Строительство на Севере. Компенсация тепловых потерь в водоводах энергией гидродинамического трения. Незамерзающая арматура

Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет

СТРОИТЕЛЬСТВО НА СЕВЕРЕ Компенсация тепловых потерь в водоводах энергией гидродинамического трения. Незамерзающая арматура Учебно-методическое пособие Электронное издание

Красноярск СФУ 2012 1

УДК 628.1.004.2(07) ББК 38.761.1я73 С863 Составитель: В.К. Витер С863 Строительство на Севере. Компенсация тепловых потерь в водоводах энергией гидродинамического трения. Незамерзающая арматура: учеб.метод. пособие [Электронный ресурс] / сост. В.К. Витер. – Электрон. дан. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. – Систем. требования: PC не ниже класса Pentium I; 128 Mb RAM; Windows 98/XP/7; Adobe Reader V8.0 и выше. – Загл. с экрана. В учебно-методическом пособии приводятся задание к курсовой работе, краткие методические указания по ее выполнению, приложения с необходимыми справочными материалами, а также библиографический список, из которого студенты выбирают себе необходимые пособия самостоятельно, или получив соответствующую консультацию у преподавателя. Предназначено для студентов специальности 270112.65 «Водоснабжение и водоотведение». УДК 628.1.004.2(07) ББК 38.761.1я73 © Сибирский федеральный университет, 2012 Учебное издание Подготовлено к публикации редакционно-издательским отделом БИК СФУ Подписано в свет 15.05.2012 г. Заказ 7655. Тиражируется на машиночитаемых носителях. Редакционно-издательский отдел Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79 Тел/факс (391)206-21-49. E-mail [email protected] http://rio.sfu-kras.ru

2

1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ Студенты специальности «Водоснабжение и водоотведение 270112.65» по дисциплине «Строительство на Севере» выполняют курсовую работу «Компенсация тепловых потерь в водоводах энергией гидродинамического трения. Незамерзающая арматура». В данном учебно-методическом пособии приводятся задание к курсовой работе, краткие методические указания по ее выполнению, приложения с необходимыми справочными материалами, а также библиографический список, из которого студенты выбирают себе необходимые пособия самостоятельно, или получив соответствующую консультацию у преподавателя. Целью работы является подготовка будущих специалистов в области водоснабжения и водоотведения, владеющих вопросами специфики водоснабжения и водоотведения на Севере в условиях экстремально низких температур и вечной мерзлоты. Особое внимание уделено тепловым режимам водопровода и защите их от замерзания, а также устройству, принципу действия и особенностям эксплуатации различных конструкций незамерзающей арматуры в зависимости от варианта задания. При этом закрепляются знания, способствующие рациональному использованию ресурсов в системах водоснабжения и водоотведения, минимизированию непроизводительных затрат энергетических ресурсов и повышению энергоэффективности систем, обеспечивающих бесперебойное функционирование водоснабжения и водоотведения в условиях Северной строительно-климатической зоны. 2. СОСТАВ КУРСОВОЙ РАБОТЫ Студенты специальности «Водоснабжение и водоотведение 270112.65» по дисциплине «Строительство на Севере» выполняют курсовую работу «Компенсация тепловых потерь в водоводах энергией гидродинамического трения. Незамерзающая арматура». 2.1. Данные для проектирования Варианты задания для каждого студента представлены в табл. 1 Вариант

Материал водопровода

Диаметр, м

Тем пература воды, 0 С

Температура воздуха, 0 С

3

термическое сопротивление изоляции, м0С/Вт

КПД насоса

Таблица 1 Дли- Уд.сопр отивлена водо ние трувода, бопровода м (для Q в м3/с)

1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

2 3 5 6 7 8 сталь 200 8 -20 0,2 0,72 3800 сталь 400 6 -25 0,3 0,64 4200 чугун 300 8 -30 0,5 0,62 6000 сталь 400 6 -24 0,75 0,67 3000 чугун 300 8 -28 0,3 0,8 5000 сталь 200 6 -31 0,5 0,72 3800 чугун 600 8 -28 0,3 0,64 4200 сталь 200 8 -29 0,2 0,62 6000 чугун 300 6 -34 0,6 0,67 5200 сталь 400 8 -31 0,75 0,8 3900 сталь 600 6 -22 0,45 0,72 4100 сталь 300 6 -27 0,5 0,64 5500 чугун 200 8 -28 0,3 0,62 6200 сталь 400 6 -29 0,75 0,8 4800 сталь 300 8 -30 0,5 0,8 3900 чугун 400 6 -21 0,3 0,72 4300 сталь 300 8 -26 0,6 0,64 4400 сталь 300 6 -25 0,4 0,62 4500 сталь 400 8 -21 0,2 0,72 3900 сталь 200 6 -26 0,75 0,62 5200 чугун 400 8 -25 0,3 0,8 5600 сталь 300 6 -21 0,2 0,72 5700 сталь 400 6 -27 0,4 0,64 4100 чугун 200 8 -31 0,75 0,8 4600 сталь 300 8 -20 0,2 0,72 5900 сталь 200 6 -25 0,6 0,62 4800 сталь 200 8 -26 0,3 0,72 5800 чугун 400 6 -34 0,75 0,64 3800 Номер варианта студент получает по указанию преподавателя.

