Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 621-80-48 Секретарь (тел./факс) ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"
(495) 107-91-50

АВОК ассоциированный
член

Применение формулы (14) СНИП 2.04.03–85 для гидравлических расчетов канализационных трубопроводов из полимерных труб

 

В настоящее время для устройства канализационных самотечных трубопроводов наряду с традиционными трубами (бетонными, железобетонными, керамическими, чугунными, стальными и асбестоцементными) широко используются трубы из полимеров (непластифицированного поливинилхлорида ПВХ, полиэтилена ПЭ, полипропилена ПП и стеклобазальтопластика), причем не только со сплошной стенкой, но и со структурированной (пустотелой либо гофрированной снаружи и гладкой изнутри). Для проектирования таких трубопроводов основным нормативным документом до сих пор служит СНИП 2.04.03–85 [1]. В указанном нормативе гидравлический расчет канализационных самотечных трубопроводов рекомендуется производить на расчетный максимальный секундный расход сточных вод по таблицам и графикам. В нем также указывается на то, по каким гидравлическим методикам должны быть разработаны такие таблицы и графики.

Согласно одной из приводимых в СНИП 2.04.03–85 методик, гидравлический уклон i для самотечных трубопроводов допускается определять по формуле

(1)

где g – ускорение силы тяжести, м/с2;

λ – коэффициент сопротивления трению по длине; его следует определять по формуле (в СНИП 2.04.03–85 – формула (14), именно о ней и будет идти речь), учитывающей различную степень турбулентности потока:

(2)

где Δ – эквивалентная шероховатость, см;

R – гидравлический радиус, см;

а2 – коэффициент, учитывающий характер шероховатости труб и каналов;

Re – число Рейнольдса.

Далее в СНИП 2.04.03–85 приводятся значения Δ и а2 (табл. 1).

Как видно из таблицы, в ней отсутствуют значения Δ и а2 для труб из полимерных материалов. В этой связи возникает вопрос: возможно ли использовать эту методику для проведения гидравлических расчетов самотечных канализационных трубопроводов из полимерных труб, а если возможно, то какие по величине следует принимать Δ и а2.

Таблица 1
Значения Δ и а2 для труб из традиционных материалов
Трубы Δ, см а2
Бетонные и
железобетонные
0,2 100
Керамические 0,135 90
Чугунные 0,1 83
Стальные 0,08 79
Асбесто-цементные 0,06 73

Коэффициенты, указанные в табл.1, получены проф. Н. Ф. Федоровым в опытах [2], которые проводились как на напорных, так и на самотечных трубопроводах. При этом использовались стенды как с переменным, так и с постоянным уклоном (рис. 1).

Рисунок 1 (подробнее)

 

Стенд проф. Н. Н. Федорова для проведения гидравлических опытов с постоянным уклоном
трубопровода

Измерение расхода жидкости производилось объемным способом. Измерение глубин протока производилось иглой, имеющей нониус для точной установки по уровню. Зная d, i и h, производились все прочие подсчеты по формулам равномерного режима движения.

С учетом исследований проф. Н. Ф. Федорова ГУП «НИИМосстрой» осуществил обработку экспериментальных данных [3], полученных д-ром естеств. наук Г. Суперспергом (Вена, Австрия).

Эксперименты д-р Г. Суперсперг проводил на стенде с самотечным трубопроводом (рис. 2).

Рисунок 2 (подробнее)

 

Стенд для экспериментального определения гидравлических показателей канализационных труб из ПВХ

1 – колодец поступления стоков;

2 – насос;

3 – экспериментальный трубопровод;

4 – смотровой колодец (диаметр 1000 мм, высота 2,4 м, внутренняя облицовка из асбестоцемента);

5 – косые тройники из ПВХ диаметром 300 х 200 мм;

6 – задвижка;

