close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Ivanenko Vakuumn kanal

код для вставкиСкачать
И. И. Иваненко, Н. А. Урпин
РАСЧЕТ СИСТЕМЫ НАРУЖНОЙ
ВАКУУМНОЙ КАНАЛИЗАЦИИ
(с примерами расчетов)
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
Факультет инженерной экологии и городского хозяйства
Кафедра водопользования и экологии
РАСЧЕТ СИСТЕМЫ НАРУЖНОЙ
ВАКУУМНОЙ КАНАЛИЗАЦИИ
(с примерами расчетов)
Практикум
Санкт-Петербург
2018
УДК 532.5/628.2
Рецензенты: А. А. Шашков (ООО «ЮГВОДОПРОЕКТ»); К. В. Бочко
(ООО «Иргень»)
Расчет системы наружной вакуумной канализации (с примерами расчетов): практикум / И. И. Иваненко, Н. А. Урпин; СПбГАСУ. –
СПб., 2018. – 36 с.
Содержит краткие теоретические сведения о процессах, протекающих
в вакуумных трубопроводах, информацию об устройстве и компонентах систем
наружной вакуумной канализации. Раскрывает методику расчета сети вакуумных трубопроводов и вакуумной станции, подкрепляемую многочисленными
примерами.
Предназначен студентам бакалавриата и магистратуры следующих направлений подготовки: 08.03.01; 08.04.01 «Строительство» (профиль «Водоснабжение и водоотведение»); 20.04.02 «Природообустройство и водопользование».
Табл. 7. Ил. 12. Библиогр.: 25 назв.
© И. И. Иваненко, Н. А. Урпин, 2018
© Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2018
ВВЕДЕНИЕ
Важным вопросом развития систем канализации в Российской
Федерации на сегодняшний день является проблема централизованного водоотведения малых населенных пунктов – территорий с малоэтажной застройкой и низкой плотностью населения
(сел, коттеджных поселков, дачных кооперативов). В настоящий
момент их канализование осуществляется традиционным способом – при помощи самотечных сетей, применение которых часто
связано с низкой надежностью и высокими эксплуатационными
затратами.
Альтернативой традиционному способу водоотведения может
стать вакуумная канализационная система, которая широко применяется в европейских странах, в том числе для отведения стоков малых населенных пунктов. К преимуществам вакуумной канализации относятся:
• малая глубина заложения, обеспечивающая применимость
системы для районов с неблагоприятными геологическими условиями и стесненными условиями по канализации (высокое инженерное насыщение и значительное количество подземных сетей
и сооружений), а также более экономичную и быструю установку по сравнению с самотечной системой на стадии строительства;
• технологические выгоды (такие как пилообразный профиль, позволяющий выполнить прокладку трубы в заданном высотном коридоре, и высокая скорость перемещения стоков в трубах, которая предотвращает их закупоривание, что обеспечивает
отсутствие потребности в канализационных колодцах);
• экономия ресурсов ввиду отсутствия необходимости установки как дополнительных насосов, так и подвода электричества к элементам системы, кроме питания центральной станции
(трубы имеют небольшой диаметр (от 65 до 200 мм); требуется
5
Введение
меньшая ширина и глубина траншеи, что снижает расходы на
монтаж системы);
• замкнутость системы, минимизирующая негативное влияние на окружающую среду (утечки, запах, инфильтрация),
т. е. обеспечивающая собственную применимость в районах с высокими требованиями к охране окружающей среды и в водоохранных зонах;
• меньший уровень требований к обслуживанию и сервисной
инфраструктуре по сравнению с самотечной системой.
Настоящий практикум ставит своей задачей познакомить студентов с теоретическими основами проектирования, строительства и эксплуатации вакуумных систем канализации и представить методику их расчета.
6
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА
СИСТЕМ ВАКУУМНОЙ КАНАЛИЗАЦИИ
Процессы, протекающие в системе при движении по трубопроводу двухфазной смеси воздуха и сточной жидкости, являются основополагающими при расчете вакуумной канализации.
Закономерности движения двухфазных смесей значительно сложнее тех, которые возникают в однородной жидкости, так
как поверхности раздела сред представляют собой переменные,
которые постоянно изменяются. Эта особенность объясняется
главным образом различием плотностей фаз и ответственна за
многообразие типов течения. Изменения плотности, вязкости, поверхностного натяжения и концентрации смеси вносят в гидродинамику газожидкостных смесей вполне определенные зависимости, которых не наблюдается при течении однородной жидкости.
Представление о структуре потока двухфазной смеси имеет
большое значение для понимания закономерностей ее движения.
Различают несколько типов структур потока (рис. 1).
В вакуумной системе структура потока изменяется по длине
трубопровода. Участок трубопровода с размеченными диапазонами изменения структуры потока представлен на рис. 2. Согласно
представленной на рис. 1 классификации, на участках 1-2 и 2-3 наблюдается пузырьковая структура, на участке 3-4 – снарядная, на
последнем участке – расслоенная. Каждая фаза движения сменяет
одна другую последовательно, воздух не вырывается перед жидкостью до момента изменения структуры потока, и движение происходит плавно, сменяясь одно другим.
Далее представлено математическое описание процессов, протекающих в системе вакуумной канализации, выполненное для
участка сети в период времени от открытия вакуумного клапана
7
1. Теоретические основы расчета систем вакуумной канализации
1. Теоретические основы расчета систем вакуумной канализации
до прохождения водовоздушной смесью расстояния, равного
длине участка.
Общие потери давления по длине определяются исходя из потерь давления на отдельных участках с различной структурой
движения водовоздушной смеси в зависимости от их длины:
а)
P
l12
0
б)
l
2 3
P P x1 2 x23 x 1 2
l1 2 x 2 3
l34
l 4 5
P P x
x 3 4 x x45 ,
l 2 3
l3 4
3 4
4 5
P – удельные потери на отдельном участке; хi – длина
где x i
этого участка.
