Гидравлический расчет системы водоснабжения

Гидравлический расчет водопровода – совокупность вычислений, производимых на этапе проектирования здания (многоэтажного дома, коттеджа). Роль данного вида работ очень важна – неправильно спроектированная система водоснабжения не будет нормально функционировать. Выражаться это может в слабом напоре воды на верхних этажах высоток и в частых прорывах подвальных коммуникаций из-за высокого давления ввода.

Цели выполнения гидравлического расчета водопроводных сетей

Основными целями гидравлического расчета системы водоснабжения здания являются:

• вычисление максимального расхода воды на отдельных участках системы водоснабжения;
• определение скорости перемещения воды в трубах;
• расчет внутреннего диаметра труб для монтажа различных участков водопроводной сети;
• вычисление потери напора воды при подаче ее из магистрального трубопровода на определенную высоту;
• определение мощности насосного оборудования и целесообразности его использования с учетом произведенных расчетов.

Выполняются расчеты на основании данных и методик СНиП 2.04.01-85 «Внутренний водопровод и канализация зданий».

Варианты гидравлического расчета водопроводных сетей

В зависимости от целей различают два вида гидравлического расчета водопроводных сетей – проектный и поверочный (наладочный).

Проектный

Данный вид гидравлического расчета производится при проектировании системы водоснабжения здания. С его помощью определяют вид трубопроводов для различных участков сети, скорость потока в них.

Кроме вычислений данный вид расчета включает в себя схематическое расположение элементов внутреннего водопровода – узла ввода, подвальных коммуникаций, стояков, узлов водоразбора.

Поверочный

Основными целями данного вида гидравлического расчета является определение распределения потоков в системе водоснабжения, вычисление напора источников при заранее вычисленных внутренних диаметрах труб и отборах воды в узловых точках.

Результатами поверочного расчета являются:

• водопотребление и потери напора на всех участках системы водоснабжения;
• объем подачи воды от источника (магистрального водопровода, водонапорной башни или контррезервуара);
• пьезометрические напоры в различных точках водоразбора.

Все полученные в результате данного расчета значения используют для проектирования расположения точек водоразбора – сантехнических приборов – внутри проектируемого здания.

Точный и достаточно быстрый наладочный расчет водопроводных сетей различной конфигурации (от простой тупикового водопровода до более сложной кольцевой системы) можно производить при помощи программ: «ГидроМодель», «Умная Вода», «WaterSupply», «Гидравлический расчет трубопровода».

Порядок проведения гидравлического расчета

Гидравлический расчет системы водоснабжения включает в себя следующие этапы:

• Определение количества точек водоразбора – для этого по типовому плану здания определяют количество умывальников, ванн, унитазов в здании.
• Составление схематического изображения (аксонометрической схемы) внутренней водопроводной сети – вручную или при помощи специального программного обеспечения составляется схема расположения стояков водоснабжения и подключаемых к ним сантехнических приборов. При этом для удобства дальнейшей работы каждый горячий и холодный водоснабжающий трубопровод отмечают различными цветами (красным и синим соответственно).
• Разбиение водопроводной сети на отдельные расчетные горизонтальные и вертикальные участки, состоящие из трубопроводов и водоразборных узлов. Границами каждого участка является запорная арматура и сантехнические приборы.
• Вычисление вероятности одновременного включения всех водоразборных узлов расчетного участка(P) – расчет значения данной величины производится по следующей формуле:

P=Q макс.вод ×U/Qприб.×N×3600;

где Q макс.вод –расход воды в часы с максимальным водопотреблением, л/ч на 1 жителя;

U – количество жителей, которых обеспечивают водой коммуникации и водоразборные узлы расчетного участка, чел;

Qприб. – нормативный расход через узел водоразбора в среднем составляющий 0,18 л/с;

N – количество входящих в расчетный участок узлов водоразбора (сантехнических приборов), шт;

3600 – коэффициент используемый для перевода литров в час в литры в секунду.

• Определение максимального секундного расхода воды трубопроводом и водозаборными узлами расчетного участка по формуле:

Q макс.расх.вод= 5× Q в.приб×a; л/с

где Q в.приб – суммарный нормативный расход через узлы водоразбора участка;

a – величина безразмерная. Ее значение находят по специальным таблицам в СНиП 2.04.01-85.

• Подбор оптимального внутреннего диаметра трубопровода – подбирается с учетом рекомендаций по использованию и экономической целесообразности применения в данных условиях.
• Расчет скорости воды – вычисляют по специальным методическим пособиям, исходя из внутреннего диаметра выбранного трубопровода.
• Вычисление потерь напора (Нl) по формуле:

Нl= L×i×(1+Kl); м.вод.столба,

где L – длина расчетного участка, м;

i – удельные потери напора при трении воды о внутренние стенки трубопровода, измеряется данная величина в миллиметрах водяного столба/метр трубопровода;

Kl – поправочный коэффициент, при проектировании жилых многоквартирных домов и коттеджей его значение равно 0,3.

• Для зданий имеющих 2 и более этажей гидравлический расчет требуемого напора(Hтр) водопроводного ввода в месте его подключения к наружному магистральному трубопроводу производится по следующей формуле:

Hтр=10+(n-1)×4,

где n – количество этажей;

4 -напор необходимый для поднятия воды для каждого этажа, расположенного выше первого, м.

• Фактический требуемый напор в точке ввода (Нф) находят, суммируя расчетный напор ввода (Hтр) с потерями напора на расчетных участках (Нl):

Нф= Hтр+ Нl расч.уч.1+ Нl расч.уч.2+ Нl расч.уч.3+ Нl расч.уч.4+ Нl расч.уч.n

Результаты такого расчета записывают в сводную таблицу.

Напор в 10 метров водного столба равен давлению в водопроводной магистрали равном 1 атмосфере (1 Bar).

Пример расчета холодного водоснабжения

Исходные данные:

Здание – 2-х этажный дом с цокольным этажом, одним вертикальным стояком высотой от подвала до верха -6 м, 5 точками водоразбора (кухонной мойкой, смесителем ванны и умывальника, унитаза,– на первом этаже; унитазом и смесителем душевой кабины – на втором этаже). В доме живет семья из 6 человек.

