Гидравлический расчет водопроводной сети

Определениедиаметров труб. Гидравлический расчет водопроводной сети заключается в определении диаметров труб и потерь напора на преодоление сопротивления в трубах при пропуске по ним расчетного количества воды. Знание потерь напора необходимо также для расчета высоты водонапорных башен, а также для выбора насоса с требуемой напорной характеристикой.

Расход воды определяется количеством и составом водопотребителей, а также принятыми строительными нормами и правилами водопотребления (СНиП).

Расчет водопотребления производится с целью определения численных значений среднесуточного расхода Q_ср.сут, максимального суточного расхода Q_maxсут и максимального часового расхода Q_maxчас с учетом затрат воды на поение животных и на производственно-технические нужды. В расчетах также необходимо учесть расход воды на тушение возможного пожара и создание в системе минимально необходимого запаса (на случай отключения электроэнергии, наложения карантина при эпизоотии и т. п.). Для расчета необходимо знать среднесуточные нормы водопотребления, состав и количество водопотребителей каждого вида.

Нормой водопотребления называется количество воды в литрах, расходуемоеодним потребителем в сутки. Применительно к животным она включает расходы на поение, мойку помещений, молочной посуды, приготовление кормов, охлаждение молока и др. Расход воды на фермах очень неравномерен как в течение года (по сезонам), так и в течение суток (по часам). Его колебания оцениваются соответствующими коэффициентами неравномерности: для животноводческого сектора k_сут = 1,3 и k_ч = 2,5; для жилищно-коммунального сектора в сельской местности k_сут = 1,2…1,4 и k_ч = 1,5…2,0.

Среднесуточный расход воды на ферме Q_ср.сут, м 3 /сут, определяется по формуле

, (1.1)

где n_i – число потребителей i-гo вида; q_i – среднесуточная норма потребления воды i-м потребителем, л/сут; N – общее число потребителей.

Максимальный суточный расход воды Q_maxсут определяется из равенства

, (1.2)

где k_сут – коэффициент суточной неравномерности.

В сутки максимального водопотребления среднечасовой расход Q_ср.ч, м 3 /ч, составит

, (1.3)

а максимальный часовой расход Q_maxчас, м 3 /ч, будет

, (1.4)

где k_ч – коэффициент часовой неравномерности.

Для обоснования выбора насосов и расчета поточных линий требуется знать секундный расход Q_maxс, м 3 /с, который рассчитывается по формуле

. (1.5)

Запас воды на противопожарные нужды предусматривает быструю и бесперебойную подачу ее к месту возникновения пожара в достаточном количестве и с необходимым напором в течение 3 ч.

Если дебит источника водоснабжения недостаточен для тушения пожара, то на ферме предусматривается устройство специальных резервуаров для хранения неприкосновенного трехчасового запаса воды. Расход воды на наружное тушение одного пожара через гидранты для зданий объемом от 3 до 5 тыс. м 3 принимают равным 10…20 л/с. В фермских водопроводах низкого давления необходимый напор для тушения пожара создается с помощью передвижных пожарных насосов, которые присоединяются к пожарным гидрантам наружной водопроводной сети.

Для объектов с пожарным расходом более 20 л/с потраченный на тушение пожара неприкосновенный запас воды в резервуарах должен быть восстановлен в течение 24 ч, а для объектов с пожарным расходом менее 20 л/с – в течение 36 ч.

В качестве примера рассмотрим схему внутреннего водопровода в животноводческом помещении, а именно в свинарнике-откормочнике комплекса по выращиванию и откорму 54 тыс. свиней в год (т. п. 802–142), показанную на рис. 1.6. На комплексе сектор откорма состоит из пяти свинарников, в которых размещены 18 000 голов секциями в групповых станках по 25 голов. В свинарнике установлены 146 автопоилок. Внутренняя кольцевая сеть собрана из труб диаметром 50 мм и размещена на высоте 3,02 м от пола свинарника. Автопоилки и поливочные вентильные краны присоединены к кольцевой сети отводами (спусками) из труб диаметром 25 и 15 мм. Кроме того, в свинарнике установлено 12 смывных баков вместимостью по 1000 л для удаления жидкого навоза из каналов самотечной системы, в которые вода из баков подается по трубам диаметром 80 мм.

