CC BY
12СТРОИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АПК,
ПРОМЫШЛЕННОГО И ГРАЖДАНСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
УДК 628. 21:533.5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ НАТУРНЫХ СИСТЕМ ВАКУУМНОЙ КАНАЛИЗАЦИИ
Григоренко Н.И.,
ГОУ ВПО «Донбасская национальная академия строительства и архитектуры», г. Макеевка, ДНР
Дрозд Г.Я.,
ГОУ ВПО «Луганский национальный университет имени Владимира Даля», г. Луганск, ЛНР
Аннотация. В данной статье предложен метод расчета вакуумных систем канализации и рассмотрено его применение для определения параметров работы натурных сетей. Проверка закономерностей, установленных в ходе лабораторных исследований, при расчете вакуумной системы реального объекта водоотведения показала их точность и достоверность. Определены основные факторы, влияющие на длину расчетного участка в зависимости от рельефа местности и потерь давления на расчетном участке вакуумного трубопровода. В результате сравнительно расчета определено, что применение предлагаемого метода расчета вакуумного транспортирования сточных вод дает точные значения величины потерь давления на расчетных участках сети, дает возможность отследить результаты регулирования факторов, влияющих на работу системы, а также выбрать наиболее экономичные варианты основных параметров вакуумной системы канализации, повышающей ее эффективность.
Ключевые слова: водовоздушная смесь, газосодержание, потери давления, вакуумная канализация, эффективность
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. На сегодняшний день отсутствие коммунальных сетей и сооружений для сбора и очистки сточных вод характерно для малых населенных пунктов, а также для части территорий малоэтажного жилищного строительства больших городов. По официальным данным Министерства регионального развития, строительства и жилищно-коммунального хозяйства Украины, централизованными системами водоотведения обеспечено всего лишь 5,6 % общей их численности. В
Российской Федерации эта цифра для малых городов, сел и поселков составляет более 45 % [2]. В странах Центральной Европы данный показатель колеблется в пределах 60-80% [1].
Для транспортирования малых расходов сточных вод наиболее рационально и экономически оправдано использование вакуумной канализации. Ее применение обосновано для населенных пунктов с малой плотностью заселения, а также для объектов временного пользования (лагеря, пансионаты, кемпинги), санитарных зон водоисточников. Причем при проектировании и строительстве данной системы не возникает проблем с высоким уровнем грунтовых вод и сложных грунтовых условий. Более подробно об использовании вакуумной системы канализации рассмотрено авторами в [5].
Данная система уже получила широкое распространение в мире, благодаря ряду преимуществ перед самотечной канализацией. Но сдерживающим фактором ее повсеместного распространения является отсутствие теоретически обоснованного алгоритма расчета. Сложность создания расчетных формул заключается в особенностях транспортирования сточных вод под действием вакуума, а именно -транспортировку двухфазной среды «жидкость-газ» в трубопроводах с уклоном к горизонту. Однако, в работе [4] предложено математическое описание движения водовоздушной смеси, на основании которого возможно создать алгоритм расчета вакуумной канализации.
Постановка задачи. Задачей данной работы является применение на практике алгоритма расчета и определение параметров натурных систем вакуумных систем канализации, а также сравнение полученных результатов с другими расчетными моделями.
Изложение материала и его результаты. Вакуумная система является закрытой системой трубопроводов без возможности проникновения, т.е. отсутствуют смотровые колодцы, а значит и запахи, поступающие из них в атмосферу. В системе нет ревизионных колодцев и резервуаров для прочистки канализационных труб. Благодаря постоянно поддерживаемому отрицательному давлению в системе не возникают утечки сточных вод. Высокая скорость (от 3,5 до 5 м/с) транспортируемой смеси «жидкость-воздух» в трубах предотвращает образования отложений [7]. Гидропневматический расчет системы должен быть проведен так, чтобы во время, когда нет притока, обеспечить в системе минимальный уровень вакуума, а время на восстановление вакуума не превышало заданного значения.
При подборе диаметра рекомендуется не увеличивать скорость потока больше необходимой для работы системы (увеличения трения, потери при ускорении). Увеличение соотношения «жидкость-воздух» в вакуумном клапане может увеличить производительность вакуумной
системы. Благодаря увеличению притока воздуха в систему подается больше энергии, что позволит повысить скорость, но это приведет к увеличению потерь на трение. В гидропневматическом расчете необходимо учитывать как статические, так и динамические условия в сети.
