Особенности гидравлического расчета полимерных и металлических трубопроводов внутренних систем горячего водоснабжения
А. А. Отставнов, канд. техн. наук, почетный строитель Москвы, ведущий научный сотрудник ГУП «НИИ Мосстрой»,
В. С. Ионов, управляющий программы аккредитованного представительства Европейского института меди
Для устройства трубопроводов внутренних систем горячего водоснабжения зданий (рис. 1) используется широкая гамма труб из различных материалов. Доминируют по-прежнему стальные трубы, но их постепенно вытесняют трубы из термостойких пластмасс (из металлополимеров, сшитого полиэтилена, полипропилена, полибутена, дополнительно хлорированного поливинилхлорида и некоторых других как отечественного, так и зарубежного производства). Ожидается существенная экспансия медных труб российских производителей, а также поставляемых из-за рубежа (на выходе в свет Свод правил по проектированию и монтажу трубопроводов внутренних систем водоснабжения и отопления из медных труб).
Схема возможного устройства внутренней системы горячего водоснабжения 10-этажного здания.
Для оптимального выбора тех или иных труб необходимо своевременно учесть множество экономических и технических факторов. Среди последних особое место занимает гидравлический расчет разветвленных трубопроводных сетей, к которым в полной мере можно отнести внутренние системы горячего водоснабжения. Ведь именно в процессе проведения гидравлического расчета подбираются параметры трубопроводов, которые на долгое время будут определять устойчивое снабжение горячей водой все квартиры независимо от этажности здания.
При проведении гидравлических расчетов согласно СНиПу [1] вначале следует определять потери напора на участках трубопроводов по формуле
(1) |
где i – удельные потери напора; kl – коэффициент, учитывающий потери напора в местных сопротивлениях, значения которого следует принимать: 0,2 – для подающих и циркуляционных распределительных трубопроводов; 0,3 – в сетях хозяйственно-питьевых водопроводов жилых и общественных зданий; 0,5 – для трубопроводов в пределах тепловых пунктов, а также для трубопроводов водоразборных стояков с полотенцесушителями; 0,1 – для трубопроводов водоразборных стояков без полотенцесушителей и циркуляционных стояков.
В СНиПе для систем с учетом зарастания труб удельные потери напора i рекомендуется принимать по сетчатой номограмме (рис. 2).
Номограмма для гидравлического расчета стальных труб с учетом зарастания в процессе эксплуатации для систем горячего водоснабжения (СНиП 2.04.01.85)
Что касается номограммы, то в СНиПе, к сожалению, не указывается, о какой степени зарастания идет речь и по каким гидравлическим формулам номограмма разработана. Это ограничивает возможности ее использования. Для систем, где не требуется учитывать зараста-ние труб, рекомендаций по выбору гидравлических формул и номограмм не приводится.
В работе [2] для гидравлического расчета трубопроводов горячего водоснабжения рекомендуются номограммы на выровненных точках (рис. 3).
Номограммы для гидравлического расчета стальных труб горячего водоснабжения [2] при режиме гидравлического сопротивления: а) квадратичном и б) переходном
Эти номограммы дают потери напора для стальных трубопроводов того же диаметра, отличные от получаемых по номограмме СниПа.
Расчетный диаметр d для использования приведенных номограмм получается путем вычитания из значения внутреннего диаметра для соответствующего условного прохода выбранной стальной трубы значения зарастания указанного для закрытых систем теплоснабжения (табл. 1).
Таблица 1 Расчетные величины внутренних диаметров стальных труб (ГОСТ 3262) для гидравлического расчета систем горячего водоснабжения, мм | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Имеющиеся в настоящее время фактические данные о величинах зарастаний трубопроводов горячего водоснабжения при закрытых системах теплоснабжения весьма малочисленны и отрывочны, поэтому в данной работе [2] были использованы результаты исследований для условий Москвы [3]. В условиях эксплуатации, отличных от московских, величины, приведенные в табл. 1, могут оказаться иными, поэтому этими данными авторы рекомендуют пользоваться тогда, когда фактические показатели зарастания стальных труб отсутствуют.