7 – приемный колодец; a, b, c, d, e – точки, в которых производились измерения

Длина участка, где производились замеры, составляла 46,88 м. Приблизительно в середине участка для замеров был установлен смотровой колодец диаметром 1 м. Трубопровод, проходящий вдоль замеряемого участка к этому смотровому колодцу, был проложен из канализационных труб из ПВХ наружным диаметром Dт = 315 мм с толщиной стенки S = 6,2 мм длиной 5 м и имел в двух местах по два одинарных ответвления (боковых выпуска). Экспериментальный трубопровод состоял из сифона, прямых участков труб с одним смотровым колодцем и четырьмя одинаковыми ответвлениями из четырех отводов по 90° и клиновой задвижки. Все детали на трубопроводе диаметром 300 мм, за исключением клиновой задвижки (ее диаметр 250 мм). Для измерения потерь напора было предусмотрено пять точек. Точка измерения I находилась в илоуплотнителе, она показывала действительный уровень воды. В точках измерения 2–5 замерялся уровень в трубопроводе. Между точкой измерения 5 и шибером была предусмотрена контрольная точка измерения, причем с одновременным закрытием шибера можно было установить, находится ли еще под давлением трубопровод. Так как пользоваться водомером из-за относительно большого диаметра экспериментального трубопровода и расхода было нельзя, измерение потерь напора производилось при нестационарном режиме истечения из илоуплотнителя. Эксперимент протекал следующим образом. После заполнения илоуплотнителя и трубопровода сточной жидкостью производилось нагнетание водоструйным насосом через сифон. Затем шибер медленно открывался на определенную величину проходного отверстия. После прекращения, благодаря медленному закрытию шибера, получаемые колебания напора в системе трубопровода считывали через интервалы времени – 10 20 и 30 с с мест наблюдения и получали значения уровня воды в илоуплотнителе в первой точке измерения. Оценка этих значений давала возможность рассчитать действительный расход. Длительность эксперимента зависела от величины открытия шибера, она продолжалась от 70 до 100 с и достигала 420 с. Для определения потерь напора в нескольких сечениях трубопровода проводилось фотографирование пяти уровней на зеркалах, установленных в трубопроводе. На негативах можно было считать уровень при помощи лупы с точностью 1 мм. Всего был проведен 21 опыт со сточной жидкостью. При проведении опытов температура стоков составляла около 18 °C, а количество выпадающего осадка – от 4 до 30 мг/л в течение 60 мин.

В процессе экспериментов фиксировались потери напора h (которые переводились в гидравлический уклон i) и расход стоков Q (варьировался от 30 до 140 л/с) при полном наполнении труб. Результаты экспериментов представлялись графически зависимостью k = f(Re).

Для получения значений k (коэффициент шероховатости) обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием зависимостей

Q = VF, (3)

где V – скорость движения стоков, м/с;

F – площадь живого сечения трубы, м2;

(4)

где D – внутренний диаметр трубопровода, м;

ν – коэффициент кинематической вязкости стоков, м2/с; в экспериментах его значения составляли 1,07·10–6 м2/с.

Коэффициент кинематической вязкости ν – это важный показатель жидкости при определении гидравлического сопротивления в переходной области, т. к. именно он определяет значение числа Рейнольдса (Re = DV/ν). Способность жидкости при своем движении возбуждать внутренние касательные напряжения называется вязкостью или внутренним трением. Вязкость – одно из наиболее существенных свойств и зависит как от рода, так и от состояния жидкости. Вязкость обусловливается внутримолекулярным движением жидкости. Абсолютная или динамическая вязкость μ, отнесенная к плотности жидкости ρ, носит название кинематического коэффициента вязкости. Следовательно, вязкость сточной жидкости (табл. 2) отличается от вязкости чистой воды, т. к. сточные воды содержат растворенные органические и минеральные вещества, значительное количество коллоидов и микроорганизмы.

Таблица 2
Значения Δ и а2 для труб из традиционных материалов
Температура, °C 0 4 8 12 16 20 24 28
106ν, м2 1,78 1,56 1,39 1,24 1,11 1,01 0,92 0,8

Нами для получения значений Δэ и a2 использовались данные, отражающие течение стоков на участке b–c и представленные в статье д-ра Г. Суперсперга в следующем виде (рис. 3).

Рисунок 3 (подробнее)

 

Экспериментальные данные и теоретическая кривая зависимости k от Re

Рисунок 4 (подробнее)

 

Графическая экстраполяция экспериментальных осредненных зависимостей lg•100λ = f(lgRe).

Для получения значений коэффициентов Δэ и a2 экспериментальные данные представлялись (рис. 4) в виде универсальной зависимости коэффициента гидравлического сопротивления λ от числа Рейнольдса Re [4] (Re = VD/ν):

(5)

Значения λj определены нами по формуле Прандтля – Кольбрука, которая на протяжении многих десятилетий является основой для проведения практически всех гидравлических расчетов как самотечных, так и напорных трубопроводов, выполняемых проектными организациями большинства стран Европы, и именно она положена в основу формулы (4):

(6)

Значения kj и Rej брались для каждой j-ой точки (рис. 5).

Рисунок 5 (подробнее)

 

Представление данных экспериментов для получения значений Δэ и a2
Re – число Рейнольдса; k – коэффициент шероховатости, м; kj и Rej – коэффициент шероховатости и число Рейнольдса для каждой j-ой экспериментальной точки

Предполагая, что экспериментальные точки лежат в переходной области сопротивления [4], была произведена графическая экстраполяция проходящей через них кривой (рис. 4) в область сопротивления гидравлически гладких труб и в область сопротивления гидравлически шероховатых труб [5].

