Расчёт теплового потока.
Введение.
Для проектирования систем водоснабжения необходимо знать количество потребляемой воды режимы ее потребления. Суммарное водопотребление устанавливают по составу и числу потребителей. Основными потребителями воды в сельском хозяйстве являются: население, животные, находящиеся в личной собственности, животноводческие фермы, предприятия по переработки молока, коммунальные предприятия и т.п.
Проектирование систем водоснабжения основано на ряде общих требований, а именно:
- вода должна поставляться всем потребителям без исключения;
- вода должна подаваться в нужном количестве;
- вода должна подаваться определенного качества;
- вода должна подаваться в определенные сроки;
- подача воды должна быть максимально механизирована и автоматизирована наиболее доступными и дешевыми средствами.
Водопотребление
может быть неравномерным в течении
суток и времени года. Это накладывает
определенные условия на проектируемые
сооружения водоснабжения, позволяющие
удовлетворить вышеуказанные
Водозаборные и очистительные сооружения должны обеспечивать подачу максимального суточного расхода, а разводящие водопроводные сети пропускать максимальный часовой расход.
Система водоснабжения должна проектироваться с учётом генерального плана развития населенного пункта на ближайшие 15-20 лет.
Содержание.
- Расчет среднесуточного расхода населенного пункта Q сут.ср. и годовая потребность в воде Q год.
- Определение максимального суточного расхода населенного пункта Q сут.макс.
- Построение графика неравномерности водопотребления населенного пункта и определение максимального часового расхода Q сек.макс.
- Построение интегральной кривой водопотребления населенного пункта и выбор режима работы насосной станции второго подъема, обеспечивающий минимальную емкость бака водонапорной башни.
- Определение емкости бака водонапорной башни, включив в нее регулирующий объем W рег. и десятиминутный пожарный запас воды . Выбор типового бака водонапорной башни и определение отметки пожарного и регулирующего объёмов относительно дна бака.
- Проектирование и выполнение гидравлического расчёта тупиковой водонапорной сети населенного пункта, если известны расходы крупных сосредоточенных потребителей (бани, больницы, молокозаводы и фермы) и число жителей в населенном пункте.
Принять к концу расчетного срока службы водопровода (15-20 лет) в населенном пункте число водопотребителей, расположенных на водоснабжаемой территории, согласно прил.2.
Исходные данные.
№ п/п |
Наименование потребителей. |
Количество. |
1. |
Население пользующееся водой из уличных водоразборных колонок, чел. |
3950 |
2. |
Население, имеющее внутренний водопровод и канализацию с ванными и местными водонагревателями, чел. |
6250 |
3. |
Баня, чел. |
да |
4. |
Больница, коек. |
-//- |
5. |
Прачечная, чел. |
-//- |
6. |
Рабочий скот, голов. |
160 |
7. |
Полив газонов, цветников и зелёных насаждений, га. |
6,5 |
Скот в личном пользовании, голов. | ||
8. |
Коровы молочные |
1200 |
9. |
Свиньи |
1075 |
10. |
Овцы, козы |
2285 |
11. |
Куры, утки |
4820 |
Промышленные предприятия | ||
12. |
Завод по переработке |
36,0 |
Животноводческий комплекс | ||
13. |
Молочные коровы, голов. |
1940 |
14. |
Молодняк крупного рогатого скота, голов. |
11300 |
Методика расчета.
- Определение среднесуточного расхода населе
нного пункта.
Среднесуточный расход каждой группы потребителей определяем по формуле;
, где - среднесуточная норма водопотребления на одного водопотребителя, л/сут; принимают по СниП 2.04.02-84 (прил. 4,5,6) – методическое пособие. N-количество потребителей.
Результаты расчётов сводят в таблицу 1.
Население пользующееся водой из колонок;
Население имеющее внутренний водопровод;
Рабочий скот;
Полив газонов;
Скот в личном пользовании.
Коровы молочные;
Свиньи;
Овцы, козы;
Куры, утки;
Промышленное
предприятие по переработке
Завод по переработке;
Животноводческий комплекс.
Молочные коровы;
Молодняк крупного рогатого скота;
Суточные расходы воды
коммунальными предприятиями
Тогда;
- Определение максимального суточного расход
а населенного пункта.