Номограммы построены по гидравлическим формулам, которые учитывают различные пределы изменения средних скоростей движения по трубопроводам горячей воды (температура 55 °С, принимаемая при гидравлических расчетах [2] систем горячего водоснабжения):
(2)
Объясняется это тем, что при температуре воды 60 °С граница между квадратичной областью гидравлического сопротивления и переходной областью соответствует скорости движения воды, равной 0,44 м/с. При меньших скоростях применение квадратичных формул может вызвать существенное занижение фактических потерь напора. Это может ограничить снабжение горячей водой квартиры верхних этажей в некоторых жилых домах, что нежелательно. К сожалению, авторы не сообщают, какие значения коэффициентов эквивалентной шероховатости Кэ использованы при разработке этих формул.
Совершенно другой подход к гидравлическому расчету трубопроводов внутренних систем горячего водоснабжения используется для полимерных труб [4].
Предлагаемая в [4] методика – полуэмпирическая. Она получена А. Я. Добромысловым путем аппроксимации теоретически доказанной советским ученым В. Н. Евреиновым формулы * Прандтля – Кольбрука.
( * ) |
Эта формула с успехом используется за рубежом для гидравлического расчета трубопроводов различного назначения и из разных материалов. Недостатком ее является то, что коэффициент гидравлического сопротивления по длине трубопровода l находится в формуле в неявном виде.
Преимуществом же методики А. Я. Добромыслова является то, что в отличие от формулы Прандтля – Кольбрука коэффициент гидравлического сопротивления l выражен в ней в явном виде. Это значительно упрощает проведение гидравлических расчетов.
Согласно методике [4] величина напора Hтр, необходимая для подачи горячей воды потребителю, определяется по формуле
(4) |
где iт, – удельные потери напора при температуре воды t, °C (потери напора на единицу длины трубопровода), м/м;
l – длина участка трубопровода, м;
hмс – потери напора в стыковых соединениях и в местных сопротивлениях, м, (допускается S hмс принимать равной 20–30 % от S iтl);
hгеом – геометрическая высота (отметка самой высокой точки расчетного участка трубопровода), м;
hсв – свободный напор на изливе из трубопровода, м (для санитарнотехнических приборов принимается по приложению 2 СНиП 2.04.01 ).
Потери напора на единицу длины трубопровода iт без учета гидравлического сопротивления стыковых соединений следует определять по формуле
(5) |
где V – средняя скорость движения воды, м/с;
g – ускорение свободного падения, м/с 2 ;
d – расчетный (внутренний) диаметр трубопровода, м.
Коэффициент гидравлического сопротивления l следует определять по формуле
(6) |
где b – число подобия режимов течения воды;
Re – число Рейнольдса, фактическое.
Число подобия режимов течения воды b определяют по формуле
(7) |
(при b > 2 следует принимать b = 2).
Фактическое число Рейнольдса Rеф определяется по формуле
(8) |
где n – коэффициент кинематической вязкости воды, м 2 /с.
Число Рейнольдса, соответствующее началу квадратичной области гидравлических сопротивлений при турбулентном движении воды, определяется по формуле
(9) |
Использование рассмотренной методики для гидравлических расчетов как полимерных, так и металлических трубопроводов по различным вариантам (к примеру, табл. 2) должно позволить оптимизировать эффективность применения труб из различных материалов и качество устройства внутренних систем горячего водоснабжения зданий.
