Расчет гидропневматического бака

Использование водонапорных башен в системах водоснабжения, как напорно-регулирующих сооружении не всегда целесообразно, как по экономическим показателем, так и по гидравлическим условиям, особенно при строительстве башни в слабых грунтах или в сейсмических районах и в других особых условиях. Поэтому целесообразно применять гидропневматические напорно-регулирующие установки в небольших системах водоснабжения.

Гидропневматические напорно-регулирующие установки имеют то же назначение, что и водонапорные башни. Вместо открытых баков для воды в них имеются герметически закрытые резервуары (котлы).

В сельском и коммунальном хозяйстве, как для бытовых целей, так и для водоснабжения промышленных и сельскохозяйственных объектов, применяют автоматические насосные установки с напорными котлами. В этих установках используют как поверхностные, так и погружные центробежные насосы. Эти установки широко применяются, как за рубежом так в нашей стране, Кроме того, существенными достоинствами и особенностями таких установок являются:

1) Возможность унификации установок и простота их выбора для потребителя;

2) Простота и надежность автоматики;

3) Небольшая стоимость установок, простота и короткие сроки их монтажа;

4) Небольшие капитальные затраты при устройстве систем с применением таких установок;

5) Низкая эксплуатационная стоимость;

6) Небольшой расход труб при сооружении систем.

В связи с массовым применением установок с напорными котлами и широким диапазоном их производительностей естественно стремление обоснованно определять емкость напорного котла, и определить оптимальный режим совместной работы насос - напорный котел, и водопроводная сеть.

В общем случае пневматическая водонапорно-регулирующая установка, включает в себя: металлический резервуар 3, заполненный водой и воздухом; насос 1; напорный трубопровод насоса 2; водоразборный трубопровод 4; реле давления 5; предохранительный клапан 6; шкаф управления 7 (рис. 8.1.)

Так же, пневматическая водонапорно-регулирующая установка оборудована задвижкой для выключения котла; клапаном для предупреждения попадания воздуха в распределительную сеть из котла; предохранительным клапаном для предупреждения образования вакуума в установке.

Подготовка установки к действию заключается в следующем:

- закрыть задвижку на водоразборном трубопроводе, (отсоединить котел от сети);

- при помощи насоса заполнить водой котел да определенного уровня;

7) после заполнения котла водой закрыть задвижку на напорном трубопроводе насоса перед котлом и при помощи компрессора накачивать воздух до расчетного максимального давления;

8) после этого открыть все задвижки, и система готова к работе.

Рисунок 8.1 - Схема установки с гидропневматическим баком

переменного давления:

1 - насос; 2 –напорный трубопровод насоса; 3 – гидропневматический бак (металлический резервуар); 4 – водоразборный трубопровод; 5 – реле давления; 6 – предохранительный клапан; 7 – шкаф управления; 8 – обводная линия с обратным клапаном

Для совместной работы насос - котел - сеть, определяется минимальное давление P_min, при котором насос включается, и максимальное давления Р_тах, при котором насос отключается. Следовательно, напор, под которым вода поступает из пневматической установки в сеть, будет изменяться от P_min до P_{max .}

Работа пневматической установки с одним насосом, осуществляется следующим образом (рис. 8.2). Насос включается при опорожнении котла и снижении давления до минимального Р_min, и отключается, если расход воды q меньше производительности (q_НС-2) насоса, соответствующей давлению отключения Р_тах, при наполнении котла и увеличении давления до Р_mах.. Если q>q_НС-2, то давление в котле меньше давления отключения, и насос работает непрерывно в длительном режиме. После опорожнения котла процесс повторится, насос работает в циклическом режиме.

Рисунок 8.2 -Работа насоса с котлом

H – напор, м; q_н, q_н1, q_н2 – расход воды при среднем, максимальном и минимальном водоразборе, м³/ч; Р_min - минимальное давление, при котором включается насос при опорожнении котла, бар; Р_max - максимальное давление, при котором насос отключается, бар.

Продолжительность включенного состояния насоса будет:

, (8.1)

отключенного состояния:

. (8.2)

Регулирующий объем определяется по закону Бойля-Мариотта [9]:

V · P_min=P_max·(V-W_p)=const, (8.3)

где V - объем воздуха в котле, м³; W_P- регулирующий объем воды в котле, м³.

Обозначив отношение Р_тin к Р_mах через , получим следующие основные соотношения:

; (8.4)

(8.5)

Соотношение между давлениями P_min и Р_mах выбирают на основании технико-экономического анализа и выражения (8.2). Из рисунка 8.3 видно, что объем воздуха V при > 0,67 и заданном регулирующем объеме воды W_P значительно возрастает, а, следовательно, возрастает расход металла на изготовление котла. Это ограничивает возможность применения больших значений .При < 0,5 получается большая разница между Р_mах и Р_min, что вызывает понижение КПД насоса, то есть резко увеличивается расход электроэнергии и колебание давления в напорном, трубопроводе. Поэтому величину принимают равной 0,5-0,67.[9].

Рисунок 8. 3 - График зависимости отношения от

При пневматических установках переменного давления насосы приходится подбирать исходя из условий работы в широком диапазоне колебаний напоров, вследствие чего насосы значительную часть времени работают при КПД, существенно отличающихся от оптимальных.

Среднюю частоту и среднее количество включений определяют по графику водопотребления в детерминированном виде в зависимости частоты включений одиночно работающего насоса от расхода воды и постоянной его производительности, равной средней величине.

