Вопросы к главе 3

1. Какие источники водоснабжения вы знаете?

2. Как производится оценка источника водоснабжения?

3. Что представляет собой водозабор из поверхностных источников?

4. Какие факторы определяют выбор руслового водозабора?

5. Для чего предназначены береговые колодцы?

6. Как устроена артезианская скважина?

7. Что такое дебит скважины?

8. Как определить приток воды к одиночной скважине?

9. Для чего предназначены фильтры?

10. Как определить дебит шахтного колодца?

11. Что представляют собой лучевые и горизонтальные водозаборы?

12. Для чего служат каптажные сооружения?

Глава 4. Насосы и насосные станции

4.1. Свободные напоры

Водопроводная сеть должна обеспечивать подачу воды ко всем точкам ее потребления не только в нужном количестве, но и с необходимым напором. В водопроводных сетях напором называют давление, под действием которого вода движется по трубам, преодолевает гидродинамические сопротивления и поднимается на высоту расположения самого высокого водозаборного прибора. Обозначается напор буквой Н и измеряется в единицах давления: 1_атм = 9,810⁴ Па = 760 мм.рт.ст = 1,033 кгс/м² = 10 м вод.ст. По размерности и характеру воздействия давление - напряжение, возникающее от сжимающей силы на поверхности жидкости. Различают полное или абсолютное, избыточное и вакуумметрическое давление. Избыточным называют давление, превышающее атмосферное, вакуумным - превышение атмосферного давления над абсолютным.

Для измерения напора используют манометры и вакуумметры. Полное или абсолютное давление в какой-либо точке покоящейся жидкости р (рис. 4.1) определяют по формуле:

, (4.1)

где p₀ - давление на свободную поверхность жидкости, в открытых сосудах равное атмосферному давлению;

h - весовое давление столба жидкости высотой h и плотности .

В формуле (4.1) давление р и р₀ измеряется в кг/м², высота h в м, плотность  - в кг/м³.

Это выражение является основным уравнениям гидростатики, из которого следует, что внешнее давление одинаково передается во все точки объема жидкости, а полное давление изменяется в зависимости от величины погружения рассматриваемой точки.

В системах водоснабжения и канализации для измерения давления применяют пьезометры, а также механические, пружинные и мембранные манометры и вакуумметры. Пьезометр - это стеклянная вертикальная трубка с открытым концом. Если к резервуару с жидкостью присоединить пьезометр, тогда имеем:

, (4.2)

где h - разница уровней жидкости в пьезометре и резервуаре, которая позволяет определить, насколько давление в баке р₀ выше атмосферного р_атм. Эта высота в гидравлике называется пьезометрической высотой или напором;

р_изб - избыточное давление, превышающее атмосферное.

Рис. 4.1. Давление в покоящейся жидкости

С учетом этого давление в любой произвольной точке на глубине h будет равно:

, (4.3)

В жидкостных манометрах, в которых применяют подкрашенную жидкость, например спирт или ртуть, высота столба ртути h_р будет во столько раз меньше столба воды h_в, во сколько раз удельный вес (плотность) ртути _р больше удельного веса (плотности) воды _в.

В механических манометрах и вакуумметрах давление жидкости или газа воздействует на диафрагму или изогнутую трубку, запаянную с одной стороны. Диафрагма и измерительная трубка манометра связаны тягой с зубчатым сектором и стрелкой прибора. Шкала прибора проградуированы в соответствующих единицах измерения (кг/м², атм, м вод. ст. и т.п.). Манометр надо выбирать так, чтобы максимальное рабочее давление не превышало 2/3 шкалы прибора. Абсолютное давление при измерении его манометром составит:

, (4.4)

где р_изм - наблюдаемое давление по манометру;

р_ст.ж =h - добавочное давление столба жидкости;

h - разность уровней в расположении манометра и установке штуцера для подключения прибора.

Величина требуемого, свободного напора в системах водоснабжения вычисляют по формуле:

, (4.5)

где Н_г - геометрическая высота расположения самого высокого расчетного водоразборного прибора над поверхностью земли у точки подключения домового ввода, м;

h - сумма потерь напора на пути движения воды от точки подключения до расчетного водоразборного прибора, м;

h_и - напор, необходимый для излива расчетного расхода воды, принимаемый в зависимости от типа санитарного прибора.

Потери напора обусловлены вязкостью жидкости, т.е. способность жидкости вследствие молекулярного взаимодействия сопротивляться сдвигающим силам. В результате вязкости при движении жидкости возникают силы внутреннего трения, и как следствие, потери напора. Эти потери вызываются сопротивлениями по длине потока и местными сопротивлениями.

Сопротивления по длине потока вызываются силами трениями между жидкостью со стенками трубы. В результате этого частицы, прилегающие к трубе, тормозятся. Торможение благодаря вязкости передается прилегающими слоями жидкости. Для преодоления этого торможения и поддержания равномерного движения жидкости необходимо затрачивать напор, называемый потерями напора на трение по длине (h_дл).

Местные сопротивления возникают на коротких участках трубопровода, когда поток изменяет форму поперечного сечения или направление движения. Например, внезапные сужения или расширения потока, всевозможные водопроводные арматуры (задвижки, решетки, клапаны и т.д.), различные повороты, разделения или слияния потоков и др. Потери напора, возникающие в местных сопротивлениях, называют местными потерями напора (h_м).

Таким образом, потери напора, возникающие при движении жидкости, складываются из потерь напора по длине и местных потерь:

. (4.6)

Потери напора по длине могут быть определены по формуле д^,Арси-Вайсбаха:

, (4.7)

где  - коэффициент гидравлического трения, зависящий от числа Рейнолдса R_e и относительной шероховатости труб _Э/d;

l - длина расчетного участка, м;

• d - диаметр труб, м;

v - скорость потока жидкости, м/с;

_э - эквивалентная (равномерная) шероховатость с такой высотой выступа, при которой значения  при очень больших числах R_e>>2300 равно его значению при естественной шероховатости.

В местных сопротивлениях потери напора можно определить по формуле:

, (4.8)

где _м - коэффициент местного сопротивления, отнесенный к тому сечению потока, в котором берется средняя скорость v.

Этот коэффициент для большинства местных сопротивлений определяется опытным путем и при расчетах принимается из таблиц, приводимых в справочниках.

В практике водоснабжения при проектировании наружных водопроводных сетей для упрощения расчетов величину свободного напора Н_св определяют в зависимости от этажности зданий:

• при одноэтажной застройке Н_св составляет не менее 10 м;

• при этажной застройке более 1 этажа на каждый последующий этаж добавляют по 4 м, т.е.

, (4.9)

где n - количество этажей.

Для отдельных высоких зданий или группы зданий, расположенных на возвышенных местах, предусматривают местные установки, повышающие напор. В системах пожаротушения низкого давления минимальный свободный напор у пожарных гидрантов должен составлять не менее 10 м. При водопользовании из водозаборных колонок свободный напор должен быть не менее 10 м. Гидростатический напор в сети хозяйственно-питьевого водопровода у потребителя должен быть не более 60 м.