Удельные потери давления на участке 1-2
f 2
P u ( g sin 2 s Vs ),
d
x 1– 2
в)
г)
д)
е)
Рис. 1. Типы структур потока двухфазной смеси
в вакуумном трубопроводе: а – пузырьковая;
б – пробковая; в – расслоенная; г – волновая;
д – снарядная; е – кольцевая
Рис. 2. Изменение структуры потока двухфазной смеси
в вакуумном трубопроводе
8
где ρu – плотность газожидкостной смеси, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2; sin α – угол наклона трубопровода к горизонту; fs – коэффициент Фаннинга для газожидкостной смеси,
зависит от числа Рейнольдса; d – диаметр трубопровода, м; Vs –
средняя скорость движения газожидкостной смеси, м/с.
Плотность газожидкостной смеси ρu рассчитывается из соотношения жидкость / воздух εu по формуле определения газожидкостного содержания для пузырьковой структуры потока
1
,
u 1 1, 6
Vs 1 8,66 Удельные потери давления на участке 2-3 представляют собой
ту же зависимость, что и на участке 1-2, но с учетом изменения
угла наклона трубопровода к горизонту на отрицательный:
f 2
P u g sin 2 s Vs ,
d
x 23
Удельные потери давления на участке 3-4 представляют собой
более сложную зависимость. Это обусловлено тем, что структура
9
1. Теоретические основы расчета систем вакуумной канализации
1. Теоретические основы расчета систем вакуумной канализации
движения меняется на снарядную, которую упрощенно можно
представить как расслоенную на участках образования пузырьков
и пузырьковую в пространстве между ними:
• Активное перемешивание. В перепадном колене происходят активное перемешивание и насыщение сточных вод воздухом,
что играет важную роль для дальнейшей очистки стоков. Кроме
того, именно на этих участках происходит размельчение крупных
загрязнений.
Слишком частое устройство перепадных колен приведет к увеличению потерь давления, так как наибольшую величину потерь
система имеет на участке 1-2. Потому задача проектирования вакуумной системы сводится к оптимальному выбору расстояния
между перепадами и правильному подбору диаметров трубопровода, что в итоге сократит потери давления в сети.
f
4
P 2 L
u g sin 2 s sVs s 2 Lu d
d
x 23
2
Ll f g gVg
f V2 S g l l l Sl ,
Lu 2
2
где ρs – плотность водовоздушной смеси, рассчитываемая из соотношения жидкость / воздух εs; Vg = Vl – средняя скорость движения газа
и воды соответственно (принимается равной скорости движения
водовоздушной смеси Vs); Ls / Lu – отношение длины, занимаемой
водовоздушной смесью, к общей длине рассматриваемого участка;
Ll / Lu – отношение длины, занимаемой жидкостью, к общей длине
рассматриваемого участка; fg, fl – коэффициент Фаннинга для газа
и жидкости (зависит от числа Рейнольдса); Sg, Sl – смоченный
периметр газа и жидкости соответственно (берется усредненное
значение по длине рассматриваемого участка).
Расчет производится с учетом критической глубины, определенной исходя из уравнения удельной энергии сечения.
В конце последнего участка устраивается перепадное колено
и трубопровод с уклоном не менее 2 ‰ – и так далее до места
сбора сточной жидкости. Расстояние между перепадными коленами зависит от нескольких факторов, которые перечислены ниже.
• Рельеф местности. Так как вакуумная канализация повторяет контур рельефа, периодически необходимо возвращать трубопровод на прежнюю отметку, чтобы иметь возможность прокладывать линию с уклоном.
• Потери давления. Если не устраивать перепадных колен,
функцией которых также является частичное накапливание сточной жидкости до следующего опорожнения, система не сможет
работать на больших расстояниях. Это связано с необходимостью
периодического восстановления определенной величины вакуума
для дальнейшей работы системы. В это время сточная жидкость
находится в колене в состоянии покоя.
10
11
2. Устройство систем наружной вакуумной канализации
2. УСТРОЙСТВО СИСТЕМ НАРУЖНОЙ
ВАКУУМНОЙ КАНАЛИЗАЦИИ
Система наружной вакуумной канализации представляет собой
разветвленную сеть вакуумных трубопроводов, соединяющих колодцы домового ввода с центральной вакуумной станцией (рис. 3).
Продольный профиль трубопроводов выполняется таким образом, чтобы в низших точках скапливались стоки, которые затем
проталкиваются потоком воздуха через последующие высотные
точки, что обеспечивает самоочищающийся поток и препятствует
образованию твердых отложений.
Различают три основных вида продольных профилей (рис. 4):
• волнообразные профили в системах из полиэтиленовых
(ПЭ) труб, которые выполняются без патрубков, путем изгиба трубопроводов;
Рис. 3. Схема системы наружной вакуумной канализации: 1 – колодцы
домового ввода; 2 – вакуумные трубопроводы; 3 – вакуумная станция;
4 – вакуумный резервуар; 5 – канализационные насосы; 6 – вакуумные насосы
Рис. 4. Виды продольных профилей вакуумной канализации
Вакуумные трубопроводы должны выдерживать земляные
и транспортные нагрузки, циклические нагрузки, давление разрежения в процессе испытаний и эксплуатации.
• пилообразные продольные профили без скоб в системах из
поливинилхлоридных (ПВХ) труб с полуотводами 45°, которые
используются при условных проходах более DN100;
12
13
2. Устройство систем наружной вакуумной канализации
2. Устройство систем наружной вакуумной канализации
• пилообразные продольные профили со скобами в системах
из ПВХ-труб, имеющие дополнительное U-образное углубление
перед подъемом (полуотводом) в 45°. Продольные профили со
скобами рассчитаны преимущественно на условный проход менее
DN100.
ПЭ- и ПВХ-трубы не могут быть использованы в одной системе. Выбор материала труб зависит от климатических условий региона строительства системы наружной вакуумной канализации.
В колодце домового ввода происходит переход от самотечного
трубопровода внутридомовой канализации к вакуумному трубопроводу; также в сборной камере колодца накапливаются поступающие от жилого дома сточные воды.