Таблица 2 Гидравлические показатели металлических и полимерных трубопроводов внутренних систем горячего водоснабжения | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
v | 1000i | v | 1000i | v | 1000i | v | 1000i | v | 1000i | v | 1000i | v | 1000i | v | 1000i | v | 1000i | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0,08 | 0,47 | 66,9 | 0,25 | 14,2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0,59 | 100,2 | 0,31 | 21,1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0,12 | 0,71 | 139,9 | 0,37 | 29,2 | 0,22 | 8,44 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0,2 | 1,18 | 360,5 | 0,62 | 73,5 | 0,37 | 20,9 | 0,21 | 5,21 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0,3 | 1,77 | 807 | 0,94 | 154,9 | 0,56 | 43,4 | 0,31 | 10,5 | 0,24 | 5,39 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0,4 | 2,36 | 1435 | 1,25 | 265,6 | 0,75 | 73,5 | 0,42 | 17,5 | 0,32 | 8,98 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0,5 | 2,95 | 2242 | 1,56 | 414,9 | 0,93 | 110,9 | 0,52 | 26,2 | 0,4 | 13,4 | 0,24 | 3,75 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0,6 | 1,87 | 597,5 | 1,12 | 155,8 | 0,63 | 36,5 | 0,48 | 18,4 | 0,28 | 5,18 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0,7 | 2,18 | 813,3 | 1,31 | 209,6 | 0,73 | 48,4 | 0,56 | 24,6 | 0,33 | 6,81 | 0,2 | 2,07 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0,8 | 2,5 | 1062 | 1,5 | 273,8 | 0,84 | 61,9 | 0,64 | 31,3 | 0,38 | 8,64 | 0,23 | 2,62 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0,9 | 2,81 | 1344 | 1,68 | 346,5 | 0,94 | 77,7 | 0,72 | 38,9 | 0,42 | 10,7 | 0,26 | 3,23 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 | 1,87 | 427,8 | 1,05 | 93,6 | 0,8 | 47,2 | 0,47 | 12,9 | 0,29 | 3,89 | 0,2 | 1,64 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1,2 | 2,24 | 616 | 1,25 | 132 | 66,1 | 0,57 | 18 | 0,35 | 5,38 | 0,24 | 2,26 |
Окончание табл. 8
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 |
1,4 | 2,62 | 838,5 | 1,46 | 179,7 | 1,11 | 88,2 | 0,66 | 23,8 | 0,4 | 7,09 | 0,28 | 2,97 | ||||||
1,6 | 2,99 | 1095 | 1,67 | 234,7 | 1,27 | 113,7 | 0,75 | 30,4 | 0,46 | 9,01 | 0,32 | 3,77 | ||||||
1,8 | 1,88 | 297,1 | 1,43 | 143,9 | 0,85 | 37,8 | 0,52 | 11,2 | 0,36 | 4,65 | ||||||||
2 | 2,09 | 366,8 | 1,59 | 177,7 | 0,94 | 45,9 | 0,58 | 13,5 | 0,4 | 5,61 | 0,24 | 1,52 | ||||||
2,6 | 2,72 | 619,9 | 2,07 | 300,2 | 1,22 | 74,9 | 0,75 | 21,8 | 0,52 | 9,01 | 0,31 | 2,42 | ||||||
3 | 2,39 | 399,7 | 1,41 | 99,7 | 0,86 | 28,4 | 0,6 | 11,7 | 0,35 | 3,13 | ||||||||
| 2,86 | 575,6 | 1,7 | 143,6 | 1,04 | 39,9 | 0,73 | 16,3 | 0,42 | 4,34 | ||||||||
4 | 1,88 | 177,3 | 1,15 | 48,5 | 0,81 | 19,8 | 0,47 | 5,25 | ||||||||||
4,6 | 2,17 | 234,4 | 1,32 | 63,7 | 0,93 | 25,6 | 0,54 | 6,76 | ||||||||||
5 | 2,35 | 277 | 1,44 | 75,2 | 1,01 | 29,9 | 0,59 | 7,86 | ||||||||||
5,6 | 2,64 | 347,4 | 1,61 | 94,3 | 1,13 | 37 | 0,65 | 9,67 | ||||||||||
6 | 2,83 | 398,8 | 1,73 | 108,3 | 1,21 | 42 | 0,71 | 11 | ||||||||||
7 | 2,02 | 147,4 | 1,41 | 57,2 | 0,82 | 14,6 | ||||||||||||
8 | 2,3 | 192,6 | 1,61 | 74,4 | 0,92 | 18,7 | ||||||||||||
9 | 2,59 | 234,7 | 1,81 | 94,5 | 1,06 | 23,2 | ||||||||||||
10 | 2,88 | 300,9 | 2,01 | 116,7 | 1,18 | 28,3 |
*Шевелев Ф. А. Таблицы для гидравлического расчета стальных, чугунных, асбестоцементных, пластмассовых и стеклянных водопроводных труб. М. Стройиздат, 1973.
