Předmět: BP003 Vodárenství Přednáška č. 8 Vodojemy a čerpací stanice Inovovaná prezentace přenášky v rámci programu OP VaK Projektu OP VaK CZ.1.07/2.2.00/15.0426 Osnova Vodojemy základní pojmy, typy a dělení Návrh akumulace vodojemu Stavební část vodojemů Akumulační nádrže Armaturní komory 2/87 Vodojemy základní pojmy Základní zásady pro návrh a provozování vodojemů stanovují následující normy: ČSN 73 5355 Vodojemy od 1.3.2011 ČSN EN 1508 Požadavky na systémy pro akumulaci 1
Vodojemy základní pojmy Základní funkce vodojemu zajištění tlakových poměrů v síti zajištění potřebné akumulace vody Vodojemy základní pojmy vodojem samostatný vodárenský objekt pro akumulaci vody skládající se ze dvou nebo více akumulačních nádrží (vyjimečně i jedna) a z armaturní (manipulační) komory. akumulační nádrž část vodojemu, která slouží k akumulaci vody armaturní (manipulační) komora od akumulačních nádrží stavebně oddělený objekt, v němž je umístěno vystrojení vodojemu (trubní rozvody, armatury, měřící a regulační technika) 5/87 Vodojemy základní pojmy Zemní vodojem vodojem sestávající z jedné nebo více akumulačních nádrží, postavených v úrovni přirozeného terénu Věžový vodojem Vodojem, pro dosažení potřebné hydrostatické výšky umístěný na vlastní nosné konstrukci Podle umístění čelní koncový (vyrovnávací) Podle technologie výstavby monolitický prefabrikovaný 2
Vodojemy základní pojmy maximální hladina hladina vody v nádrži vodojemu při odtoku vody přelivem minimální hladina uvažuje se na úrovni horní hrany konstrukce dna horní provozní hladina 5 až 20 cm pod hranou přelivu, vymezuje horní úroveň využitelného objem vody v nádrži dolní provozní hladina stanovena podle účelu a funkce vodojemu, většinou vymezena provozní akumulací pro vyrovnání rozdílů mezi přítokem a odběrem Návrh akumulace vodojemu Celkový využitelný objem vodojemu A c je tvořen 3 dílčími akumulacemi A h - provozní akumulace, vyrovnává nerovnoměrnost mezi přítokem vody do vodojemu a odběrem A p - akumulace požární vody A r - rezervní akumulace vody pro případ poruchy na přítoku do vodojemu Návrh akumulace vodojemu A h provozní akumulace A h = 15-35% Q d [m 3 ] Minimálních hodnot z Qd dosahuje při konstantním gravitačním 24 hodinovém přítoku do vodojemu a malé nerovnoměrnosti v odběrech z vodojemu charakterizovanou hodnotami k h = 1,5 až 2,0. Maximálních hodnot z Qd dosahuje při přítoku do vodojemu zajišťovaném čerpáním s dobou kratší než 17 hodin a vysokou nerovnoměrností v odběrech vody z vodojemu charakterizovanou hodnotami k h = 2,0 až 2,5. 3
Návrh akumulace vodojemu A p akumulace požární vody A p = 3,6. q p. t. n [m 3 ] kde q p - t n odběr požární vody v l/s z odběrného místa dle ČSN 73 0873 Zásobování požární vodou a pohybuje se v závislosti na charakteru zástavby v rozmezí 7,5-40 l/s. - doba v hodinách, po kterou je nutno zajišťovat odběr požární vody - minimálně 0,5 hod, doporučená hodnota pro běžnou bytovou zástavbu 2 hod - počet odběrných míst požární vody, pro běžnou bytovou zástavbu n = 1 10/87 Návrh akumulace vodojemu A r rezervní akumulace A r = 50% Qd [m 3 ] Návrh rezervní akumulace pro případ výpadku zdroje vody případně poruchy na přítoku vody do vodojemu se provádí v závislosti na charakteru přítoku vody do vodojemu a významu odběratelů ve spotřebišti. Návrh akumulace vodojemu A c celková akumulace vodojemu A c = A h + A p + A r [m 3 ] Celková akumulace vodojemu musí podle příslušné ČSN 73 5355 Vodojemy činit minimálně 60% až 80% Qd. 4