Переход к вакуумпроводу осуществляется с помощью расположенного в колодце вакуумного клапана (рис. 5). Когда бытовые
стоки, отводимые в сборную камеру (см. рис. 5), достигают заданного уровня, открывается закрытый до этого момента вакуумный
высот. Обязательным условием является то, что соотношение воздух / вода вакуумных клапанов на отдаленных участках должно
быть больше, чем вблизи вакуумной станции.
После опорожнения сборной камеры вакуумный клапан снова
закрывается. Стоки по вакуумпроводу проталкиваются воздухом
в направлении вакуумной станции до тех пор, пока не осядут за
счет собственного веса и силы трения в низших точках продольного профиля.
Вакуумная станция отличается от обычной насосной станции
наличием закрытого вакуумного резервуара (см. рис. 3), к которому присоединяются вакуумные трубопроводы. Требуемое для
эксплуатации давление разрежения, равное –60 кПа, или –0,6 бар
(40 кПа абсолютного давления), поддерживается в резервуаре
с помощью вакуумных насосов (см. рис. 3).
Заполнение вакуумных резервуаров регулируется с помощью
датчиков уровня, приводящих в действие выпускные клапаны.
Если стоки в резервуаре поднимаются выше заданной максимальной отметки, реле уровня отключает вакуумные насосы во избежание всасывания ими сточных вод. Давление разрежения в рабочем
диапазоне поддерживается в вакуумных резервуарах с помощью
мембранных выключателей.
Автоматическое управление пониженным давлением в вакуумном резервуаре осуществляется включением и выключением вакуумных насосов по показаниям датчиков давления.
Все системы вакуумной насосной станции должны выполняться во взрывобезопасном и герметичном исполнении, исключающем утечки газов и жидкостей.
С вакуумной станции сточные воды в напорном режиме при
помощи канализационных насосов (см. рис. 3) направляются на
очистку.
Рис. 5. Схема колодца домового ввода: 1 – вакуумный
клапан; 2 – сборная камера; 3 – вакуумпровод
клапан. Стоки всасываются из сборной камеры в вакуумпровод (см. рис. 5) за счет разности между атмосферным давлением и давлением в системе канализации; одновременно со стоками засасывается воздух. Показатель соотношения воздух / вода
в вакуумных системах меняется в зависимости от расположения наиболее удаленной точки сети и преодолеваемого перепада
14
15
3.2. Расчет сети вакуумных трубопроводов
3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА НАРУЖНОЙ
ВАКУУМНОЙ КАНАЛИЗАЦИИ
3.1. Основные обозначения и сокращения
∑Ni – число жителей в конце отрезка сети, включающего в себя
i-й участок сети и участки, расположенные от него вверх по потоку, чел.
∑hi – сумма статических перепадов давления в конце отрезка
сети, включающего в себя i-й участок сети и участки с наибольшим
статическим перепадом, расположенные от него вверх по потоку, м
DNi – условный проход i-го участка, мм
f0 – соотношение воздух / вода на сети без учета неравномерности распределения населения по магистрали
fср i – среднее соотношение воздух / вода в конце отрезка сети,
включающего i-й участок сети и участки, расположенные от него
вверх по потоку
fср.общ – среднее соотношение воздух / вода по сети
Hi – перепад высот между самой нижней точкой и последующей самой высокой точкой, м
hi – статический перепад давления на i-м участке сети, м
i – номер участка сети
j – коэффициент безопасности вакуумного насоса
K – коэффициент неравномерности распределения населения
по длине магистрали
k – коэффициент неравномерности расхода канализационных
стоков
Li – длина трубопровода между двумя ближайшими наинизшими точками на i-м участке сети, м
li – длина i-го участка, м
16
LМ – длина магистрального трубопровода, м
Ni – число жителей на i-м участке сети, чел.
ni – количество наинизших точек на i-м участке сети
NH – отношение числа жителей на участках, расположенных от
вакуумной станции на удалении большем, чем половина длины
магистрали, к общему числу жителей на сети
nкан – допустимое число включений-выключений канализационного насоса в час
Pа – атмосферное давление (принимается равным 100 кПа)
Pтр – давление в вакуумном трубопроводе, кПа
qmax – максимальный расход канализационных стоков, м3/ч
qmin – минимальный расход канализационных стоков, м3/ч;
qN – норма водоотведения на одного человека, м3/сут;
Qн.вак – производительность вакуумного насоса, м3/ч;
Qн.кан – производительность канализационного насоса, м3/ч
qср.сут – среднесуточный расход канализационных стоков для
всей сети, м3/ч
v – расход воздуха в системе, м3/ч
Vрез – объем сборного резервуара, м3
Wрез – объем жидкости в сборном резервуаре, м3
ЛПН – линейная плотность населения на сети, чел./м
3.2. Расчет сети вакуумных трубопроводов
Перед началом расчета следует произвести трассировку сети
и определить расчетные участки и количество жителей на каждом
из них (рис. 6).
Расчет сети трубопроводов заключается в выборе соотношения
воздух / вода на каждом участке сети (fi), подборе условных проходов этих участков (DNi) и определении статического перепада давления на каждом из них (hi).
Полученные при расчете значения сводятся в таблицу по форме
табл. 1.
Для пояснения принципов методики в конце каждого пункта
приводится расчет вакуумной сети 5-СТ. (см. рис. 6).
17
19
li
450*
500*
550
350*
300*
250
400*
i
5-4
4-3
7-3
3-2
2-1
6-1
1-СТ.
400
650
700
1050
1600
1550
2000
lСТ. i
3
Удаленность расположения начальной точки
участка от вакуумной станции, м
∑(Ni)
(100 чел.)
15
10
10
12
15
20
18
Ni
4
Число жителей на
участке, чел.
100
10
75
65
15
38
…
…
…
…
…
…
…
fi
∑Ni
18
6
5
…
…
…
…
…
…
…
fср i
7
…
…
…
…
…
…
…
DNi
8
Расчет сети трубопроводов
Число жителей
вверх по потоку, чел.