Последовательность расчета:

• Проектируемая внутренняя система водоснабжения разбивается на 2 расчетных участка – первого и второго этажа. Длина коммуникаций первого участка равна 5 м, вертикального стояка и горизонтальных коммуникаций второго участка – 5,5 м.
• Используя табличные данные СНиП, рассчитывается вероятность одновременного включения всех водоразборных узлов для первого и второго расчетных участков:

P1=15,6×6/(0,1+0,18+1,4)×3600=0,015;

P2= 15,6×6/(1,4+0,18) ×3600 =0,016.

• Максимальный расход данных участков с учетом найденных по таблицам соответствующих значений коэффициента a будет равен:

Q макс.расх.вод1= 5× Q в.приб×a = 5×0,18×0,265=0,24л/с;

Qмакс.расх.вод2= 5×Qв.приб×a =5×0,18×0,241=0,22 л/с

• С учетом полученных значений расхода воды внутренний водопровод проектируют из простой полипропиленовой трубы диаметром 25мм (горизонтальные отводы от стояка) и 32 мм (вертикальный стояк).
• На основании значений длины первого и второго расчетного участка, величины коэффициента i и Kl (для таких условий они равны 0,083 и 0,3 соответственно) потеря напора на первом и втором расчетном участке будет равна:

Нl уч.1= L1×i×(1+Kl) = 5×0,083×1,3=0,54 м.вод. столба;

Нl уч.2= L1×i×(1+Kl) = 5,5×0,083×1,3=0,59 м.вод. столба.

Суммарная потеря напора на двух расчетных участках будет равна 1,14 водного столба или 0,114 атмосферы.

• Требуемый напор в точке ввода для такого здания будет равен:

Hтр=10+(2-1)×4=14 метров водяного столба или 1,4 атмосферы

• Фактический требуемый напор в точке ввода для данного коттеджа будет равен:

Нф= Hтр+ Нl расч.уч.1+ Нl расч.уч.2=14+1,14=15,14 метров водного столба или 1,5 атмосферы

Благодаря произведенному расчету, хозяин дома на этапе проектирования с учетом давления магистрального водопроводного трубопровода своего населенного пункта может планировать определенную схему внутренней водопроводной сети.

Источник: StrojDvor.ru

Что рассчитывается

Гидравлический расчет внутреннего водопровода сводится к определению следующих параметров:

1. Расчетного расхода воды на отдельных участках водопровода.
2. Скорости потока воды в трубах.

Подсказка: для внутренних водопроводов нормой считаются скорости от 0,7 до 1,5 м/с. Для пожарного водопровода допустима скорость до трех метров/с.

1. Оптимального диаметра водопровода, снабжающего приемлемое падение напора. Как вариант — может определяться утрата напора при известном диаметре каждого участка. В случае если с учетом утрат напор на сантехнических устройствах будет меньше нормированного, локальная сеть водоснабжения испытывает недостаток в установке подкачки.

Расход воды

Нормативы расхода воды отдельными сантехническими устройствами возможно найти в одном из приложений к СНиП 2.04.01-85, регламентирующему сооружение внутренних канализационных сетей и водопроводов. Приведем часть соответствующей таблицы.

При предполагаемого одновременного применения нескольких сантехнических устройств расход суммируется. Так, в случае если в один момент с применением туалета на первом этаже предполагается работа душевой кабинки на втором — будет в полной мере логичным сложить расход воды через оба сантехнических прибора: 0,10+0,12=0,22 л/с.

Особенный случай

Для пожарных водопроводов действует норма расхода в 2,5 л/сна одну струю. Наряду с этим расчетное количество струй на один пожарный гидрант при пожаротушении в полной мере предсказуемо определяется его площадью и типом здания.

Скорость потока

Предположим, что наша задача — гидравлический расчет тупиковой водопроводной сети с известным пиковым расходом через нее. Нам необходимо выяснить диаметр, который обеспечит приемлемую скорость перемещения потока через трубопровод (напомним, 0,7-1,5 м/с).

Формулы

Расход воды, скорость ее потока и размер трубопровода увязываются между собой следующей последовательностью формул:

S = ? r ^2, где:

• S — площадь сечения трубы в квадратных метрах;
• ? — число «пи», принимаемой равным 3,1415;
• r — радиус внутреннего сечения в метрах.

Полезно: для металлических и чугунных труб радиус в большинстве случаев принимается равным половине их ДУ (условного прохода). У многих пластиковых труб внутренний диаметр на ход меньше номинального наружного: так, у полипропиленовой трубы наружным диаметром 40 мм внутренний примерно равен 32 мм.

Q = VS, где:

• Q — расход воды (м3);
• V — скорость водяного потока (м/с) ;
• S &очень плохо;#8212; площадь сечения в квадратных метрах.

Пример

Давайте выполним гидравлический расчет пожарного водопровода для одной струи с расходом 2,5 л/с.

Как мы уже узнали, в этом случае скорость водяного потока ограничена м/с.

1. Пересчитываем расход в единицы СИ: 2,5 л/с = 0,0025 м3/с.
2. Вычисляем по второй формуле минимальную площадь сечения. При скорости в 3 м/с она равна 0,0025/3=0,00083 м3.
3. Рассчитываем радиус внутреннего сечения трубы: r^2 = 0,00083/3,1415 = 0,000264; r = 0,016 м.
4. Внутренний диаметр трубопровода, так, должен быть равен как минимум 0,016 х 2 = 0,032 м, либо 32 миллиметра. Это соответствует параметрам металлической трубы ДУ32.

Обратите внимание: при получении промежуточных значений между стандартными размерами труб округление выполняется в громадную сторону. Цена труб с диаметром, отличающимся на ход, различается не через чур очень сильно; в это же время уменьшение диаметра на 20% влечет за собой практически полуторакратное падение пропускной свойстве водопровода.

Несложный расчет диаметра

Для стремительного расчета может употребляться следующая таблица, конкретно увязывающая расход через трубопровод с его размером.