Основной процесс, протекающий в системе вакуумной канализации - это движение сточной жидкости в трубе с наклоном к горизонту не более 10° под действием вакуума и расширения воздуха, забираемого из атмосферы с помощью самозадействующих клапанов специальной конструкции [3]. Движение газожидкостной смеси в системе вакуумной канализации начинается от клапана или водо-воздуховпускного устройства (ВВВУ) до первого перепадного колена, в котором движение останавливается до повторного открытия ВВВУ. При этом, происходит частичное накопление сточной жидкости в перепадном колене.
При повторном открытии ВВВУ в систему попадает новая порция сточной жидкости и воздуха, движение водовоздушной смеси на участке трубопровода продолжится, при этом накопленный в перепадном колене объем жидкости под действием расширившегося воздуха переходит на следующий отрезок сети. Следовательно, можно сказать, что движение газожидкостной смеси от одного перепадного колена к последующему, вплоть до вакуумной станции, повторяется, а, значит, расчет системы можно свести к расчету отрезка сети, ограниченному перепадным коленом и началом следующего перепада.
Основным параметром, предопределяющим эффективную работу системы и выбор оборудования при вакуумном транспортировании, является величина создаваемого в сети вакуума, который в свою очередь зависит от потерь энергии на участках трубопровода. Это значит, что расчет системы в первую очередь должен быть направлен на учет всех потерь энергии в системе, в результате чего можно определить расчетную величину вакуумметрического давления.
При расчете систем для транспортировки двухфазных смесей очень важно правильно определить плотность смеси, которая в свою очередь зависит от газосодержания [8].
Для систем вакуумной канализации значение объемного расходного газосодержания е и скорости водовоздушной смеси были получены экспериментально с помощью лабораторной установки, которая рассмотрена подробно в работах [3, 4, 6].
Экспериментальное исследование транспортирования жидкости под вакуумметрическим давлением проводилось с использованием трубопроводов диаметром 20 мм и 50 мм при вакуумметрическом давлении 20-40 кПа. Определено, что максимальная скорость
водовоздушной смеси vs достигается при объемном расходном газосодержании е = 0,71-0,74. При таком значении е соотношении газ-жидкость QG/QL= 0,3-0,4 [3, 4].
На определение плотности смеси также влияет распределение фаз по длине трубопровода, что в свою очередь зависит от структуры движения. Для определения режима движения газожидкостной смеси под действием вакуума на лабораторной установке был проведен ряд экспериментов. В результате испытаний было определено, что режим движения в системе изменяется по длине трубопровода, что, вероятно, связано с особенностью устройства системы вакуумной канализации. Изменение структуры происходит от пузырькового к снарядному и, затем, к расслоенному. В перепадном колене также наблюдается пузырьковая структура потока.
На основании вышесказанного, расчет системы необходимо выполнять для каждого участка, на котором происходит изменение структуры движения, отдельно, с учетом гидропневматических параметров, которые влияют на величину градиента давления именно на этом участке. В дальнейшем предлагается отрезки с разной структурой движения в пределах расчетного участка называть юнитами.
Общие потери давления в системе (АР) определяются для каждого юнита, отдельно, с учетом гидропневматических параметров,
которые влияют на величину градиента давления | ^ | именно на
"х
этом участке в зависимости от его длины ! [4]:
-=/гт-"х=щ -^1-2+
+ г "р л - г + с "р | . I + (*)
V "х у 2-3 2-3 V "х 4 3-4
+ I I - 14 - 5, Па
V "х у 4
Для оценки результатов экспериментальных исследований с помощью теории подобия определено соотношение отдельных геометрических и технологических параметров работы реальных и лабораторных вакуумных систем.
В общем виде зависимость потерь давления в системе вакуумного транспортирования можно записать:
АР = f (р., vs, d, L, р.) (2)
где АР - потери давления, Па; р. - плотность водовоздушной
2
смеси, кг/м3; у8 - скорость водовоздушной смеси, м/с; d - диаметр трубопровода, м; L - длина участка трубопровода, где скорость vs является постоянной величиной, м; - коеффициент динамической вязкости водовоздушной смеси, Пас.
Решением системы уравнений, составленной на основе матрицы степени размерностей величин данной зависимости, получен критерий подобия, который полностью включает гидродинамические и геометрические факторы движения водовоздушной смеси:
П = ^ (3)
Критерий подобия П1 позволяет использовать результаты экспериментальных исследований и разработать рекомендации по проектированию и расчету систем вакуумной канализации.