Отношение воздух / вода на
участке
Среднее отношение воздух / вода
вверх по потоку
Условный проход
участка, мм
…
…
…
…
…
…
…
Li
9
Расстояние между
двумя ближайшими наинизшими
точками, м
Рис. 6. Пример сети вакуумного трубопровода
* Звездочкой отмечены длины участков, составляющих магистральный трубопровод.
2
Номер участка
1
LМ
(2000 м)
Длина участка, м
18
…
…
…
…
…
…
…
ni
10
Количество наинизших точек на
участке
…
…
…
…
…
…
…
hi
11
Статический перепад давления
на участке, м
…
…
…
…
…
…
…
∑hi
12
Таблица 1
Статический перепад давления
вверх по потоку, м
3. Методика расчета наружной вакуумной канализации
3.2. Расчет сети вакуумных трубопроводов
3. Методика расчета наружной вакуумной канализации
3.2. Расчет сети вакуумных трубопроводов
А. Исходные данные
Исходными данными для расчета служат:
• LМ – длина магистрального трубопровода, м;
• li – длина i-го участка, м (см. графу 2 табл. 1);
• lСТ. i – удаленность расположения начальной точки участка
от вакуумной станции, м (см. графу 3 табл. 1);
• Ni – число жителей на i-м участке сети, чел. (см. графу 4 табл. 1);
• ∑Ni – число жителей в конце отрезка сети, включающего
в себя i-й участок сети и участки, расположенные от него вверх по
потоку, чел. (см. графу 5 табл. 1).
Данные для сети 5-СТ. (см. рис. 6) представлены в табл. 1.
Б. Расчет общих параметров сети
1. Расчет линейной плотности населения
Линейная плотность населения (ЛПН) определяется как отношение общего числа жителей на сети (∑(Ni)) к длине магистрали (LМ):
ЛПН = ∑(Ni) / LМ.
Для сети 5-СТ. (см. рис. 6)
(1)
Рис. 7. График зависимости f0 от LМ и ЛПН
ЛПН = ∑(Ni) / LМ = 100 / 2000 = 0,2.
2. Расчет соотношение воздух / вода на сети без учета неравномерности распределения населения по магистрали
Соотношение воздух / вода на сети без учета неравномерности распределения населения по магистрали (f0) определяется по
графику, представленному на рис. 7, исходя из длины магистрали
(LМ) и линейной плотности населения (ЛПН).
Для сети 5-СТ. (см. рис. 6) при ЛПН = 0,2 и LМ = 2000 м f0 = 4.
3. Определение коэффициента неравномерности распределения населения по длине магистрали
Коэффициент неравномерности распределения населения по
длине магистрали (K) определяется по графику, представленному на
рис. 8, исходя из отношения (NH) числа жителей на участках, расположенных от вакуумной станции на удалении большем, чем половина длины магистрали (Nуд), к общему числу жителей на сети (∑(Ni)):
NH = Nуд / ∑(Ni).
(2)
Рис. 8. График зависимости K от NH
20
21
3. Методика расчета наружной вакуумной канализации
3.2. Расчет сети вакуумных трубопроводов
Для сети 5-СТ. (см. рис. 6):
• Nуд – число жителей на участках, конечные точки которых
располагаются от вакуумной станции на расстоянии большем, чем
LМ / 2 = 2000 / 2 = 1000 м. (На сети 5-СТ. это участки 5-4, 4-3, 7-3
и 3-2.) Nуд = 18 + 20 + 15 + 12 = 65 чел.;
• NH = Nуд / ∑(Ni) = 65 / 100 = 0,65;
• K = 1,35.
4. Расчет среднего соотношения воздух / вода на сети
Среднее соотношение воздух / вода по всей сети трубопровода
(fср.общ) вычисляется по формуле
fср.общ = f0K.
(3)
Для сети 5-СТ. (см. рис. 6)
fср.общ = f0K = 4 · 1,35 = 5,4.
В. Расчет параметров для каждого участка сети
1. Определение местных величин соотношения воздух / вода
Местная величина соотношения воздух / вода (fi) для самого удаленного от вакуумной станции участка сети принимается
равной 1,5fср.общ, а для участка непосредственно перед вакуумной
станцией – равной 0,5fср.общ. Тогда местная величина соотношения
воздух / вода для всех остальных участков сети определяется графическим способом через построение графика зависимости местной величины соотношения воздух / вода (fi) от удаленности расположения начальной точки участка от вакуумной станции (lСТ.)
по двум этим значениям. График представляет собой график линейной функции (рис. 9).
Для сети 5-СТ. (см. рис. 6)
f5-4 = 1,5 · 5,4 = 8,1; f1-СТ. = 0,5 · 5,4 = 2,7.
Рис. 9. График зависимости fi от lСТ.
Для сети 5-СТ.:
• f4-3 = 6,5;
• f7-3 = 6,7;
• f3-2 = 4,8;
• f2-1 = 3,6;
• f6-1 = 3,4.
2. Определение среднего соотношения воздух / вода вверх по
потоку
Среднее соотношение воздух / вода вверх по потоку (fср i) определяется по формуле
fср i = ∑(Ni · fi) / ∑Ni.
(4)
Местная величина соотношения воздух / вода для остальных
участков определяется по графику в зависимости от удаленности
от вакуумной станции начальной точки участка (lСТ.i).
Среднее соотношение воздух / вода вверх по потоку (fср i) на
удаленных участках превышает рассчитанное среднее значение
для всего трубопровода (fср.общ) и снижается до среднего значения
в направлении вакуумной станции.
22
23
3. Методика расчета наружной вакуумной канализации
3.2. Расчет сети вакуумных трубопроводов
Для сети 5-СТ. (см. рис. 6) значения fср i рассчитываются следующим образом:
• fср.5-4 = (18 · 8,1) / 18 = 8,1;
• fср.4-3 = (18 · 8,1) + (20 · 6,5) / 38 = 7,3;
• fср.7-3 = (15 · 6,7) / 15 = 6,7;
• fср.3-2 = (38 · 7,3) + (15 · 6,7) + (12 · 4,8) / 65 = 6,7;
• fср.2-1 = (65 · 6,7) + (10 · 3,6) / 75 = 6,3;
• fср.6-1 = (10 · 3,4) / 10 = 3,4;
• fср.3-2 = (75 · 6,3) + (10 · 3,4) + (15 · 2,7) / 10 = 5,5.