Утрата напора

Формулы

Инструкция по расчету утраты напора на участке известной длины достаточно несложна, но подразумевает знание изрядного количества переменных. К счастью, при жажде их возможно отыскать в справочниках.

Формула имеет форму H = iL(1+K).

В ней:

• H — искомое значение утраты напора в метрах.

Справка: избыточное давление в 1 атмосферу (1 кгс/см2) при атмосферном давлении соответствует водяному столбу в 10 метров. Для компенсации падения напора в 10 метров, так, давление на входе в водораспределительную сеть необходимо поднять на 1 кгс/см2.

• i — гидравлический уклон трубопровода.
• L — его протяженность в метрах.
• K — коэффициент, зависящий от назначения сети.

Кое-какие элементы формулы очевидно требуют комментариев.

Несложнее всего с коэффициентом К. Его значения заложены в уже упоминавшийся нами СНиП за номером 2.04.01-85:

А вот с понятием гидравлического уклона намного сложнее. Он отражает то сопротивление, которое труба оказывает перемещению воды.

Гидравлический уклон зависит от трех параметров:

1. Скорости потока. Чем она выше, тем больше гидравлическое сопротивление трубопровода.
2. Диаметра трубы. Тут зависимость обратная: уменьшение сечения ведет к росту гидравлического сопротивления.
3. Шероховатости стенок. Она, со своей стороны, зависит от материала трубы (сталь владеет менее ровной поверхностью если сравнивать с полипропиленом либо ПНД) и, в некоторых случаях, от возраста трубы (известковые отложения и ржавчина увеличивают шероховатость).

К счастью, проблему определения гидравлического уклона всецело решает таблица гидравлического расчета водопроводных труб (таблица Шевелева). В ней приводятся значения для различных материалов, скоростей и диаметров потока; помимо этого, таблица содержит коэффициенты поправок для ветхих труб.

Уточним: поправки на возраст не требуются всем типам полимерных трубопроводов. Металлопластик, полипропилен, простой и сшитый полиэтилен не меняют структуру поверхности целый период эксплуатации.

Размер таблиц Шевелева делает неосуществимой их публикацию полностью; но для ознакомления мы приведем маленькую выдержку из них.

Вот справочные данные для пластиковой трубы диаметром 16 мм.

При расчете падения напора необходимо учитывать, что большинство сантехнических устройств для обычной работы требует определенного избыточного давления. В СНиП тридцатилетней давности приводятся данные для устаревшей сантехники; более современные образцы бытовой и санитарной техники требуют для обычной работы избыточного давления, равного как минимум 0,3 кгс/см (3 метра напора).

Но: на практике лучше закладывать в расчет пара большее избыточное давление — 0,5 кгс/см2. Запас нужен для компенсации неучтенных утрат на подводках к устройствам и их собственного гидравлического сопротивления.

Примеры

Давайте приведем пример гидравлического расчета водопровода, выполненного своими руками.

Предположим, что нам необходимо вычислить утрату напора в домашнем пластиковом водопроводе диаметром 15 мм при его длине в 28 метров и максимально допустимой скорости потока воды, равной 1,5 м/с.

1. Гидравлический уклон для длины в 1000 метров будет равным 319,8. Потому, что в формуле расчета падения напора употребляется i, а не 1000i, это значение направляться поделить на 1000: 319,8 / 1000 = 0,3198.
2. Коэффициент К для хозяйственно-питьевого водопровода будет равным 0,3.
3. Формула в целом купит вид H = 0,3198 х 28 х (1 + 0,3) = 11,64 метра.

Так, избыточное давление в 0,5 атмосферы на концевом сантехническом приборе мы будем иметь при давлении в магистральном водопроводе в 0,5+1,164=1,6 кгс/см2. Условие в полной мере выполнимо: давление в магистрали в большинстве случаев не ниже 2,5 — 3 атмосфер.

К слову: опробования водопровода при сдаче в эксплуатацию проводятся давлением, как минимум равным рабочему с коэффициентом 1,3. Акт гидравлических опробований водопровода обязан включать отметки как об их длительности, так и об испытательном давлении.

А сейчас давайте выполним обратный расчет: определим минимальный диаметр пластикового трубопровода, снабжающего приемлемое давление на концевом смесителе для следующих условий:

• Давление в автостраде образовывает 2,5 атмосферы.
• Протяженность водопровода до концевого смесителя равна 144 метрам.
• Переходы диаметра отсутствуют: целый внутренний водопровод будет монтироваться одним размером.
• Пиковый расход воды образовывает 0,2 литра в секунду.

Итак, приступим.

1. Допустимая утрата давления образовывает 2,5-0,5=2 атмосферы, что соответствует напору в 20 метров.
2. Коэффициент К и в этом случае равен 0,3.
3. Формула, так, будет иметь вид 20=iх144х(1+0,3). Несложный расчет даст значение i в 0,106. 1000i, соответственно, будет равным 106.
4. Следующий этап — поиск в таблице Шевелева диаметра, соответствующего 1000i = 106 при искомом расходе. Ближайшее значение — 108,1 — соответствует диаметру полимерной трубы в 20 мм.

Источник: uchebniksantehnika.ru

Особенности разводки коттеджа

Чем, собственно, система водоснабжения в частном доме проще, нежели в многоквартирном строении (разумеется, помимо общего количества сантехнических приборов)?

Принципиальных отличия два:

• На горячей воде, как правило, нет необходимости обеспечивать постоянную циркуляцию через стояки и полотенцесушители.

При наличии циркуляционных врезок расчет водопроводной сети горячей воды заметно усложняется: трубам нужно пропустить через себя не только разбираемую жильцами воду, но и непрерывно оборачивающиеся массы воды.

В нашем же случае расстояние от сантехприборов до бойлера, колонки или врезки в трассу достаточно мало, чтобы не уделять внимания скорости подачи ГВС к крану.

