Гидравлический расчет самотечных трубопроводов Wavin

Расчеты приведены для канализационных труб ПВХ «Multilayer» и гофрированных труб «X-Stream».

При известной величине расчетного расхода сточной жидкости в задачу проектировщика входит определение расчетного (внутреннего) диаметра отводного трубопровода, его наполнения, уклона и скорости течения в нем жидкости.
В соответствии с регламентами СНиП 2.04.01-85*, во избежание образования засоров в трубопроводе, при расчетах следует обеспечивать выполнение следующего условия:
где V — средняя скорость течения жидкости, определяемая как отношение ее расхода к площади живого сечения трубопровода при его наполнении H/D, м/с; Н — высота текущего слоя жидкости, м; D — величина расчетного (внутреннего) диаметра трубопровода, м.
При этом соответствие величин должно быть: V$0,7 м/с, а НЛЭ>0,3. При V=0,7 м/с и выше по трубе начинает транспортироваться песок, при Н/Д<0,3 в трубе образуется «сухое» течение, при котором в осадок выпадают крупногабаритные предметы.
Сводом правил 40-102-2000 рекомендуется четырех- шкальная номограмма для определения величины расчетного диаметра самотечного трубопровода (приложение 2). Левая шкала номограммы содержит пометки со значениями скорости течения жидкости; следующая шкала — немая ( не содержит никаких пометок); третья шкала с левой стороны содержит пометки со значениями величины наполнения трубопровода H/D, а с правой стороны — со значениями величины расчетного расхода стоков q; правая шкала содержит пометки со значениями искомой величины расчетного диаметра самотечного трубопровода.
При расчетах, результат достигается двумя наложениями линейки, как показано на схеме пользования номограммой. Сначала прямой линией соединяют точки с пометками V и H/D, и на «немой» шкале делают засечку. При втором наложении линейки, эту засечку соединяют прямой линией с пометкой q; на третьей шкале номограммы, а затем эту линию продолжают до пересечения с четвертой шкалой (шкалой D), где и читают ответ.
Если полученное значение диаметра не совпадает с указанным в сортаменте труб (см. каталог продукции Wavin), то выбирается ближайшее или большее значение, которое на номограмме соединяется с пометкой значения расхода q, и эта прямая линия продолжается до пересечения с немой шкалой, где ставится новая засечка. Затем край линейки ставится на эту засечку, и на пересечении линейки со шкалами V и H/D получаются значения этих параметров.
Отметим, что на засечке, как на шарнире, линейку можно перемещать как угодно, все время получая новые значения V и H/D. Из всех возможных значений следует выбирать такие, которые дают максимальное значение произведения (3.2).
После того, как установлены значения расхода жидкости q, расчетного (внутреннего) диаметра трубопровода, его наполнения и скорости течения жидкости V, следует определить уклон трубопровода, при котором будут обеспечены все названные параметры течения. Расчеты производятся согласно своду правил СП 40-102-2000.
Методика, адаптированная к коэффициенту эквивалентной равномернозернистой шероховатости ПВХ труб классов N и S производства компании Wavin (Кэ =0,02 мм), приводится ниже. Для расчета труб систем Wavin X-Stream коэффициент шероховатости рекомендуется принимать равным 0,25 мм при расчете хозяйственно-бытовой канализации и 0,1 мм при расчете ливневой канализации.
Искомый уклон трубопровода i равен:

где λ — коэффициент сопротивления трения по длине трубопровода;
V м/с — скорость движения потока; b — показатель степени;
g = 9,81 м/с2 — ускорение свободного падения;
r= W /f— гидравлический радиус, м;
w — площадь живого сечения потока сточной жидкости, м2; f — смоченный периметр трубопровода, м.

где а=f(Кэ) — показатель степени, равный а=0,314 Кэ005 =0,258, где Кэ выражено в нем.
С учетом этого:

Показатель степени b при полном наполнении трубопровода равен:

где Reкв — число Рейнольдса, соответствующее началу квадратичной области гидравлических сопротивлений
Rеф — фактическое число Рейнольдса


где ν — коэффициент кинематической вязкости сточной жидкости; для хозяйственно-бытовых стоков принимается равным 1,49 х10-6 м2/с (для ливнесточных систем равный 1,39 х10-6 м2/с).
В общем случае течения:
Примечание; при b>2 следует принимать b=2

Таблица 3

Распределение средних скоростей по сечению безнапорного потока равно:

где Vн и Vп — средние скорости течения при неполном и полном наполнениях трубопровода, м/с. Rн и Rп — гидравлические радиусы при неполном и полном наполнениях трубопровода, м.
Расход жидкости равен её скорости, умноженной на площадь живого сечения потока.
Относительные значения расчётных параметров, входящих в формулу (3.8), приведены в таблице 3.
Гидравлический расчет ПВХ труб классов N и S производства компании Wavin, расчитанных по формулам (3.3)- (3.8), допускается производить по таблицам Приложения 3, а труб системы Wavin X-Stream по таблицам Приложения 4.
При определении проектного уклона безнапорного трубопровода, расчетное значение i следует умножить на коэффициенты потерь напора в местных сопротивлениях: 1,01-1,02. Например, дворовая сеть хозяйственно-бытовой канализации из ПВХ труб класса N принимает стоки от 225 квартир, в каждой из которых установлены 4 санитарно- технических прибора, т.е. всего 900 приборов. Расстояние от последнего колодца равно 15 м. Требуется определить диаметр и уклон трубопровода дворовой сети, наполнение трубопровода и скорость течения в нем жидкости.
Прежде всего определяем величину расчетного расхода сточной жидкости от 900 санитарно-технических приборов. Принимаем, что средняя заселенность каждой квартиры равна 4 человека и удельный среднесуточный расход сточных вод равен 250 л/чел. сутки. При коэффициенте суточной неравномерности Ксут=1,36 и коэффициенте часовой неравномерности Кчас =1,7 расчетный часовой расход стоков равен 20,9 м3/час.
Расчетный секундный расход сточной жидкости по формуле (3.1) равен:
qtot = 20,9/3,6 + 0,926 х 1,1 = 6,82 л/сек,
где 0,926 — значение К3 при N= 900 и L = 15 м.
В приложении 5, для удобства расчетов, приведены таблицы коэффициентов суточной неравномерности и средних удельных часовых расходов воды.
Далее по номограмме (стр. 26) определяем диаметр ПВХ трубы класса N. Для этого прежде всего необходимо определить значения H/D и V. Учитывая, что расчет ведется по величине максимального секундного расхода сточной жидкости, вероятность превышения которого, как и вероятность превышения наполнения трубопровода, весьма мала, примем H/D=0,6, а скорость V=1 м/с. На номограмме соединяем прямой линией точки со значениями V=1 м/с и H/D=0,6 и на немой шкале делаем засечку. Затем эту засечку соединяем прямой линией с точкой q=6,82 л/с и на пересечении продолжения этой линии со шкалой D читаем ответ: D=130 мм. Следует иметь ввиду, что это внутренний диаметр трубы. Но по сортамету ПВХ труб класса N (см. каталог канализационных систем компании Wavin), труб с таким диаметром нет. Ближайший меньший наружный диаметр 110 мм (внутренний 104 мм), ближайший больший — 160 (внутренний 152 мм). С использованием номограммы (приложение 2) рассчитаем обе трубы и сравним результаты.
Первый вариант; труба Dу=110 мм. Точку со значением D=104 мм соединяем прямой линией с точкой q=6,82 л/с, продолжаем прямую линию до пересечения с немой шкалой, где ставим засечку. Затем соединяем эту засечку с точкой H/D=0,6 прямой линией, которую продолжаем до пересечения со шкалой V, где читаем ответ: V=1,3 м/с. Произведение Vx=0,95>0,5 и, следовательно, трубопровод будет работать без засоров.
Второй вариант; труба Dу=160 мм. Точку со значением D=152 мм соединяем прямой линией с точкой q=6,82 л/с, продолжаем прямую линию до пересечения с немой шкалой, где ставим засечку. Затем соединяем эту засечку с точкой H/D=0,6 прямой линией, которую продолжаем до пересечения со шкалой V, где читаем ответ: V=0,62 м/с. Но скорость менее 0,7 м/с недопустима. Поэтому уменьшением наполнения, например, до H/D=0,4 и повторяем расчет: засечку на немой шкале соединяем с точкой H/D=0,4 и на пересечении прямой линии со шкалой V читаем ответ: V=1,0 м/с. В этом случае значение произведения Vx=0,645>0,5.
Сравнивая значения произведений Vx обоих расчетных вариантов, нетрудно сделать вывод, что первый вариант — с трубами Dу=110 мм — значительно экономичнее и эффективнее второго с трубами Dу=160 мм.
Последним этапом расчетов является определение уклонов трубопроводов по обоим расчетным вариантам. Расчеты могут быть выполнены по формулам (3.3)-(3.8), однако гораздо проще и удобнее воспользоваться таблицами Приложений 3 и 4.
Следует подчеркнуть, что по обоим рассмотренным вариантам существует множество других решений. Например, по первому варианту, если принять наполнение трубопровода H/D равным не 0,6 (как принято), а 0,7, скорость течения будет равна 1,09 м/с, а i=0,01. При этом произведение Vx>0,92>>0,5. Таким образом, у проектировщика есть множество вариантов для выбора оптимального решения.