По табл. 2 для сети 5-СТ. (см. рис. 6) условный проход всех
участков принимается равным 65 мм.
3. Определение условных проходов участков магистрали
С помощью приведенных в табл. 2 нормативных значений условных проходов трубопроводов подбираются условные проходы
участков магистрали в зависимости от количества жителей вверх
по потоку на участке (∑Ni) и среднего соотношения воздух / вода
вверх по потоку для каждого участка (fср i).
Таблица 2
Нормативные значения для подбора условных проходов
Среднее соотDN65
DN80
DN100
DN125
DN150
DN200
ношение воздух / вода вверх
по потоку на
участке маги- Число жителей вверх по потоку на участке магистрали (∑N )*
i
страли (fср i)
2
0–110
0–350
250–600 350–900 500–1400 750–2100
4
0–65
0–200
135–340 200–500 300–800 400–1200
6
0–45
0–140
95–240
140–350 200–550
300–820
8
0–35
0–105
75–185
105–270 150–425
220–625
10
0–30
0–85
60–150
85–220
120–340
175–500
12
0–25
0–75
50–125
75–180
100–290
150–425
4. Выбор материала трубопроводов и вида продольного
профиля
Так как минимальная рабочая температура для ПЭ-труб значительно ниже, чем для ПВХ-труб, выбор материала трубопроводов
сети вакуумной канализации производится исходя из температуры воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92,
принимаемой в соответствии с табл. 3.1 СП 131.13330–2012.
При температуре выше –30 °C применяются трубы из ПВХ,
ниже –30 °C – из ПЭ.
4.1. Система из ПВХ-труб
При использовании системы из ПВХ-труб выбор вида продольного профиля каждого участка производится на основе его условного прохода. Пилообразные продольные профили со скобами применяются при DN = 65 и DN = 80, профили без скоб – начиная
с DN = 100. Профили со скобами и без них применяются параллельно в рамках одной сети вакуумных трубопроводов из ПВХ-труб.
Исходя из условного прохода трубопровода для сети 5-СТ.
(см. рис. 6) при использовании системы из ПВХ-труб выбирается
пилообразный профиль со скобами (рис. 10).
4.2. Система из ПЭ-труб
При использовании системы из ПЭ-труб выбирать вид продольного профиля не требуется (рис. 11).
5. Нахождение наинизших точек
Количество наинизших точек на каждом участке (ni) рассчитывается на основе нормативных значений:
ni = li / Li,
(5)
* Главным условием подбора диаметров труб является увеличение условных
проходов в направлении от конца магистрали к вакуумной станции. Условный
проход предпочтительно выбирать таким образом, чтобы исходное значение ∑N
находилось в середине диапазона значений по табл. 2.
где li – длина участка; Li – расстояние между наинизшими точками, определяемое по табл. 3–5 исходя из величины условного прохода трубопровода.
24
25
3. Методика расчета наружной вакуумной канализации
3.2. Расчет сети вакуумных трубопроводов
Таблица 3
Наинизшие точки и статический перепад в пилообразном
профиле со скобами в системе из ПВХ-труб, м
Перепад высот
Условный
между наивысшими
проход трубои наинизшими точкапровода (DN)
ми (Η)
Максимальный стаРасстояние
тический перепад
между наинизшив наинизшей точке
ми точками (L)
(h0)
65
0,2
0,2
100
80
0,2
0,2
100
Таблица 4
Наинизшие точки и статический перепад в пилообразном
профиле без скоб в системе из ПВХ-труб, м
Условный проход трубопровода (DN)
Рис. 10. Примеры продольных профилей в системе из ПВХ-труб
Перепад высот
Максимальный стамежду наивысшими
тический перепад
и наинизшими точка- в наинизшей точке
ми (Η)
(h0)
Расстояние
между наинизшими точками (L)
100
0,2
0,1
100
125
0,2
0,075
100
150
0,2
0,05
100
200
0,3
0,1
150
Таблица 5
Наинизшие точки и статический перепад в системе из ПЭ-труб, м
Условный
Перепад высот между
проход трубо- наивысшими и наипровода (DN) низшими точками (Η)
Рис. 11. Пример продольного профиля в системе из ПЭ-труб
26
65
80
100
125
150
200
Максимальный стаРасстояние
тический перепад
между наинизшив наинизшей точке
ми точками (L)
(h0)
0,1
0,12
0,15
0,18
0,2
0,26
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
27
50
60
75
90
100
130
3. Методика расчета наружной вакуумной канализации
3.2. Расчет сети вакуумных трубопроводов
5.1. Система из ПВХ-труб
Для сети 5-СТ. (см. рис. 6) при использовании системы из
ПВХ-труб значения ni рассчитываются следующим образом:
• n5-4 = 450 / 100 = 4,5 ≈ 4;
• n4-3 = 500 / 100 = 5;
• n7-3 = 550 / 100 = 5,5 ≈ 5;
• n3-2 = 350 / 100 = 3,5 ≈ 3;
• n2-1 = 300 / 100 = 3;
• n6-1 = 250 / 100 = 2,5 ≈ 2;
• n1-СТ. = 400 / 100 = 4.
4–5 м. Если величина перепада давления превышает данное значение, требуется установка автоматических воздушных клапанов, которые нагнетают воздух в вакуумный трубопровод, чтобы предотвратить одновременное заполнение водой всех участков подъема.
