Zagadnienie badań sprawności hydraulicznej przewodów wodociągowych

(1)

Z B S Z m i<AJKOV."S POLIIECHTaKI ŚŁĄgKIEJ

Hi*, kol. ₈₀₇

Urszula SZXlttr?A.

Krzysztof SSY;.;AX:Ku

Instytut Inżynierii i technologii •'•ody, Ścieków i Odpadów Politechnika ...laska

z a s a d:~--;^3. b a d a*: c?h a«::o§c i RtDHAUUczaŚJ

pASSiióDul.' '.>'010 71430'.YCK•. - •

Streszczenie: .>' referacie omówiono problem sprawności hydrau

licznej przewodów wodociągowych, przedstawiono metody określania strat hydraulicznych n czynnych przewodach wodociągowych z oceną ich prakty cznej przydatności .1 aparaturę niezb ędną do takich pomia

rów. Szczególną uwagę zwrócono na możliwości badawcze dla określa

nia wielkości oporów miejscowych na armaturze i innych elementach uzbrój ani a.

U wadzenie.

2ebran-o d oświadczenia z eksploatacji przewodów w od o ciążowych wskazuj ą, że wraz z czasem eksploatacji zmianie się ich sprawność i zachodzi konie

czność uwzględniania już r. obliczeni?eh hydraulicznych na etapie projek

towania t-kich czynników,jeksszybkość starzenia rurociągów, wielkość i rodzaj inkruatacjii inny oh. i'iąże się to z brakiem spójności w oblicza

niu czynnych przewodów wodociągowych i przewodów projektowanych.

Prawiekowa ocena rzeczywistej sprawności hydraulicznej czynnych prze

wodów jest możliwa poprzez prowadzenie badań terenowych na sieci, które . w miarę możliwości powinny obejmować cały zakres średnic rurociągów.

Określenie jednak sprawności w oparciu o bezpośredni pomiar oporności właściwej każdego odcinka jest praktycznie niewykonalna. Dotyczy to szczególnie magistralnych przewodów wodociągowych o dużych średnicach.

W tej sytuacji wystarczające musi być objęcie pomiarami tylko pewnej liczby reprezentatywnych odcinków oraz prowadzenie na szerszą skalę ba

dań laboratoryjnych i modelowych głównie w zakresie badania oporów miej

scowych na armaturze i innych elementach uzbrojenia sieci.

2. Sprawność hydrauliczna przewodów wodociągowych.

Sprawność hydrauliczną czynnych przewodów wodociągowych charakteryzu

ją następujące parametry |jl] i - współczynnik oporności właściwej So

/^/

(2)

- współczynnik przepływności właściwej przewodu li

2* 6 V. S g y g r a . K. SłT— rteH

-j==T

_ySo

E®3''8] /2/

D ^ 2 / 3 /

- współczynnik oporów liniowych A h

n ___

ir2

- chropowatoś.ć bezwzględna ścian przewodu k, gdzie: . .

D - Średnica wewnętrzna przewodu J^ncJ,

A h ^ - strata ciśnienia wywołana oporami liniowymi [m.s.wj, L - długość przewodu .£ m] •

<- - średnia prędkość przepływu [m/s] , g - przyspieszenia.ziemskie [a/s ].

Wprowadzenie poj ęcia współczynnika oporności właściwej pozwala na określenie strat hydraulicznych z zależności:

„2

h^ = p' "' . ^ = S o . L • Q / 4 / 2f

gdzie: . ^

<3 - natężenie przepływu [m /s].

Biorąc pod. uwagę, że określenie rzeczywistych strat ciśnienia na poszczególnych elementach uzbrojenia czynnej sieci wodociągowej jest istotnym problemem, istnieje możliwość uwzględnienia ich wielkości jako dodatku do strat liniowych:

h = S o • Q2 /L + ■ L z . / / 5 /

... 1=1 1

gdzie:

lzŁ - długość zastępcza oporów miejscowych

■ ' Eh' - '

, / L - 2 1 /

Odział oporów miejscowych w ogólnym bilansie wielkości strat ciśnienia na danym odcinku może być różny, a często jest pomijany jako rzekomo nieznaczny. Wyjątkowo wielkość oporów miejscowych jest uwzględniana w obliczeniach jako dodatek dó strat liniowych. Yi praktyce okazuje się, że wielkość tego dodatku może wahać się w szerokich granicach 5-30&

w zależności od wielkości przewodu. Wpływ oporów miejscowych na wartość ogólnych strat ciśnienia może być jeszcze większy ze względu na inkrus- tację przewodów i armatury.

Sprawność hydrauliczną eksploatowanego przewodu można ocenić przede wszystkim przez porównanie jego wydajności rzeczywistej z>wydajnością podobnego przaeodu technicznie nowego. Należy jednak wziąć pod uwagę, że wydajność przewodu^jak i jego oporność właściwa są parametrami

(3)

Zagadnienie b a d a ń aprawn oś c l hydraultciniel..

zmiennymi i zależy głównie od taki oh czynników, jakt - właściwości fizyczno-chemiczne i bakteriologiczne wody, - rodzaj materiału przewodu i wykonanie,

- funkcja przewodu w sieci i warunki eksploatacji, - okres eksploatacji przewodu.

Czynniki te w czasie eksploatacji rurociągów prowadzą na skutek zjawiska korozji ścian, inkrustacj i,zarastania osadami do zmniejszenia przekroju poprzecznego z jednoczesnym wzrostem chropowatości bezwzględnej k we

wnętrznych ścian przewodu. Efektem tego zjawiska jest stały wzrost opor

ności właściwej S^,

Podane w pracach jj ,2,4] formuły empiryczne umożliwiają prognoz? zmian takich parametrów, jak: oporność właściwa i przepływność właściwa przewo

dów w czasie eksploatacji. Przykładowo zmianę przepływności przewodu w czasie jego eksploatacji oraz w funkcji chropowatości przedstawiają wykresy /rys. 1,2/.

o. » eo ao *o so eoj o£ qe «> t» to s 4 e » »

i t FieUa^l 1 -Ł LmmrJ

Rys.1. Zależność zmiany prze- Hys.2. Zależność zmiany przępływ- pływności przewodu /Mt) od czasu ności (I.t) dla przewodom o.śród—

j ero eksploatacji ftrSó' ni cech” ' nominalnych 100 mm,

v ' 250 mm i SCO mm.

Dla określenia wartości liczbowych parametrów charakteryzujących spraw

ność hydrauliczną czynnego przewodu wymagany jest bezpośredni lub po

średni pomiar średnicy wewnętrznej .przewodu, prędkości przepły wu wody, ; straty ciśnienia na długości badanego odcinka oraz temperatury przepły

waj ącego czynnika.

3. Metody badań sprawności hydraulicznej .

Metodyka prowadzenia badań sprawności hydraulicznej czynnych przewo

dów wodociągowych została w literaturze naukowej opisana [i,3,4,6j

(4)

2 1 6 U. Szymur«. K. S szczególnie w zakresie badań dotyczących linicwych strat ciśnienia.

Schematy układów pomiarowych stosowanych w takich badaniach zilustrowana rys. 3 [l,3,6].

0 M

r j S ~ ł

n s s s m r

\

a

I M U W W Q*0

¿ . g o - I O O H.

O -SC-HEJMT OL* MCŁtWOHI

WC»OOUrŁO,'t,io o

r u r z*vroiow*»iu k>k*o u

*0 rO«HMUJ rtu - r*rwu.

m m

"Jiwiw

¿»zoo-soocfr

!J HfJ *C-«««*T rŁtt»₀»u W O K J C ^ C O K C O O D , > 1 5 0 m m ww tu oîsot rur »trciu s o h w riîuâj

no ło«i*iu ru,»uotCi

| ,K*,ar iMLwt j

Hys.3. Pomiar oporności hydraulicznej.

eksploatowanego przewodu wodooiągswego.

Ka rys.3aprzedstawiono schemat stosowany dla przewodów o średnicy dn ^ 1 2 5 mm. Badania w tym przypadku wymagają odcięcia na wybranym odcin

ku wszystkich* połączeń domowych, a na końcu odcinka możliwości jego cał

kowitego zamknięcia tak, aby cała przepływająca przez odcinek woda przechodziła przez zainstalowany wodomierz. Za wodomierzem może ponadto być umieszczony zawór regulacyjny dla umożliwienia zmiany natężenia przepływu. Spadek ciśnienia na badanym odcinku mierzony jest za pomocą manometru różnicowego^ przy czym błąd przy pomiarze zależy głównie od rodzaju użytej cieczy manometrycznej i jest tym mniejszyfim większa jest prędkość przepływu w rurociągu.

Rys.3b przedstawia schemat proponowany do stosowania przy pomiarach dokonywaj oh na przewodach o średnicy^! 50 mm. V/ tym jak również w po

przednim przypadku, zachodzi konieczność odcięcia zasuwami wszystkich istniejących odgałęzień na badanym odcinku.

Uatężenia przepływu, niezbędne przy prowadzonych pomiarach, można regulować przez zamykanie zasuwy lub otwieranie hydrantów/zainstalowa

nych poza badanym odcinkiem/.

W opisanej metodyce pomiarów najbardziej uciążliwy jest pomiar śred

nicy wewnętrznej przewodu, gdyż wymaga on albo nawiercenia przewodu w celu wprowadzenia do niego przyrządu pomiarowego, albo odsłonięcia

(5)

J±fi a d o l a pl e b a da ń łpr»« no ic l h y draulicznej

i pobrania próbki przewodu. Istotne zastrzeżenia budzi celowość punkto

wego pomiaru średnicy i próba uogólnienia wyniku na cały badany odcinek.

Pominięcie jednak takiego pomiaru przy określaniu sprawności hydraulicz

nej prowadzi do zawyżenia jej wartości w stosunku do wartości rzeczywis

tych, gdyż średnice wewnętrzne przewodów wodociągowych po wieloletniej - eksploatacji odbiegają często znacznie od wielkości średnic nominalnych.

* -

r

“ ' i

M

■

r

il - i

I

i -

o PO M IA R - W

u rtASLCŁytN IE rO H O M ŁJ

b

PUSŁC»fcNIC PIONOWEJ

^{rOKIAR. W}

Rys.4. Pomiar średnicy wewnętrznej czynnego przewodu wodociągowego.

Ha rys.4 zaprezentowano przyrządy [j ,3^ * które wprowadza się do wnętrza rurociągu przez nawiercony, w jego ściance otwór, nie przerywa

jąc pracy sieci wodociągowej. Pomiaru dokonuje się w płaszczyźnie piono

wy /rys.4b/ przy użyciu sondy z wysuwanymi zaczepami oraz w płaszczyź

nie poziomej /rys.4a/ za pomocą sondy obrotowej. Tam gdzie stwierdza się dużą różnicę między wynikami pomiarów średnicy pionowej i poziomej^

konieczne jest wykonanie wycinka przewodu i laboratoryjne określenie jej rzeczywistej wielkości.

Biorąc jednak pod uwagę, że ilość tak wykonywanych pomiarów na odcinku przewodu /szczególnie dla przewodów o dużej średnicy/ jest ograniczona, to wielkości So, M,

X

nadal obarczone są znacznymi błędami.

Tnns metody określania średnicy^ wewnętrznej czynnych przewodów wodo

ciągowych nie dały dotychczas zadawalających rezultatów.

Do pomiaru prędkości v można stosować sondę piętrzącą [^3] mającą

(6)

220 U. SzTBura. K. SłT— rtflfj na celu oomiar wysokości ciśnienia dynamicznego w osi przekrój a rury «

Schemat stanowiska, zasadę działania sondy oraz metodykę pomiaru przy iei wykorzystaniu przedstawiono w oracy naukowej S.Hie Xc.erzewi.cz a i . k r - [3]'.

<v obrębie niektórych obiektów wodociągowych iló..u armatury • i onnycn- elementów uzbrojenia jest znaczna, nie można mlęc‘ v. obliczeniach pominąć

’wielkości .ich oporów; miejscowych. Z uwagi na trudności w realizacji t; -

¡cieh pomiarów w warunkach palowych,szczególnie tych, które realizować trzeba by było na przewodach o. dużych średnicach /przewody magistr^lie^.

;ażns staje się możliwość przeniesienia tych badań w warunki labbrato- V3 jne.

Ha rys.5 przedstawiono, wariantowy schemat laboratoryjnego stauwir-.kc..

pomiarowo-badawczego [

4

^{] .}

— 1

i

7!

- &

Jł ^{i i}

I 4 ,---J.

W

T

- - m h< § 6

Rys.5. Schemat stanowiska pomiarowo-badawczego armatury instalowanej ha sieciach wodociągowych.

1 - zbiornik naporowy, 2 - odcinek pomiarowy, 3 - zbiornik pomiarowy,

4

- zbiornik hydroforowy, 5 - zbiornik odpływowy, 6 - pompa, 7 - sprężarka, . 8 - ' manometr różnicowy.

. warinacie I proponowany układ pozwala na pracę na stanowisku pomia

rowym, gdy pobór wody następuje ze zbiornika naporowego. V< tym rozwią

zaniu woda rurociągiem zasilającym przepływa przez stanowisko badawcze do zbiornika pomiarowego, który poprzez przelew połączony jest ze'zbior

nikiem dolnym lub z lokalną siecią kanalizacyjną.

•V wariancie II praca na stanowisku pomiarowym może się odbywać w obiegu zamkniętym wody.