Главный магистральный трубопровод, питающий водой все внутренние водопроводы комплекса, выполнен из стальных труб диаметром 200 мм и проложен в поперечной галерее, устроенной в коридоре, который проходит через все его свинарники. Вода в магистральный трубопровод поступает из наружной сети с двух сторон: со стороны входа в коридор и со стороны выхода из него. К числу водопотребителей в каждом свинарнике относятся также душевые помещения и санузлы.

1 – баки для смыва навоза; 2 – поливочные краны; 3 – автопоилки; 4 – задорный кран (вентиль); 5 – кольцевая сеть внутреннего водопровода

Рисунок 1.6 – Схема внутреннего водопровода в свинарнике-откормочнике комплекса по выращиванию 54 тыс. голов

Для гидравлического расчета на основании генерального плана хозяйства составляют расчетную схему водопроводной сети, на которую по участкам наносятся исходные данные: секундные расходы воды каждым участком q_yчi, л/с; длина каждого участка , м; геодезические отметки потребителей (высоты) z_i, м, и все устанавливаемые, приборы и сооружения. Расход воды определяется суммированием секундных расходов всех потребителей q_ni, л/с, расположенных на каждом i-м участке.

Расчетная схема тупиковой сети показана на рисунке 1.7. На ней начальные и конечные точки участков обозначены номерами по ходу движения воды.

Для расчета водопроводных сетей важно уяснить, что по всем участкам, кроме конечных (тупиков), идут два потока с путевым расходом q_n, достаточным для удовлетворения потребителей, расположенных на рассматриваемом участке, и с транзитным расходом q_T, предназначенным для потребителей, расположенных по ходу потока за рассматриваемым участком. Поэтому расход воды в начале любого участка сети равен сумме путевого и транзитного расходов. Через конечную точку каждого расчетного участка проходит только транзитный расход, так как весь его путевой расход уже израсходован. На следующем участке, расположенном вслед за рассматриваемым, снова будут два расхода: путевой – для потребителей нового участка; транзитный, уменьшенный на величину путевого расхода этого участка.

l – длина участка; q – расчетный расход участка

Рисунок 1.7 – Расчетная схема тупиковой водопроводной сети

Таким образом, в любом сечении расчетного участка расход, проходящий по участку, будет изменяться от до . Расчетный расход линии находится из равенства

, (1.6)

где а – коэффициент, учитывающий соотношение значений транзитного и путевого расходов, зависящий от равномерности (по длине) забора воды из линии потребителями; значение а принимают равным 0,5, тогда

, (1.7)

Суммируя среднесуточные расходы с учетом норм водопот-ребления по всем потребителям, можно рассчитать, пользуясь формулой (1.7), суточный расход воды по всему объекту (ферме, комплексу).

Диаметр трубы каждого из участков водопроводной сети определяют по расчетному расходу на i-м участке.

При этом используют уравнение

, (1.8)

где F_i – площадь i-го живого сечения напорной трубы, м 2 ; v – скорость движения воды, м/с.

Из зависимости (1.8) получают формулу для определения диаметра трубы D, на i-м участке:

. (1.9)

Скорость движения воды в трубах диаметром 50…300 мм принимают равной 0,7…1,0 м/с; для труб диаметром 300…1000 мм – от 1,0 до 1,5 м/с. Диаметры труб наружных сетей можно выбирать, пользуясь данными, приведенными в табл. 1.5.

Потери напора в трубах.Напор – это гидравлическое давление в водопроводной сети, выраженное через высоту водяного столба в метрах. При анализе работы трубопровода различают потери на трение по длине и местные потери (в задвижках, кранах, отводах и т. п.), вызываемые изменением скорости или направления потока воды.

Применительно к водопроводным трубам круглого сечения потери напора на трение h_T по длине выражают через скорость v или расход Q и их значения определяют соответственно по формулам

, (1.10)

, (1.11)

где h_Т – потери напора на трение по длине трубопровода, м; λ – коэффициент гидравлического сопротивления, зависящий от материала труб, степени шероховатости их стенок и диаметра (для приближенных расчетов можно принимать λ = 0,03); v – скорость движения воды в трубах, м/с; l – длина трубопровода, м; D – диаметр трубопровода, м; Q – секундный расход воды, м 3 /с; g = 9,81 м/с 2 – ускорение свободного падения.

Для расчетов определяют потери напора на единицу длины трубопровода (на 1, 100, 1000 м), называемые гидравлическим уклоном, который находят из формулы

, (1.12)

Потери напора в местных сопротивлениях h_М определяют, пользуясь выражением

, (1.13)

где ξ – безразмерный коэффициент местного сопротивления; v – скорость движения воды за местным сопротивлением, м/с.

