;

(7.23)

б) азбестоцементні труби

;

(7.24)

в) пластмасові труби

,

(7.25)

в яких d – розрахунковий внутрішній діаметр труб, м.; Q – витрата води, м³ /с;
υ – швидкість руху води, м/с.

Значне поширення набули спеціальні таблиці, графіки і номограми для визначення втрат напору. Наприклад, таблиці, складені Ф.А. Шевелевим, дають величини втрат напору на одиницю довжини трубопроводу (і або 1000і ) для всіх стандартних діаметрів труб різних типів в широкому діапазоні витрат і відповідних цим витратам швидкостей.

Гідравлічний розрахунок розгалужених мереж виконується досить просто, якщо відомі витрати води в вузлах мережі. В такому випадку спочатку обчислюють розрахункові витрати, потім призначають діаметри (з урахуванням економічних факторів) ліній мережі, після чого можуть бути визначені втрати напору на кожній ділянці .

Загальна втрата напору по обраному напряму може бути знайдена по формулі:

,

(7.26)

як сума втрат напору в послідовно з’єднаних ділянках трубопроводів.

При розрахунках кільцевих мереж користуються такими законами:

1. Сума витрат води, що надходить до даного вузла, дорівнює сумі вузлового відбору з нього і витрат, які витікають з вузла. Це означає, що алгебраїчна сума витрат, що надходять у вузол (береться зі знаком плюс), і витрат, що витікають з вузла (беруться зі знаком мінус), повинна дорівнювати нулю.

2. В кожному замкненому колі мережі, утвореному лініями мережі, сума втрат напору на ділянках, де вода рухається за годинниковою стрілкою, дорівнює сумі втрат напору на ділянках, де рух води напрямлений проти годинникової стрілки, тобто алгебраїчна сума втрат напору в кільці дорівнює нулю.

Існує багато методів розрахунку кільцевих мереж. Виконання таких розрахунків - трудомістка задача, і при значній кількості кілець її розв’язують за допомогою ЕОМ і аналогових пристроїв.

Висота водонапірної башти і потрібний напір насосів. Висоту водонапірної башти або конррезервуара і напір насосів, які подають воду в мережу, визначають при найбільш несприятливих умовах (режимах) її роботи. Башта повинна мати таку висоту, щоб можна було забезпечити необхідні вільні напори в критичних (диктуючих) точках мережі, а напір насосів визначають з розрахунку подачі води в бак башти в баштових системах водопостачання чи забезпечення необхідного напору в найбільш високорозташованих і віддалених від насосної станції точках мережі – в безбаштових.

На схемі водопроводу (рис.7.15) диктуючою є точка А з геодезичною (відмітка відносно поверхні землі)відміткою Z_A . Водонапірна башта розташована в точці Б з геодезичною відміткою Z_Б . Висота водонапірної башти (до дна бака, який встановлено на башті)

(7.27)

де Н_в – вільний напір в диктуючій точці при максимальному водозаборі;

– сума втрат напору в мережі при максимальному водозаборі на ділянці від водонапірної башти до диктуючої точки А.

Напір насосної станції ІІ підйому визначають з рівняння

(7.28)

в якому Н_р – максимальна глибина води в резервуарі (баку) башти; Σh_н – втрата напору в водоводах і водопровідної мережі від насосної станції до башти; Z_р – геодезична відмітка насосної станції (рис.7.15).

Рис. 7.15. Схема роботи водопроводу при господарсько-питному водоспоживанні

8 Каналізація

8.1 Загальні відомості

Водопровідна вода, яка була використана людиною в процесі її побутової і виробничої діяльності, а також поверхневі води (дощові, розталі, поливомийні) називаються стічними водами.

Органічні забруднення, що містяться в стічних водах, можуть загнивати і бути сприятливим середовищем для розвивання мікроорганізмів, в тому числі і патогенних (хвороботворних). Хімічні з’єднання, жири, масла, нафтопродукти, отруйні і радіоактивні речовини здатні завдавати великої шкоди ґрунту і водоймищам. Накопичування стічної рідини на поверхні і у глибині ґрунту, у водоймах викликає забруднення навколишнього середовища, виключає можливість використовування водойм для побутових і господарських потреб, і може бути причиною виникнення різних інфекційних захворювань. Все це викликає загрозу для людства і потребує негайного виведення стічних вод за межі житлових зон і їх очищення.

Каналізація (водовідведення) – це комплекс обладнання, мереж і споруд, які призначені для приймання і відведення по трубопроводах за межі населених пунктів чи промислових підприємств забруднених стічних вод з подальшим їх очищенням і знешкоджуванням перед утилізацією або скиданням у водойму.