Среднесуточные расходы определяют для каждого вида потребителей. Однако они дают лишь общую характеристику водопотребления того или иного объекта. Проектируемый водопровод рассчитывают на пропуск максимального суточного расхода. Отклонение его от среднесуточного у каждой группы потребителей учитывают коэффициент максимальной суточной неравномерности Кmax.сут, , который показывает во сколько раз расчётный максимальный суточный расход превышает среднесуточный. Для коммунального сектора Кmax.сут, , можно принять 1,3, а для промышленного 1,1.
Максимальный суточный расход воды Qсут.мак вычисляют по формуле;
Данные расчета сводят в таблицу 1.
Население пользующееся водой из колонок;
Население имеющее внутренний водопровод;
Рабочий скот;
Полив газонов;
Скот в личном пользовании.
Коровы молочные;
Свиньи;
Овцы, козы;
Куры, утки;
Промышленное
предприятие по переработке
Завод по переработке;
Животноводческий комплекс.
Молочные коровы;
Молодняк крупного рогатого скота;
Максимальный суточный расход воды для бани составит;
Таблица №1. Определение расчётных суточных расходов воды.
Наименование водопотребителей. |
Количество водопотребителей. |
Норма на одного водопотребителя л/сут. |
Средняя суточная водопотребность м3/сут. |
Коэффицент суточной неравномерности водопотребления |
Расчётный расход воды в
сутки наибольшего м3/сут. |
Население пользующееся водой из уличных водоразборных колонок, чел. |
3950 |
40 |
158 |
1,3 |
205,4 |
Население, имеющее внутренний водопровод и канализацию с ванными и местными водонагревателями, чел. |
6250 |
195 |
1218,75 |
1,3 |
1584,37 |
Баня, чел. |
да |
42,66 |
1,3 |
55,458 | |
Больница, коек. |
-//- |
||||
Прачечная, чел. |
-//- |
||||
Рабочий скот, голов. |
160 |
60 |
9,6 |
1,3 |
12,48 |
Полив газонов, цветников и зелёных насаждений, га. |
6,5 |
50000 |
325 |
1,3 |
422,5 |
Скот в личном пользовании. | |||||
Коровы молочные |
1200 |
100 |
120 |
1,3 |
156 |
Свиньи |
1075 |
15 |
16,125 |
1,3 |
20,96 |
Овцы, козы |
2285 |
10 |
22,85 |
1,3 |
29,70 |
Куры, утки |
4820 |
2 |
9,64 |
1,3 |
12,53 |
Промышленные предприятия. | |||||
Завод по переработке |
36,0 |
12000 |
43,2 |
1,1 |
47,52 |
Животноводческий комплекс. | |||||
Молочные коровы, голов. |
1940 |
100 |
194 |
1,3 |
252,2 |
Молодняк крупного рогатого скота, голов. |
11300 |
30 |
339 |
1,3 |
440,7 |
Годовой расход воды потребителями населенного пункта рассчитывается по формуле;
где; - среднесуточное водопотребление населением и скотом в личном пользовании, м3/сут.; - среднесуточное водопотребление коммунальным сектором , м3/сут.; - среднесуточное водопотребление животноводческим сектором, м3/сут.; – число дней в году (принять =365), ; - среднесуточное водопотребление промышленным сектором, м3/сут.; - число рабочих дней промышленного сектора в году (принять - 261),; - среднесуточное водопотребление на полив зелёных насаждений, м3/сут.; - количество поливных дней в году (принять =150).
Среднесуточный расход воды промышленным предприятием (молочным комбинатом) определяется объемом производства молока и нормой 12 м3 воды на 1 тонну продукции.
м3/сут.
Используя таблицу 1, объединяют
потребителей по группам , имевшими одинаковую
неравномерность
- Определение максимального часового Qчас.max.и максимального секундного Qсек.max. расходов.
Используя кривые суточной
неравномерности
Распределения суточных расходов по часам суток для отдельных категорий водопотребителей принимается по приложению .6. Промышленные предприятия работают в две смены. Воду на технологические нужды расходуют равномерно от расчётного суточного расхода воды предприятия. Баня работает с 8 до 24. Полив организуется 2 раза в сутки.