Важно: Тем, кто не сталкивался с циркуляционными схемами ГВС — в современных многоквартирных домах стояки горячего водоснабжения соединяются попарно. За счет разницы давлений на врезках, создаваемой подпорной шайбой, через стояки непрерывно циркулирует вода. Тем самым обеспечивается быстрая подача ГВС к смесителям и круглогодичный нагрев полотенцесушителей в ванных комнатах.

• Водопровод в частном доме разводится по тупиковой схеме, что подразумевает постоянную нагрузку на отдельные участки разводки. Для сравнения — расчет водопроводной кольцевой сети (позволяющей запитать каждый участок водопровода из двух и более источников) должен выполняться отдельно для каждой из возможных схем подключения.

Что считаем

Нам предстоит:

1. Оценить расход воды при пиковом потреблении.
2. Выполнить расчет сечения водопроводной трубы, способной обеспечить этот расход при приемлемой скорости потока.

Справка: максимальная скорость потока воды, при которой он не порождает гидравлических шумов, составляет около 1,5 м/с.

3. Вычислить напор на концевом сантехническом приборе. Если он будет неприемлемо низким, стоит подумать либо об увеличении диаметра трубопровода, либо об установке промежуточной подкачки.

Задачи сформулированы. Приступим.

Расход

Его можно приблизительно оценить по нормам расхода для отдельных сантехнических приборов. Данные при желании несложно найти в одном из приложений к СНиП 2.04.01-85; для удобства читателя мы приведем выдержку из него.

В многоквартирных домах при расчете расхода используется коэффициент вероятности одновременного использования приборов. Нам достаточно просто просуммировать расход воды через приборы, которые могут использоваться одновременно. Скажем, мойка, душевая кабинка и унитаз дадут общий расход, равный 0,12 + 0,12 + 0,10 = 0,34 л/с.

Сечение

Расчет сечения трубы водопровода может быть выполнен двумя способами:

1. Подбором по таблице значений.
2. Расчетом по максимальной допустимой скорости потока.

Подбор по таблице

Собственно, таблица не требует каких-либо комментариев.

Скажем, для расхода в 0,34 л/с достаточно трубы ДУ15.

Обратите внимание: ДУ (условный проход) примерно равен внутреннему диаметру водогазопроводной трубы. У полимерных труб, маркирующихся внешним диаметром, внутренний отличается от него примерно на шаг: скажем, 40-миллиметровая полипропиленовая труба имеет внутренний диаметр около 32 мм.

Расчет по скорости потока

Расчет диаметра водопровода по расходу воды через него может быть выполнен с использованием двух простых формул:

1. Формулы расчета площади сечения по его радиусу.
2. Формулы расчета расхода через известное сечение при известной скорости потока.

Первая формула имеет вид S = π r ^2. В ней:

• S — искомая площадь сечения.
• π — число «пи» (примерно 3,1415).
• r — радиус сечения (половина ДУ или внутреннего диаметра трубы).

Вторая формула выглядит как Q = VS, где:

• Q — расход;
• V — скорость потока;
• S — площадь сечения.

Для удобства вычислений все величины переводятся в СИ — метры, квадратные метры, метры в секунду и кубические метры в секунду.

Давайте своими руками рассчитаем минимальный ДУ трубы для следующих вводных данных:

• Расход через нее составляет все те же 0,34 литра в секунду.
• Скорость потока, используемая в вычислениях — максимально допустимые 1,5 м/с.

Приступим.

1. Расход в величинах СИ будет равным 0,00034 м3/с.
2. Площадь сечения согласно второй формулы должна быть не менее 0,00034/1,5=0,00027 м2.
3. Квадрат радиуса согласно первой формулы равен 0,00027/3,1415=0,000086.
4. Извлекаем из этого числа квадратный корень. Радиус равен 0,0092 метра.
5. Чтобы получить ДУ или внутренний диаметр, умножаем радиус на два. Результат — 0,0184 метра, или 18 миллиметров. Как легко заметить, он близок к полученному первым способом, хоть и не совпадает с ним в точности.

Напор

Начнем с нескольких общих замечаний:

• Типичное давление в магистрали холодного водоснабжения составляет от 2 до 4 атмосфер (кгс/см2). Оно зависит от расстояния до ближайшей насосной станции или водонапорной башни, от рельефа местности, состояния магистрали, типа запорной арматуры на магистральном водопроводе и ряда прочих факторов.
• Абсолютный минимум напора, который позволяет работать всем современным сантехническим приборам и использующей воду бытовой технике — 3 метра. Инструкция к проточным водонагревателям Атмор, к примеру, прямо говорит, что нижний порог срабатывания включающего нагрев датчика давления равен 0,3 кгс/см2.

Справка: при атмосферном давлении 10 метров напора соответствуют 1 кгс/см2 избыточного давления.

На практике на концевом сантехническом приборе лучше иметь минимальный напор в пять метров. Небольшой запас компенсирует неучтенные потери в подводках, запорной арматуре и самом приборе.

Нам нужно вычислить падение напора в трубопроводе известной протяженности и диаметра. Если разность напора, соответствующего давлению в магистрали, и падения напора в водопроводе больше 5 метров — наша система водоснабжения будет функционировать без нареканий. Если меньше — нужно либо увеличивать диаметр трубы, либо размыкать ее подкачкой (цена которой, к слову,  явно превысит рост затрат на трубы из-за увеличения их диаметра на один шаг).

Так как же выполняется расчет напора в водопроводной сети?

Здесь действует формула H = iL(1+K), в которой:

• H — заветное значение падения напора.
• i — так называемый гидравлический уклон трубопровода.
• L — длина трубы.
• K — коэффициент, который определяется функциональностью водопровода.

Проще всего определить коэффициент К.

Он равен:

• 0,3 для хозяйственно-питьевого назначения.
• 0,2 для промышленного или пожарно-хозяйственного.
• 0,15 для пожарно-производственного.
• 0,10 для пожарного.

С измерением длины трубопровода или его участка тоже особых сложностей не возникает; а вот понятие гидравлического уклона требует отдельного разговора.

