Определение экономически наивыгоднейших диаметров

Прежде чем приступить к определению диаметров труб отдельных участков водопроводной сети, необходимо выбрать материал и класс прочности труб.

Нормативными требованиями рекомендуется применять для напорных водоводов и разводящих сетей неметаллические трубы. Обычно в пределах населенных пунктов применяют асбестоцементные трубы; при укладке водопровода вдоль железнодорожных путей применяют чугунные трубы, а под путями и автомобильными дорогами — стальные.

Определение диаметров труб производят по предварительно намеченным расчетным расходам участков Q_р , при этом за основной расчетный случай принимают час наибольшего водопотребления или наибольшего транзита в башню (для сетей с контррезервуарами); при других расчетных случаях выбранные диаметры оставляют без изменений.

При принятом расчетном расходе на участке сети Q_р внутренний диаметр труб может быть определен из известных гидравлических зависимостей по формуле:

 

Из формулы следует, что задача нахождения диаметра только по расходу является неопределенной при неизвестной величине скорости v движения воды.

По условиям эксплуатации водопроводных сетей предельное значение скорости, определяемое требованиями предохранения сети от разрушающего действия гидравлических ударов, принимают равным 2,5—3 м/с. Нижний предел скорости принимается из условия незаиляемости трубопровода в пределах 0,5—0,6 м/с. Таким образом, величина скорости движения воды в трубопроводе колеблется в очень широких пределах и должна приниматься с учетом не только технических, но и экономических факторов. При уменьшении диаметра труб водопроводной сети за счет увеличения скорости движения воды снижаются строительные затраты на трубопроводы. Однако при этом увеличиваются потери напора в трубах, что приводит к увеличению мощности оборудования насосных станций и затрат электроэнергии на подъем воды.

Увеличение диаметров труб при уменьшении расчетной скорости воды приводит к возрастанию строительной стоимости сети, но уменьшаются потери напора и сокращаются затраты на электроэнергию во время эксплуатации сети.

Таким образом, каждому значению расчетной скорости движения воды в трубах будут соответствовать определенные затраты на строительство и эксплуатацию водопровода.

Экономически наивыгоднейшие значения скорости v движения воды и диаметра труб участков сети определяют на основе полного технико-экономического расчета, учитывающего влияние рассматриваемой линии на работу системы водоснабжения в целом. Такие расчеты очень трудоемки и выполняются с использованием современной вычислительной техники. Поэтому в практике проектирования часто используют различные приближенные способы определения экономически наивыгоднейших диаметров труб.

Для упрощения расчета участки сети рассматривают как независимо работающие линии и определяют их диаметры по формуле:

 

 

где: Э — экономический фактор, включающий общие для системы экономические характеристики и показатели (берут из справочной литературы);

a и m — показатели степеней в формулах стоимости трубопровода и гидравлического уклона, зависящие от материала труб, которые принимают также по справочникам.

Вычисленные по формуле величины наивыгоднейших диаметров необходимо округлять до ближайших значений стандартных диаметров. Поэтому в практических расчетах подбор экономичных диаметров труб водопроводных линий производят не по проведенной выше формуле, а по таблицам предельных расходов в зависимости от значения экономического фактора и материала труб.

Под предельными расходами понимают граничные расходы, при которых данный стандартный диаметр будет более выгоден, чем другие. В таблицах Ф. А. Шевелева для гидравлического расчета водопроводных труб приведены величины предельных расходов для различных труб при значениях экономического фактора Э, равных 0,5; 0,75 и 1. В этих же таблицах для каждого диаметра выделены рекомендуемые области применения при Э = 0,75.

Средние значения экономического фактора Э рекомендуется принимать следующими:

Для Сибири и Урала ..... ...... 0,5;

центральных и западных районов РФ и Украины 0,75;

Для южных районов ........ ... 1•

Исходя из необходимости взаимозаменяемости линий во время аварий, диаметры отдельных участков магистральных линий и перемычек между ними назначают по условиям надежности.

Минимальный диаметр труб водопровода, объединенного с противопожарным, следует принимать не менее 100 мм.

 

 

Определение потерь напора по длине трубопровода

 

Потери напора по длине трубопровода определяются по формуле Дарси-Вейсбаха:

м (1.1)

 

Если выразить скорость через расход то уравнение (1.1) принимает вид:

м (1.2)

 

где:l - коэффициент трения по длине трубопровода;

l – длина трубопровода, м;

d_р – расчетный диаметр трубопровода, м;

V – средняя скорость движения воды в трубах, м/с;

Q – расчетный расход воды, м³/с.

 

Потери напора на 1 м трубопровода при известном расходе называется гидравлическим уклоном

Потери напора в трубах зависят не только от длины трубопровода, диаметра трубопровода, и от режима движения воды, который определяется числом Rе:

где:u - коэффициент кинематической вязкости.

 

При использовании неновых стальных или чугунных труб условно принимают, при V > 1,2 м/с трубы работают в квадратичной зоне сопротивления. Значение коэффициента трения по длине трубопровода и гидравлического уклона можно определить по формулах:

 

 

При V < 1,2 м/с значение этих же коэффициентов можно определить по формулах:

 

 

Для расчета асбестоцементных труб выше приведенные зависимости имеют следующий вид:

 

 

Для пластмассовых труб:

 

 

Следует отметить, что данные формулы весьма громоздки и поэтому их использование при практических расчетах весьма затруднительно. Но в настоящее время из-за развития вычислительной техники именно выше приведенные зависимости нашли широкое распространение при написании программ для расчета кольцевых сетей на ПК.

Большее распространение получило также определение потерь напора через удельные сопротивления:

 

(1.3)

 

где: А – удельное сопротивление труб и зависит от материала и диаметра трубы. В справочной литературе значение удельного сопротивления приведены для скорости 1 м/с.

К – поправочный коэффициент на скорость. При V=1 м/с К=1. В справочной литературе также приведены его значения в зависимости от скорости движения воды в трубах.

S – потери напора на участке lпри расходе воды 1 л/с, .

Следует признать, что выше приведенная методика расчета по уравнению 1.3 требует обращения к справочной литературе, что также усложняет использование такого расчета на ПК.

 

 

Увязка кольцевых водопроводных сетей

 

Первичное потокораспределение, как правило, не точно отображает работу как отдельных участков, так и сети в общем. Необходимость точного гидравлического расчета сети заключается в следующем:

· Определение необходимого напора насоса;

· Определение фактического свободного напора в узлах водопроводной сети;

· Определение режима работы отдельных участков сети, что позволит повысить надежность работы всего водопровода.

Фактическое потокораспределение воды наблюдается при выполнении условий первого и второго законов Киргофа:

Первый закон: если условно принять узловые расходы воды, которые поступают в узел со знаком “+”, уходящие из узла – со знаком “-“, то должно соблюдаться:

 

Второй закон: если условно принять потери напора при направлении движения расчетных расходов воды в кольце по часовой стрелке со знаком “+”, а при направлении движения против часовой стрелки – со знаком “-”, то при суммировании должно соблюдаться следующее условие:

 

 

Анализируя выше приведенные зависимости, можно сделать заключение, что задача сводится к решению системы состоящей из n+m-1 уравнений, где n – количество колец, m – количество узлов. Но т.к. количество уравнений должно быть n+m,задача решается методом подбора.