В протяженных водопроводных сетях потери в местных сопротивлениях оценивают как 3…5 (в наружных) и 5…10% (во внутренних) от всех линейных потерь на трение.

Полные потери напора в трубопроводе определяются как сумма потерь на трение по длине и потерь в местных сопротивлениях, т. е.

. (1.14)

Для нормальной работы водоразборных приборов в каждом пункте сети должен оставаться еще некоторый запас напора, называемый свободным напором. В наружной водопроводной сети на фермах свободный напор соглсно СНиП быть не менее 10м. Для водопроводной сети соответствующие значения должны быть не менее 4 м для автопоилок и 2 м для водоразборных кранов. Свободные напоры на вводах в производственные помещения устанавливают в соответствии с расходами воды, которые они обеспечивают.

Гидравлический расчет водопровода: простые методы

Для чего выполняется гидравлический расчет водопроводной сети? Какие именно параметры нуждаются в расчете? Существуют ли какие-то простые схемы расчетов, доступные для новичка? Сразу оговорим: этот материал ориентирован прежде всего на владельцев небольших частных домов; соответственно, такие параметры, как вероятность одновременного использования всех сантехнических приборов в здании, нам определять не нужно.

Как и любая инженерная система, водопровод нуждается в расчете.

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.

1. 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.

Несложный опыт наглядно демонстрирует падение напора в водопроводе.

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.

Прибор	Расход ХВС, л/с	Общий расход (ХВС и ГВС), л/с
Умывальник (водоразборный кран)	0,10	0,10
Умывальник (смеситель)	0,08	0,12
Мойка (смеситель)	0,08	0,12
Ванна (смеситель)	0,17	0,25
Душевая кабинка (смеситель)	0,08	0,12
Унитаз со сливным бачком	0,10	0,10
Унитаз с краном прямой подачи воды	1,4	1,4
Кран для полива	0,3	0,3

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.

При последовательном подключении приборов расход воды суммируется.

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.

На фото – пожарный гидрант.

Параметры здания	Количество струй при тушении пожара
Жилое здание в 12 – 16 этажей	1
То же, при длине коридора более 10 метров	2
Жилое здание в 16 – 25 этажей	2
То же, при длине коридора более 10 метров	3
Здания управления (6 – 10 этажей)	1
То же, при объеме более 25 тыс. м3	2
Здания управления (10 и более этажей, объем до 25000 м3)	2
То же, объем больше 25 тыс. м3	3
Общественные здания (до 10 этажей, объем 5 – 25 тыс. м3)	1
То же, объем больше 25 тыс. м3	2
Общественные здания (более 10 этажей, объем до 25 тыс. м3)	2
То же, объем больше 25 тыс. м3	3
Администрации предприятий (объем 5 – 25 тыс. м3)	1
То же, объем более 25000 м3	2

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).

Большая скорость потока вызывает появление гидравлических шумов.

Формулы

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

• 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.

Условный проход примерно соответствует внутреннему диаметру стальной трубы.

• 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.

Пропускная способность первой и третьей труб различается вчетверо.

Простой расчет диаметра

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

Расход, л/с	Минимальный ДУ трубопровода, мм
0,2	10
0,6	15
1,2	20
2,4	25
4	32
6	40
10	50

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).

• 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.

Формула сильно упрощена. На практике изгибы трубопровода и запорная арматура тоже вызывают падение напора.

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:

Назначение водопровода	Значение коэффициента
Хозяйственно-питьевой	0,3
Производственный, хозяйственно-противопожарный	0,2
Производственно-противопожарный	0,15
Противопожарный	0,1

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.

Расход в литрах в секунду	Скорость в метрах в секунду	1000i (гидравлический уклон для протяженности в 1000 метров)
0,08	0,71	84
0,09	0,8	103,5
0,1	0,88	124,7
0,13	1,15	198,7
0,14	1,24	226,6
0,15	1,33	256,1
0,16	1,41	287,2
0,17	1,50	319,8

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).

Датчик не даст проточному нагревателю включиться при давлении воды ниже 0,3 кгс/см2.

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.

Трубы этого размера чаще всего используются для разводки воды в пределах квартиры или небольшого коттеджа.

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.

Образец акта гидравлических испытаний.

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.

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.

Зависимость между внутренним и наружным диаметром полипропиленового трубопровода.

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!