Выбор типа счетчика воды
Диаметр условного прохода счетчика, мм
Высота расположения водоразборной арматуры
над полом этажа
№ п/п | Наименование водоразборного устройства | При высоком положении, ( | При низком положении, ( |
1 | Кран (смеситель) мойка | 1,0 | 0,8 |
2 | Кран раковины | 1,1 | 0,7 |
3 | Кран умывальника | 1,0 | 0,7 |
4 | Смывной бачек унитаза | 1,98 | 0,9 |
5 | Смеситель ванны | 0,75 | 0,75 |
6 | Смеситель душевой установки | 1,0 | 0,9 |
7 | Душевая сетка смесителя | 2,20–2,35 | 2,20–2,35 |
8 | Пожарный кран | 1,35 | 1,35 |
Монтажные положения некоторых элементов систем сантехники
Приложение II
Данные для подбора насосов в системах водоснабжения
И канализации зданий
Марка насоса | Подача м 3 /ч Q | Полный напор, м HH | Частота вращения вала, мин -1 | Мощность, кВт Nдв |
1,5К-8/19 (1,5К-6) | 6 11 14 | 20,3 17,4 14 | 2900 | 1,5 |
1,5К-8/19а (1,5К-6а) | 5 9,5 13,5 | 16 14 11,2 | 2900 | 1,5 |
1,5К-8/19б | 4,5 9 13 | 12,8 11,4 8,8 | 2900 | 1,1 |
2К-20/18 (2К-9) | 11 10 22 | 21 18,5 17,5 | 2900 | 2,2 |
2К-20/18а | 10 17 21 | 16,8 15 13,2 | 2900 | 1,5 |
2К-20/30 (2К-6) | 10 20 30 | 34,5 20,8 24 | 2900 | 4 |
3К-6 | 30,6 45 61 | 58 54 45 | 2900 | 17 |
3К-45/30 (3К) | 30 45 54 | 34,8 31 27 | 2900 | 7,5 |
4К-90/20 (4К-18) | 60 80 100 | 25,7 22,8 18,9 | 2900 | 7,5 |
Выбор водоотводящего стояка
Диаметр поэтажных отводов
Угол присоединения поэтажных отводов к стояку
Допустимые расходы сточной жидкости
При диаметре канализационного стояка, мм
Таблицы для гидравлического расчета водоотводящих труб
Диаметр d, мм | Наполнение h/d | | | | | | | | |
уклон | |||||||||
100 | 0,2 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 | 0,6 0,94 1,34 1,80 2,31 2,85 3,42 | 0,54 0,61 0,68 0,73 0,79 0,83 0,87 | 0,67 1,05 1,50 2,01 2,58 3,19 3,83 | 0,60 0,68 0,76 0,82 0,88 0,93 0,97 | 0,73 1,15 1,64 2,20 2,82 3,49 4,19 | 0,66 0,75 0,83 0,90 0,96 1,02 1,07 | 0,79 1,24 1,77 2,38 3,05 3,77 4,53 | 0,71 0,81 0,89 0,97 1,04 1,10 1,15 |
уклон | |||||||||
150 | 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 | 1,54 2,40 3,44 4,61 5,92 7,1 8,78 | 0,61 0,69 0,77 0,83 0,90 0,95 0,99 | 1,78 2,77 3,97 5,32 6,83 8,44 10,1 | 0,70 0,80 0,89 0,96 1,03 1,09 1,15 | 1,99 3,10 4,44 5,94 7,64 9,44 11,3 | 0,79 0,90 0,90 1,06 1,16 1,22 1,26 | 2,18 3,39 4,87 6,51 8,37 10,3 12,4 | 0,86 0,98 1,09 1,18 1,27 1,34 1,40 |
Данные для гидравлического расчета водоотводящих (самотечных труб чугунных и керамических)
Значение (л/с) и V (м/c) при уклонах в тысячных
Наполнение в долях d
Значение (л/с) и V (м/c) при уклонах в тысячных
ПРИЛОЖЕНИЕ III
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Выполнение работы предусматривается по индивидуальным заданиям.