9 6,959 0,1859 0,9485 0,1859 0,9485 6,959 0,02262 6,959 0,9485 0,1859 0,02262 0,8466 8,092 0,1859 0,8466 0,2189 0,8466 0,8466 0,1859 6,959 0,2189 0,8466 0,1859 8,092 0,8466 6,959 6,959 0,2189

2.2. Объем и состав курсовой работы Курсовая работа выполняется в виде пояснительной записки на листах А4. Расчетно-пояснительная записка содержит следующие разделы: 1. Титульный лист 2. Содержание 3. Раздел I. Введение 4. Раздел II. Подогрев воды в водоводах теплотой гидродинамического трения. 5. Раздел III. Незамерзающая арматура. 4

6. Библиографический список Курсовая работа оформляется в соответствии требованиям Стандарта СФУ «Проекты дипломные и курсовые. Общие требования к оформлению». СТО 05055017 – 022 – 2006. В содержании представляются основные разделы работы, завершая библиографическим списком. В разделе I «Введение» дается описание проблем строительства и эксплуатации водоводов в районах Крайнего Севера, связанные с наличием вечномерзлого грунта и сурового климата; описание мер, повышающих сохранность водоводов от замерзания; способы подогрева воды с целью компенсации тепловых потерь, включая подробное описание подогрева воды теплотой гидродинамического трения и греющим электрическим кабелем. В разделе II «Подогрев воды в водоводах теплотой гидродинамического трения» представляется следующее: 1. Описание проблем строительства и эксплуатации водоводов в районах Крайнего Севера. 2. Расчетная часть курсовой работы по определению оптимальной скорости движения воды в водоводе с конкретными параметрами, заданными соответствующим вариантом исходных данных. Расчеты представляют для всех трех режимов согласно заданию. 3. Построение графических зависимостей удельных энергий транспортировки воды по водоводу и теплоты, выделяющейся при гидродинамическом трении воды в водоводе. Графики строятся совмещенными для всех трех режимов в масштабе, позволяющем представить существенные различия графической интерпретации каждого из режимов. 4. Выводы о влиянии на энергоэффективную оптимальную скорость движения воды в водоводе в условиях низких отрицательных температур при надземной прокладке коэффициента полезного действия насоса и величины температуры наружного воздуха. В разделе III «Незамерзающая арматура» должны быть представлены чертежи или эскизы конструкций, устройства и принципы действий незамерзающей сетевой арматуры, включая следующие: 1. Незамерзающий выпуск воды. 2. Незамерзающий автоматический аэрационный клапан. 3. Незамерзающая водоразборная колонка с краном 4. Незамерзающее устройство водоразбора из водовода 5. Устройство защиты водовода от замерзания греющим электрическим кабелем В последнем разделе приводится библиографический список использованных источников, включая обязательный перечень, предложенный преподавателем.

5

Оформление графической части рекомендуется с использованием персонального компьютера в системе «Автокад».Исполнение надписей и графическое оформление чертежей следует производить в соответствии с ГОСТ 21.60482 «Водоснабжение и канализация. Наружные сети. Рабочие чертежи». 3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ 3.1. Общие рекомендации Выполнение данной курсовой работы предполагает развитие навыков творческого инженерного мышления в подходах к вопросам проектировании, эксплуатации и реконструкции инженерных сетей в Северной строительноклиматической зоне. При разработках проектов водоснабжения или реконструкций водопроводов с применением незамерзающих технологий прокладки и устройств на сетях следует иметь в виду, что основное их применение предназначено для районов Крайнего Севера при наземной прокладке трубопроводов. Запатентованная в СФУ (проф. А.В. Лютов, проф. Б.Ф. Турутин) идея незамерзающих устройств путем теплообмена от набегающего потока воды в трубе показала на практике высокую работоспособность и надежность, благодаря необычайной простоте конструкции, отсутствию поплавковых механизмов и зон с неподвижной жидкостью. Однако для промышленного внедрения на сетях конструкции требуют тщательной отработки отдельных узлов и их взаимодействия. В частности, выбору оптимальных материалов для мембраны и клапана, компенсации гидравлических потерь при обтекании вертикально расположенного цилиндрического корпуса поперек сечения водовода, доработке, к примеру, аэрационного клапана на предмет не только автоматического впуска воздуха при опорожнении водовода, но и автоматического выпуска воздуха при его заполнении. Перечисленные нерешенные конструктивные вопросы должны стимулировать студента при выполнении работы к пониманию проблем и творческому поиску их решения. 3.2. Определение оптимальной скорости движения воды в водоводах надземной прокладки с целью компенсации тепловых потерь энергией гидродинамического трения В данном разделе студент представляет теоретические основы расчетов компенсации тепловых потерь водовода надземной прокладки энергией гидродинамического трения, которой соответствует оптимальная скорость движения воды в водоводе с учетом диаметра трубопровода, его материала и примененной теплоизоляции, а также средней температуры воды в водоводе и темпера-

6

туры наружного воздуха. Теоретические основы расчета оптимальных скоростей движения в водоводах надземной прокладки представлены в [6] и в прил 1. В разделе должны быть отражены следующие подразделы: • Технико-экономический анализ компенсации тепловых потерь энергией гидродинамического трения. • Теоретическое обоснование расчета баланса удельной энергии на подачу воды и удельной энергии восполнения тепловых потерь путем подогрева от гидродинамического трения. • Нахождение оптимальных расходов и скоростей течения воды в водоводе. • Графическая интерпретация баланса энергий транспортировки и подогрева потока в точке пересечения кривых зависимостей энергий. Пояснение рабочих зон на графике слева и справа от точки баланса. 3.3.

Описание конструкции примененного устройства, принцип действия

В данном разделе следует представить в графическом виде схему примененного устройства и дать описание конструкции, перечислив все основные узлы и детали, необходимые для функционирования. После этого приводится описание принципа действия. В качестве помощи в составлении данного раздела материала удобно воспользоваться материалом, представленным в [1 – 5,11] и прил. 2.

7

Приложение 1 Теоретические основы расчета компенсации тепловых потерь водовода надземной прокладки энергией гидродинамического трения Потери тепла в водоводах при надземной прокладке при низких отрицательных температурах окружающего воздуха можно компенсировать теплом, образующимся в результате гидравлических потерь при сопротивлении движущейся воды в трубопроводе с определенной скоростью. Наименьшая мощность насоса, подающего воду, определяется балансом энергии подачи воды и энергии гидродинамического трения, которая восполняет потери тепла воды в наружный воздух. а) Удельный расход энергии на подачу воды Предположим, что водовод проложен горизонтально, геометрического подъема нет, тогда расход электрической энергии, требуемой для работы насоса, выразится qhρ , кВт, (1) где q – расход воды, м3/с; h – напор насоса на преодоление гидравлического сопротивления трубопровода, м; ρ – плотность воды, кг/м3; η – коэффициент полезного действия насоса. Потери напора в водоводе вследствие гидравлических сопротивлений трубопровода можно определить выражением (2) А где А – удельное гидравлическое сопротивление трубопровода для расхода воды, м3/с; l – длина водовода, м; q – расход воды, м3/с. Подставим в формулу (1) значение напора насоса h из выражения (2): . (3) Удельная энергия, отнесенная к кубическому метру поданной воды уд =

l

8

, кВт. (4)

Обозначим

= а, тогда удельная энергия на подачу воды уд.под.

а

, кВт.

(5)

б)Удельный расход энергии на подогрев воды за счет гидродинамического трения Потери тепла, отнесенные к единице объема воды ·

тепл.пот.

где θ =

ср

, вКт/м , (6)

воз ,

средняя температура воды в водоводе, 0С; температура атмосферного воздуха, 0С; воз R – термическое сопротивление тепловой изоляции, м·0С/Вт. ср

Обозначим

= b.

Тогда удельные тепловые потери

уд.тепл.пот. =

.

Указанные удельные тепловые потери приравняем к удельным величинам нагрева воды уд.нагр. =

.

(7)

в)Баланс энергий подачи и подогрева воды Таким образом, получаем два уравнения, определяющие гидравлические (подачи) и теплотехнические процессы (нагрева) в системе «насос – водовод»: уд.под.

При равенстве

уд.под.

уд.нагр.

а q=

а

а

,

уд.нагр. =

.

получаем = , откуда

.

(8)

9

Полученный расход по формуле (8) будем считать оптимальным. Обозначим его опт. При таком расходе тепло гидродинамического трения как раз восполняет тепловые потери водовода. Подставив в формулу (8) значения b и а, получим следующее выражение оптимального расхода в водоводе , или

опт

опт

,

.

(9)

Оптимальная скорость движения воды в водоводе для каждого конкретного трубопровода диаметром D, м выразится формулой опт

,

, м/с.

(10)

в) Пример расчета оптимального расхода воды в водоводе надземной прокладки при низких отрицательных температурах окружающего воздуха Исходные данные. Водовод из стальных труб внутренним диаметром 800 мм толщиной стенки 10 мм и длиной 4600 м проложен невысоко от поверхности земли на лежневых опорах. Температура воды в начале водовода +8 0С, в конце +4 0С; температура атмосферного воздуха -32. 0С. Насос имеет коэффициент полезного действия: гидравлический ηг = 0,89; механический ηм = 0,92; объемный ηо = 0,90. Требуется: 1. Выбрать материал и предложить конструкцию тепловой изоляции так, чтобы она имела термическое сопротивление Rиз = 0,22 м·0С/Вт. 2. Построить рабочий график функций уд.под. а , уд.нагр. = . 3. Определить величины опт , опт , уд.под. , уд.нагр. , представить их в графическом виде. 4. Показать на другом графике, как изменятся величины опт , опт , 0 уд.под. , уд.нагр. , если температура атмосферного воздуха понизится до -45 С при ветре 20 м/с. 5. Показать на отдельном графике, как изменятся величины опт , опт , уд.под. , уд.нагр. , если коэффициент полезного действия насоса повысится до η = 0,85. Решение. 1. Примем толщину слоя изоляции σ = 40 мм, тогда внешний диаметр изоляции на трубе с учетом ее толщины составит 800 мм +2·10 мм + 2·40 мм = 900 мм. 10

Коэффициент теплопроводности изоляции находим из выражения из внут

λиз.

из

, Вт/м·0С,

где из - диаметр трубы с изоляцией, из 900 мм; внут - внутренний диаметр трубы, внут = 800 мм; из - термическое сопротивление изоляции, из = 0,22 м·0С/Вт. После подстановок получаем λиз.

0,072Вт/м·0С.

,

По справочнику принимаем материал теплоизоляции – войлок с λиз. = 0,05 Вт/м·0С, то есть принят теплоизоляционный материал с большим термическим сопротивлением. 2.

Для нахождения функций

значения а и b. а =

, где А

а

уд.под.

и

уд.нагр. =

определяем

удельное гидравлическое сопротивление для

внутреннего диаметра трубопровода 800 мм составляет А = 0,005514 [11]. Находим общий коэффициент полезного действия насоса η = ηг·ηм·ηо; η = 0,89·0,92·0,90 = 0,74; а= уд.под.

а

опт ;

вод

qопт = уд.под.

а

;

уд.нагр. =

= 0,073;

,

0,073 4600

уд.под.

b=

,

а

возд

;

=

, ,

; qопт =

уд.под.

опт .

= 0,173. = 1,33 м3/с.

,

0,073 4600 1,33 = 596,7 кВт

уд.нагр. =

11

, ,

= 596,7 кВт.

3. а

и

Для построения графической зависимости функций уд.нагр. =

уд.под.

составим табл. 2. Таблица 2

q, м/с уд.под.

0,4 54

0,6 121

0,8 171

1,0 335

1,2 484

1,4 657

1,6 857

1,8 1085

1991

1327

995

795

663

568

496

442

а уд.нагр. =

Рис. 1. График функций 4.

а

уд.под.

,

уд.нагр. =

.

Температура атмосферного воздуха понизилась до -450С, а = 0,073; ср

опт = ,

возд

,

=

,

= 0,23;

опт

= 2,93 м/с.

12

, ,

=

3,15 = 1,47 м3/с;

Для построения графика (рис. 2) составим табл. 3

Таблица 3 q, м/с уд.под.

0,4 54

0,6 121

0,8 171

1,0 335

1,2 484

1,4 657

1,6 857

1,8 1085

2645

1763

1322

1058

882

756

661

587

а уд.нагр. =

Рис. 2. График функций

а

уд.под.

,

уд.нагр. =

.

5. На насосной станции заменены насосы на современные более эффективные с коэффициентом полезного действия η = 0,85. В этом случае изменится значение величины а, в то время как величина b останется прежней, b = 0,173. Произведем численные операции. а

опт

, ,

0,005514 1000 102 0,85

√2,72

1,396;

0,0636; ,

опт

,

2,78 м/с.

Для построения графика (рис. 3) составим табл. 4 3

q, м /с уд.под.

0,4 47

0,6 105

0,8 187

1,0 292

1,2 420

1,4 573

1,6 749

Таблица 4 1,8 948

1991

1327

995

795

663

568

496

442

а уд.нагр. =

13

Рис. 3. График функций

уд.под.

а

,

уд.нагр. =

Для сравнения значений основных параметров qопт и vопт в зависимости изменений температуры наружного воздуха, коэффициента полезного действия насоса cведем данные по трем рассмотренным режимам в табл. 5. Таблица 5 Режим I II III

Разность КПД η Rиз, температур м·0С/Вт. θ 380 0.74 0.22 0 51 0.74 0.22 0 38 0.85 0.22

qопт , м3/с 1.33 1.47 1.40

опт

м/с

2.65 2.95 2.78

Как видно из сравнений, наиболее значимым для затрат энергии на компенсацию потерь тепла водоводом надземной прокладки при низких отрицательных температурах является изменение температуры окружающего наружного воздуха.