Існує два види каналізації: вивізна і сплавна.

При організації вивізної каналізації рідкі забруднення збирають у спеціальні приймачі (вигріби) і періодично вивозять автомобільним транспортом на поля асенізації для обробки, або до спеціальних місць, узгоджених з санітарними органами. Вивізну каналізацію улаштовують тільки в невеликих населених пунктах, де використання іншого виду каналізації утруднено. Вивізна каналізація економічно недоцільна і не забезпечує потрібного санітарного стану територій.

При улаштуванні сплавної каналізації стічні води по підземним трубопроводам транспортується на очисні споруди, де вони підлягають очищенню переважно в штучно створених умовах, після чого скидаються в найближчі водойми.

Каналізаційні мережі будують переважно самопливними. Для цього всю територію населеного пункту поділяють на басейни каналізування (території, які обмежені вододілами), де відповідно до рельєфу місцевості прокладають самопливні трубопроводи вуличної мережі і колектори, тобто ділянки каналізаційної мережі, що збирають стічні води з одного чи кількох басейнів каналізування (рис.8.1).

Рис.8.1. Басейни каналізування І, ІІ, ІІІ:

1 – вулична мережа; 2 – головні колектори районів; 3, 5 – районні каналізаційні станції; 4 – напірний трубопровід; 6 – головний колектор; 7 – відвідний колектор; 8 – головна насосна станція; 9 – напірний водовід; 10 – очисні споруди; 11 – спуск у водоймище

Розрізняють три системи відведення стічних вод каналізації міст і населених пунктів.

Загальна система каналізації передбачає відведення всіх категорій стічних вод (побутових, виробничих, дощових) у водойму єдиною системою водовідведення і очищення; при роздільній – дощові води відводяться окремо від побутових і виробничих; при напівроздільній – в систему каналізації крім побутових і виробничих надходять також перші, найбільш забруднені порції дощових вод.

8.2 Склад стічних вод

Стічні води являють собою складні фізико–хімічні системи, в яких органічні і мінеральні забруднення знаходяться в розчиненому, колоїдному і нерозчиненому станах. Органічні і неорганічні компоненти забруднень, що знаходяться у стічних водах в колоїдному і нерозчиненому станах, утворюють суспензії, емульсії і піну. Склад стічних вод і концентрація забруднень в них визначаються, в основному, нормами водоспоживання, а також складом виробничих стічних вод.

Ступінь забруднення стічної води органічними речовинами можна визначити по кількості кисню, яке потрібно для окислення органічних речовин за допомогою аеробних мікроорганізмів – мінералізаторів. Загальна кількість кисню, потрібного для окислення органічних речовин аеробними мікроорганізмами, називається біохімічною потребою кисню (БПК) і виражається кількістю кисню в міліграмах на літр (мг/л) чи в грамах на літр (г/л).

Кількість і склад виробничих стічних вод визначається багатьма факторами : галуззю промислового виробництва, типом вихідної сировини, режимом технологічних процесів, можливістю утилізації відходів виробництва, витратою води на одиницю продукції. Виробничі стічні води містять мінеральні і органічні забруднення в самих різних сполученнях.

В зв’язку з тим, що визначення абсолютного складу стічних вод – трудомісткий процес, користуються спрощеним переліком показників, які найбільш повно характеризують їх якість і які використовуються для проектування і розрахунку споруд каналізації. До таких показників відносяться: температура, забарвлення, запах, прозорість, сухий залишок, вміст осідаючих і завислих речовин, БПК, вміст різних форм азота, фосфатів, хлоридів, сульфатів, токсичних елементів (залізо, нікель, мідь, свинець, цинк, хром, миш’як тощо), синтетичних поверхнево-активних речовин, біологічні забруднення. Останні представлені бактеріями, вірусами, грибами, тому стічні води небезпечні в епідеміологічному відношенні.

8.3 Методи очищення стічних вод

Метод і ступінь очищення стічних вод визначають в залежності від місцевих умов з урахуванням можливого використання очищених стічних вод для промислових або сільськогосподарських потреб. Існують механічний, фізико-хімічний і біологічний методи очищення стічних вод.

У результаті механічної очистки зі стічних вод видаляються забруднення, що знаходяться в них в нерозчиненому і, частково, в колоїдному стані. Для механічної очистки використовують грати, піскоуловлювачі, відстійники, жироловки, гідроциклони, фільтри й інші споруди. Грати служать для уловлювання великих забруднень (ганчір’я, паперу та ін.), піскоуловлювачі – для уловлювання нерозчинених мінеральних домішок (піску, шлаку, скла), відстійники – для очищення вод від завислих речовин.

