Гидравлический расчет 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 — самый дорогой элемент 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 получается 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 (в л/с), называется удельным.

где qmax - максимальный расчетный секундный расход, л/с; qсоср — сосредоточенные расходы крупных потребителей, л/с; L — общая длина сети (в длину сети не включаются участки, проходящие по незастроенной территории), м.

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 q = qyдl л/с, где I — длина участка сети, м.

Тогда путевой расход для участка 1−2 (см. рис. 8.10, а) будет равен qпут = 0,05 • 100 = 5 л/с.

Каждый промежуточный участок сети, кроме путевого расхода, несет транзитный расход Qт, идущий на питание последующих участков, т. е. расход на участке равен Qр = = Qг + ?Qпут Для участка 1−2 получим Qр 1−2 = 23 +? • 5.

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:

Для определения диаметров труб участков сети применяют известную формулу гидравлики трубопроводов, связывающую площадь живого сечения трубы? (в м2), с расходом q (в м3/с), и со скоростью движения воды v (в м/с):

откуда.

Из этой формулы очевидно, что диаметр трубы зависит не только от расхода, но и от скорости движения воды. Если принять малую величину расчетной скорости, то трубопровод получится относительно большого диаметра, а следовательно, будет иметь более высокую стоимость. Наоборот, чем больше будет скорость движения воды, тем меньше будут диаметр трубопровода и его строительная стоимость. Однако увеличение скорости движения воды вызывает резкое увеличение потерь напора в трубах и, следовательно, увеличение затрат электроэнергии на подачу воды к потребителям, т. е. стоимости 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. Величина этой скорости зависит от целого ряда условий: стоимости энергии, стоимости труб и их укладки, расчетного срока службы и материала труб.

Потери напора на трение в трубах определяют по формуле.

где q — расход, м3/с; l — длина трубопровода, м; d — диаметр труб, м; k — коэффициент потери напора.

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

Гидравлический расчет разветвленной сети производят в следующей 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; 6−8 (см. рис. 8.10, а).

Расчет сети может быть произведен, когда заданы требуемые напоры во всех узлах и необходимо определить требуемый напор в начальной точке; заданы напоры в начальной и в узловых точках и требуется определить диаметры труб для пропуска воды 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 две 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 расходов, уходящих из этого узла, плюс узловой расход.

Если обозначить расходы, приходящие в узел, знаком «+», а уходящие (включая узловой расход) — знаком «-», то алгебраическая сумма расходов будет равна нулю:

?q=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: ?h = 0 или ?Sq2 = 0, где S — сопротивление участка S = Аl; А — удельное сопротивление трубы (принимается по таблице Ф. А. Шевелева).

Однако решение системы квадратных уравнений для сети с большим количеством колец весьма сложная задача, 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. Андриашева.

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

Возьмем одно кольцо I, состоящее из соединенных расчетных точек (колодцев) 3−4-5-в (см. рис. 8.10, а), с намеченным распределением расходов воды q, но которым определены диаметры труб d; длина участков известна.

Предположим, что при первом предварительном распределении расходов не удалось достигнуть условия ?h = 0 и мы получили ?h = ?h или.

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

Числитель есть , а знаменатель является удвоенной суммой произведений расходов каждого участка на его сопротивление, т. е. ?q = ?h2?q.

Если сеть состоит из нескольких колец, то задача сводится 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 вводится в каждое кольцо отдельно. ?. М. Андрияшев предлагает поправочный расход проводить, но замкнутому контуру, охватывающему несколько колец. Величина и направление поправочного расхода определяются на основании анализа невязок, полученных в отдельных кольцах. Путь поправочного расхода выбирают так, чтобы он был направлен против направления потока в перегруженных участках и совпал с потоком в недогруженных.