ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ
Гидравлическому сопротивлению трубопроводов систем горячего водоснабжения до настоящего времени не уделялось должного внимания. Между тем гидравлический расчет этих систем имеет более серьезное значение, чем расчет трубопроводов холодного вододоснабжения, и ошибки в определении сопротивления трубопроводов приводят не только к перебоям в подаче воды потребителям (как и в холодном водоснабжении), но и к разрегулировке циркуляционного расхода воды и ее остыванию в удаленных от источника нагрева частях системы. В результате происходят сбросы остывшей воды потребителями в систему канализации и увеличивается суточная норма водопотребления в некоторых случаях до 1100—1200 л/чел. в сутки (комфортная норма общего водопотребления составляет 280 л/чел. в сутки). Потери тепла в системах горячего водоснабжения при этом могут достигать 20—25 % производительности водонагревателя (см. табл. 7.3, данные канд. техн. наук JI. А. Шопенского).
Гидравлический расчет трубопроводов систем горячего водоснабжения осложняется из-за меняющихся в процессе эксплуатации внутреннего (расчетного) диаметра dp и качества внутренней поверхности (шероховатости) труб. Специальные исследования динамики изменения этих параметров дают основание для вывода о том, что в первые 2—4 месяца эксплуатации идет весьма интенсивный процесс равномерного зарастания сечения трубопроводов карбонатными отложениями. В этот период увеличение сопротивления трубопроводов при постоянном расходе воды связано именно с уменьшением их расчетного диаметра. Шероховатость внутренней поверхности трубопроводов увеличивается по сравнению с шероховатостью новых труб, но превалирующее влияние на увеличение сопротивлений оказывает все же уменьшение расчетного диаметра. При дальнейшей эксплуатации трубопроводов процесс уменьшения их расчетного диаметра резко замедляется, но на равномерной поверхности карбонатных отложений образуются неровности, так что шероховатость и, следовательно, величина сопротивления трубопроводов продолжают расти. В этот период превалирующее влияние на величину сопротивлений оказывает шероховатость внутренней поверхности труб. Можно полагать, что через 3—4 года эксплуатации этот процесс практически прекратится и величина сопротивлений стабилизируется.
Эти выводы сделаны на основе исследований 84 образцов оцинкованных и неоцинкованных стальных труб, вырезанных из двадцати различных систем горячего водоснабжения от различных водопроводных станций и расположенных в разных районах Москвы. Средний срок эксплуатации этих систем 96 мес. Образцы вырезали из различных частей системы: стояков, полотенцесушителей, квартирных подводок к санитарно-технической арматуре, подвальных и уличных магистралей.
Живое сечение трубы вычисляли по внутреннему объему образца, который измеряли на специальном стенде. Объем образца принимали равным объему воды, заливаемой в этот образец на стенде. Среднюю площадь сечения образца находили путем деления его объема на его длину, а по площади вычисляли средний диаметр. Величину зарастания труб определяли как разность между первоначальным диаметром новой трубы и ее диаметром после зарастания. В результате статистической обработки результатов установлено, что среднее уменьшение диаметра Ad оцинкованных труб составляет 2,6 мм, черных труб — 3,9 мм. Максимальные значения Ad для оцинкованных труб составили 6—10 мм, для черных труб 12—15 мм. Условная толщина отложений в оцинкованных трубах в среднем в 1,5 раза меньше, чем в черных. В разных элементах системы толщина отложений различна. Наибольшие отложения образуются в магистралях системы и на горизонтальных участках квартирных подводок, наименьшие— в вертикальных трубопроводах стояков. Зарастание подающих трубопроводов системы приблизительно в два раза больше, чем циркуляционных.
Анализ полученных данных позволяет утверждать, что зарастание труб систем горячего водоснабжения происходит в результате коррозии и осаждения из воды взвешенных частиц карбоната кальция, образующегося при нагреве воды. Под слоем отложений протекает усиленная коррозия трубы вследствие неравномерной аэрации ее участков. Даже цинковое покрытие труб иногда оказывается недостаточно эффективным, и трубопроводы системы приходится заменять через 1—3 года эксплуатации.
Очевидно, что процесс зарастания труб зависит от многих параметров, среди которых важнейшими являются физико-химический состав исходной воды, наличие или отсутствие ее обработки, режим эксплуатации и тип системы, вид труб и т. д. Поэтому можно полагать, что расчетный коэффициент эквивалентной шероховатости k9 будет иметь разное значение для различных систем горячего водоснабжения.
Удельную потерю напора на трение i в прямолинейном трубопроводе традиционно определяют по формуле Дарси-Вейсбаха:
Расчетная формула СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения», являющаяся аппроксимацией формул ВНИИ ВОДГЕО, также не учитывает изменения коэффициента шероховатости трубопроводов.
Наиболее достоверной формулой для определения коэффициента Я является формула Колбрука-Уайта:
Ее основное неудобство при повседневных расчетах заключается в необходимости выполнения нескольких итераций для определения одного значения Я, так как этот коэффициент входит в левую и правую части уравнения (7.27).
Аппроксимацией формулы (7.27) при &э0,15 мм является зависимость, позволяющая определять коэффициент Я с первого счета
В квадратичном режиме течения, когда коэффициент Я становится независимым от Re, а 5=2, формула (7.28) переходит в известную формулу Прандтля
Из формулы (7.29), в частности, следует, что прогнозировать величину dp с учётом зарастания трубы невозможно, если принимать ft3=const. Кроме того, она наглядно демонстрирует увеличение коэффициента % в процессе эксплуатации трубопровода: с течением времени, как установлено, уменьшается величина dp и увеличивается k9. Значения kp приводятся в справочной литературе по гидравлическим расчетам и для сильно заржавленных или с большими отложениями стальных труб (каковыми являются трубы горячего водоснабжения) могут достигать 3—4 мм. Попытка экспериментального определения трубопроводов подающих магистралей была предпринята МНИИТЭП 10 лет назад в Московском микрорайоне Вешняки-Владычино путем стандартного измерения гидравлических сопротивлений участков диаметрами 150—50 мм, находившихся в эксплуатации 5—8 лет. Результаты измерения коэффициента А в 5—8 раз превысили их расчетные значения при kp= 1 мм. Расчетные (на основании результатов этих экспериментов) величины kp значительно превышают их справочные значения и достигают 20—22 мм.
Кроме указанных, измерения коэффициента А были выполнены также на парнозакольцованных стояках dy=25JiM и dy—32 мм 9-этажных жилых домов через 47 мес эксплуатации (на первом) и через 12, 24 и 96 мес эксплуатации (на втором). Стояки имеют полотенцесушители, установленные по проточной схеме.
Более точные рекомендации по гидравлическому расчету как стояков, так и магистралей горячего водоснабжения будут получены после дополнительных исследований. Очевидно, что эти исследования следует выполнять на натурных объектах, так как в лабораторных условиях весьма сложно моделировать параметры, влияющие на зарастание трубопроводов. Проведение таких исследований по стандартной схеме связано с определенными трудностями, а поэтому нуждается в упрощении.
В настоящее время не представляет трудностей измерение с помощью профилографа величины параметров абсолютной шероховатости внутренней поверхности труб из различных материалов. В частности, в Ленинградском институте инженеров железнодорожного транспорта (ЛИИЖТ) разработана методика таких измерений, которая широко испытана на трубах из различных материалов и включена в Государственный стандарт 12586-83 «Трубы железобетонные напорные виброгидропрсссованные».
Одними из параметров физической шероховатости материала является интегральная высота неровностей профиля Ra и вертикальная характеристика шероховатостей Rz, являющаяся средней величиной из замеров десяти соседних выступов шероховатости.
По исследованиям, выполненным под руководством проф. В. С. Дикаревского, между параметрами Ra и Rz существует следующая линейная зависимость:
Впредь до получения достоверных расчетных данных гидравлический расчет систем горячего водоснабжения следует производить в соответствии с требованиями СНиП 2.04.01-85 «Внутренний водопровод и канализация зданий», а также по табл. 1, 2 прил. 6.