5.2. Система из ПЭ-труб
Для сети 5-СТ. (см. рис. 6) при использовании системы из
ПЭ-труб значения ni рассчитываются следующим образом:
• n5-4 = 450 / 50 = 9;
• n4-3 = 500 / 50 = 10;
• n7-3 = 550 / 50 = 11;
• n3-2 = 350 / 50 = 7;
• n2-1 = 300 / 50 = 6;
• n6-1 = 250 / 50 = 5;
• n1-СТ. = 400 / 50 = 8.
6. Расчет статического перепада давления
Максимальный статический перепад давления на участке (hi)
рассчитывается по формуле
hi = nih0,
(6)
6.1. Система из ПВХ-труб
Для сети 5-СТ. (см. рис. 6) при использовании системы из
ПВХ-труб значения hi и ∑hi рассчитываются следующим образом:
• h5-4 = 4 · 0,2 = 0,8 м;
• h4-3 = 5 · 0,2 = 1,0 м;
• h7-3 = 5 · 0,2 = 1,0 м;
• h3-2 = 3 · 0,2 = 0,6 м;
• h2-1 = 3 · 0,2 = 0,6 м;
• h6-1 = 2 · 0,2 = 0,4 м;
• h1-СТ. = 4 · 0,2 = 0,8 м;
• ∑h5-4 = 0,8 м;
• ∑h4-3 = 0,8 + 1,0 = 1,8 м;
• ∑h7-3 = 1,0 м;
• ∑h3-2 = 1,8 + 0,6 = 2,4 м;
• ∑h2-1 = 2,4 + 0,6 = 3,0 м;
• ∑h6-1 = 0,4 м;
• ∑h1-СТ. = 3,0 + 0,8 = 3,8 м.
∑h1-СТ. = 3,8 м < 4–5 м – установка автоматических воздушных
клапанов не требуется.
Результаты расчета системы из ПВХ-труб сведены в табл. 6.
где ni – количество наинизших точек на участке; h0 – перепад
высот между самой нижней точкой и последующей самой высокой точкой (Hi), уменьшенный на условный проход участка трубопровода (DNi). (Значения выбираются по табл. 3–5.)
При расчете статического перепада давления вверх по потоку
(∑hi) максимальный статический перепад на i-м участке сети суммируется с максимальным статическим перепадом в начальной точке
участка. Нормативное значение статического перепада давления
вверх по потоку на одной ветке трубопровода не должно превышать
6.2. Система из ПЭ-труб
Для сети 5-СТ. (см. рис. 6) при использовании системы из
ПЭ-труб значения hi и ∑hi рассчитываются следующим образом:
• h5-4 = 9 · 0,05 = 0,45 м;
• h4-3 = 10 · 0,05 = 0,5 м;
• h7-3 = 11 · 0,05 = 0,55 м;
• h3-2 = 7 · 0,05 = 0,35 м;
• h2-1 = 6 · 0,05 = 0,3 м;
• h6-1 = 5 · 0,05 = 0,25 м;
28
29
1550
1600
1050
700
650
400
500
550
350
300
250
400
4-3
7-3
3-2
2-1
6-1
1-СТ.
∑(Ni)
(100 чел.)
Примечание. Жирным начертанием показаны длины участков, составляющих магистральный трубопровод.
2000
450
5-4
LМ
(2000 м)
lСТ. i
li
Номер участка
i
Удаленность расположения начальной
точки участка от вакуумной станции, м
Длина участка, м
30
3.3. Расчет вакуумной станции
< 4–5
3,8
4
5,5
100
15
2,7
65
100
0,8
0,4
2
3,4
10
10
3,4
65
100
0,4
3,0
3
6,3
75
10
3,6
65
100
0,6
2,4
3
6,7
65
12
4,8
65
100
0,6
1,0
5
6,7
6,7
15
7,3
15
8,1
6,5
38
20
8,1
18
Число жителей на
участке, чел.
18
fср i
Число жителей вверх
по потоку, чел.
∑Ni
Отношение воздух / вода на участке
Ni
Среднее отношение
воздух / вода вверх по
потоку
fi
65
100
1,0
1,8
0,8
5
100
1,0
4
100
Условный проход
участка, мм
65
ni
Расстояние между
двумя ближайшими
наинизшими точками, м
65
Количество наинизших точек на участке
Li
Статический перепад
давления на участке, м
DNi
0,8
∑hi
Статический перепад
давления вверх по
потоку, м
Расчет сети трубопроводов из ПВХ-труб
hi
Таблица 6
3. Методика расчета наружной вакуумной канализации
• h1-СТ. = 8 · 0,05 = 0,4 м;
• ∑h5-4 = 0,45 м;
• ∑h4-3 = 0,45 + 0,5 = 0,95 м;
• ∑h7-3 = 0,55 м;
• ∑h3-2 = 0,95 + 0,35 = 1,3 м;
• ∑h2-1 = 1,3 + 0,3 = 1,6 м;
• ∑h6-1 = 0,25 м;
• ∑h1-СТ. = 1,6 + 0,4 = 2,0 м.
∑h1-СТ. = 2,0 м < 4–5 м – установка автоматических воздушных
клапанов не требуется.
Результаты расчета системы из ПЭ-труб сведены в табл. 7.
3.3. Расчет вакуумной станции
1. Расчет среднесуточного расхода канализационных стоков
Среднесуточный расход канализационных стоков для всей сети
qср.сут, м3/ч, представляет собой произведение суточной нормы водоотведения на человека в соответствии с табл. А.2 СП 30.13330.2016
(qN) на общее количество жителей на сети (∑(Ni)), деленное на 24:
qср.сут = qN∑(Ni) / 24.
(7)
Суточная норма водоотведения на одного человека (qN) в жилом
здании с водопроводом, канализацией и ваннами с емкостными
водонагревателями составляет 210 л/сут; тогда среднесуточный
расход для сети 5-СТ. (см. рис. 6)
qср.сут = qN∑(Ni) / 24 = 210 · 100 / 24 = 880 л/ч = 0,88 м3/ч = 0,24 л/с.