14

Приложение 2 Краткое описание особенностей эксплуатации водоводов в условиях Севера. Основные пути инженерной защиты от замерзания Сложные природные условия Севера накладывают особые условия защиты водоводов от замерзания. Традиционная водопроводная арматура, включая водоразборные, запорно-регулирующие и предохранительные устройства, в условиях эксплуатации при отрицательных температурах не приемлемы. В настоящее время в районах Севера большое распространение получила надземная прокладка водоводов. Водоводы в зимнее время интенсивно теряют тепло в окружающее пространство. Наиболее сложной является проблем защиты водопроводных линий от замерзания. Решение задачи нормальной эксплуатации водовода сводится к систематическому восполнению тепловых потерь при нормальном гидравлическом режиме водопровода. К основным мерам, повышающим сохранность водопроводов от замерзания, относятся: - снижение тепловых потерь водоводов; - установка средств подогрева воды в местах подачи ее в трубопроводы; - обеспечение непрерывного движения воды в трубопроводах; - установка на водопроводных линиях незамерзающего оборудования; - обеспечение водоводов автоматической защитой от замерзания. В зависимости от конкретных условий применяются различные сочетания указанных способов. Снижение тепловых потерь трубопроводов достигается покрытием трубопроводов эффективной теплоизоляцией существенно замедляющей теплопотери в окружающую среду. Естественным высокоэффективным теплоизолятором является снег. Наличие снежного покрова значительно сокращает теплопотери трубопроводов, увеличивая время замерзания воды в водопроводной сети при авариях до нескольких суток. Подогрев воды, ввиду его большой стоимости, всегда должен быть обоснован в каждом конкретном случае технико-экономическими расчетами. Применяются следующие способы подогрева воды: - теплой водой из оборотных циклов промышленных предприятий; - от местных котельных или бойлерных установок; - электрическими нагревателями; - теплотой гидродинамического трения. Подогрев воды теплотой гидродинамического трения заключается в подборе такой оптимальной скорости движения воды, при которой тепловые потери водовода при данной температуре воздуха восполнялись бы теплом гидродинамического трения. При этом суммарный удельный расход электроэнергии на работу насосов и нагревателей будет минимальным.

15

Приложение 3 Незамерзающая арматура 1.

Незамерзающий выпуск воды

Конструкция выпуска воды представлена на рис. 4. Компактность конструкции достигнута за счет параллельного размещения узлов и их совмещения в одном корпусе. В данном устройстве уплотнение шпинделя и ходовая гайка размещены внутри корпуса. Устройство конструкции. В трубопровод 1 установлен выпуск сбоку. Корпус 2 выпуска представляет полый цилиндр, совмещенный с седлом 3. Клапан 4 имеет мягкое уплотнение, соединен шарнирно со шпинделем 5 накидной гайкой. В стакане 6 размещены уплотнение шпинделя 7 и приводная гайка 8. Между корпусом и стаканом образована кольцевая полость, по которой подается вода к сбросному патрубку 9. Корпус выпуска, как и трубопровод, покрыт тепловой изоляцией. 1

5

7 8

4

3 Граница льда

6 9

Рис. 4. Незамерзающий выпуск воды 1 – трубопровод; 2 – корпус выпуска; 3 – седло клапана; 4 – клапан; 5 – шпиндель; 6 – стакан; 7 – уплотнение шпинделя; 8 – приводная гайка; 9 – сбросной патрубок Принцип действия. При выкручивании шпинделя 5 клапан 4 отходит от седла, открывая затвор. После закрытия выпуска вода из корпуса 2 стекает наружу, что предотвращает перемерзание выпуска.

16

Описанный выпуск можно использовать в качестве пожарного гидранта в случаях оледенения водопроводных труб. Выпуск воды в данной конструкции сохраняется при оледенении внутренних стенок водовода до 50% площади сечения трубы. 2.

Незамерзающий автоматический аэрационный клапан

Конструкция клапана обеспечивает автоматический впуск большого количества воздуха в водовод при понижении в нем давления ниже атмосферного в случае опорожнения трубопровода, а также выпуск воздуха их водовода при его заполнении водой. Устройство клапана представлено на рис. 5. В цилиндрическом стальном корпусе 1 размещены трубы 2 с патрубком 3. Концы труб проходят вниз через стенку корпуса и приварены снаружи. Мягкое уплотнение 4 прикреплено к поплавку 5. В трубке поплавка имеется отверстие 6, а в поплавке каналы 7. Отверстия и каналы вместе со стержнем 8 являются элементами гидравлического тормоза. Для удаления воды из поплавковой камеры служит сифон 9. Клапан с поплавком, поплавковая камера с сифоном размещены в ядре сечения корпуса. Поплавковая камера состоит из дна 10 и стенок 11, в плане имеет обтекаемую форму. Сверху камера открыта. Принцип действия заключается в следующем. Когда в трубопроводе и в поплавковой камере нет воды, поплавок 5 занимает нижнее положение, опираясь на стержень 8. При заполнении трубопровода водой воздух выходит через патрубок 3 и трубы 2 в атмосферу. Вода, достигнув уровня верха поплавковой камеры, заполняет ее. Поплавок с клапаном поднимается и закрывает проходное отверстие. При опорожнении трубопровода поплавок опускается вниз, а воздух по трубам 2 поступает в трубопровод. Во время снижения уровня воды начинает функционировать сифон, освобождая поплавковую камеру и трубопровод от воды. Поплавок с клапаном занимают при этом свое нижнее положение. Образование льда на внутренней поверхности корпуса не препятствуют работе клапана, пока граница льда не пересечет поплавковую камеру снизу. Трубы 2 и перемычка между ними всегда свободны от воды, поэтому в них не может быть льда. Данное устройство работоспособно при оледенении трубопровода изнутри до 50% сечения трубопровода. Автоматический незамерзающий аэрационный клапан данной конструкции может устанавливаться на водоводах любого вида прокладки: надземной, подземной, канальной.

17

1

I

7

3

4 5 11

9

10 8

9

2 6

Рис. 5. Незамерзающий аэрационный автоматический клапан 1 – цилиндрический корпус; 2 - труба; 3 - патрубок; 4 – мягкое уплотнение; 5 - поплавок; 6 - отверстие; 7 - канал; 8 - стержень; 9 - сифон; 10 – дно поплавковой камеры; 11 – стенка поплавковой камеры 3.

Незамерзающая водоразборная колонка с краном

Колонка предназначена для установки ее при тупиковой схеме питающего водопровода и продолжительном отсутствии водоразбора. Устройство водоразборной колонки. Схема устройства в разрезе представлена на рис. 6. Колонка содержит корпус 1, размещаемый над поверхностью грунта верхней частью, в слое сезонного промерзания средней частью и в зоне талого грунта нижней частью. Водоразборный кран размещен торцом в пространстве корпуса колонки. Надземная часть корпуса защищена от перемерзания термоизоляцией 3. В корпусе размещено устройство 4 в виде цилиндрического стояка, расширенного книзу и заполненного незамерзающей жидкостью. Для разделения конвективных потоков жидкости устанавливается труба 5. Подводящий трубопровод 6 проложен ниже отметки нулевой изотермы. Расширенная часть устройства 7 непосредственно соприкасается с талым грунтом. Примером незамерзающей жидкости, заполняющей устройство конвективного теплообмена, может служить керосин, не замерзающий при самой низкой температуре, возможной в атмосфере, хорошо сохраняющий текучесть. В пользу керосина служит и тот факт, что при колебаниях температуры ин изменяет плотность в прямолинейной зависимости, металлические поверхности труб, соприкасающиеся с керосином, не подвержены коррозии. 18

2 3

1 4

Слой сезонного промерзания

5 6

Талый грунт 7

Рис. 6. Незамерзающая водоразборная колонка 1 - корпус; 2 – водоразборный кран; 3 - термоизоляция; 4 – цилиндрический стояк; 5 – труба разделительная; 6 – подводящий трубопровод; 7 – расширенная часть колонки В колонке используют специально разработанный водоразборный кран, устройство которого представлено на рис. 7. Кран устроен следующим образом. В цилиндрическом корпусе крана размещена эластичная диафрагма 9, взаимодействующая с клапаном 10 в закрытом положении и цилиндрическим штоком 11. Клапан установлен в стояке на величину более диаметра корпуса водоразборного крана. Цилиндрический шток выполнен пустотелым, имеет входные отверстия 12, сливной патрубок 13 и взаимодействует с рукояткой управления 14. На конце штока установлена пружина 15 и стопорная гайка 16. Граница возможного оледенения при прекращении водоразбора в зимнее время показана пунктирной линией 17. Устройство водоразборного крана работает следующим образом.

19

При нажатии на рукоятку управления 14 пустотелый цилиндрический шток 11 переместится так, что отверстия 12 попадают в канал цилиндрического штока 11 и, пройдя сливной патрубок 13, выливается наружу. После прекращения нажима на рукоятку управления цилиндрический шток под действием пружины и сил давления на клапан займет исходное положение. В таком положении в водоразборном кране нет воды. Стопорная гайка позволяет при необходимости отключить кран прижатием клапана к седлу. Усилия от рукоятки управления воспринимаются корпусом крана, на шток передаются лишь силы вдоль его оси, что исключает появление изгибающих моментов и обусловливает стабильную работу водоразборного крана. 8 17

12

14

10 9

11

15

13

16

Рис. 7. Водоразборный кран 8 - термоизоляция; 9 – эластичная диафрагма; 10 - клапан; 11 – цилиндрический шток; 12 - входные отверстия; 13 –сливной патрубок; 14 – рукоять управления; 15 - пружина; 16 - тарелка пружины; 17- граница оледенения Устройство незамерзающей водоразборной колонки работает следующим образом. Во время водоразбора происходит процесс аккумуляции тепла в корпусе устройства, в грунте вокруг колонки увеличивается объем оттаявшего грунта, повышается его температура. Если в зимнее время прекращается водоразбор, то тепловые потери восполняются аккумулированным теплом. При продолжительном отсутствии водоразбора в зимнее время вода в корпусе охлаждается до нуля градусов. Как только температура воды в корпусе колонки станет ниже

