Водоснабжение и гидравлический расчет фонтана
В ходе работы студент определяет способ водоснабжения фонтана и проводит необходимый гидравлический расчет.
Одной из важнейших характеристик, определяющих место размещения фонтана относительно искусственных или естественных источников воды, является его мощность по расходу воды (от 1 до 150 л/сек). Оптимально расход воды фонтана не должен превышать 50-60 л/сек (не вызывать значительное изменение влажности воздуха).
В настоящее время существует прямоточное и оборотное водоснабжение фонтана (рисунок 5). Правильный выбор способа водоснабжения обеспечивает бесперебойную работу фонтана, гарантирует соответствие водной картины проекту и снижает стоимость эксплуатационных затрат.
1— от городского водопровода со сбросом воды в лоток; 2 — от городского водопровода со сбросом воды в сеть водостока; 3 — из различных источников при помощи насоса со сбросом в водосточную систему; 4 — при помощи насоса из специальной емкости для воды или другого источника со сбросом в этот же резервуар (рециркуляция воды); 5 — при помощи насоса из водоема, в котором расположен фонтан со сбросом воды в него же;
6 — из местного источника, расположенного выше форсунки, с прямым сбросом в водоем
Рисунок 5 – Способы водоснабжения фонтанов
Прямоточное водоснабжение фонтанов осуществляется в ряде случаев:
1. При наличии двух водоемов (водотоков) имеющих значительную геодезическую разность высот и связанных между собой водотоком, образующих единую экосистему. В данном случае вода из верхнего водоема, прежде чем попасть в нижний, осуществляет питание фонтана.
2. При расходе фонтана 2-5 л/сек допустимо применение прямоточного водоснабжения от городского водопровода со спуском использованной воды в водосточную сеть.
3. При значительной стоимости электроэнергии и небольшой стоимости воды, допустимо использование прямоточного водоснабжения фонтана из городской сети при расходах более 5 л/сек. В случаях, когда давления в водопроводной сети не достаточно для формирования определенной водной картины, рекомендуется использовать насосы подкачки.
Оборотное водоснабжение фонтанов заключается в повторном использовании отработанной воды, путем ее рециркуляции насосным оборудованием. На сегодняшний день строительство новых фонтанов и реконструкция старых основывается на принципах оборотного водоснабжения (в КР студент применяет оборотное водоснабжение).
Насосы для подачи воды в системах оборотного водоснабжения фонтана могут быть расположены в насосной станции, в подвале ближайшего здания, в резервуаре под фонтанной чашей или непосредственно в фонтанной чаше.
В конструкции фонтана с оборотным водоснабжением необходимо предусматривать постоянное пополнение воды и поддержание ее на определенном уровне, что достигается устройством в борту фонтана или в скульптурной композиции – ниши с механическим (электронным) сенсором уровня воды и трубопроводом долива воды.
В КР студент проектирует фонтан (чертеж на листе формата А3) с учетом минимизации потерь воды (рисунок 6).
1 - приемный лоток, 2 - самотечный трубопровод, 3 - погружной насос с поплавковым клапаном включения, 4 - гидроизолированный аккумуляторный бак, 5 - фильтр, 6-забор воды на фильтрацию
Рисунок 6 – Продольный профиль фонтана с учетом минимизации потерь воды
В КР студент рассчитывает расход и потери воды фонтаном, общий напор по фонтанному трубопроводу. Расход воды в фонтане производится по формуле истечения жидкости через насадки:
Q = μωНV0 = μωН 
,
где Q – расход воды, м3/с;
μ — коэффициент расхода насадки (смотри задание) зависит от ее формы, угла конусности (приложение А21);
ωН — площадь поперечного сечения выходного отверстия насадки (определяется по диаметру выходного отверстия насадки, приведенного в задании), м2;
h0 — скоростной напор у насадки или высота фонтанной струи, м (смотри задание);
V0 — скорость воды при выходе из насадки, м/с.
При движении воды по фонтанному трубопроводу общий напор (Н) тратится на преодоление местных потерь (hм), напора сопротивления по длине трубопровода (hДЛ) и на создание скоростного напора (h0) при выходе струи из насадки:
Н = hм + hДЛ + h0, (м)
Потери на местные сопротивления вычисляются по формуле Вейсбаха:
hм = (ξм×V²)/2g,
где ξм – коэффициент местного сопротивления;
V – скорость потока в трубе, м/сек.
При поворотах (смотри задание) значение коэффициента местного сопротивления ξм, в зависимости от угла поворота α (смотри задание), принимается по таблице 6 и умножается на количество поворотов.
Таблица 6 – Коэффициент местного сопротивления в зависимости от угла поворота
| α | 30° | 40° | 50° | 60° | 70° | 80° | 90° |
| ξм | 0,2 | 0,2 | 0,4 | 0,55 | 0,7 | 0,9 | 1,1 |
Скорость потока в трубе определяется по формуле:
V = Q/ω,
где Q – расход воды в трубопроводе (расход воды в фонтане), м³/с;
ω – площадь внутреннего сечения трубы, м2.