2. Расчет максимального и минимального расхода канализационных стоков
Максимальный расход канализационных стоков (qmax) и минимальный расход канализационных стоков (qmin) принимаются в соответствии с табл. 1 СП 32.13330.2012 для 5%-ной обеспеченности
и соответственно равны произведению среднесуточного расхода канализационных стоков (qср.сут) на коэффициент неравномерности для
максимального (kmax) и минимального (kmin) расхода сточных вод, м3/ч:
31
700
650
400
300
250
400
2-1
6-1
1-СТ.
∑(Ni)
(100 чел.)
Примечание. Жирным начертанием показаны длины участков, составляющих магистральный трубопровод.
1050
350
3-2
LМ
(2000 м)
1600
550
7-3
32
3.3. Расчет вакуумной станции
< 4–5
2,0
0,4
0,25
0,25
8
65
50
65
2,7
15
5,5
3,4
10
100
10
3,4
50
5
1,6
0,3
65
1550
500
4-3
3,6
75
10
6,3
50
6
1,3
0,35
65
2000
450
5-4
4,8
65
12
6,7
50
7
0,55
0,55
65
lСТ. i
Длина участка, м
li
6,7
15
15
6,7
50
11
0,95
0,5
65
Удаленность расположения начальной точки
участка от вакуумной
станции, м
i
6,5
38
20
7,3
50
10
0,45
0,45
9
50
65
18
Число жителей на участке, чел.
18
8,1
Число жителей вверх по
потоку, чел.
8,1
fi
DNi
Отношение воздух / вода
на участке
∑Ni
Среднее отношение воздух / вода вверх по потоку
Ni
Условный проход участка, мм
fср i
Расстояние между двумя
ближайшими наинизшими точками, м
Номер участка
Расчет сети трубопроводов из ПЭ-труб
∑hi
hi
Количество наинизших
точек на участке
ni
Статический перепад
давления вверх по потоку, м
Статический перепад
давления на участке, м
Li
Таблица 7
3. Методика расчета наружной вакуумной канализации
qmax = qср.сут kmax;
(8)
qmin = qср.сут kmin.
(9)
Для сети 5-СТ. (см. рис. 6) среднесуточный расход (qср.сут)
равен 0,24 л/с. Как следствие, коэффициенты неравномерности
расхода сточных вод принимаются равными: kmax = 3,0; kmin = 0,38.
Тогда
qmax = qср.сут kmax = 0,88 · 3,0 = 2,64 м3/ч;
qmin = qср.сут kmin = 0,88 · 0,38 = 0,33 м3/ч.
3. Расчет расхода воздуха в системе
Расход воздуха в системе (v, м3/ч) представляет собой произведение среднего соотношения воздух / вода по всей сети трубопровода (fср.общ) на максимальный расход канализационных стоков (qmax):
v = fср.общ qmax.
(10)
Для сети 5-СТ. (см. рис. 6) расход воздуха составит
v = fср.общ qmax = 5,4 · 2,64 = 14,3 м3/ч.
4. Определение производительности вакуумного насоса
Производительность вакуумного насоса (Qн.вак, м3/ч) определяется по формуле
Qн.вак = vjPа / Pтр.
(11)
Коэффициент запаса для насоса (j) определяется по графику, представленному на рис. 12, в зависимости от линейной
плотности населения (ЛПН). Атмосферное давление (Pа) равно
100 кПа, давление в вакуумном трубопроводе (Pтр) составляет
40 кПа.
Для сети 5-СТ. (см. рис. 6), в соответствии с графиком на рис. 7,
j = 1,68.
Производительность вакуумного насоса составит:
Qн.вак = vjPа / Pтр = 14,3 · 1,68 · 100 / 40 = 60,1 м3/ч.
33
3. Методика расчета наружной вакуумной канализации
3.3. Расчет вакуумной станции
Для сети 5-СТ. (см. рис. 6) объем жидкости в сборном резервуаре
Wрез = qmin / nкан (1 – qmin / Qн.кан) = 0,33 / 3 ×
× (1 – 0,33 / 2,64) = 0,03 м3.
7. Определение объема сборного резервуара
Объем сборного резервуара (Vрез) принимается в пределах от 5
до 25 м3 и определяется по формуле
Vрез = 3Wрез + 1,5 м3.
(14)
Для сети 5-СТ. (см. рис. 6) объем сборного резервуара составляет
Vрез = 3Wрез + 1,5 = 3 · 0,03 + 1,5 = 1,59 м3; тогда Vрез = 5 м3.
Рис. 12. График зависимости j от ЛПН
5. Определение производительности канализационного
насоса
Производительность канализационного насоса (Qн.кан, м3/ч)
равна максимальному расходу канализационных стоков (qmax):
Qн.кан = qmax.
(12)
Для сети 5-СТ. (см. рис. 6) производительность канализационного насоса
Qн.кан = qmax = 2,64 м3/ч.
6. Определение объема жидкости в сборном резервуаре
Объем жидкости в сборном резервуаре (Wрез, м3) определяется по формуле
Wрез = qmin / nкан (1 – qmin / Qн.кан).
(13)
Допустимое число включений-выключений канализационного
насоса в час (nкан) принимается в пределах 3–5.
34
35
Рекомендуемая литература
1. Besondere Entwasserungssysteme Teil 1: Unterdruckentwasserungs
systeme auβerhalb von Gebauden: DWA-A 116-1. – Marz 2005. – 30 p.
2. Christopher E. Brennen. Fundamentals of Multiphase Flows. –
Pasadena: California Institute of Technology, 2008. – 410 p.
3. Flovac Vacuum Sewerage Projects [Электронный ресурс] // Flovac
[офиц. сайт]. – [Б. м.] : FLOVAC SYSTEMS, 2012–2017. – Режим доступа: https://flovac.com/flovac-vacuum-sewerage-projects/ (дата обращения:
10.11.2017).
4. Hawn C. Understanding Vacuum Sewer Technology / C. Hawn // Water
Environment & Technology (WE&T). – 2011. – Vol. 23, No. 5. – P. 1–4.