Так как распределение расходов по часам суток задаётся в процентах, то у каждой группы потребителей необходимо проценты перевести в физические величины и определить распределение физических расходов всех потребителей населенного пункта по часам суток (таб.3). Далее физические расходы переводят в проценты от суточного потребления всего населенного пункта.
На основании таблицы.3
по данным графы 12 строят сводный суточный
график неравномерности водопотребления
всего населённого пункта (рис.1.).
Таблица №2. Сводная таблица расчётов.
Среднесуточный расход, м3/сут |
Максимальные суточные расходы, м3/сут. |
|||||||||||
Население и скот в личном пользовании. |
Животноводческий комплекс (ферма) |
Коммунальные предприятия (баня) |
Промышленное предприятие (молокозавод) |
Полив насаждений |
Общий расход м3/сут |
Население и скот в личном пользовании. |
Животноводческий комплекс (ферма) |
Коммунальные предприятия (баня) |
Промышленное предприятие (молокозавод) |
Полив насаждений |
Общий расход м3/сут |
Годовой расход м3/сут |
2021,44 |
692,9 |
55,458 |
47,57 |
422,5 |
| |||||||
Количество рабочих дней. |
| |||||||||||
365 |
365 |
365 |
261 |
150 |
| |||||||
Годовой расход м3. |
||||||||||||
567560,4 |
194545 |
15570,9 |
11275,2 |
48750 |
||||||||
Рисунок 1. Сводный суточный график неравномерности водопотребления для населённого пункта.
- Построение интегральной кривой водопотребления населенного пункта и выбор режима работы насосной станции второго подъёма, обеспечивающего минимальную емкость бака водонапорной башни.
Для выбора режима работы насосной станции второго подъема стоят интегральную кривую водопотребления (рисунок 2.)
Ордината каждой точки
интегральной кривой показывают, какое
количество воды, выраженное в процентах
от максимального суточного
- равномерный круглосуточный одним насосом (рис.2а)
- двухсменный одним насосом (16ч) (рис.2б)
- неравномерный круглосуточный несколькими одинаковыми насосами (рис.2в)
- одним насосом с остановками (рис.2г)
Изменяя режим работы насосов станции необходимо сохранять подачу каждого насоса постоянной для сохранения высокого КПД его работы. Это достигается предварительной подачей воды в водонапорную башню, откуда она затем поступает к потребителю. При наличии водонапорной башни подача насосов не зависит от потребления воды населенным пунктом.
График работы хозяйственных насосов устанавливается окончательно по минимальной регулирующей емкости бака водонапорной башни.
Необходимый объем бака водонапорной башни определяется по формуле:
М3
где; Wрег – регулирующей объем, Wпож – неприкосновенный пожарный запас воды на 10мин. тушения пожара.
Регулирующей объем определяют по максимальному отклонению кривой водопотребления (а) в положительную сторону (∆+) и отрицательную (∆-) сторону от кривой подачи (б) (рис.2)
где; - расчётный суточный расход населенного пункта в сутки наибольшего водопотребления; = 3662,368 м3.
(∆+ ;∆-) – максимальные разности ординат интегральных графиков подачи и потребления соответственно по избытку и недостатку.
График работы насосной станции второго подъема выбирают таким, образом чтобы сумма максимальных разностей по избытку и недостатку была бы наименьшей, то есть регулирующий объем был бы минимальным. Подача насоса определяется тангенсом угла наклона кривой (б) к горизонту.
Определяем объем бака
для равномерной работы насосной
станции одним насосом
Определяем объем бака для двухсменной работы насосной станции одним насосом (16ч) (рис.2б), где ∆+ - 11%, а ∆- - 8%.
Определяем объем бака
для неравномерной
Определяем объем бака для работы одним насосом с остановками (рис.2г),
где ∆+ - 8%, а ∆- - 0%.
Наименьший регулирующий объем бака водонапорной башни обеспечивает неравномерный круглосуточный режим работы тремя насосами. Его принимаем за рабочий режим. Опишем его: В 0 часов включаем один насос с подачей 2% и работаем до 5 часов. В 5 часов переходим на работу тремя насосами с общей подачей 6% и работаем до 8 часов. В 8 часов переходим на работу двумя насосами с общей подачей 4% и работаем до 16 часов. В 16 часов вновь переходим на работу тремя насосами с общей подачей 6% и работаем до 22 30 часов.