На его значение влияют следующие факторы:

1. Шероховатость стенок трубы, которая, в свою очередь, зависит от их материала и возраста. Пластики обладают более гладкой поверхностью по сравнению со сталью или чугуном; кроме того, стальные трубы со временем зарастают известковыми отложениями и ржавчиной.
2. Диаметр трубы. Здесь действует обратная зависимость: чем он меньше, тем большее сопротивление трубопровод оказывает движению воды в нем.
3. Скорость потока. С ее увеличением сопротивление тоже увеличивается.

Некоторое время назад приходилось дополнительно учитывать гидравлические потери на запорной арматуре; однако современные полнопроходные шаровые вентиля создают примерно такое же сопротивление, что и труба, поэтому ими можно смело пренебречь.

Вычислить гидравлический уклон своими силами весьма проблематично, но, к счастью, в этом и нет необходимости: все необходимые значения можно найти в так называемых таблицах Шевелева.

Чтобы читатель представил себе, о чем идет речь, приведем небольшой фрагмент одной из таблиц для пластиковой трубы диаметром 20 мм.

Что такое 1000i в крайнем правом столбике таблицы? Это всего лишь значение гидравлического уклона на 1000 погонных метров. Чтобы получить значение i для нашей формулы, его достаточно разделить на 1000.

Давайте вычислим падение напора в трубе диаметром 20 мм при ее длине, равной 25 метрам, и скорости потока в полтора метра в секунду.

1. Ищем соответствующие параметры в таблице. Согласно ее данным, 1000i для описанных условий равно 221,8; i = 221,8/1000=0,2218.

2. Подставляем все значения в формулу. H = 0,2218*25*(1+0,3) = 7,2085 метра. При давлении на входе водопровода в 2,5 атмосферы на выходе оно составит 2,5 — (7,2/10) = 1,78 кгс/см2, что более чем удовлетворительно.

Источник: sdelaydom.guru

Гидравлический расчет водопроводной сети

Гидравлический расчет сети заключается в определении по ус­тановленным расчетным расходам наиболее выгодных диаметров труб и соответствующих потерь напора для каждого участка сети.

Экономический расчет магистральной сети города имеет важное значение, так как водопроводная сеть является самым дорогим элементом водопровода. Для расчета сети требуется прежде всего установить расчетные расходы воды по участкам сети. Если число водоразборных точек невелико и в каждой точке сосредоточен определенный по величине расход воды, то в расчетной схеме водоотдачи могут быть учтены все сосредоточенные расходы.

В большинстве случаев отбор воды из сети производится во многих точках и получается большое количество расчетных участков, а расчет сети весьма трудоемким. Поэтому в городских водопроводных сетях принимают схему равномерно распределенного отбора воды на хозяйственно-питьевые нужды населения.

Расход воды крупных потребителей (промышленные предприятия, железнодорожные вокзалы, пристани, банно-прачечные комбинаты и т. д.) выделяются в сосредоточенные расходы в определенных узловых точках у места их расположения.

Расход, приходящийся на 1 м длины сети, л/с, называют удельным

где q_mах — максимальный расчетный секундный расход, л/с; q_соср —сосредоточенные расходы крупных потребителей, л/с; L — общая длина сети (в длину сети не включаются участки, проходящие по незастроенной территории), м. Например (рис. 10, а),

Рис.10. Расчетные схемы водопроводных сетей на случай максимального водопотребления:

а-разветвленной с башней в начале сети; б – кольцевой с контррезервуаром (линия а-а — граница районов питания)

При принятой методике расчета считают, что расход воды на каждом участке магистральной сети пропорционален его длине.

Расход воды на каждом участке называют путевым расходом и определяют по формуле

где l – длина участка cети

Тогда путевой расход для участка 1—2 (рис. 10, а) будет равен q_пут = 0,05-100 = 5 л/с.

Каждый промежуточный участок сети, кроме путевого расхода, несет транзитный расход, идущий на питание последующих участков, т. е. расход на участке равен

С достаточной степенью точности мы получим те же расчетные расходы, если разобьем путевой расход пополам и приложим его в начальной и конечной точках рассматриваемого участка:

По принятой методике расчета путевые расходы воды переводятся на расходы, сосредоточенные в узловых точках сети.

Узловой расход каждого узла сети равен полусумме путевых расходов участков, примыкающих к данному узлу:

Q_уз2= л/с

Для определения диаметров труб участков сети применяют известную формулу гидравлики трубопроводов, связывающую площадь живого сечения трубы w м 2 , с расходом q, м 3 /с, и со скоростью движения воды v, м/с,

Из этой формулы видно, что диаметр трубы зависит не только от расхода, но и от скорости движения воды. Если принять малое значение расчетной скорости, то трубопровод получится относительно большого диаметра, а следовательно, будет иметь большую строительную стоимость. Наоборот, чем больше будет скорость движения воды, тем меньше будет диаметр трубопровода и его строительная стоимость. Однако увеличение скорости движения воды вызывает резкое увеличение потерь напора в трубах и, следовательно, увеличивается затрата электроэнергии на подачу воды к потребителям, т. е. увеличивается стоимость эксплуатации водопровода. Кроме того, скорость движения воды по водопроводным трубам имеет и технические пределы. При скорости 2 м/с и больше в трубопроводах могут возникать гидравлические удары, опасные для прочности труб и стыковых соединений.

При выборе диаметров труб руководствуются так называемой экономической скоростью движения воды. Эта скорость зависит от стоимости энергии, стоимости труб и их укладки, расчетного срока службы и материала труб.

Н. Н. Абрамовым предложен график для определения экономического фактора Э, для различных значений стоимости электроэнергии σ в зависимости от коэффициента стоимости труб b.

Для удобства подбора диаметра труб составлена таблица предельных экономических расходов для каждого стандартного диаметра металлических труб (табл. 1).

По таблице 1 подбираем диаметр трубы для участка 1—2 при экономическом факторе 0,5 . 200 мм.

Потери напора на трение в трубах можно определить по формуле

где q- расход; l — длина трубопровода; d — диаметр труб; k и λ —коэффициенты потери напора; k = 0,083 λ,.