Площадь внутреннего сечения трубы рассчитывается:
ω = 
,
где D – внутренний диаметр трубы (смотри задание), м.
Потери напора по длине трубопровода (hДЛ) определяются по формуле:
hДЛ = АLQ2,
где А — удельное сопротивление трубы на 1 пог. м при расходе воды 1 м3/с (таблица 7);
L — длина трубопровода (устанавливается по чертежу продольного профиля фонтана), м;
Q — расход воды в трубопроводе (расход воды в фонтане), м3/с.
Таблица 7– Значение удельного сопротивления трубы в зависимости от внутреннего диаметра трубы
| d, мм | |||||||||||
| А | 82,4 | 31,4 | 6,86 | 2,11 | 0,805 | 0,176 | 0,054 |
Действительная высота фонтанной струи вследствие сопротивления воздуха и сжатия несколько меньше скоростного напора (h0). Она вычисляется по формуле Люгера:
hД = 
,
где hД – действительная высота фонтанной струи, м;
φ – коэффициент.
Значение φ в зависимости от диаметра выходного отверстия насадки находится по формуле:
φ = 
,
где dН – диаметр выходного отверстия насадки (смотри задание), мм.
При устройстве циркуляционных систем водоснабжения фонтанов необходимо учитывать количество воды, теряемой на разбрызгивание, унос ветром и испарение.
Потери на разбрызгивание и унос ветром (в зависимости от конструкции фонтанной насадки, высоты струи и силы ветра), принимаются 1-2% для цилиндрических насадок и 1,5-3% для насадок распыляющих воду, от расхода воды пропускаемой насадкой. При скорости ветра более 2 м/сек. происходит снос капель диаметром до 0,5 мм, при скорости 7 м/сек. — диаметром до 3 мм.
В среднем, потери на испарение составляют 0,5-1% от расхода воды пропускаемой насадкой. При применении насадок специальных конструкций, предназначенных для мелкодисперсного разбрызгивания воды (создание эффекта тумана), необходимо добавлять на испарение 1% от расхода воды [12].
Таким образом, общие потери фонтанного комплекса составят:
Н общ. = Н исп. общ. + Н ветр.,
Количество испаряющейся с поверхности воды в основном зависит от температуры наружного воздуха, его влажности, средней скорости ветра и определяется приближенно по формуле:
Н исп. = 11,6 × (E1 – e0) × B × t,
где Н исп. - слой испарения в фонтанной чаше за месяц, мм;
11,6 - коэффициент, учитывающий удельную всасывающую атмосферы, мм/мб мес.;
E1 - максимальная упругость водяных паров при заданной температуре (смотри задание) поверхности воды (определяется по таблице 8), мб;
e0 - парциальное давление водяного пара в воздухе, мб;
Парциальное давление водяного пара в воздухе определяется по формуле:
e0=μ E1/100,
где μ - относительная влажность воздуха (смотри задание), %.
В – коэффициент, учитывающий силу ветра, определяется по формуле:
В=1+0,134Vв ,
где Vв - средняя скорость ветра за месяц (определяется студентом по агроклиматическим справочникам или берется по заданию), м/с;
t - расчетное время испарения (за 1 месяц).
Таблица 8 - Значения давления насыщенного пара над плоской
поверхностью воды (Е1)
| Т,°С | Е1, Па | Т,°С | Е1, Па | Т,°С | Е1, Па | Т,°С | Е1, Па |
| 873,1 | 1313,5 | 1819,4 | 2488,9 | ||||
| 1002,6 | 1403,4 | 1939,0 | 2646,0 | ||||
| 1073,5 | 1498,7 | 2065,4 | 2811,7 | ||||
| 1148,8 | 1599,6 | 2198,9 | 2986,4 | ||||
| 1228,7 | 1706,4 | 2340,0 | 3170,6 |
При расчетах необходимо учитывать размерность (1мб=100Па)
После определения (Н исп.) и зная общую площадь зеркала воды фонтанного комплекса (устанавливается по чертежу продольного профиля фонтана) студент вычисляет (Н исп. общ.). Потери на разбрызгивание и унос ветром (Н ветр.) принимаются студентом на уровне 2% от расхода воды в фонтане.
Студент выбирает насос согласно рассчитанного расхода воды и общего напора. Различаются две его разновидности: погружной и поверхностный.
Погружной (рисунок 7) используется в тех случаях, когда фонтан расположен в водоеме, а насос установлен на дне и вне воды не применяется. Такой насос имеет несколько преимуществ: он абсолютно бесшумен, не требует сложной установки.
1— мотор; 2 — корпус мотора; 3 — крыльчатка насоса; 4 — сетка; 5 — выходная труба;
6 — тройник; 7 — кран для подключения дополнительных устройств;
8 — регулятор производительности; 9 — насадка
Рисунок 7 – Устройство насоса
Работа насоса осуществляется по следующему принципу: вода из источника через фильтр поступает в насос и выбрасывается непосредственно над ним или идет по шлангу к форсунке.
