Науково-практичні рекомендації з гідравлічних розрахунків трубопроводів систем водопостачання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Науково-практичні рекомендації з гідравлічних розрахунків трубопроводів систем водопостачання

Ткачук О.А.

Проаналізовано точність визначення втрат напорів у трубопроводах систем водопостачання. Визначено область застосування спрощених формул, уточнено числові значення їх параметрів і рекомендовано зручні номограми для гідравлічних розрахунків трубопроводів.

It is analyzed accuracy of definition of losses of pressures in pipelines of systems of water supply. It is determined a scope of the simplified formulas, it is specified numerical values of their parameters and it is recommended convenient номограммы for hydraulic calculations of pipelines.

Гідравлічні розрахунки трубопроводів є основою будь яких їх технологічних та техніко-економічних розрахунків систем водопостачання і, зокрема, оптимізаційних. Вони пов'язані із визначенням втрат напорів у водопровідних трубах, і залежать від багатьох факторів, що суттєво впливають на точність кінцевих результатів. Найбільше це стосується перманентних змін конструктивних та функціональних параметрів систем водопостачання, зокрема, збільшення гідравлічних опорів труб в процесі експлуатації, повне чи часткове відключення окремих ремонтних ділянок при аваріях трубопроводів, зміни інтенсивності розбору води споживачами та через пошкодження труб тощо. Так, корозія металевих труб (сталевих і чавунних), що найширше (до 90 %) поширені в сучасних систем водопостачання населених пунктів України, призводить до постійного збільшення відкладень на їх внутрішній поверхні. В свою чергу це викликає зменшення внутрішніх діаметрів труб та зростання їх шорсткості і, як наслідок, збільшення їх гідравлічних опорів.

Втрати напору в трубопроводах обумовлені гідравлічним опором труб, стикових з'єднань, а також встановленою водопровідною арматурою та фасонними частинами. Гідравлічні опори труб залежать від шорсткості їх внутрішньої поверхні, діаметрів та довжин розрахункових ділянок. В свою чергу шорсткість внутрішньої поверхні труб залежить від їх матеріалу та кількості і характеру відкладень, що утворюються при експлуатації. Зазвичай для гідравлічного розрахунку водопровідних труб [1] застосовують формулу

, (1)

де і - гідравлічний ухил;

л - коефіцієнт гідравлічного опору тертя по довжині труби;

d_р - розрахунковий внутрішній діаметр труб, м;

V - середня в перетині труби швидкість руху води, м/с;

g - прискорення вільного падіння, м/с².

Експериментально встановлено [1, 2], що коефіцієнти гідравлічного опору тертя л залежать від виду і величин шорсткості внутрішньої поверхні труб, їх діаметрів та гідравлічних режимів, що характеризуються значеннями чисел Рейнольдса Re = Vd/х (V - швидкість, м/с; d - діаметр, м; х - кінематична в'язкість води, м²/с) [1].

Діючі нормативи [3, 4] рекомендують визначати коефіцієнти л при гідравлічних розрахунках визначати за формулою, яка адекватно описує залежність гідравлічних опорів від режимів руху води по трубах як в перехідній, так і квадратичній зонах опору

, (2)

де a₁, b, c та n - коефіцієнти та показник степеня, які залежать від матеріалу труб і виду покриття їх внутрішньої поверхні.

При цьому гідравлічні ухили і будуть розраховуватись за формулою

, (3)

де a = а₁/2g.

Для техніко-економічних і гідравлічних розрахунків систем подачі та розподілу води на ЕОМ гідравлічні ухили і рекомендується [3, додаток 10, п. 5] розраховувати за формулою

, (4)

де k, в та m - коефіцієнт та показники степеня, які як і параметри a, b, c та n у формулах 2 і 3 залежать від матеріалу і виду труб (табл. 1);

q - розрахункові витрати води, м³/с.

Нормативи [3, 4] рекомендують числові значення параметрів a, b, c, n, k, в та m для нових (без видимих ознак корозії та відкладень на внутрішній поверхні) та ненових (тільки сталевих та чавунних труб з природною шорсткістю, яка за гідравлічним опором еквівалентна штучній, утвореній нанесенням піску крупністю 1 мм [2, 4]) труб. Зазначено, також, що в разі відсутності на сталевих та чавунних трубах покриттів і при відсутності стабілізаційної обробки води, значення а, с і k необхідно приймати із поправковими коефіцієнтами (не більше 2), величини яких повинні бути обґрунтовані даними про зростання втрат напорів в трубопроводах, що працюють в аналогічних умовах [3, додаток 10, п. 3].