До фізико–хімічних методів відносяться коагулювання, нейтралізація, екстракція, сорбція і т.д. При коагулюванні в стічні води вводять реагент, який сприяє укрупненню частинок (коагуляції), внаслідок чого збільшується кількість утриманих нерозчинених речовин. Такий вид очищення використовують для прискорення осаджування завислих речовин.

Біологічне очищення стічних вод – метод очищення побутових і промислових стічних вод, який полягає в біохімічному руйнуванні (мінералізації) мікроорганізмами забруднень органічного походження, розчинених і емульгованих в стічних водах. В мінералізації органічних з’єднань беруть участь бактерії, які в залежності від відношення їх до кисню поділяються на дві групи : аероби і анаероби. Аероби при диханні користуються розчиненим у воді киснем, анаероби розвиваються без вільного кисню.

Аеробну біологічну очистку здійснюють в умовах, наближених до природних: на полях зрошування і фільтрації, в біологічних ставках, і в штучно створених умовах, коли життєдіяльність мікроорганізмів інтенсифікують подачею повітря, а іноді і чистого кисню, в потік стічних вод що проходять через спеціальні очисні споруди (аеротенки, аерофільтри, біофільтри).

При анаеробному способі очищення використовують метантенки – резервуари значної місткості (до кількох тисяч м³ ), де знешкоджують без доступу повітря осади, що виділяються у відстійниках.

Очищення стічних вод здійснюють послідовно на ряді споруд. Механічна очистка, як правило, передує біологічній. Спочатку стічні води очищають від нерозчинених, в вже потім від розчинених органічних забруднень. На рис.8.2 показано одну з поширених схем спільної очистки побутових і виробничих стічних вод.

Рис. 8.2. Вертикальна схема каналізаційної станції очищення з баштовими фільтрами:

1 – грати; 2 – піскоуловлювачі; 3 – первинні відстійники; 4 – резервуар з насосною станцією; 5 – баштові фільтри; 6 – гідроавлічний затвор; 7 – вторинні відстійники; 8 – до хлораторної або на рециркуляцію; 9 – водопровід

На рис.8.3 наведені схеми біологічної очистки на аеротенках з додаванням активного мулу.

Активний мул – це скупчення аеробних мікроорганізмів, які здатні сорбувати на своїй поверхні органічні забруднення і окислювати їх. Мул неперервно циркулює в системі – відділяється у вторинних відстійниках і повертається у стічну воду перед аеротенками. Життєдіяльність мікроорганізмів супроводжується постійним їх приростом. Надлишковий мул, що утворюється при цьому, направляють на зброджування в метантенки разом з осадом з первинних відстійників.

8.4 Основні відомості з розрахунку каналізаційних мереж

Каналізаційну мережу розраховують на часткове наповнення труб. Самопливний режим течії з частковим наповненням поперечного перерізу труб дозволяє:

а) створити певний запас в перерізі труб для пропускання витрати, що перевищує розрахункову;

б) створити кращі умови для транспортування завислих забруднень;

в) забезпечити вентиляцією мережі для виведення зі стічної води шкідливих і небезпечних газів, які з неї виділяються.

Гідравлічний розрахунок мережі виконують з використанням формул усталеного рівномірного руху:

	(8.1)
	(8.2)

в яких Q – витрата рідини, м³ /с; ω – площа живого перерізу потоку,м² ; υ – середня швидкість руху рідини, м/с; R_Г - гідравлічний радіус, м; І – гідравлічний уклон, що при рівномірному русі дорівнює ухилу дна труби; λ – коефіцієнт гідравлічного тертя; g – прискорення сили ваги, м/с² .

Коефіцієнт гідравлічного тертя визначають за формулою

(8.3)

де - еквівалентна шорсткість, см; Д_Г =4R_Г – гідравлічний діаметр, см; Re – критерії Рейнольдса; α – безрозмірний коефіцієнт, що залежить від характеру розподілу шорсткості труб і структури потоку рідини зі зависсю (суспензією).

Розрахункові швидкості потоку в каналізаційній мережі належить приймати з умови транспортування піску і інших домішок неорганічного походження, які присутні в стічній рідині.

Самоочисною (критичною) називається швидкість, що відповідає повному суспендованню забруднень, які є в потоці. В залежності від діаметрів труб побутової каналізаційної мережі значення самоочисної швидкості приймають від 0,7 м/с (для труб діаметром 150...250мм.) до 1,5м/с (для труб діаметром 1500мм. і більше).

З другого боку, швидкості потоку не повинні бути надто високими через наявність у стічних водах піску та інших твердих домішках, які викликають стирання і руйнування поверхні труб. Так, у металевих трубопроводах бажано не допускати швидкості більше 8 м/с, а в неметалевих – більше 4 м/с.