Расчет вакуумной системы канализации в связи с особенностями ее работы выполняется каждого отдельно взятого расчетного участка и сводится к подбору диаметра трубопровода d, общей длины расчетного участка трубопровода Lобщ, длин юнитов и определению потерь давления АР на расчетном участке при заданном расходе жидкости QL. На основании полученных зависимостей предложен алгоритм расчета участка вакуумной системы канализации с использованием математического редактора Mathcad. [9]. Данный метод расчета системы вакуумного транспортирования сточной жидкости позволяет подобрать диаметр трубопровода, определить расход жидкости и воздуха, вычислить скорость водовоздушной смеси на расчетном участке вакуумной сети, а также определить вакуумметрическое давление, необходимое для транспортирования сточной жидкости, и длины расчетных участков. Для наглядности в таблице 1 приведены потери давления на расчетном участке вакуумной сети, полученные расчетным путем по формуле (1) при заданной скорости движения водовоздушной смеси = 3,5 м/с) и газосодержания (е = 0,83) для трубопроводов, принятых в экспериментальных исследованиях.
В соответствии с таблицей 1 при одинаковых диаметрах трубопровода с увеличением длины расчетного участка потери давления возрастают. Из чего можно сделать вывод, что для соблюдения заданных параметров работы (скорость водовоздушной смеси, газосодержание и потери давления) системы вакуумного транспортирования жидкости при подобранном диаметре трубопровода главными регулируемыми факторами является длина расчетного участка.
При использовании теоретических зависимостей, а также экспериментальных параметров системы вакуумной канализации
(газосодержание, длины юнитов и общая длина расчетного участка) на реальных объектах проектирования необходимо правильно выбрать местоположение перепадных колен, расстояние между которыми является расчетным участком. На расстояние между перепадными коленами влияют факторы, перечисленные ниже.
Рельеф местности. При плоском рельефе местности и противоуклоне вакуумная канализация повторяет контур рельефа и минимальная длина расчетного участка зависит от минимального допустимого уклона и высоты стандартного перепадного колена [9].
Если трубопровод по всей длине будет постоянно находиться под уклоном к горизонту, то за счет сил гравитации будет постоянно наблюдаться расслоенный режим движения, что вызовет резкое уменьшение скорости движения жидкости и пропускной способности трубопровода.
Таблица 1-Расчетные потери давления на участках вакуумной системы
Юнит Структура газожидкостного потока Длина юнита, м Потери давления на юните, кПа Общие потери давления на расчетном участке, АР, кПа
d = 20 мм, Lобщ = 30 м
1-2 пузырьковая 0,1 1,056 39,7
2-3 пузырьковая 12,0 36,120
3-4 снарядная 8,5 2,628
4-5 расслоенная 9,4 -0,128
d = 50 мм, Lобщ = 30 м
1-2 пузырьковая 0,1 0,959 26,1
2-3 пузырьковая 12,0 24400
3-4 снарядная 8,5 0,817
4-5 расслоенная 9,4 -0,119
d = 50 мм, Lобщ = 75 м
1-2 пузырьковая 0,1 0,925 50,5
2-3 пузырьковая 29,8 48,570
3-4 снарядная 21,3 1,290
4-5 расслоенная 23,6 -0,329
Потери давления на расчетном участке. Максимальная длина расчетного участка диктуется максимально возможным вакуумметрическим давлением. Поддержание вакуумметрического давления в сети свыше 80 кПа проблематично, а так как вакуумная сеть работает импульсно и вакуум в сети восстанавливается в течение нескольких минут после закрытия клапана, для дальнейшей работы системы необходимо периодически восстанавливать величину вакуума до расчетного. В это время сточная жидкость находится в колене в состоянии покоя.
Активное перемешивание. Именно в перепадном колене происходит активное перемешивание и измельчение крупных включений. Однако, слишком частое устройство перепадных колен приведет к увеличению потерь давления, т.к. наибольшую величину потерь система имеет при пузырьком режиме движения, который наблюдается в колене и примыкающем к нему юните.
Потому целями проектировщика вакуумной системы должны быть выбор оптимального расстояния между перепадами и правильный подбор диаметров трубопровода, что, в свою очередь, сократит потери давления в сети.
Для проверки адекватности разработанной математической модели для реальных сетей был выполнен расчет ветви вакуумной канализации общей протяженностью 2017 м. На территории объекта плоский рельеф местности. Схема сети представлена на рисунке 1.
При проверке разработанной математической модели на практике газосодержание принимается равным е = 0,73, длина расчетного участка зависит от диаметра трубопровода и минимального уклона трубопровода. Длины юнитов с пузырьковой и снарядной структурой зависят от диаметра трубопровода и рассчитываются согласно критерию подобия Пь Расслоенная структура занимает всю оставшуюся длину расчетного участка. За счет импульсной работы вакуумной системы канализации, потери давления не суммируются по участкам, а рассчитываются для каждого участка отдельно.
Расчет среднесуточного расхода сточных вод рср произведен по средней норме водоотведения для благоустроенных домов в малых населенных пунктах равной 140 л/сут-чел. Максимальный секундный расход
станция; БМ - принятый диаметр трубопровода; I - длина между точками подключения к вакуумной сетисточных вод qmax определен с учетом вероятности открытия ВВВУ на участке сети, а также с учетом транзита сточных вод с предыдущих участков.
Количество одновременно открытых водо-воздуховпускных устройств на расчетном участке вакуумной сети зависит от общего их количества и принимается с вероятностью Р = 0,95.
Расчет по методу зарубежных компаний выполнен из предположения, что потери давления на расчетных участках составляют около 60 кПа. Целью предложенного расчета является определение конкретной величины потерь давления на каждом расчетном участке сети.
Сравнительные результаты расчета по зарубежному методу и методу на основе полученной математической модели сведены в таблицу 2.
Таблица 2- Результаты сравнительного расчета участка сети вакуумной канализации
Номер участка Длина участка с одинаковым диаметром, м Диаметр, мм Количество жителей, чел Потери давления по зарубежной методике, кПа Результаты расчета по предлагаемой методике
Скорость водовоздушной смеси, vs м/с Потери давления на участках, кПа
28-38 121 80 40 60 3,1 45,2
36-38 67,3 65 12 60 2,64 38,4
38-30 83,1 110 24 60 3,2 45,2
29-30 331,4 65 32 60 4,01 38,4
30-32 90,7 110 20 60 2,62 45,2
31-32 86 65 19 60 4,01 41,7
32-33 324,8 125 92 60 3,9 41,7
33-35 139,5 125 20 60 3,78 41,7
34-35 156,5 65 32 60 4,01 38,4
37-35 325,6 65 20 60 4,01 38,4
35-ВС 291,1 125 4 60 3,41 41,7
Е 2017 315
Сравнивая данные, представленные в таблице 2 можно сделать вывод, что предлагаемый метод расчета более полно отражает процессы, протекающие в вакуумной сети. Величина необходимого вакуума на различных расчетных участках вакуумной сети меньше предполагаемой зарубежным методом на 25...35 %. Расчет этого же участка сети вакуумной канализации, представленной на рис. 1, был также выполнен при условии поддержания вакуумметрического давления на расчетных участках 60 кПа с сохранением неизменными остальных параметров системы. Согласно критериальному комплексу П1 при увеличении вакуумметрического давления и постоянных значениях длины расчетного участка и скорости водовоздушной смеси диаметр трубопровода уменьшается.
Сравнительный подбор диаметров трубопроводов для вакуумметрического давления АР = 60 кПа представлен в таблице 3.
Таблица 3- Значения диаметров трубопровода при вакуумметрическом давлении АР = 60 кПа_
Номер участка Подбор диаметров по зарубежным Подбор диаметров по предлагаемому Длина участка, м
рекомендациям методу
28-38 80 65 121
36-38 65 65 67,3
38-30 110 90 83,1
29-30 65 65 331,4
30-32 110 90 90,7
31-32 65 65 86
32-33 125 110 324,8
33-35 125 125 139,5
34-35 65 65 156,5
37-35 65 65 325,6
35-ВС 125 125 291,1
Исходя из данных таблицы 3 видно, что с увеличением вакуумметрического давления на некоторых участках общей длиной 528 м, уменьшились диаметры трубопроводов на один сортамент, что показывает эффективность предлагаемого метода при расчете систем вакуумной канализации.
Выводы и направление дальнейших исследований. В данной статье предложен метод расчета вакуумных систем канализации и рассмотрено его применение для определения параметров работы натурных сетей. Проверка закономерностей, установленных в ходе лабораторных исследований, при расчете вакуумной системы реального объекта водоотведения показала их точность и достоверность. Определены основные факторы, влияющие на длину расчетного участка в зависимости от рельефа местности и потерь давления на расчетном участке вакуумного трубопровода.
В результате сравнительно расчета определено, что применение предлагаемого метода расчета вакуумного транспортирования сточных вод дает точные значения величины потерь давления на расчетных участках сети, дает возможность отследить результаты регулирования факторов, влияющих на работу системы, а также выбрать наиболее экономичные варианты основных параметров вакуумной системы канализации, повышающей ее эффективность.