После выбора режима работы
станции второго подъёма
В баке водонапорной башни
должен хранится неприкосновенный пожарный
запас воды, рассчитанный на десятиминутную
продолжительность тушения
Неприкосновенный пожарный
запас воды в водонапорной башни
предназначенный как
где; t- продолжительность тушения пожара из башни (t-10мин);
;
где; - принятые при расчёте сети расходы воды на тушение соответственно одного наружного и одного внутреннего пожара, л/с принимаем
: и ; n – число одновременных пожаров, n-1.
максимальный секундный расход воды в сети на хозяйственные нужды, л/с, (таб.3 время 1900 до 2000)
Расчетный расход воды на наружное
пожаротушение и расчетное
Уточнение регулирующего объема водонапорной башни. Таблица 4.
Часы суток |
Потребление, % |
Подача, % |
Приток воды в баке, % |
Отток воды из бака, % |
Наличие воды в баке, % |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
0-1 |
1,06050785 |
2 |
0,9394922 |
0 |
0,9394922 |
1-2 |
1,09991022 |
2 |
0,9000898 |
0 |
1,8395819 |
2-3 |
0,86732573 |
2 |
1,1326743 |
0 |
2,9722562 |
3-4 |
1,13778069 |
2 |
0,8622193 |
0 |
3,8344755 |
4-5 |
1,75194432 |
2 |
0,2480557 |
0 |
4,0825312 |
5-6 |
6,02634361 |
6 |
0 |
0,0263436 |
4,0561876 |
6-7 |
7,16397588 |
6 |
0 |
1,1639759 |
2,8922117 |
7-8 |
7,64807898 |
6 |
0 |
1,648079 |
1,2441327 |
8-9 |
4,61697377 |
4 |
0 |
0,6169738 |
0,6271589 |
9-10 |
3,46046301 |
4 |
0,539537 |
0 |
1,1666959 |
10-11 |
3,84516908 |
4 |
0,1548309 |
0 |
1,3215268 |
11-12 |
4,39322509 |
4 |
0 |
0,3932251 |
0,9283017 |
12-13 |
3,48180658 |
4 |
0,5181934 |
0 |
1,4464951 |
13-14 |
4,94976971 |
4 |
0 |
0,9497697 |
0,4967254 |
14-15 |
4,496725 |
4 |
0 |
0,4967254 |
0 |
15-16 |
3,60096905 |
4 |
0,399031 |
0 |
0,399031 |
16-17 |
3,91784621 |
6 |
2,0821538 |
0 |
2,4811847 |
17-18 |
3,17510774 |
6 |
2,8248923 |
0 |
5,306077 |
18-19 |
4,81813106 |
6 |
1,1818689 |
0 |
6,4879459 |
19-20 |
8,35138692 |
6 |
0 |
2,3513869 |
4,136559 |
20-21 |
7,76406418 |
6 |
0 |
1,7640642 |
2,3724948 |
21-22 |
7,43126824 |
6 |
0 |
1,4312682 |
0,9412266 |
22-23 |
2,94341546 |
6 |
3,0565845 |
0 |
3,9978112 |
23-24 |
1,90184397 |
0 |
0 |
1,901844 |
2,0959672 |
м3
Полученный объем водонапорной башни округляют до типовых размеров (Wб=300 м3). Из приложения 8; выбираем геометрические размеры бака и строим типовую схему, рис.2.
Принимаем: бак стальной, ствол кирпичный,
Рисунок.2. Схема бака водонапорной башни.
Объем бака |
Высота ствола башни Нб,м |
Типовой проект |
Размеры, м |
Объем конической части бака,м3 | |||
|
Внутренний диаметр бака, Dвн |
Строительная высота бака, Н |
Высота конуса бака, h |
Диаметр днища бака, d | ||||
300 |
15,18,21,24,30,36 |
901-5-24/70 |
8,00 |
8,51 |
3,51 |
1,00 |
66,98 |
- Гидравлический расчёт тупиковой водопроводной сети.
Рисунок. 3. Генплан населенного пункта. Село №1. Масштаб 1:30000.
- Баня; 2.Больница; 3.Молокозавод; 4.Ферма; 5. Водонапорная башня; 6. Очистные сооружения.