5. Jing-yu Xu. Studies on two-phase co-current air/non-Newtonian shearthinning fluid flows in inclined smooth pipes / Xu Jing-yu, Wu Ying-xiang,
Shi Zai-hong at al. // International journal of Multiphase flow. – 2007. – № 33
(2007). – Р. 948–969.
6. Manual. Alternative Wastewater Collection Systems [Text] : EPA/625/191-024 / Authors: Wiliam C. Bowne, Richard C. Naret, Richard J. Otis. – October
1991. – Washington, DC : U.S. Government Printing Office, 1991. – 207 p.
7. Trosinetsky E. Gas-liquid interfacial distribution in inclined downward
pipe flow / E. Trosinetsky, L. Shemer, D. Barnea. – Warsaw: ICTAM, 2004. –
352 p.
8. Vacuflow (EN) Archieven [Электронный ресурс] // Qua Vac : [офиц.
сайт]. – [Б. м.] : Qua Vac, 2008–2017. – Режим доступа: http://quavac.com/
category/vacuflow-en/ (дата обращения: 10.11.2017).
9. Григоренко Н. И. Анализ метода расчета систем вакуумной канализации, используемого в зарубежной практике / Н. И. Григоренко,
О. В. Майстренко // Вестник ДонНАСА. – Макеевка. – 2014. – № 5 (109). –
С. 24–28.
10. Григоренко Н. И. Исследование параметров основных элементов
гидропневматической вакуумной системы канализации в лабораторных
условиях / Н. И. Григоренко // Вестник ДонНАСА. – Макеевка. – 2011. –
№ 3 (89). – С. 110–112.
11. Жмаков Г. Н. Проектирование напорных и вакуумных наружных
систем канализации / Г. Н. Жмаков // Водоснабжение и санитарная техника. – 2016. – № 9. – С. 74–79.
12. Лабунцов Д. А. Механика двухфазных систем: учебник для вузов /
Д. А. Лабунцов, В. В. Ягов. – М.: Изд-во МЭИ, 2000. – 374 с.
13. Мамаев В. А. Гидродинамика газожидкостных смесей в трубах /
В. А. Мамаев, Г. Э. Одишария, Н. И. Семенов. – М.: Недра, 1969. – 208 с.
14. Марон В. И. Гидравлика двухфазных потоков в трубопроводах:
учебник для вузов / В. И. Марон. – СПб.: Изд-во «Лань», 2012. – 256 с.
15. Нездойминов В. И. Математическое описание газожидкостной
структуры потока в системе транспортирования жидкости под вакуумом /
В. И. Нездойминов, В. С. Рожков, Н. И. Григоренко, Д. В. Заворотный //
MOTROL. Commission of Motorization and Energetics in Agriculture. –
2013. – Vol. 15, № 6. – P. 125–132.
16. Нездойминов В. И. Модель работы и расчет потерь давления на
участке трубопровода системы вакуумной канализации / В. И. Нездойминов, В. С. Рожков, Н. И. Григоренко // Науковий вісник будівництва. –
Харків: ХОТВ АБУ, 2012. – № 4 (70). – С. 312–317.
17. Нездойминов В. И. Применение вакуумной канализации для
малых населенных пунктов в Украине / В. И. Нездойминов, Н. И. Григоренко, Д. В. Заворотный // Науковий вісник будівництва. – Харків: ХОТВ
АБУ, 2010. – № 2 (60). – С. 241–247.
18. Нездойминов В. И. Применение на практике модели расчета сис­
темы вакуумной канализации / В. И. Нездойминов, Н. И. Григоренко //
Вестник БрГТУ «Водохозяйственное строительство, теплоэнергетика
и геоэкология». – 2013. – № 2 (80). – С. 57–60.
19. Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред. В 2 частях /
Р. И. Нигматулин. – М.: Наука, 1987.
20. Рыбаков Р. Р. Инновации в строительстве. Наружная вакуумная канализация / Р. Р. Рыбаков // Инженерные системы. – 2014. – № 3. –
С. 46–48.
21. Ситенков В. Т. Гидравлика. Теория и расчет двухфазных систем /
В. Т. Ситенков. – Нижневартовск, 2006. – 121 с.
22. Справочник по гидравлическим расчетам / Под ред. П. Г. Киселева – Изд. 4-е, перераб. и доп. – М.: Энергия, 1972.
23. Чермошенцева А. А. Математическое моделирование пароводяных течений в элементах оборудования геотермальных промыслов /
А. А. Чермошенцева, А. Н. Шулюпин. – Петропавловск-Камчатский,
2011. – 144 с.
24. Чисхолм Д. Двухфазные течения в трубопроводах и теплообменниках / Д. Чисхолм / Пер. с англ. – М.: Недра, 1986. – 204 с.
25. Яковлев С. В. Водоотведение и очистка сточных вод: учебник для
вузов / С. В. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков, В. И. Калицун. – М.:
Стройиздат, 1996. – 392 с.
36
37
Рекомендуемая литература
Оглавление
Введение......................................................................................................... 3
1. Теоретические основы расчета систем вакуумной канализации.......... 5
2. Устройство систем наружной вакуумной канализации........................ 10
3. Методика расчета наружной вакуумной канализации......................... 14
3.1. Основные обозначения и сокращения............................................. 14
3.2. Расчет сети вакуумных трубопроводов........................................... 15
3.3. Расчет вакуумной станции................................................................ 28
Рекомендуемая литература.......................................................................... 34
Учебное издание
Иваненко Ирина Ивановна
Урпин Никита Алексеевич
РАСЧЕТ СИСТЕМЫ НАРУЖНОЙ
ВАКУУМНОЙ КАНАЛИЗАЦИИ
(с примерами расчетов)
Практикум
Редактор А. А. Стешко
Корректор А. А. Стешко
Компьютерная верстка В. Е. Королевой
Подписано к печати 04.04.2018. Формат 60×84 1/16. Бум. офсетная.
Усл. печ. л. 2,1. Тираж 50 экз. Заказ 27. «С» 15.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, ул. Егорова, д. 5/8, лит. А.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 653 Кб
Теги
ivanenko, vakuum, kana
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа