Системы канализации

Продолжение. Начало в № 3 / 2004.

А. Я. Добромыслов, канд. техн. наук, руководитель Учебно-методического центра по подготовке специалистов в области пластмассовых трубопроводных систем МИПК МГТУ им. Н. Э. Баумана

 

Надежность систем канализации зданий характеризуется двумя параметрами:

а) устойчивостью против срыва гидравлических затворов санитарно-технических приборов;

б) незасоряемостью отводных трубопроводов.

Выше мы рассмотрели механизм возникновения разрежений в стояке и показали, что величина разрежений в принципе не зависит от высоты стояка, если эта высота больше, чем 90 Дст. Строго говоря, при вычислении величины разрежений в стояках высотных зданий (высотой более 75 м) следует учитывать потери напора воздушной струи, движущейся по стояку, что будет проиллюстрировано ниже.

Нужно отметить, что конфигурация стояка оказывает определенное влияние на процесс течения двухфазной (вода + воздух) жидкости  в вертикальном трубопроводе. В соответствии с терминологией гидравлики газожидкостных систем [6] опускное движение двухфазной жидкости носит название «стержневое движение» – вода в виде кольцевого слоя движется по стенкам стояка, а внутри потока воды в виде стержня движется воздух. В точке перегиба стояка происходит изменение режима течения со стержневого на разделенное. При этом вода отрывается от стенки стояка и создает сопротивление движущемуся воздуху (рис. 3). Скорость воздуха резко падает, что сопровождается повышением его статического напора. В результате давление в стояке становится выше, чем давление атмосферы. У санитарно-технического прибора, присоединенного к стояку непосредственно над точкой его перегиба, вода, заполняющая гидрозатвор, выплескивается в чашу этого прибора.

Рисунок 1. Схема истечения воды из поэтажного отвода в стояк (разрез по оси стояка): 1 – воздух; 2 – вода

Разделенное течение характеризуется тем, что вода движется по нижней стенке трубопровода, а над ней свободно течет воздух (рис. 3).

Во второй (по ходу движения стоков) точке перегиба вновь происходит изменение режима течения с разделенного на стержневое. Гидравлический затвор санитарно-технического прибора, присоединенного к стояку ниже второй точки перегиба, трижды отсекается от атмосферы (от вытяжной части стояка): первый раз – в сжатом сечении стояка (рис. 1), второй раз – в первой точке перегиба стояка, третий раз – во второй точке перегиба (рис. 3). Участок стояка, расположенный ниже второй точки перегиба, становится невентилируемым.

Чтобы обеспечить нормальную работу гидравлических затворов приборов, расположенных в опасных зонах (непосредственно над точкой перегиба и под ней), необходимо байпасной линией соединить между собой участки стояка с повышенным и пониженным давлением воздуха. Поэтому независимо от высоты предпочтительнее устраивать прямолинейный стояк, который сверху донизу не имеет точек перегиба.

Рисунок 2 Изменение режимов течения жидкости: 1 – вода; 2 – воздух

Рисунок 3. Зависимость расхода воздуха от расхода воды в стояке диаметром 45 мм различной высоты 1 – L = 52,2 Dст ; 2 – L = 84,4 Dст; 3 – L = 90 Dст; 4 – L = 117,2 Dст.

Что касается двухтрубных систем канализации, то выполненные нами анализ и экспериментальные исследования позволяют сделать вывод о том, что они не столь эффективны, как это может показаться на первый взгляд. Дело заключается в том, что при течении жидкости в сточном стояке весь воздух, соответствующий величине эжектирующей способности жидкости, поступает в систему только по вентиляционному стояку. Поэтому скорость движения воздуха в данном случае существенно выше, чем в однотрубной системе канализации, а следовательно, существенно выше и потери напора воздуха на трение и в местных сопротивлениях. Например, расчеты показывают, что в двухтрубной системе со сточным стояком диаметром 150 мм и вентиляционным диаметром 100 мм при критическом расходе жидкости 16,1 л/с потери напора воздуха на трение и в местных сопротивлениях равны 1,8 мм/м. Следовательно, при высоте расчетного гидрозатвора, равной 50 мм, высота стояков равна всего лишь

50 /1,8 = 30 м [1].

Приведенный пример наглядно показывает, что двухтрубная система канализации не является панацеей и должна рассчитываться в каждом конкретном случае. Как это ни парадоксально, однотрубная система в целом ряде случаев оказывается эффективнее с гидравлической точки зрения и безусловно выигрывает в стоимости и простоте.

Как было показано выше, диаметр сточного стояка зависит при прочих равных условиях только от расхода сточной жидкости. В табл. 1 приведена пропускная способность канализационных стояков диаметрами 125 и 150 мм в однотрубных системах канализации. Таблица рассчитана по регламентам СП 40-102-2000 [7] – по формуле (2) настоящей статьи – применительно к гидравлическим затворам высотой 60 мм.

Теперь задача проектировщика заключается в правильном определении величины расчетного расхода сточных вод, которую следует ожидать в канализационном стояке. К сожалению, нужно подчеркнуть, что методика СНиП 2.04.01-85* [8] для этих целей использована быть не может. Дело в том, что в соответствии с этой методикой по теории вероятностей определяется число одновременно действующих приборов из их количества, установленного на расчетном участке. Затем это число умножается на так называемый эквивалентный расход, что и дает искомую величину – q^tot. Максимальный секундный расход, q^s, сточной жидкости по СНиП равен:

q^s = q^tot + q^s, (3)

если q^tot < 8 л/с,

и q^s = q^tot ,(4)

если q^tot > 8 л/с.

Однако, во-первых, в отличие от систем водоснабжения безнапорные системы канализации в принципе нельзя рассчитывать по числу одновременной действующих приборов, во-вторых – цифра 8 (л/с) не имеет вообще никаких обоснований и, наконец, в-третьих, равенство (4) также обоснований не имеет.

В то же время справедливость формулы (3) не вызывает сомнений, она и рекомендуется для определения максимального секундного расхода сточных вод при расчетах канализационного стояка с той лишь разницей, что величину q^tot следует определять по методике института МосводоканалНИИпроект [9].

Расчет конструкции системы канализации в упомянутом 43-этажном здании выполнен по формулам (3) и (2) и дал следующие результаты: величина расчетного расхода самого нагруженного стояка (156 приборов) q^s = 4,1 л/с; поскольку для монтажа приняты полипропиленовые трубы и фасонные части диаметрами 50 и 110 мм, из формулы (2) следует, что при диаметре расчетного поэтажного отвода равном 110 мм (расчетный диаметр 104,6 мм) диаметр стояка может быть принят равным также 110 мм, если угол присоединения поэтажных трубопроводов к стояку будет равен 45°. В этом случае максимальная величина разрежений ниже сжатого сечения стояка по формуле (2) равна 28,8 мм.

Если предположить, что в какие-то моменты времени вся величина расчетного расхода стоков будет сформирована на нижних 6–7 этажах, так что сжатое сечение стояка образуется на отметке 20 м, то на вышерас-положенном участке стояка длиной 100 м (от сжатого сечения до вытяжной части) сверху вниз будет двигаться воздух. Целесообразно определить потери напора воздушной струи на трение и в местных сопротивлениях. По нашим данным [1], скорость воздуха, Vв, увлекаемого из атмосферы в стояк движущейся в нем жидкостью, равна:

V_в = 2,6 V_ж^0,184 , (5)

где V_ж – условная скорость жидкости, определяемая как отношение ее расхода (м³/c) к площади живого сечения стояка (м²):

V_в = 2,6 • 0, 480,184 = 2, 27 м/с.

В соответствии, например, с [10] удельная потеря напора на трение i = 0,11 мм/м. Потери в местных сопротивлениях примем равными 50 % от i, т. е. 0,055 мм/м. Тогда общие потери напора воздушной струи на участке канализационного стояка длиной 100 м равны:

h_общ = (0,11 + 0,055) • 100 = 16,5 мм.

А суммарная величина разрежений в стояке составит:

Sh = 28,8 +16,5 = 45,3 мм.

Поскольку эта величина меньше минимальной высоты гидравлических затворов санитарно-технических приборов, присоединенных к стояку (высота затвора у ванны равна 55 мм), можно гарантировать устойчивость против срыва гидрозатворов в данной системе канализации.

В соответствии со СНиП 2.04.01-85* [8] незасоряемость отводных трубопроводов гарантируется при выполнении условия:

(6)

где:

V_s – скорость течения сточной жидкости, м/с;

h/d_p – наполнение трубопровода.

При этом V_s ≥ 0,7 м/с,

а h/d_p≥ 0,3.

Как и при расчетах канализационных стояков, при расчетах отводных трубопроводов очень важно определить расчетный расход сточной жидкости с достаточной степенью точности. СП 40-107-2003 [11] рекомендует для этих целей следующую зависимость:

(7)

где:

Q_h^tot– часовой расход сточных вод на расчетном участке, м³/час;

3,6 – переводной коэффициент;

K_s – коэффициент, учитывающий влияние аккумулирующей емкости отводных самотечных трубопроводов на формирование величины расчетного расхода сточных вод. Принимается по табл. 1 СП 40-107-2003 в зависимости от длины отводного трубопровода и количества санитарно-технических приборов на расчетном участке;

q_о^s,2 – секундный расход сточных вод от прибора с максимальной емкостью, л/с. Для жилых зданий принимается равным 1,1 л/с – расходу от полностью заполненной ванны.

Отметим, что формула (7) получена нами аналитически и многократно подтверждена результатами экспериментальных измерений. В частности, в рамках выполнения исследований норм водопотребления и водоотведения на всей территории бывшего Советского Союза (задание ГКНТ СССР, 1985–1990 гг.) 13 НИИ, выполнявших измерения кратковременных секундных расходов сточных вод более чем на 110 объектах, отличающихся численностью населения, степенью благоустройства жилых зданий, климатическими и другими условиями, сделали однозначный вывод: «…максимальные расходы сточных вод от отдельных зданий … полностью согласуются с расчетными расходами внутридомовых систем водоотведения по СНиП II-30-76 с учетом уменьшения секундных расходов из-за аккумулирующей емкости выпусков, определенной по методике ЦНИИЭП инженерного оборудования [12]» [13].

Неучет аккумулирующей емкости отводных трубопроводов может приводить к завышению величины расчетного расхода сточных вод, а в некоторых случаях – к значительному. Например, смывной бачок унитаза, присоединенный непосредственно к стояку, при опорожнении дает максимальный расход 1,6 л/с. Если же он присоединен к поэтажному отводу, то максимальный расход стоков, поступающих в стояк, равен 0,8 л/с, а в 3 метрах от основания стояка – лишь 0,256 л/с.

Как видим, неучет аккумулирующей емкости самотечных отводных трубопроводов может приводить в итоге к серьезным ошибкам при расчетах диаметров и уклонов отводных трубопроводов.

Таблица 1 Пропуская способность канализационных стояков условными диаметрами 125 и 150 мм

Диаметр поэтажных отводов, мм Угол присоединения поэтажных отводов к стояку, ° Пропускная способность (л/с) вентилируемых стояков диаметром 125 мм 150 мм 50 45 12,5 19,9 60 11,1 17,6 90 7,4 11,7 100 45 9,4 14,5 60 8,3 12,8 90 5,5 8,62 125 45 8,58 13,6 60 7,57 11,87 90 5,05 7,77 150 45 - 12,6 60 - 11,0 90 - 7,2

Возвращаясь к 43-этажному зданию, укажем, что сточные воды отводятся от него тремя канализационными выпусками, объединяющими три группы стояков: первый и третий выпуск по 10 стояков, второй – 6 стояков. Длина (от последнего по ходу движения стоков стояка до канализационного колодца) первого выпуска 18 м, второго – 27 м, третьего – 15 м. Первый и третий выпуск принимают стоки от 1 110 приборов, второй – от 1 014. Величина расчетного расхода сточных вод, определенная с учетом аккумулирующей емкости трубопроводов канализационных выпусков, составила в первом выпуске 11,80 л/с, во втором – 7,9 л/с, в третьем – 11,86 л/с.

Последним этапом расчетов является гидравлический расчет трубопроводов канализационных выпусков из здания, т. е. определение их диаметров и уклонов, скорости течения жидкости и наполнения трубопроводов и, в конечном счете, величины показателя (6). Здесь следует иметь в виду, что при расчетах необходимо строго учитывать шероховатость материала применяемых труб и гидравлические режимы течения жидкости. Необходимые рекомендации приведены в федеральном нормативном документе СП 40-102-2000 [7]. Несмотря на то что этот СП посвящен расчету пластмассовых труб, приведенная в нем методика является универсальной и может быть использована при расчетах как пластмассовых труб, так и труб из других материалов. Достаточно подробное аналитическое и экспериментальное обоснование методики приведено в работах [14, 15, 16]. Значения коэффициентов эквивалентной равномернозернистой шероховатости, К_э, различных материалов могут быть заимствованы из гидравлических справочников.