20

температуры талого грунта, устройство конвективного теплообмена автоматически включатся в работу. Вследствие циркуляции керосина тепло талого грунта будет переноситься вверх, согревая воду в корпусе колонки. Циркуляция керосина в устройстве может автоматически прекратиться в следующих случаях: возобновление водоразбора, если температура воды выше температуры талого грунта; потепление атмосферного воздуха, когда при отсутствии водоразбора температура воды в колонке превысит температуру талого грунта. Суммарный объем тепла, идущий на покрытие тепловых потерь при продолжительном прекращении водоразбора имеет следующие составляющие: теплосодержание воды в корпусе колонки при ее охлаждении до нуля градусов; теплосодержание грунта вокруг колонки в слое сезонного промерзания при охлаждении и замерзании; тепло талого грунта вокруг нижней части корпуса колонки и расширенной части устройства конвективного теплообмена. Талый грунт, находящийся ниже отметки нулевой изотермы, непосредственно соприкасается с нижней частью корпуса колонки и частью устройства конвективного теплообмена. Согревающее воздействие всех составляющих аккумулированного тепла и тепла талой зоны грунта обеспечивает незамерзаемость водоразборной колонки при отсутствии водоразбора в течение длительного времени в самую жесткую погоду. 4.

Незамерзающее устройство водоразбора из подземной сети

Устройство спроектировано по принципу слива воды из стояка после закрытия затвора (рис. 8, 9). Устройство представляет собой следующее. В стальном цилиндрическом корпусе 1 размещен затвор, имеющий седло 2 и капан 3 с мягким уплотнением 4. Сбросное отверстие 5 в резиновой диафрагме 6 перекрывается плунжером из нержавеющей стали или бронзы 7, который с помощью стержня 8 соединяется с клапаном устройства. Шпиндель 9 имеет резьбу с малым шагом. Он уплотняется резиновой диафрагмой 10. К корпусу коленом присоединяется стояк 11, который наверху имеет две быстро соединяющиеся гайки для шлангов. Штанга шпинделя выводится на заданную высоту и заканчивается штурвалом. Корпус устройства врезается в стальную трубу 12 сбоку.

21

9

11

10

4 1

2

3 8

5

6 7

Рис. 8. Устройство водоразбора из подземной сети 1 – стальной цилиндрический корпус; 2 –седло клапана; 3 - клапан; 4 – мягкое уплотнение; 5 –сбросное отверстие; 6 –резиновая диафрагма; 7 - плунжер; 8 - стержень; 9 - шпиндель; 10 –резиновая диафрагма; 11 - стояк Устройство работает следующим образом. При закрытом положении клапана полость корпуса под затвором заполнена водой. Благодаря теплопередаче по металлу и конвекции вода здесь не замерзает. В этом положении сбросное отверстие открыто, стояк устройства пустой. Вращение штурвала против часовой стрелки открывается затвор. Плунжер перекрывает сбросное отверстие, и вода направляется по стояку к рукавам. При закрывании клапана плунжер автоматически открывает сбросное отверстие, и вода из стояка сбрасывается наружу. Устройство не замерзает даже при низких температурах и ветре. Сопротивление движению воды в трубопроводе незначительное, так как корпус устройства, размещенный сбоку трубы, имеет входное отверстие, кромки которого близко подходят к стенкам трубопровода. Давление воды в трубопроводе при закрытом затворе прижимает клапан к седлу, вследствие чего затвор надежно уплотнен не только усилием винта, но и давлением воды. 22

4

5 2 1 1

3 6

7

2 1

Рис. 9. Схема установки устройства для водоразбора из подземной сети 1 – трубопровод; 2 – корпус устройства; 3 – стояк; 4 – быстро соединяющиеся гайки; 5 – колодец; 6 – днище; 7 – песчаная подготовка 5.

Устройство защиты водовода от замерзания греющим электрическим кабелем

Подогрев трубопровода электрическим кабелем – один из способов защиты водопроводных труб от замерзания. Способ эффективен для водопроводных линий, проложенных в слое сезонного промерзания грунта.прокладку с греющим кабелем выполняют с целью предотвращения замерзания воды в трубах во время аварийных случаев в системе водопровода, таких как остановка насосной станции. Выход из строя средств подогрева воды, повреждение трубопровода. Оптимальную глубину прокладки труб с греющим кабелем определяют из сопоставления снижения строительной стоимости и эксплуатационных расходов с дополнительными затратами на устройство системы подогрева и электроэнергию. Электроподогрев рассчитывают для условий наиболее неблагоприятных, например, на случай полного прекращения движения воды в трубах, когда возникает недостаток тепла на покрытие тепловых потерь трубопровода в результате выхода из строя средств подогрева воды. 23