После преобразования формул для коэффициента гидравлического сопротивления λ в области сопротивления гидравлически гладких труб и в области сопротивления гидравлически шероховатых труб [3] относительно Δэ и a2 были получены выражения для них в явном виде:

(7)

(8)

Подставив в выражения (7) и (8) соответствующие значения Re и λ, взятые из графика рис. 3 (для сопротивления гидравлически гладких труб λг = 0,0185 при Reг = 100000 – точка I на кривой; для сопротивления гидравлически шероховатых труб λш = 0,0139 при Reш = 1000000 – точка 2 на кривой), а также Dт и S для труб, применяемых в эксперименте: 0,315 и 0,0062 м соответственно, получили Δэ = 0,00006 м и a2 = 20. Эти значения несколько отличаются от известных [6, 7] величин. Поэтому для контроля построили графическую зависимость [2]

(9)

которая при полученных значениях Δэ = 0,00006 м и a2 = 20 имеет следующий вид (рис. 6).

Рисунок 6.

Контрольный график зависимости 1/√λ = f(lgRe)

1, 2, 3 – точки перехода кривой гидравлического сопротивления

Как следует из этого графика, начальная граница области гидравлически гладких труб нами выбрана правильно, она наступает при Re ≈ 100000 (точка 1), а начальная граница области гидравлически шероховатых труб нами немного занижена, она наступает при Re ≈ 10000000 (точка 3), а не при Re = I000000 (точка 2), как принято.

Рисунок 7.

Экспериментальные данные и теоретическая кривая λ = f(lgRe), построенная при Δэ = 0,00006 м и а2 = 20

Однако при полученных величинах Δэ = 0,00006 м и a2 = 20 коэффициент гидравлического сопротивления λ принимает значения, которые не превосходят ни одного экспериментального показателя – на кривую зависимости ложатся только шесть экспериментальных значений, отмеченных на рис. 7 крестиками.

Это убеждает в том, что значения Δэ = 0,00006 м и a2 = 20 нами определены с достаточной надежностью [8, 9]. Как видно из рис. 8, кривая зависимости гидравлического уклона i от расхода Q проходит вблизи доверительной границы меньших значений доверительного интервала при доверительной вероятности Р = 0,95, вычисленного нами для используемых выше экспериментальных [3] значений.

Рисунок 8.

Графики зависимостей гидравлического уклона i от расхода Q для канализационного трубопровода из труб ПВХ со средним наружным диаметром 315 мм и толщиной стенки 6,2 мм

1 – область (заштриховано) доверительного интервала экспериментальных значений при доверительной вероятности Р = 0,95;

2 – теоретическая кривая (получена с использованием формулы (14) СНиП 2.04.03–85 при Δэ = 0,006 см и а2 = 20

Это убеждает также и в том, что такой подход к определению эмпирических коэффициентов Δэ и a2 имеет экономичное решение (за счет использования данных других исследователей, в данном случае зарубежного ученого – д-ра Г. Суперсперга) и обеспечивает высокую надежность инженерных расчетов (за счет правильного использования методики обработки, в данном случае отечественного ученого – проф. Н. Н. Федорова) – это один из выводов. Этот подход можно смело рекомендовать к использованию при определении гидравлических коэффициентов для труб из других материалов и других диаметров с целью использования формулы – это другой вывод. Третий вывод заключается в том, что имеются достаточные на то основания, чтобы утверждать: формулу (14) СНиП 2.04.03–85 можно использовать для гидравлических расчетов самотечных канализационных трубопроводов из полимерных труб. Естественным ограничением может явиться правомерность распространения действия значений коэффициентов Δэ = 0,006 м и a2 = 20, полученных на экструдируемых трубах со сплошной стенкой из одного материала (ПВХ) одного диаметра (315 мм) на гидравлический расчет самотечных канализационных трубопроводов из других полимерных (полиэтиленовых, полипропиленовых, стеклобазальтопластиковых труб, в том числе со структурированной стенкой (например, гофрированной снаружи и гладкой изнутри или полученной спиральной навивкой полого профиля).

Литература

1. СНИП 2.04.03–85. Канализация. Наружные сети и сооружения.

2. Федоров Н. Ф. Новые исследования и гидравлические расчеты канализационных сетей. Л.-К., 1956.

3. Supereperg H. Die betriebuiche Rauigkeit in Abwasserleitungen aus PVC-Kanalrohren. Öesterreichieche Waaserwirtschaft", 1969,22, Heft 42, S. 7–14.

4. Аванесян В. Г. Рекомендации по определению коэффициента гидравлического сопротивления при движении различных жидкостей по трубопроводам // Промышленность Армении. 1971. № 1.

5. Tietjens O. Strőmungslehre. Schweizer Band Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1970.

6. Сладков А. В., Отставнов А. А. Подземная канализационная сеть из термопластовых труб // Передовой опыт в строительстве Москвы: Рефератив. сб. 1973. № 5.

7. Хяаль К. Р., Тепакс Л. А., Хяаль М-Л. В. О параметрах шероховатости труб // Труды ТПИ. 1972. № 330.

8. Пустильник Е. И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М., 1969.

9. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М. 1969.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “Сантехника” за №2'2008

распечатать статью распечатать статью


Реклама
Реклама на нашем сайте
Яндекс цитирования

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Онлайн-словарь АВОК!


Реклама на нашем сайте