Návrh akumulace vodojemu A c celková akumulace vodojemu Na základě výpočtu této celkové akumulace vodojemu Ac se navrhne typizovaný vodojem s nejbližší vyšší akumulací. V případě, že bude navrhován atypický vodojem, zaokrouhlí se vypočtená celková akumulace nahoru na celé stovky, případně celé tisícovky m 3. Navýšení akumulace vodojemu se započte do rezervní akumulace Ar a podle celkové výšky navrženého vodojemu se stanoví hladiny odpovídající jednotlivým dílčím akumulacím. Z objemu provozní akumulace Ah pak vyplývají minimální a maximální provozní hladiny. Hladiny a dílčí akumulace VDJ Max. hladina Max. provozní hladina A h 1,5-2 m Min. provozní hladina A p 5 m A r Min. hladina Návrh akumulace vodojemu Velikostní řada typizovaných zemních vodojemů 15 m 3 2 250 m 3 = 500 m 3 2 15 m 3 = 30 m 3 2 400 m 3 = 800 m 3 2 25 m 3 = 50 m 3 2 650 m 3 = 1 300 m 3 2 50 m 3 = 100 m 3 2 1 000 m 3 = 2 000 m 3 2 100 m 3 = 200 m 3 2 1 500 m 3 = 3 000 m 3 2 150 m 3 = 300 m 3 2 2 500 m 3 = 5 000 m 3 15/87 5
Armaturní (manipulační) komora VDJ 4 základní potrubí dle funkce přívodní odběrné výpustné bezpečnostní přeliv Armaturní (manipulační) komora VDJ Přívodní potrubí Přívodní potrubí má být navrženo tak, aby bylo do nádrže vodojemu přivedeno nad horní provozní hladinou. Při tom musí být zajištěno jeho odvzdušnění. Zakončení přívodního potrubí se doporučuje na opačné straně než je odběrné potrubí. Výtok vody z přívodního potrubí do nádrže má být navržen tak, aby voda vytékala rovnoběžně s hladinou vody v nádrži tak, aby při přítoku docházelo k míchání vody akumulované v nádrži s vodou přitékající. Přívodní potrubí v manipulační komoře musí být navrženo tak, aby bylo umožněno navzájem nezávislé plnění jednotlivých nádrží. Na přívodním potrubí musí být před jeho rozdělením k jednotlivým nádržím uzavíratelná odbočka pro odběr vzorků vody. Při přívodu vody do vodojemu z různých zdrojů musí být tyto odbočky na každém přívodním potrubí samostatně. Doporučuje se zavedení potrubí pro odběr vzorků vody do výlevky nebo do umyvadla. Armaturní (manipulační) komora VDJ Přívodní potrubí V případě, že je voda do vodojemu přiváděna gravitačním přiváděcím řadem, má být přívodní potrubí opatřeno regulační armaturou (s potřebným odvzdušněním před uzávěrem a zavzdušněním za uzávěrem) a vhodným, automaticky uzavíraným uzávěrem, zajišťujícím uzavření přítoku do nádrže, v případě, že hladina vody v nádrži dosáhne úrovně horní provozní hladiny. Při čerpání vody do vodojemu musí být zajištěno automatické vypnutí čerpadel, jakmile hladina vody v nádrži dosáhne úrovně horní provozní hladiny. Ukazatel výšky hladiny v akumulační nádrži se obvykle nachází v manipulační komoře. Údaje o výšce hladiny mohou být dále přenášeny podle požadavků a potřeb provozovatele na další místa (centrální velín apod.). 6
Armaturní (manipulační) komora VDJ Odběrné potrubí Každá nádrž musí mít samostatné a samostatně uzavíratelné odběrné potrubí, jehož umístění musí umožnit odběr celého objemu vody nad stanovenou minimální hladinou. Doporučená výška minimální hladiny odpovídá nejvyšší kótě dna. Vtok do odběrného potrubí musí být zabezpečen proti náhodnému vniknutí větších předmětů, ponechaných v nádrži např. při čištění nádrže, provádění údržby, oprav a dalších činností. Odběrné potrubí musí umožnit odběr maximálního stanoveného množství vody z každé nádrže vodojemu samostatně. Na odběrném potrubí z každé nádrže musí být navrženy samostatné a samostatně uzavíratelné odbočky pro odběr vzorků vody pro kontrolu jakosti vody podle příslušného předpisu. Doporučuje se zavedení potrubí pro odběr vzorků vody do výlevky nebo do umyvadla. Armaturní (manipulační) komora VDJ Odběrné potrubí Pokud ze společného odběrného potrubí v manipulační komoře odbočuje více zásobních řadů, musí být každý odbočující zásobní řad opatřen vlastní uzavírací armaturou. 20/87 Armaturní (manipulační) komora VDJ Výpustné potrubí Každá akumulační nádrž musí mít navrženo samostatné výpustné potrubí s vlastní uzavírací armaturou. Výpustné potrubí musí být navrženo pod úrovní dna odběrné jímky, aby tak bylo možno při čištění nádrže vodojemu vypustit z nádrže všechny nečistoty. Výpustné potrubí by mělo být zavedeno do samostatné šachty mimo manipulační komoru. Výpustné potrubí by mělo být vybaveno vodním uzávěrem nebo v odůvodněných případech zpětnou klapkou, aby nemohlo docházet ke zpětnému proudění vzduchu do nádrže a tím možné kontaminaci akumulované vody. Zároveň je třeba výpustné potrubí zajistit proti případnému vniknutí živočichů nebo jiných organismů. Ve vhodných případech může být výpustné potrubí napojeno na potrubí od přelivu. Pro vodní uzávěr musí být zajištěna kontrola přítomnosti vody a možnost jeho zavodnění. 21/42 7
Armaturní (manipulační) komora VDJ Bezpečnostní přeliv Každá akumulační nádrž musí mít vlastní samostatný bezpečnostní přeliv. Přelivné potrubí nesmí být vybaveno uzavírací armaturou. Přeliv a přelivné potrubí k šachtě se navrhuje na největší provozní přítok do nádrže vodojemu s určitou bezpečnostní rezervou. Velikost této výkonové rezervy se obvykle pohybuje mezi 5 a 10 % maximálního provozního přítoku do nádrže vodojemu. Přeliv musí být řešen tak, aby maximální výška hladiny vody akumulované v nádrži nedosáhla spodní úrovně stropní konstrukce. Doporučuje se navrhovat maximální hladinu nejvýše 150 mm nad úrovní přelivu a nad maximální hladinou navrhnout ještě alespoň 50 mm volnou vzdálenost ke spodní úrovni stropní konstrukce. 22/42 Armaturní (manipulační) komora VDJ Bezpečnostní přeliv Potrubí přelivu se zaúsťuje do samostatné šachty, umístěné mimo manipulační komoru, vybavené vodním uzávěrem nebo v odůvodněných případech zpětnou klapkou, aby nemohlo docházet ke zpětnému proudění vzduchu do nádrže a tím možné kontaminaci akumulované vody. Zároveň je třeba přelivné potrubí zajistit proti případnému vniknutí živočichů nebo jiných organismů. Ve vhodných případech lze přelivná potrubí menších průměrů zaústit do společné jímky s vodním uzávěrem, umístěné v manipulační komoře. Pro vodní uzávěr musí být zajištěna kontrola přítomnosti vody a možnost jeho zavodnění. Přeliv z nádrže věžového vodojemu lze zaústit do nádrže zemního vodojemu, pokud se tato nádrž nachází v blízkosti věžového vodojemu, případně společně s vypouštěcím potrubím do samostatné odtokové šachty s vodním uzávěrem. Armaturní (manipulační) komora VDJ 8
Armaturní (manipulační) komora VDJ Další vybavení Měření a regulace - hladin, přítoků, odtoků, kvality vody Osvětlení Zdvihací zařízení 25/87 26/62 27/62 9
28/62 29/62 30/62 10
31/62 32/62 33/62 11
34/62 35/87 12
38/62 39/62 13
40/62 41/62 42/62 14
43/62 44/62 45/62 15
Čerpací stanice 46/87 Osnova Čerpadla typy a dělení Hydraulický návrh čerpadel Stanovení pracovního bodu Čerpadla typy a dělení Čerpadla jsou stroje sloužící k dopravě tekutin a kalů. Podle způsobu přeměny mechanické práce (jíž je čerpadlo uváděno do činnosti) na kinetickou a potenciální energii (vytlačování, čerpání vody) lze rozlišovat dvě hlavní skupiny hydrodynamická hydrostatická 16
Dělení čerpadel ČSN 110000 podle polohy osy: Horizontální Vertikální Dělení čerpadel podle průtoku a směru proudění: Čerpadlo s konstantním průtokem Čerpadlo s měnitelným průtokem Jednosměrné čerpadlo Obousměrné čerpadlo Reverzní čerpadlo podle umístění čerpadla: Čerpadlo v suché jímce Čerpadlo v mokré jímce (ponorná čerpadla) 50/87 Radiální čerpadla - vícestupňové Kapalina vstupuje do oběhového kola rovnoběžně s osou a vystupuje kolmo k ose otáčení 17
Diagonální čerpadla Kapalina vstupuje do oběhového kola axiálně a vystupuje diagonálně (šikmo k ose otáčení) Axiální čerpadla Axiální čerpadla neboli čerpadla lopatková jsou ta u kterých kapalina proudí ve směru jejich osy. Někdy též osová čerpadla. Axiální čerpadla jsou vhodná pro čerpání velkého množství kapaliny, ale do malých výšek. Oběžné kolo je vyrobeno do tvaru vrtule a má dvě až čtyři lopatky. Lopatky jsou nastavitelné nebo na pevno. Axiální čerpadlo se podobá Kaplanově turbíně akorát, že tekutina teče z druhé strany. Hydraulický návrh čerpadel 54/87 18
Základní parametry Qč [l.s -1, m 3.s -1 ] dodávané čerpadlem za jednotku času (čerpané množství) Qopt [l.s -1, m 3.s -1 ] - optimální průtok čerpadla - průtok čerpadla je objem kapaliny v bodě optimální účinnosti při otáčkách n Qn [l.s -1, m 3.s -1 ] - jmenovitý (návrhový) průtok čerpadla Základní parametry H [m] - dopravní výška čerpadla, rozdíl celkové energie čerpané kapaliny při výstupu z čerpadla a při vstupu do něho, vztažený na jednotku tíhy čerpané kapaliny Hg [m] - geodetická dopravní výška je rozdíl mezi minimální hladinou v sací nádrži a maximální hladinou v nádrži kam je voda čerpína (vodojem) Hs [m] - geodetická dopravní výška na sací straně, rozdíl mezi minimální hladinou v sací jímce a osou čerpadla Hv [m] - geodetická dopravní výška na výtlačné straně, rozdíl mezi osou čerpadla a maximální hladinou ve výtlačné jímce Základní parametry max. hladina Výtlačná nádrž min. hladina osa čerpadla Sací nádrž 19
Základní parametry Y [J.kg -1 ] - měrná energie energie potřebná na jednotku čerpané kapaliny Yopt [J.kg -1 ] - optimální měrná energie čerpadla měrná energie čerpadla v bodě optimální účinnosti při otáčkách n Y gh Y 10H Základní parametry P [W] - příkon motoru čerpadla výkon přenesený hnacím zařízením na hřídel čerpadla P ρqy η - účinnost čerpadla Základní parametry Pn [W] - užitečný výkon čerpadla výkon odevzdaný čerpadlem čerpané kapalině protékající výstupním průřezem čerpadla P n Y Q 60/87 20
Základní parametry účinnost čerpadla čerpadla udává poměrné využití příkonu P n P n [min-1] - otáčky otáčky hřídele čerpadla za jednotku času NPSH (Net Positive Suction Head) NPSH (sací schopnost čerpadla) je parametr charakterizující sací stranu čerpacího systému včetně vstupní strany čerpadla od sacího hrdla až k pracovnímu elementu (oběžnému kolu). Jeho název je závazný i pro národní normy (od r. 2004 i pro ČSN). Tento parametr je specifický pouze pro hydraulické stroje a jejich elementy a souvisí s jevem, který se souhrnně nazývá kavitace. Základní charakteristiky čerpadel Q-H (Q-Y) vyjadřuje závislost dopravní výšky H (nebo měrné energii Y) na čerpaného množství Q Q-P závislost výkonu P na Q křivka účinnosti závislost účinnosti na Q NPSH křivka závislost sací schopnosti čerpacího systému na Q 21
Základní charakteristiky čerpadel Obecný průběh charakteristik hydrodynamického odstředivého radiálního čerpadla Rovnice Q-H křivky H H 0 Q 0 2 kde H o závěrný bod čerpadla součinitel paraboly o Q průtok 65/87 Zapojení čerpadel Sériové zapojení čerpadel 22
Zapojení čerpadel Paralelní zapojení čerpadel Výpočet tlakových ztrát Charakteristika potrubí h z K Q 2 kde K odporový součinitel potrubí Q průtok Vyjadřuje závislost tlakových ztrát v potrubí na průtoku. Často je nutno při grafickém i numerickém řešení provést výpočet složeného potrubí, což je soustava potrubí různých světlostí, délek a materiálů navzájem propojených 23
Stanovení pracovního bodu čerpadla 70/87 Pracovní bod čerpadla Pro posouzení vhodnosti určitého typu čerpadla pro daný čerpací systém je nutno znát charakteristiky čerpadla i potrubí. Průsečík Q-H charakteristiky čerpadla s charakteristikou potrubí je tzv. pracovní (provozní) bod hydraulického systému. Pracovní bod určuje návrh celého hydraulického systému a má se nacházet v optimální oblasti křivky účinnosti čerpadla Pracovní bod čerpadla Grafické řešení 24
25 Pracovní bod čerpadla Numerické řešení 2 0 H 0 Q H 2 Q K h z 0 0 K H H Q g 0 0 0 K H K H H g H g h z H 74/87 Změna otáček čerpadla [m 3.s -1 ] [m] [W] 1 2 1 2 n n Q Q 2 1 2 1 2 n n H H 3 1 2 1 2 n n P P 75/62
76/62 77/62 78/62 26
27
84/62 28
85/62 86/62 Děkuji za pozornost, dotazy? 29