Кінцевою метою гідравлічного розрахунку каналізаційних мереж є визначення діаметрів і уклонів трубопроводів, а також складання поздовжнього профілю каналізаційної мережі.

9 Гідромашини

Машиною в загальноприйнятому значенні цього слова називають пристрій, що виконує механічні рухи з метою перетворення енергії, матеріалів чи інформації. Машини, робочим тілом яких є крапельні рідини, називають гідравлічними. В свою чергу, гідромашини розділяють на насоси і гідродвигуни.

Насосом називають гідромашину, яка перетворює механічну енергію приводного двигуна в кінетичну і потенціальну енергію потоку робочої рідини.

Гідродвигун – це гідромашина, в якій енергія потоку робочої сили перетворюється в механічну роботу.

За принципом дії всі гідромашини поділять на динамічні та об’ємні.

В динамічних гідромашинах силова взаємодія між ротором /робочим колесом/ і потоком рідини здійснюється в проточній камері, яка постійно сполучена зі входом потоку в гідромашину і виходом з неї. В результаті цієї взаємодії змінюється в основному кінетична енергія рідини.

В об’ємних гідромашинах взаємообмін енергією між потоком рідини і робочими органами машини відбувається при навперемінному заповненні робочої камери рідиною і витисненні її з робочої камери. При цій взаємодії відбувається в основному зміна потенціальної енергії рідини.

В даному курсі з динамічних гідромашин розглядаються відцентрові лопатеві насоси, які найбільше поширені в мережах водопостачання, а також основні типи об’ємних насосів і гідродвигунів.

9.1 Відцентрові, лопатеві

9.1.1 Принцип дії лопатевого насоса

Схема відцентрового лопатевого насоса показана на рис. 9.1 . Головною частиною насоса є робоче колесо 2, яке складається з фасонних дисків „а” і „б”, з’єднаних між собою профільованими лопатками „в”. Диски і лопатки утворюють проточну камеру насоса. Рідина з усмоктувального патрубка 1 надходить в центральну частину робочого колеса 2. Під дією відцентрових сил, що виникають в результаті силової дії лопаток колеса на рідину, вона переміщується в міжлопатевих каналах від цента до периферії і потрапляє в спіральний видвід 3, з якого подається в напірний патрубок 4 і далі в напірний трубопровід. Спіральний відвід призначений не тільки для уловлювання рідини, що виходить з робочого колеса, але і для часткового перетворення її кінетичної енергії в потенціальну енергію тиску.

Рис. 9.1. Схема відцентрового насосу консольного типу: 1 – підвід рідини; 2 – робоче колесо (а – ведучий диск, б – ведений диск, в – лопатки колеса); 3 – спіральний відвід; 4 – напірний патрубок; 5 – кромка спірального відводу

9.1.2 Основні технічні і експлуатаційні показники відцентрових насосів

Робота насоса характеризується його подачею, напором, споживаною потужністю і частотою обертання робочого колеса.

Подачею насоса називається витрата рідини через напірний (вихідний) патрубок. Так само як і витрата, подача може бути об’ємною (Q, м/с³ ) і масовою (М, кг/с).

Напір насоса Н_н – різниця питомих енергій потоку при виході з насоса і на вході до нього, виражена в метрах стовпа рідини, яку подає насос:

.

(9.1)

В деяких випадках замість напору використовують тиск насоса:

.

(9.2)

Потужністю насоса (потужність, що споживає насос) називається енергія, яка підводиться до нього від приводного двигуна за одиницю часу:

,

(9.3)

де М_кр – крутний момент на валу насоса; ω – кутова швидкість обертання вала насоса.

Корисна потужність насоса N_k – це енергія, яку надає насос рідині, що проходить через нього за одиницю часу:

.

(9.4)

Відношення корисної потужності насоса до потужності, яку він споживає, називають коефіцієнтом корисної дії (ККД) насоса:

.

(9.5)

В свою чергу, ККД насоса є добутком трьох окремих ККД:

(9.6)

де h₀ – об’ємний ККД, який враховує об’ємні втрати потужності в насосі (втрати внаслідок витікання рідин через щілини) і дорівнює відношенню дійсної подачі насоса до його ідеальної подачі:

(9.7)

h_г – гідравлічний ККД, який враховує гідравлічні втрати потужності в насосі (втрати на долання гідравлічних опорів в насосі) і рівний відношенню напору насоса Н_н до суми напору насоса і втрат напору в насосі (теоретичний напір):

(9.8)

h_м – механічний ККД – враховує механічні втрати потужності в насосі (в підшипниках, ущільненнях в механізмі насоса та ін.):