Таблиця 1

Числові значення коефіцієнтів і показників степеня в формулах 3 і 4

Оцінка точності розрахунків гідравлічних ухилів за двочленними (ф. 3) та одночленними (ф. 4) залежностями показала, що похибки між ними не перевищують + 2,5 % для значного діапазону середніх швидкостей 0,5..3,2 м/с, який є ширшим для труб одного матеріалу. Однак, застосування, рекомендованих нормативами [3, 4], числових значень параметрів цих формул дає розбіжності у розрахунках для нових труб до 50% і для ненових - 62 % (рис. 1). При збільшенні гідравлічного опору труб ці похибки зростають. трубопровід водопостачання гідравлічний

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проведенні дослідження на водопроводах України [5, 6 і 7] показали, що гідравлічні опори водопровідних труб в процесі експлуатації можуть зростати більше ніж у 2 рази, а їх розрахункові формули потребують уточнень.

Застосування параметрів, рекомендованих автором [5, 7] для сталевих і чавунних труб (табл. 1, поз. 5 і 6), дозволяє отримати задовільні результати не тільки для нових труб (рис. 1, лінії 4 і 5), але й тих, що знаходяться в експлуатації і мають збільшення гідравлічних опорів у кілька разів (рис. 2) [8].

Для врахування збільшення гідравлічних опорів в процесі експлуатації, особливо металевих труб через корозію, рекомендується [7] ввести у спрощену формулу 4 додатковий коефіцієнт K_S, який визначається за формулою 6

, (5)

. (6)

де а₁ і а₂ - коефіцієнти, що враховують безперервність роботи трубопроводу та вплив основних факторів на зростання гідравлічних опорів: якості води; матеріалу труб чи ступеня його захисту від корозії; умов експлуатації;

Т - тривалість експлуатації трубопроводу, роки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результати обчислень при зміні коефіцієнтів збільшення гідравлічних опорів труб К_S від 1.0 до 10.0 і діаметрів труб d_р від 100 до 1600 мм показали [8], що в межах похибок + 5,0 % область використання формули 5 в широкому діапазоні швидкостей, що мають практичне значення, цілком допустима (рис. 2). Адекватність розрахунків за формулами 5 і 6 підтверджується проведеними дослідженнями на багатьох водопроводах [5, 7]. Зокрема, вони повністю відповідають експериментальним даними отриманим В.А. Петросовим [6] на сталевих водоводах Харківського водопроводу. Впливовий характер визначених основних факторів на ріст відкладень у водопровідних трубах і збільшення їх гідравлічних опорів в процесі експлуатації підтверджено дослідженнями на Санкт-Петербурзькому водопроводі [9]. Це засвідчує допустимість їх використання для подальших гідравлічних та оптимізаційних розрахунків разом із даними для інших видів труб (табл. 2).

Таблиця 2

Числові значення коефіцієнтів і показників степеня в формулі 5 для гідравлічного розрахунку водопровідних труб

Для практичних розрахунків значення коефіцієнтів збільшення гідравлічних опорів труб К_S слід приймати рівними:

· для нових труб без фасонних частин та арматури - К_S = 1,0;

· для нових труб із фасонними частинами та арматурою - за розрахунками місцевих опорів труб із коефіцієнтами о [1]

; (7)

· при відсутності даних про число фасонних частин та арматури на трубопроводах - К_S = 1,1 .. 1,2 [3, додаток 10, п. 4];

· при значних відкладеннях на внутрішній поверхні труб - за результатами натурних досліджень, а для прогнозних розрахунків - за формулою 6.