В практике расчета сети для определения потерь в трубопроводах в большинстве случаев пользуются формулой h = i·l, где l– длина трубопровода, км; i — потери напора на 1000 м принимают по таблицам Ф. А. Шевелева, м.

В таблицах выделена область экономически выгодных диаметров и поэтому отпадает необходимость первоначального подбора диаметров по таблице 1. Для нашего случая q=25,5 л и =100м; l =5,47·0,1=0,55 м.

Гидравлический расчет разветвленной сети производят в такой последовательности.

В первую очередь рассчитывают главную магистраль 1—2—3—4—5, соединяющую начальную точку сети с наиболее удаленной и возвышенной из конечных ее точек. Затем рассчитывают ответвления 2—10—11; 2—9; 3—6—7; 6—5 (см. рис. 10, а).

Расчет сети может быть произведен в том случае, когда:

а) заданы требуемые напоры во всех узлах, необходимо определить требуемый напор в начальной точке;

б) заданы напоры в начальной и в узловых точках, требуется определить диаметры труб для пропуска расхода при располагаемом напоре.

При расчете кольцевой сети в общем случае неизвестными являются как диаметры участков, так и расходы на участках. Следовательно, каждый участок сети дает два неизвестных— диаметр и расход, а общее число неизвестных равно удвоенному числу участков.

Для нахождения этих неизвестных необходимо составить надлежащее число уровней.

Рассмотрение законов движения жидкости по замкнутому контуру позволяет составить некоторое число уровней для их нахождения.

1. Сумма расходов, приходящих в узел, равна сумме расхода, уходящих из этого узла, плюс узловой расход.

Если обозначить расходы, приходящие в узел, знаком плюс, а уходящие (включая узловой расход) — знаком минус, то алгебраическая сумма расходов будет равна нулю, Σq= 0.

2. В каждом замкнутом кольце сети сумма потерь на участках, где вода движется по часовой стрелке (обозначим условно-положительными), равна сумме потерь напора на участках, на которых вода движется против часовой стрелки (обозначим — отрицательными), т. е. алгебраическая сумма потерь в кольце равна нулю Σh = или ΣSq 2 = 0, где S — сопротивление участка, S= Al; А — удельное сопротивление трубы, принимается по табли­це Ф. А. Шевелева.

Однако решение системы квадратных уравнений для сети с большим количеством колец представляется весьма сложной задачей.

Поэтому гидравлический расчет сети производят различными приближенными способами, причем все они сводятся к методу последовательного приближения.

Рассмотрим два метода увязки сети -метод В. Г. Лобачева и метод М. М. Андриашева.

В. Г. Лобачев разработал теорию расчета кольцевых сетей и предложил метод увязки, основанный на иттеративном способе решения системы квадратных уравнений.

Возьмем одно кольцо 1 см. (рис.10, а)с намеченным распределением расходов воды q, по которым определены диаметр труб d; длина участков известна.

Предложим, что при первом предварительном распределении расходов удалось достигнуть условия Σh = 0 и мы получили Σh =Δh или

Пусть неувязка Δh >0, т. е. перегружены верхний (4–3) инижний (5–6) участки, в которых вода движется по часовой стрелке.

Для получения равенства Σh = 0 или Δh = 0 необходимо некоторый, пока неизвестный, поправочный расход Δ q пропустить по участкам кольца в направлении, обратном знаку неувязки:

Преобразуя уравнение, можно найти искомую величину

Δ q=

Величина Δq 2 отброшена как относительно малая по сравнению с членами, содержащими q и Δq.

Числитель есть Δh, а знаменатель является удвоенной суммой произведений расходов каждого участка на его сопротивление, т. е.

Если сеть состоит из нескольких колец, то задача сводите; к решению системы стольких уравнений, сколько колец в сети.

При увязке сети по этому методу каждое кольцо рассматривается вне их взаимной связи и поправочный расход вводите: в каждое кольцо отдельно. М. М. Андрияшев предлагает пoпpaвочный расход проводить по замкнутому контуру, охватывающему несколько колец. Величина и направление поправочного pacхода определяется на основании анализа неувязок, полученных в отдельных кольцах.

Путь поправочного расхода выбирают так, чтобыон был направлен против движения потока в перегруженных участках и совпал с потоком в недогруженных.

Всю запись расчета М. М. Андрияшев рекомендует вести не­посредственно на расчетных схемах, а вычисления производить при помощи счетной линейки. На схеме (рис. 10, б) показан пример записи расчета: первые цифры – расход, л/с; вторые —потери напора, м; цифры у стрелок внутри колец —величины неувязок; цифры в рамке — сопротивления участков.

Водопроводные сети, разделенные на зоны, называют зонными. Каждая зона имеет самостоятельную сеть, отдельную насосную установку и напорно-регулирующую емкость. Запасные емкости могут быть объединены.

Зонирование водопровода может быть вызвано как техническими, так и экономическими соображениями. По чисто техническим соображениям необходимость зонирования и число зон принимают исходя из требований не превышать расчетный напор, допускаемый техническими условиями эксплуатации водопровода.

В соответствии с указаниями СНиП 2.04.02—84 свободный напор в сетях хозяйственно-питьевого водопровода не должен превосходить 60 м вод. ст. Эти требования устанавливают в зависимости от материала и типа труб и условий эксплуатации сети.

Необходимость зонирования водопроводной сети может быть определена из следующего выражения:

где z_k.t – z_h,_t =Δz — максимальная разность отметок точек критической, где должен быть обеспечен требуемый свободный напор H_св, и наиболее низко расположенной в начале сети, м; h_max — максимальная потеря напора от начала сети до критической точки, м.

Если полученная величина Н_тaх превышает допускаемую величину свободного напора в сети, то зонирование необходимо.

Часто зонные водопроводы устраивают в случаях, когда имеется большая разница в величине необходимых для отдельных потребителей свободных напоров.

В практике проектирования зонных водопроводов зонирование предусматривают по последовательной или параллельной схеме.

При последовательном зонировании (рис.11, а) насосная станция № 1 подает воду в количестве, равном сумме расходов первой и второй зон (т. е. Q _I+Q_II), но под напором, требуемым для обеспечения свободного напора в диктующей точке нижней зоны.