Нанесём на план населенного пункта схему тупиковой водопроводной сети, стремясь к минимальной длине труб. После нанесения тупиковой водопроводной сети на генплан населенного пункта, разделяем его на участки, в пределах которых расход не имеет резких изменений. Участки нумеруем. Используя масштаб генплана и горизонтали определяем длины участков Lу и отметок узловых и тупиковых точек ∆у. Водонапорную башню устанавливают на наивысшей отметки населенного пункта. При этом она должна быть максимально приближена к водозабору и населенному пункту, что обеспечивает минимальную длину труб.
Водонапорная сеть проектируется
таким образом, чтобы обеспечить
более или менее равномерную
нагрузку на трубопроводы. Всех потребителей
воды делят на сосредоточенных, которые
локально требуют значительных расходов
воды и распределённых по сети, которые
более или менее равномерно потребляют
воду по длине трубопровода. К распределенным
потребителям обычно относят население
и скот в личном пользовании, а
также полив зелёных
Гидравлический расчет сети сводится к определению диаметра труб dу, на отдельных участках трассы и высоты водонапорной башни Н, при которых подача воды будет обеспечена в заданном количестве с минимальными экономическими затратами.
Заданные расходы воды можно подавать по трубам разного диаметра. При малых диаметрах труб уменьшаются строительные затраты, но возрастают эксплуатационные затраты, связанные с потерями напора в трубопроводе.
llp
где - потери напора по длине; l - коэффициент Дарси; - длина трубы; - диаметр трубы; V – скорость воды в трубе; - ускорение свободного падения; А – удельное сопротивление.
Так, например, уменьшение диаметра трубы в два раза вызывает увеличение потерь напора по длине трубопровода примерно в 36 раз при пропуске одинакового расхода. Потери напора должны быть скомпенсированы увеличением напора в начале сети, создаваемому водонапорной башней. При слишком малом диаметре трубы водонапорной сети высота водонапорной башни принимает большие значения, техническая реализация которых практически невозможна. Кроме того возрастут эксплуатационные затраты, связанные с подачей воды насосами на значительную высоту (растет геометрический напор насосов).
Анализ показывает, что для каждого расхода в трубе Q можно выбрать такой диаметр трубы d, при котором сумма строительных и эксплуатационных затрат будет минимальной. Такой результат получается, если принять скорость двожения воды в трубах равномерной экономически эффективной скорости, которую для средних условий строительства можно принять .
V=1 м/с.
Тогда используя уравнение расхода:
p
получим
p (Vу » 1м/с)
Окончательно принимаем ближайшее стандартное значение диаметра трубы. При этом следует иметь в виду, что для наружной водопроводной сети не допускается применение труб диаметром мене 100 мм при любых расчетных расходах.
Таким образом каждому расходу соответствует определенный диаметр трубопровода водопроводной сети, т.е диаметры труб принимаются по расходу.
Общие потери напора в трубопроводах:
где - потери напора по длине трубопровода; - сумма потерь на всех местных сопротивлениях.
При расчете водопроводных сетей учет местных потерь напора приводит к неоправданному усложнению гидравлического расчета. Поэтому местными потерями напора пренебрегают, пологая трубопроводы гидравлически длинными. При этом для определения потерь напора используют основную водопроводную формулу.
где - удельное сопротивление трубопровода, зависящее от диаметра трубы и ее материала и определяемое по водопроводным таблицам, - длина трубопровода, - расход воды в трубе.
Для подачи воды потребителям в различные тупиковые точки сети требуется различные напоры в начале сети при выбранных диаметрах труб. В общем случае для подачи заданного расхода в произвольную точку сети требуется напор в начале сети:
где - потери в трубах до i-й точки сети по кратчайшему расстоянию от водонапорной башни; -свободный напор в i-й точке сети, обеспечивающий нормальную работу водоразборной арматуры.
Свободный напор -это напор воды в i-й точке сети, отсчитываемый от поверхности земли; зависит от этажности здания, технологического процесса, вида водоразборной арматуры и ее значения. Так для жилых зданий в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения:
n -1),м,
где n- число этажей. Принимая двухэтажную застройку (n=2), получим 2 -1)=14м.
Для вычисления высоты водонапорной башни определяют необходимый напор в начале сети для всех ее точек.