Исходные расчетные данные для проектирования студент принимает по табл. 1 в соответствии с номером задания, назначенным преподавателем-консультантом.
СОСТАВ И ОБЪЕМ ПРЕКТА
Задание для проектирования
1. Наименование объекта (жилой дом, столовая и т. д.).
2. Количество этажей.
4. Номер варианта плана этажа.
5. Номер варианта генплана.
6. Гарантийный напор в городском водопроводе Нгар. м
7. Абсолютная отметка земли дворового участка
8. Отметка оси и диаметр трубы городского водопровода
9. Отметка лотка в колодце А и диаметр трубы уличной канализации …….……………………….…../, …………………мм…………………
10. Уклон трубы в городской канализации.
11. Отметка пола первого этажа.
12. Высота этажа (от пола до пола). м
13. Высота подвала (от пола подвала до пола 1-го этажа). м
14. Толщина перекрытия. м
15. Глубина промерзания грунтам.
16. Расстояние от красной линии до здания ℓ1 =. м
17. Расстояние от здания до городского
водоотводящего колодцаℓ2 = . м
18. Приготовление горячей воды местное, централизованное.
19. Норма водопотребления………………………л/чел, сут……….…
В приложении III приведены поэтажные планы секции здания (вторую считать зеркально отображенной заданной). Аксонометрическую схему холодного водопровода составлять на все здание – 2 секции.
Варианты заданий
Продолжение табл. 14
Окончание табл. 14
ЗАДАНИЕ
на выполнение расчетной работы
по водоснабжению и водоотведению здания
исходные данные для проектирования
НОМЕР ВАРИАНТА
Окончание табл. 15
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
12. Расстояние от красной линии до здания l2, м | 2 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 10 | 12 | 14 | 10 |
13. Расстояние от здания до водоотводящего колодца l2 мм | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 20 |
14. Диаметр трубы городского водопровода d1, мм | 200 | 250 | 150 | 200 | 250 | 150 | 200 | 150 | 200 | 150 |
15. Диаметр трубы городского водоотвода d2, мм | 250 | 300 | 250 | 300 | 350 | 200 | 250 | 300 | 350 | 200 |
| 1,8 | 2,5 | 2,4 | 2,2 | 1,9 | 2,0 | 2,0 | 2,1 | 1,9 | 2,3 |
17. Число жителей в квартире, чел | 4 | 4 | 3 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 5 | 3 |
18. Приготовление горячей воды – централизованное (Ц), местное (М) | М | М | Ц | М | М | Ц | Ц | Ц | Ц | Ц |
19.Разработать в М 1:5 – 1:20 из элементов запроектированной водопроводной или водоотводящей систем из числа приведенных в прилож. 4 | 1;3 | 2;38 | 8;19 | 11;19 | 9;17 | 15;5 | 1;9 | 12;19 | 8;9 | 16;5 |
ПРИЛОЖЕНИЕ IV
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.