При этом расход верхней зоны Q_II проходит транзитом через сеть нижней зоны и поступает в резервуар Р. Насосная станция № 2 подает расход лишь для верхней зоны Q_II и обеспечивает требуемый напор в пределах второй зоны. Насосы станции № 2 могут брать воду или непосредственно из сети (рис. 11, а, 1), или из промежуточного резервуара (рис. 11, а, 2). Резервуар Р может служить одновременно запасной емкостью для верхней зоны и контррезервуаром для нижней. Обычно этот резервуар располагают выше границы зон на отметках, обеспечивающих Требуемые свободные напоры в диктующих точках нижней зоны. Таким образом, напоры в начальных точках зон значительно уменьшаются и не превышают нормативных 60 м.

При параллельной системе зонирования (рис. 11, б) вода подается в сеть каждой зоны отдельными группами насосов, установленными на общей насосной станции, по отдельным водоводам.

При этой системе зонирования напор выше допускаемого будет только в водоводах верхней зоны в пределах от насосной станции до точки присоединения водоводов к сети.

Кроме технических требований, обусловливающих зонирование водопроводных систем, могут быть и чисто экономические соображения необходимости зонирования.

Экономические расчеты показывают, что увеличение количества зон уменьшает затраты энергии на подачу воды.

В незонированной системе водоснабжения весь расход Q подается насосами под напором Н, требуемым для создания свободного напора в диктующей точке. Количество затрачиваемого на подачу воды энергии можно определить из выражения Э=ρ·g·Q·H

Разделив систему водоснабжения на две зоны с высотой H/2 и расходом Q/2 в каждой из них, определим затраты энергии.

При последовательной системе зонирования: для первой станции

При параллельном зонировании:

Таким образом, для обеих систем зонирования при разделении сети на две зоны получим уменьшение количества энергии, затрачиваемой на подъем воды на 25%.

Однако наряду с сокращением эксплуатационных расходов на подъем воды зонирование вызывает увеличение суммарной строительной стоимости насосных станций и стоимости содержания обслуживающего персонала при последовательном зонировании, а при параллельном зонировании увеличивается суммарная стоимость водоводов.

При любой системе зонирования увеличивается стоимость резервуаров.

Решение о зонировании системы водоснабжения принимается на основании технико-экономического сравнения вариантов.

Выбор системы зонирования зависит в основном от конфигурации населенного пункта и рельефа местности.

Параллельное зонирование обычно более рационально для городов с территорией, вытянутой вдоль горизонталей, так как в этом случае длина водоводов от насосной станции до каждой из зон будет сравнительно малой.

При застройке, вытянутой в направлении, перпендикулярном горизонталям, более экономичным является зонирование по пос­ледовательной системе.

Рис 11. Схемы зонирования

а– последовательного; б-паралельного

Источник: lucheeotoplenie.ru

Что рассчитывается

Гидравлический расчет внутреннего водопровода сводится к определению следующих параметров:

1. Расчетного расхода воды на отдельных участках водопровода.
2. Скорости потока воды в трубах.

Подсказка: для внутренних водопроводов нормой считаются скорости от 0,7 до 1,5 м/с. Для пожарного водопровода допустима скорость до 3 м/с.

3. Оптимального диаметра водопровода, обеспечивающего приемлемое падение напора. Как вариант — может определяться потеря напора при известном диаметре каждого участка. Если с учетом потерь напор на сантехнических приборах будет меньше нормированного, локальная сеть водоснабжения нуждается в установке подкачки.

Расход воды

Нормативы расхода воды отдельными сантехническими приборами можно обнаружить в одном из приложений к СНиП 2.04.01-85, регламентирующему сооружение внутренних водопроводов и канализационных сетей. Приведем часть соответствующей таблицы.

В случае предполагаемого одновременного использования нескольких сантехнических приборов расход суммируется. Так, если одновременно с использованием туалета на первом этаже предполагается работа душевой кабинки на втором — будет вполне логичным сложить расход воды через оба сантехнических прибора: 0,10+0,12=0,22 л/с.

Особый случай

Для пожарных водопроводов действует норма расхода в 2,5 л/сна одну струю. При этом расчетное количество струй на один пожарный гидрант при пожаротушении вполне предсказуемо определяется типом здания и его площадью.

Скорость потока

Предположим, что наша задача — гидравлический расчет тупиковой водопроводной сети с известным пиковым расходом через нее. Нам нужно определить диаметр, который обеспечит приемлемую скорость движения потока через трубопровод (напомним, 0,7-1,5 м/с).

Формулы

Расход воды, скорость ее потока и размер трубопровода увязываются друг с другом следующей последовательностью формул:

S = π r ^2, где:

• S — площадь сечения трубы в квадратных метрах;
• π — число «пи», принимаемой равным 3,1415;
• r — радиус внутреннего сечения в метрах.

Полезно: для стальных и чугунных труб радиус обычно принимается равным половине их ДУ (условного прохода).
У большинства пластиковых труб внутренний диаметр на шаг меньше номинального наружного: так, у полипропиленовой трубы наружным диаметром 40 мм внутренний приблизительно равен 32 мм.

Q = VS, где:

• Q — расход воды (м3);
• V — скорость водяного потока (м/с) ;
• S — площадь сечения в квадратных метрах.

Пример

Давайте выполним гидравлический расчет пожарного водопровода для одной струи с расходом 2,5 л/с.

Как мы уже выяснили, в этом случае скорость водяного потока ограничена м/с.

1. Пересчитываем расход в единицы СИ: 2,5 л/с = 0,0025 м3/с.
2. Вычисляем по второй формуле минимальную площадь сечения. При скорости в 3 м/с она равна 0,0025/3=0,00083 м3.
3. Рассчитываем радиус внутреннего сечения трубы: r^2 = 0,00083/3,1415 = 0,000264; r = 0,016 м.
4. Внутренний диаметр трубопровода, таким образом, должен быть равен как минимум 0,016 х 2 = 0,032 м, или 32 миллиметра. Это соответствует параметрам стальной трубы ДУ32.