Поверхностный насос в воде не работает, поэтому устанавливается на суше. Доступность в обслуживании — его основное преимущество. Также его удобно использовать при конструировании водных сооружений с расходом воды от 4,5 т/час, например нескольких фонтанов или крупных водопадов [9].
Для функционирования фонтана студент подбирает насосное оборудование фирмы Grundfos (стоимость 200-400 у.е.).
Данное оборудование изготовлено из нержавеющей стали, имеет одноступенчатый погружной блочный агрегат (с вертикальным нагнетательным патрубком и фильтром в основании). Электродвигатель однофазный, с защитой встроенного термовыключателя. Насосное оборудование обеспечивает расход воды до 35 м³/час, напор до 18 м, имеет диапазон рабочей температуры от 0ºС до плюс 55ºС, диаметр условного прохода патрубка до 50 мм, электропитание в 220 В (50 Гц). В таблице 9 представлен модельный ряд насосов фирмы Grundfos.
Таблица 9 - Эксплуатационные характеристики насосов
| Модель | Мощность (P max), Вт | Напор (H max), м | Расход (Q max), м³/час |
| Насос KP 150 A1 | 5,5 | 8,5 | |
| Насос KP 250 A1 | 7,5 | 11,5 | |
| Насос КР 350 A1 | 9,0 | 14,0 | |
| Насос АР 12.40.04. A1 | 10,0 | 17,0 | |
| Насос АР 12.40.06. A1 | 13,0 | 18,0 | |
| Насос АР 12.40.08. A1 | 15,0 | 21,0 | |
| Насос АР 12.50.11. A1 | 17,0 | 30,0 |
Для обеспечения чистоты водной среды, при проектировании и строительстве фонтана необходимо предусмотреть систему фильтрации. В зависимости от габаритов, объема и типа инженерной схемы устройства циркуляции воды, подбирается фильтровальное оборудование.
Студент в РГР может применить серию напорных фильтров Filtoclear 3000 -15000 производства компании «OASE» (стоимость 270-560 у.е.). Фильтры подходят для многофункционального использования, встроенная в корпус УФ лампа позволяет сочетать в этой серии все необходимые функции, для очистки воды в фонтанах, прудах, водопадах. В таблице 10 представлен модельный напорных фильтров Filtoclear.
Таблица 10 - Эксплуатационные характеристикинапорных фильтров
| Модель | Размер | Объем фильтра, литров | Мощность УФ лампы, Вт | Вес, кг. |
| Filtoclear 3000 | 380х310 | |||
| Filtoclear 6000 | 380х430 | 5,5 | ||
| Filtoclear 11000 | 380х550 | |||
| Filtoclear 15000 | 380х670 | 6,5 |
После определения расхода и потерь воды в фонтане, подбора насосного оборудования студенту необходимо провести технико-экономический расчет способов водоснабжения фонтана по основным показателям, после чего сравнить их.
Схема с прямоточным водоснабжением применима в следующем случае:
Nф Pэл > Qф Pв,
где Nф - мощность потребляемая насосом в кВт/часах,
Pэл - стоимость 1 кВт/часа электроэнергии, руб.,
Qф - расход воды фонтаном в куб.м/час,
Pв - стоимость 1 куб.м воды, руб.
Схема с оборотным водоснабжением применяется при:
Nф Pэл < Qф Pв.
Такой расчет можно рассмотреть на данном примере:
1. Расход воды фонтаном (Qф) = 2,4 м3/ч.
2. Мощность потребляемая насосом (Nф) =0,095 кВт/час.
3. Потери воды на испарение и брызгоунос составляет (Qпот.)= 0,048 м3/ч.
4. Стоимость 1 куб.м воды (Pв) = 13,93 руб.
5. Стоимость 1 кВт/часа электроэнергии (Pэл) = 1,66 руб.
6. Стоимость насоса (G) = 8 600 руб.
7. Амортизация насоса составляет 12,5 % в год. (Ам) = 1075 руб./год = 2.95 руб./сут.
8. Время работы фонтана в сутки (Т) = 10 часов.
При прямоточной системе водоснабжения затраты составят:
Спр. = Qф × Pв × Т × 2,
где 2 - коэффициент учитывающий стоимость подачи воды из городского водопровода и сброс воды в городскую канализацию.
Спр. = 2,4×13,93×10×2 = 668,64 руб./сут,
При оборотной системе водоснабжения затраты составят:
Соб. = Qпот.× Pв × Т + Nф × Pэл × Т + Ам.
Соб. = 0,048×13,93×10 + 0,095×1,66×10 + 2,95 = 11,22 руб./сут.
Дополнительные затраты на сопутствующие работы при проектировании фонтана студент может вычислить по данным справочного приложения А22.