Список использованных источников:
1. Гироль Н.Н. Необходимый элемент качества жизни. О технологических схемах водоотведения в сельской местности Украины на основе опыта стран Центральной и Восточной
Европы: [Текст] / Гироль Н.Н., Проценко С.Б., Гироль А.Н, Ковальский Д, Лагуд Г и др // ВодаMagazine. - Москва, 2014. - № 11(87). - стр. 22-28.
2. Автушко Е.А. О целевой программе «Чистая вода» на 2011 -2017 гг.: Вестник Сибирского государственного индустриального университета: [Текст] / Автушко Е.А. // Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2014. - № 4(10). - стр. 56-59.
3. Григоренко, Н. И. Исследование параметров основных элементов гидропневматической вакуумной системы канализации в лабораторных условиях: [Текст] / Н. И. Григоренко // Х М1жнар. наук. конф. молодих вчених, асшранлв i студенпв: Вюник ДонНАБА. -Макпвка: ДонНАБА, 2011. - №3(89). - С. 110 - 112.
4. Нездойминов, В. И. Математическое описание газожидкостной структуры потока в системе транспортирования жидкости под вакуумом [Текст] / В. И. Нездойминов, В. С. Рожков, Н. И. Григоренко, Д. В. Заворотный // Motrol. Commision of Motorization and Energeticsin Agriculture. - Lublin, 2013. - Vol. 15, №6. - P. 125-132
5.. Нездойминов, В. И. Применение вакуумной канализации для малых населенных пунктов в Украине: [Текст] / В. И. Нездойминов, Н. И. Григоренко, Д. В. Заворотный // Науковий вюник будiвництва. -Харшв: ХОТВ АБУ, 2010. - (60). - С. 241 - 247.
6. Нездойминов, В. И. Модель работы и расчет потерь давления на участке трубопровода системы вакуумной канализации [Текст] / В. И. Нездойминов, В. С. Рожков, Н. И. Григоренко // Науковий вюник будiвництва. - Харшв: ХОТВ АБУ, 2012. - (70). - С. 312 - 317.
7. Raclavsky Jaroslav. Problematika navrhovâni venkovnich podtlakovych systémû stokovych siti [Text] / J. Raclavsky // Brno: VITIUM, 2011. - 35 s.
8. Чисхолм, Д. Двухфазные течения в трубопроводах и теплообменниках [Текст] / Д. Чисхолм. - М.: «Недра», 1986. - 204 с.
9. Дрозд. Г.Я. Численное описание систем работы вакуумной канализации [Текст] / Г.Я. Дрозд, Н. И. Григоренко //Вестник Луганского национального университета им. В.Даля - Луганск, 2017. -Ч.2, №3(5). - С.222-229.
Григоренко Надежда Ивановна, кандидат технических наук, ассистент, n_grig86@,mail. ru).
ДНР, Макеевка, ГОУ ВПО « Донбасская национальная академия строительства и архитектуры»
Дрозд Геннадий Яковлевич, доктор технических наук, профессор, drozd.g @mail.ru ЛНР, Луганск, ГОУ ВПО «Луганский национальный университет имени Владимира Даля»,
DETERMINATION OF PARAMETERS OF WORK OF MODEL SYSTEMS OF A VACUUM SEWAGE SYSTEM
Grigorenko N.I., Drozd G.Ya.
Abstract. This article proposes a method for calculating vacuum sewerage systems and considers its application for determining the parameters of the operation of natural networks. Checking the regularities established in the course of laboratory studies, when calculating the vacuum system of a real water disposal facility, showed their accuracy and reliability. The main factors influencing the length of the calculated section depending on the terrain and pressure losses in the design section of the vacuum pipeline are determined. As a result of the comparative calculation, it is determined that the application of the proposed method for calculating the vacuum transport of sewage gives exact values of the magnitude of the pressure loss at the calculated sections of the network, makes it possible to trace the results of regulating factors affecting the operation of the system, and also to choose the most economical variants of the main parameters of the vacuum sewage system, increasing its effectiveness.
Key words: water and air mixture, gas is maintenance, losses of pressure, vacuum sewage system, efficiency
Grigorenko Nadezhda, Candidate of Technical Sciences, assistant, The People's Republic of Donetsk, Makeevka, SEIHPE The Donbass National Academy of Building and Architecture n_grig86@,mail.ru.
Drozd Gennadiy, Doctor of Technical Sciences, Professor, The People's Republic of Lugansk, Lugansk, SEI HPE The Lugansk National University named afterVladimir Dal', drozd.g @mail.ru.