Значення гідравлічних ухилів і для нових труб (тобто без врахування збільшення їх гідравлічних опорів) слід визначати за формулою 4 з параметрами, наведеними у табл. 2. Для прискорення ручних розрахунків на їх основі побудовані зручні номограми (рис. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Приклад номограми для визначення гідравлічних ухилів і та середніх швидкостей V, м/с, залежно від витрат води q, л/с, та діаметрів d, мм, чавунних трубопроводів

Для прогнозних розрахунків коефіцієнти збільшення гідравлічних опорів труб К_S слід визначати за формулою 6, або за побудованою на її основі номограмою (рис. 4). При цьому коефіцієнти а₁ і а₂ необхідно визначати за результатами натурних досліджень. Значення параметра а₁, 1/рік, слід приймати рівним: при безперервній роботі трубопроводу - а₁ = 1,0; при зміні режимів або перервах у подачі води - а₁ > 1,0. Коефіцієнт а₂ може обчислюватись як добуток трьох коефіцієнтів: б_В, б_М та б_Е, що відповідно враховують якість води, матеріал труб та умови експлуатації [7, 10].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Значення коефіцієнтів б_В, б_М і б_Е слід визначати на основі вимірювань гідравлічних опорів труб, що експлуатуються в аналогічних умовах. Для наближених розрахунків їх величини можна приймати рівними [10]:

· б_В = 0,01...1,0 - залежно від корозійної активності води по відношенню до металу за п'ятибальною шкалою;

· б_М = 0,2 - для чавунних труб із бітумним захисним покриттям і транспортуванні малокорозійних вод (1...3-ї груп); б_М = 1,0 - для незахищених сталевих і чавунних труб та при транспортуванні висококорозійних вод (4-ї та 5-ї груп);

· б_Е - залежно від режимів руху води в трубах для трьох їх основних груп: 1) водоводи та основні магістральні лінії водопровідної мережі, в яких середні швидкості руху води близькі до економічно вигідних і мало змінюються з часом - б_Е = 1,0...3,5; 2) розподільчі лінії із значною зміною величин швидкостей і навіть напрямків руху води: б_Е = 3,5...7,5; 3) тупикові ділянки, на яких інтенсивний водорозбір передується із застоєм води в трубах, зокрема будинкові вводи: б_Е = 7,5...16.

Висновки

Проведений аналіз точності визначення втрат напорів у трубопроводах систем подачі і розподілу води показує, що їх гідравлічні та оптимізаційні розрахунки в широкому діапазоні швидкостей і діаметрів труб, які мають практичне значення, слід проводити за спрощеними формулами (5) із врахуванням коефіцієнтів збільшення їх гідравлічного опору. Для їх визначення рекомендовано уточнену формулу (6), числові значення параметрів та зручні номограми.

Література

1. Науменко І. І. Технічна механіка рідин і газу. - Рівне, РДТУ, 2000. - 528 с.

2. Шевелев Ф.А. Исследование основных гидравлических закономерностей турбулентного движения в трубах. - М.: Госстройиздат, 1953. - 208 с.

3. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. - М.: Стройиздат, 1985. - 136 с.

4. Шевелев Ф. А., Шевелев А. Ф. Таблиц для гидравлического расчета водопроводных труб. - М.: Стройиздат, 1984. - 116 с.

5. Хоружий П. Д., Ткачук А. А. Определение коэффициента гидравлических сопротивлений макрошероховатых труб. // Респ. мiжвiд. н-т. зб. "Гидравлика и гидротехника", 1985, вип. 40, с. 27-31.

6. Петросов В. А. Теоретичне обґрунтування і розробка методів інтенсифікації систем водозабезпечення. // Дис. ... докт. техн. наук: 05.23.04. Харків: ХДТУБА, 2001. - 473 с.

7. Ткачук О.А. Структурно-функціональне удосконалення систем подачі та розподілення води. // Дис. … докт. техн. наук: 05.23.04. Рівне: НУВГП, 2007. - 358 с.

8. Ткачук О.А., Новицька О. С. Точність гідравлічних розрахунків трубопроводів систем подачі і розподілу води // Вісник Національного університету водного господарства та природокористування. Зб. наук. пр. Вип. 2 (30). Рівне: НУВГП, 2005. - С. 169 - 175.

9. Махнев П. П., Юдин М. Ю., Хямяляйнен М. М. и др. Разработка программы реконструкции водопроводных сетей на основе моделирования процесса подачи и распределения воды. // Водоснабжение и санитарная техника. - 2003. - № 10. - с. 2-5.

10. Хоружий П. Д., Ткачук О .А. Водопровiднi системи i споруди. - К.: Вища школа, 1993. - 262 c.

Размещено на Allbest.ru