Установлено, что правильный выбор методики определения оптимальных параметров насосных установок с пневматическим котлом и их режим работы позволяет, сократить приведенные затраты на электронасосную установку с пневматическим котлом. При выборе параметров учитываются: график потребления расхода воды; износ насоса, и количества включений насоса; износ аппаратуры управления и нагрев электродвигателя; расход энергии; затраты на электронасос; пневматический котел; насосное помещение; аппаратуру управления. Параллельная работа насосов позволяет уменьшить объем напорного котла и частоту включений, при этом, можно использовать насосы одинаковой или разной производительности.

Установки постоянного давления позволяют с помощью регулятора давления поддерживать постоянное давление воздуха в гидропневматическом баке и тем самым обеспечивать постоянство расхода и давления у потребителя. Эти установки могут применяться в системах пожаротушения и промышленного водоснабжения, если изменение напора приводит к недопустимым колебаниям расходов воды.

В системах водоснабжения небольших объектов находят также применение гидропневматические установки. Требуемый напор в них создается давлением сжатого воздуха.

Эти установки бывают переменного и постоянного давления. Схема установки переменного давления представлена на рис.8.4.

Рисунок 8.4 - Гидропневматическая напорная установка:

1 - резервуар, питающий насосы; 2 - насосный агрегат; 3 - шкаф управления; 4 - реле давления; 5 - водонапорный бак; 6 - компрессор; 7 - напорный трубопровод.

В часы минимального недопотребления, когда подача воды насосами 2, забирающими воду из резервуара 1, превышает водоотбор из сети, избыток воды поступает в водовоздушный бак 5. При этом повышается уровень воды в баке и увеличивается давление воздуха на свободную поверхность. При достижении максимального уровня воды в баке, соответствующего отметке Z₂, реле давления 4 размыкает цепь питания катушки магнитного пускателя 3 и отключает насос. С этого момента подача воды в водовод 7 осуществляется от водонапорного бака под давлением сжатого воздуха Р_макс. В процессе сработки уровня воды давление в баке снижается. При достижении уровня, соответствующего отметке Z₁, давление в баке снизится до P_мин. Рабочий цикл установки повторяется.

Минимальное давление Р_мин назначается из условия обеспечения требуемого свободного напора в диктующей точке сети. Во все остальные моменты, когда Р > Р_мин, свободный напор в этой точке сети будет выше требуемого.

Общий объем водовоздушного бака:

W_полн = W_peг + W_пож + W_возд (8.6)

где W_peг - регулирующий объем, заключенный между уровнями Z₁ и Z₂, определяется путем совмещения графиков подачи и потребления воды.

При автоматической работе насоса W_рег можно определить по формуле:

(8.7)

где n = 5 - 10 - допустимое число включений насоса в час;

Q_н = Q_с.макс - Q_н-II, (8.8)

Q_с.макс - максимальное водопотребление из сети, м³/ч; Q_н-II - подача насосов НС-II в час максимального водопотребления, м³/ч.

Неприкосновенный противопожарный объем W_пож рассчитывается так же, как и для водонапорной башни, из условия тушения одного внутреннего и одного наружного пожара, но время можно сократить до 5 минут:

W_пож = 0,3·(Q_1пож + Q_1вн.пож) (8.9)

где Q_1пож - расход на тушение 1 наружного пожара, л/с; Q_вн.пож - расход на тушение 1 внутреннего пожара, л/с; W_возд - объем воздуха при Р = Р_max

(8.10)

(8.11)

Значения коэффициента ε можно принять в диапазоне ε = 1,33 - 2.

В установках переменного давления насосы должны работать в широком диапазоне характеристик Q-H. В процессе эксплуатации определенная часть воздуха, находящегося в баке, растворяется в воде, вытекает через неплотности. Для поддержания давления воздуха в баке установка оборудуется компрессором 6.

Установки постоянного давления позволяют с помощью регулятора давления поддерживать постоянное давление воздуха в гидропневматическом баке и тем самым обеспечивать постоянство расхода и давления у потребителя.

Гидропневматическое водоснабжение целесообразно применять в тех случаях, когда недопустимо устройство водонапорной башни из-за большой ее стоимости вследствие недостаточно устойчивых грунтов основания, а также при устройстве небольших систем водоснабжения со сравнительно высоким давлением. Автоматическая гидропневматическая установка может быть размещена в шахте колодца.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Удельное хозяйственно-питьевое водопотребление

в населенных пунктах

Степень благоустройства районов жилой застройки	Удельное хозяйственно-питьевое водопотребление в населенных пунктах на 1 жителя среднесуточное (за год) в л/сут
1. Водопользователи из водоразборных колонок	30-50
2. Застройка зданиями, оборудованными внутренним водопроводом и канализацией без ванн	125-160
3. То же, с ваннами и местными водонагревателями	160-230
4. То же, с централизованным горячим водоснабжением	230-350
5. Полив приусадебных участков (плодовые деревья и овощные культуры)	5 – 15 на 1 м2 площади

Примечание: При централизованной системе горячего водоснабжения до 40% общего расхода воды подают из сетей теплоснабжения.

Приложение 2

Нормы расхода воды на животных и птиц

Наименование потребителей	Нормы потребления в л/сут
1. Коровы молочные
2. Коровы мясные
3. Быки и нетели
4. Молодняк КРС в возрасте до 2 лет
5. Телята в возрасте до 6 месяцев
6. Лошади
7. Жеребцы в возрасте до 1,5 лет
8. Овцы (козы)
9. Овцы молодые
10. Свиньи взрослые
11. Свиноматки с поросятами
12. Свиньи на откорме
13. Нутрии
14. Кролики
15. Птицы (куры, утки, индейки, гуси)	1…2
16. Рабочий скот	10-15

Приложение 3