Приведем рекомендуемые нами значения K_э, мм, некоторых материалов:

- стекло – 0,0055;

- пластмасса – 0,02, если изготовители пластмассовых труб не дают других значений;

- сталь – 0,138;

- чугун – 0,47;

- железобетон – 1,22.

Рассчитанные по регламентам [7] трубопроводы канализационных выпусков из 43-этажного жилого здания имеют следующие параметры: материал – полипропилен; диаметр – 110 мм (расчетный 104,6 мм);

первый выпуск:

i = 0,02, V = 1,64 м/с, h/d_p= 0,75,

второй выпуск: i = 0,012,

V = 1,22 м/с, h/d_p= 0,72;

третий выпуск: i = 0,022,

V = 1,64 м/с, h/d_p= 0,75.

При корректировке рабочих чертежей уклоны всех трех выпусков были увеличены до 0,025. В связи с этим окончательные расчетные значения параметров течения равны:

- первый и третий выпуски: скорость течения V = 1,847 м/с; наполнение трубопровода = 0,7; параметр (6) – 1,54;

- второй выпуск: скорость течения V = 1,65 м/с; наполнение трубопровода = 0,52; параметр (6) – 1,19,

что значительно выше минимального значения (0,5) параметра (6). Можно полагать, что трубопроводы канализационных выпусков из здания будут работать без засоров.

Выводы

1. Надежность систем канализации зданий характеризуется устойчивостью против срыва гидравлических затворов и незасоряемостью отводных самотечных трубопроводов.

2. Устойчивость против срыва гидравлического затвора данной высоты гарантируется, если величина разрежений, возникающих в канализационном стояке в процессе транспортировки по нему сточной жидкости, не превышает высоты гидрозатвора.

3. Величина разрежений в стояке складывается из разрежений, возникающих ниже сжатого сечения стояка, и потерь напора воздушной струи, поступающей из атмосферы в стояк при опускном движении жидкости.

4. Двухтрубная система канализации в ряде случаев не столь эффективна, как однотрубная, но значительно уступает ей в простоте и стоимости. В каждом конкретном случае двухтрубная система канализации высотного здания должна быть обоснована расчетом.

5. В тех случаях, когда величина расчетного расхода стоков превышает допустимую для стояка данного диаметра, простейшим решением является увеличение диаметра сточного стояка.

6. Величину расчетных расходов сточных вод следует определять в соответствии с регламентами СП 40-107-2003 [11], гидравлический расчет отводных трубопроводов – с СП 40-102–2000 [7].

7. Канализационный стояк, в том числе и высотного здания, на всей высоте, по которой движется сточная жидкость, должен быть прямолинейным.

Литература

6. Кутателадзе С. С., Стырикович М. А., Гидравлика газожидкостных систем, М.-Л., Госэнергоиздат, 1958, с. 321.

7. СП 40-102-2000. Свод правил по проектированию и монтажу трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования.

8. СНиП 2.04.01-85* «Внутренний водопровод и канализация зданий».

9. Вербицкий А. С., Лякмунд А. Л., Овчинников Б. Е. Рекомендации по определению расчетных расходов в системах холодного и горячего водоснабжения. М., ВНИИИС, 1987, сер. «Строительство и архитектура», экспресс-информация (ВНИИИС Госстроя СССР, вып. 1 и 2).

10. Рысин С. А. Вентиляционные установки машиностроительных заводов (справочник). М., Машиздат, 1961.

11. СП 40-107-2003 «Свод правил по проектированию, монтажу и эксплуатации систем внутренней канализации из полипропиленовых труб».

12. Добромыслов А. Я., Родин В. Н. Методические рекомендации по расчету канализационных выпусков из зданий. М., ЦНИИЭП ИО, 1977, с. 57.

13. Арутюнян К. Г. Анализ нормативов проектирования сетей водоотведения. Труды АКХ им. К. Д. Памфилова, М., ОНТИ АКХ, 1982, с. 3–20.

14. Добромыслов А. Я. и др. Рекомендации для гидравлического расчета напорных и безнапорных трубопроводов из полиэтиленовых труб. М., СКТБ «Энергопромполимер», 1983, с. 196.

15. Добромыслов А. Я. Парадокс академика Н. Н. Павловского. «Сантехника» («АВОК-ПРЕСС»), 2003, № 6, с. 54–59.

16. Добромыслов А. Я. Таблицы для гидравлических расчетов трубопроводов из полимерных материалов. Том 2. Безнапорные трубопроводы. М., Изд-во ВНИИМП, 2004, с. 127.