Греющий кабель укладывают на трубу сверху и закрывают рейкой с пазом, предохраняющей кабель от механических повреждений. Линейная прокладка греющего кабеля сверху трубы является оптимальной с точки зрения технологии строительных и монтажных работ. Витковое расположение греющего кабеля можно допустить только на вводах и в местах установки водопроводной арматуры. Греющий кабель автоматически включается в работу при появлении угрозы замерзания труб, а также автоматически он выключается после восстановления теплового режима водопровода до нормы. Датчик устройства связан с температурным режимом грунта вокруг трубопровода. Устройство регулирует работу греющего кабеля и поддерживает определенной величины талую зону вокруг трубопровода. Конструкция устройства представлена на рис. 11 и состоит из камер 1 и 2, которые разделены резиновыми диафрагмами 3 и 4. Камера 1 заполняется водой через отверстие, закрываемой пробкой 5. Неподвижный контакт 6 укреплен на корпусе, а подвижный 7 – на диафрагме. Контакт соединяется с системой греющих кабелей. Устройство работает следующим образом. Когда температура грунта выше температуры замерзания воды в камере 1, диафрагмы 3 и 4 находятся в крайнем нижнем положении и контакты разомкнуты, греющий кабель не работает. Когда температура грунта понизится настолько, что вода, находящаяся в камере 1, будет замерзать, тогда подвижный контакт поднимется под действием льда, контакты 6 и 7 замкнутся, включив систему подогрева. Затем температура грунта, окружающего водопровод и камеру 1, начнет повышаться, лед в камере 1 расплавится, диафрагмы опустятся и разомкнут при этом контакты 6 и 7, отключив системы подогрева. Схема оборудования водовода греющим кабелем показана на рис. 12, установка устройства для автоматического включения греющего кабеля – на рис. 13. Позиция А – устройство находится в зоне талого грунта, контакты разомкнуты, система подогрева не работает; позиция Б – нулевая изотерма приблизилась к поверхности трубопровода, контакты замкнулись, греющий кабель включился в работу.

24

6 2 1

3

4

7

5

Рис. 10. Устройство для автоматического включения греющего кабеля 1 – камера воды; 2 – камера контактов; 3, 4 – резиновая диафрагма; 5 пробка; 6 - неподвижный контакт; 7 – подвижный контакт.

2

4

1

3

5

Рис. 11. Схема оборудования водовода греющим кабелем 1 – водовод; 2 – электрическая сеть; 3 – устройство автоматического включения греющего кабеля; 4 – греющий кабель; 5 – рейка с пазом для кабеля

25

А 3 2 2

1 Б 4

Рис. 12. Установка устройства автоматического включения греющего кабеля А – датчик устройства находится в зоне талого грунта; Б – нулевая изотерма приблизилась к поверхности трубопровода, контакты датчика замкнулись; 1 – трубопровод; 2 – талый грунт; 3 – мерзлый грунт; 4 – устройство автоматического включения кабеля БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Лютов, А.В. Строительство и эксплуатация водоводов надземной и канальной прокладки на Севере: монография / А.В. Лютов. – Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1976. – 112 с. 2. Лютов, А.В. Проектирование и расчет водопроводных сетей в условиях Северной климатической зоны: учеб.пособие для вузов / А.В. Лютов. – Красноярск: изд-во Красноярского университета, 1990. – 159 с. 3. Лютов, А.В. Инженерно-экологические основы систем водоснабжения в условиях Сибири и Крайнего Севера: науч. изд. / А.В. Лютов, Б.Ф. Турутин, А.И. Матюшенко – Красноярск: Изд-во Красноярского государственного технического университета, 1997. – 158 с. 4. Турутин, Б.Ф. Новые технологии водопользования регионов Сибири: учеб.пособие для вузов. / Б.Ф. Турутин, А.В. Лютов; Краснояр. Гос. архитектурно-строительная академия – Красноярск: ИПЦ КрасГАСА, 1999. – 32 с. 26

5. Турутин, Б.Ф. Инженерно-экологические основы систем водоснабжения Сибири и Крайнего Севера: монография. / Б.Ф. Турутин, А.В. Лютов, А.И. Матюшенко. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2000. – 158 с. 6. Матюшенко, А.И. Водоснабжение и водопотребление г. Красноярска: монография. / А.И. Матюшенко, Б.Ф. Турутин, В.А. Кулагин. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – с. 217-224. 7. Терехов, Л.Д. Технологические основы энергосбережения при подаче воды по водоводам на Севере: монография. / Л.Д. Терехов. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2008. – 194 с. 8. В.И. Калицун Водоотводящие системы и сооружения. Учебник для вузов. М.: Стройиздат, 1987 9. В.И. Калицун Гидравлический расчет водоотводящих сетей. Справочное пособие: Стройиздат ,1987 10. Водоснабжение и водоотведение. Наружные сети и сооружения. Справочник под ред. Б.Н. Репина. М.: «Высшая школа», 1995 11. Абрамов, Н. Н. Водоснабжение: учеб.для вузов / Н.Н. Абрамов. М: Стройиздат, 1974. - таблицы 1, 2, стр. 474-475 Оглавление Общие указания……………………………………………………………………...3 Состав курсовой работы…………………………………………………….............3 Методические указания для выполнения курсовой работы………………………6 Приложение 1………………………………………………………………………..8 Приложение 2……………………………………………………………………….15 Приложение 3……………………………………………………………………….16 Библиографический список………………………………………………………..26

27