды непосредственно к местам ее потребления используют два основных вида сетей: разветвленные (тупиковые) и кольцевые (из замкнутых контуров и колец).

Разветвленные водопроводные сети применяют для объектов, отдаленных друг от друга, допускающих перерывы водоснабжения. Кольцевые водопроводные сети обеспечивают бесперебойное водоснабжение, так как в них гарантировано питание водой всех подключенных потребителей с двух сторон. Кольцевые водопроводные сети дороже и надежнее. Их применяют для хозяйственно питьевых и производственных целей и обязательно в расчете на пожаротушение.

Водопроводы выполняют из двух и более ниток трубопроводов, укладываемых параллельно друг другу. Для экстренного подключения к водопроводным сетям в случае пожара в смотровых колодцах на расстоянии 100-200 м друг от друга на наружной водопроводной сети в 5 м от зданий и в 2.5 м от края проезжей части устанавливают пожарные гидранты. Они бывают надземные и подземные. Для использования гидранта на него навинчивают специальное приспособление -- стендер. При вращении его рукоятки открывается водозапорный клапан и вода под напором направляется в пожарные рукава.

Рис. 4. Схема водоснабжения населенного пункта

а - план, б - профиль: 1- водоприемник, 2 - самотечная труба, 3 - береговой колодец, 4 - насосные станции первого подъема, 5 - отстойники, 6 - фильтры, 7 - запасные резервуары чистой воды, 8 - насосы станции второго подъема, 9 - водоводы, 10 - водонапорная башня, 11 - магистральные трубопроводы, 12 - распределительные трубопроводы

4.7 Очистка и обеззараживание воды

...