Обратите внимание: при получении промежуточных значений между стандартными размерами труб округление выполняется в большую сторону.
Цена труб с диаметром, отличающимся на шаг, различается не слишком сильно; между тем уменьшение диаметра на 20% влечет за собой почти полуторакратное падение пропускной способности водопровода.

Простой расчет диаметра

Для быстрого расчета может использоваться следующая таблица, непосредственно увязывающая расход через трубопровод с его размером.

Потеря напора

Формулы

Инструкция по расчету потери напора на участке известной длины довольно проста, но подразумевает знание изрядного количества переменных. К счастью, при желании их можно найти в справочниках.

Формула имеет вид H = iL(1+K).

В ней:

• H — искомое значение потери напора в метрах.

Справка: избыточное давление в 1 атмосферу (1 кгс/см2) при атмосферном давлении соответствует водяному столбу в 10 метров.
Для компенсации падения напора в 10 метров, таким образом, давление на входе в водораспределительную сеть нужно поднять на 1 кгс/см2.

• i — гидравлический уклон трубопровода.
• L — его длина в метрах.
• K — коэффициент, зависящий от назначения сети.

Некоторые элементы формулы явно требуют комментариев.

Проще всего с коэффициентом К. Его значения заложены в уже упоминавшийся нами СНиП за номером 2.04.01-85:

А вот с понятием гидравлического уклона куда сложнее. Он отражает то сопротивление, которое труба оказывает движению воды.

Гидравлический уклон зависит от трех параметров:

1. Скорости потока. Чем она выше, тем больше гидравлическое сопротивление трубопровода.
2. Диаметра трубы. Здесь зависимость обратная: уменьшение сечения приводит к росту гидравлического сопротивления.
3. Шероховатости стенок. Она, в свою очередь, зависит от материала трубы (сталь обладает менее гладкой поверхностью по сравнению с полипропиленом или ПНД) и, в некоторых случаях, от возраста трубы (ржавчина и известковые отложения увеличивают шероховатость).

К счастью, проблему определения гидравлического уклона полностью решает таблица гидравлического расчета водопроводных труб (таблица Шевелева). В ней приводятся значения для разных материалов, диаметров и скоростей потока; кроме того, таблица содержит коэффициенты поправок для старых труб.

Уточним: поправки на возраст не требуются всем типам полимерных трубопроводов.
Металлопластик, полипропилен, обычный и сшитый полиэтилен не меняют структуру поверхности весь период эксплуатации.

Размер таблиц Шевелева делает невозможной их публикацию целиком; однако для ознакомления мы приведем небольшую выдержку из них.

Вот справочные данные для пластиковой трубы диаметром 16 мм.

При расчете падения напора нужно учитывать, что большая часть сантехнических приборов для нормальной работы требует определенного избыточного давления. В СНиП тридцатилетней давности приводятся данные для устаревшей сантехники; более современные образцы бытовой и санитарной техники требуют для нормальной работы избыточного давления, равного как минимум 0,3 кгс/см (3 метра напора).

Однако: на практике лучше закладывать в расчет несколько большее избыточное давление — 0,5 кгс/см2.
Запас нужен для компенсации неучтенных потерь на подводках к приборам и их собственного гидравлического сопротивления.

Примеры

Давайте приведем пример гидравлического расчета водопровода, выполненного своими руками.

Предположим, что нам нужно вычислить потерю напора в домашнем пластиковом водопроводе диаметром 15 мм при его длине в 28 метров и максимально допустимой скорости потока воды, равной 1,5 м/с.

1. Гидравлический уклон для длины в 1000 метров будет равным 319,8. Поскольку в формуле расчета падения напора используется i, а не 1000i, это значение следует разделить на 1000: 319,8 / 1000 = 0,3198.
2. Коэффициент К для хозяйственно-питьевого водопровода будет равным 0,3.
3. Формула в целом приобретет вид H = 0,3198 х 28 х (1 + 0,3) = 11,64 метра.

Таким образом, избыточное давление в 0,5 атмосферы на концевом сантехническом приборе мы будем иметь при давлении в магистральном водопроводе в 0,5+1,164=1,6 кгс/см2. Условие вполне выполнимо: давление в магистрали обычно не ниже 2,5 — 3 атмосфер.

К слову: испытания водопровода при сдаче в эксплуатацию проводятся давлением, как минимум равным рабочему с коэффициентом 1,3.
Акт гидравлических испытаний водопровода должен включать отметки как об их продолжительности, так и об испытательном давлении.

А теперь давайте выполним обратный расчет: определим минимальный диаметр пластикового трубопровода, обеспечивающего приемлемое давление на концевом смесителе для следующих условий:

• Давление в трассе составляет 2,5 атмосферы.
• Протяженность водопровода до концевого смесителя равна 144 метрам.
• Переходы диаметра отсутствуют: весь внутренний водопровод будет монтироваться одним размером.
• Пиковый расход воды составляет 0,2 литра в секунду.

Итак, приступим.

1. Допустимая потеря давления составляет 2,5-0,5=2 атмосферы, что соответствует напору в 20 метров.
2. Коэффициент К и в этом случае равен 0,3.
3. Формула, таким образом, будет иметь вид 20=iх144х(1+0,3). Несложный расчет даст значение i в 0,106. 1000i, соответственно, будет равным 106.
   
4. Следующий этап — поиск в таблице Шевелева диаметра, соответствующего 1000i = 106 при искомом расходе. Ближайшее значение — 108,1 — соответствует диаметру полимерной трубы в 20 мм.

Заключение

Надеемся, что не переутомили уважаемого читателя избытком цифр и формул. Как уже упоминалось, нами приведены предельно простые схемы расчетов; профессионалы вынуждены использовать куда более сложные решения. Как обычно, дополнительная тематическая информация найдется в видео в этой статье. Успехов!

Источник: gidroguru.com

Другие статьи по теме:

Виды арматуры на трубопроводах Водопровод из скважины на даче Запорная арматура для трубопроводов это Типы запорной арматуры Резьба американка Уголки для пластиковых труб