Istotne | jest jednak, by badania laboratoryjne stwarzały możliwość

(7)

uogólnienia otrzymanych wyników dla poszczególnych elementów uzbrojenia na elementy o innych parametrach /elementy większe/. W tym względzie koniecznie- jest korzystanie z zasad modelowania przepływów vi mechanice płynów. Dla zobrazowania przydatności pomiarów na stanowisku laborato

ryjnym dla uogólnienia wyników tych badań na elementy o innych parame

trach sporządzono wykres /rys.

6

./ zmienności liczby Eeynoldsa w funkcji prędkości przepływu przez stanowisko.

Z a g a d n i e n i e b a d a ń s p r a w n o ś c i h y d r a u l i c z n e j . .. ^

4, Podsunie» anie i wnioski.

Analiza stosowanych obecnie metod pomiarów sprawności hydraulicznej czynnych przewodów nasuwa wniosek, że z uwagi na uciążliwość prowadze

nia .pomiarów w terenie, konstrukcje stosowanych tam urządzeń powinny być proste w obsłudze i zapewniać maksymalną dokładność wyników.

Względy poznawcze i praktyczne przemawiają za potrzebą, dalszych sze

rokich badań wielkości oporu hydraulicznego, szczególnie tam^gdzie - rurociągi uzbrojone są w szereg specyficznych urządzeń technicznych.

Dotyczy to między innymi rurociągów na terenach eksploatacji górniczej, gdzie oprócz szerokich badań i studiów trzeba wiele obserwacji istnie

jących już rozwiązań.

«7 Instytucie Inżynierii i Technologii Kody, §cieków i Odpadów prowa

dzone są badania mające na celu opracowanie podstaw oceny sprawności hydraulicznej czynnych magistralnych prz ew c-d ów wodociągowy eh, szczegól

nie tych eksploatowanych w warunkach szkód górniczych.

(8)

222

LITERATURA

[i J E.lielcarzemicz - Obliczanie systemów zaopatrzenia w «odę . Arkady, T.’-via 1977 r.

("

2

"] -Z.Lewicki - Obliczanie strat hydraulicznych w przewodach czynnych sieci wodociągowych'-, Zeszyty Naukowe, Inst.Bućown.i Inż.Środowiska V.’SI, nr 51, Zielona Góra, 1973 r.

[

3

J H.Pełka, E.Uielcarzewicz - Aparatura do badania sprawności hydrau

licznej czynnych prze», wodo ciągowych , Prace -Jaukowe Polit.V. rocławs- kiej, nr 12, «irocłam 1971 r.

•[

4

] Praca naukowo-badawcza prowadzona na ..ydziale Inż.Sanitarnej Polit.

Śląskiej - "Badania oporów przepływu i sprawności działania magi

stralnych rurociągów" /niepublikowany' maszynopis/, Gliwice 1983 r.

[jjj Z.Lewicki - "Analiza wpływu zmian temperatury oraz prędkości prze

pływu na wartość współcz.oporność^, i przepływności właściwej prze

wodów wodociągowych" . Inst.Inż i Ochrony Środowiska Polit.'wrocławskiej Komunikat, nr 18, Y.rocław 1973 r.

[jsj E.Iuielcarzewicz, H.Pełka - iietodyka i wstępne wyniki badań prze

pływności przew .wodociągowych , Prace Uaukowe Polit .Wrocławskiej , nr

12

, Wrocław,

1971

^r.

HCCJIĘflOBAEHfl PAEOTH rHH?ABJHHECKH2 BOHOIIPOBO,lŁOB

P e s i) ii e

B paóoTe paccMoipeRH Merona H3uepeHZfi conpoiHBneHK« a lawwe yneatHofi nponyoKofl cnocoóHoctH npoBonoB npa zccaesoBaKaax neacTByamKx BononpoBon- kłdc ceieS h npenciaBJieHa annapaiypa npHMeHHeMaa h j otkx H3uepeHHfi;. Oco- OeHHoe BHHuaKze oOpanieHO Ha b o3m o j£h o c t ł HCCJienoBaHHa BenaRHK MecTHSJZ t h-

apaBjiHRecKHX conpoiHBjieHHfi apiaTypu h npyrax aneuestos oSopyaoBaHza.

t h e p i p e r e s i s t a n c e o f t h e w a t e r-p i p e n e t w o r k . S u m m a r y

Fbe measurement methods of pipe resistance and proper capacity of pi

pes, applied to the testing of active water-pipe network and the appara

tus used to these measurements have been discussed in the work. The Authors noticed Tesearch possibilitie to qualify values of local resistance of flow in fittings.