за высоту водонапорной башни принимают максимальную величину этого напора (max. Точка сети, для которой высота водонапорной башни получается максимальной, называется диктующей. Обычно диктующая точка наиболее удалена от водонапорной башни или в ней необходимо создать значительный свободный напор . Высота водонапорной башни обычно определяется относительно дна бака, т.к. уровень воды в баке может изменяться.
Определение диаметров труб водопроводной сети и потерь напора в трубах требует знания расходов воды на отдельных участках. Наличие распределенных потребителей приводит к изменению расхода по длине отдельных участков. Естественно, что на таких участках не могут прокладываться трубы переменного по длине диаметра. Поэтому, на таких участках вводится понятие «расчетного» расхода, по которому определяется диаметр трубы и потери напора в ней:
Qрасч =Qтр+0,5Qпут
Расчетный расход Qрасч является как бы средним расходом на данном участке водопроводной сети.
Для расчета водопроводных
сетей предложен «метод узловых
отборов», который значительно упрощает
определение расчетных
Q Qцтр Qтр
В результате все путевые отборы исчезают, а остаются только узловые.
Перенесем сеть с генплана
на рисунок 4, где найдены длины
участков и основные узловые и
тупиковые точки. На рисунке 5, показаны
распределение узловых и
Для определения путевых и транзитных расходов на отдельных участках поступаем следующим образом:
Наносим на сеть сосредоточенные расходы (мол.завод, ферма и т.д). Путевые расходы на отдельных участках распределяем пропорционально соответствующим длинам труб, вдоль их определения находим погонный (удельный) расход, то есть расход с 1 метра трубопровода.
å
где; å=84,95-15,58=69,38 л/с
где; å
Далее находим отборы на каждом участке;
Используя метод узловых отборов , переводим путевые отборы в узловые и определяем расчетные расходы на каждом участке сети.
Далее определяем потери напора на каждом участке, предварительно найдя соответствующие диаметры труб. Затем определяем высоту водонапорной башни для каждой точки сети. Результаты сводим в таблицу.5.
Расчет тупиковой
водопроводной сети.
№ уч-ка |
l,м |
∆i,м |
Qрасч, л/с |
Qрасч, м3/с |
d,м |
d,мм |
A |
hпот, м |
∆H, м |
Примечание | |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
0-1 |
100 |
-1 |
84,96 |
0,08496 |
0,32 |
355 |
0,42 |
0,303 |
13,30 |
1,68 |
|
1-2 |
275 |
-9 |
9,51 |
0,00951 |
0,11 |
110 |
192,7 |
4,792 |
9,79 |
5,20 |
|
1-3 |
125 |
-1 |
75,24 |
0,07524 |
0,309 |
315 |
0,78 |
0,551 |
13,55 |
1,44 |
|
3-4 |
275 |
-9 |
8,56 |
0,00856 |
0,104 |
110 |
192,2 |
3,872 |
8,87 |
6,11 |
|
3-5 |
125 |
-1 |
62,81 |
0,06281 |
0,23 |
250 |
2,6 |
1,282 |
14,28 |
0,71 |
|
5-6 |
275 |
-9 |
6,856 |
0,00686 |
0,09 |
110 |
192,7 |
2,490 |
7,49 |
7,50 |
|
5-7 |
125 |
-2 |
50,37 |
0,05037 |
0,25 |
250 |
2,6 |
0,824 |
12,82 |
2,16 |
|
7-8 |
275 |
-9 |
6,856 |
0,00686 |
0,09 |
110 |
192,7 |
2,490 |
7,49 |
7,50 |
|
7-9 |
125 |
-1 |
37,93 |
0,03793 |
0,219 |
225 |
4,6 |
0,827 |
13,82 |
1,16 |
|
9-10 |
250 |
-5 |
32,12 |
0,03212 |
0,202 |
225 |
4,6 |
1,186 |
10,186 |
4,80 |
|
10-11 |
375 |
-2 |
23,38 |
0,02338 |
0,172 |
180 |
14,6 |
2,992 |
14,99 |
0 |
Диктующая точка |
11-12 |
200 |
-5 |
13,8 |
0,0138 |
0,13 |
140 |
54,5 |
2,075 |
11,07 |
3,91 |