Расчет и конструирование надземной части систем канализации с вентилируемыми стояками

Расчет системы канализации здания из условия устойчивости гидравлических затворов заключается в определении величины разрежения, которое может возникнуть в канализационном стояке.

Основные Исследования по определению величины разрежений в канализационном стояке выполнены на малом стенде, где работа проводилась в стационарном режиме течения жидкости, а конструкция стенда позволяла очень просто варьировать геометрическими параметрами экспериментальных систем. На большом стенде выполнены исследования на стояках, к которым поэтажные отводы присоединены под углом 90°. Кроме того, эксперименты выполнены на канализационном стояке из чугунных труб диаметром 100 мм в 19-этажном жилом доме (высота стояка около 60 м).

Результаты экспериментальных исследований на восьми системах канализации, отличающихся диаметром и высотой стояков, а также условиями входа в них жидкости (рис. 15), свидетельствуют о том, что пропускная способность канализационных стояков зависит от условий входа жидкости в стояк — угла присоединения поэтажных отводов к стояку и отношения D_ст/d_отв.

Кривые 1 и 3 графика построены для стояков диаметром 45 мм высотой от 90 до 117,2 диаметра. Эти кривые подтверждают, что длина начального участка вертикального трубопровода, работающего в стержневом режиме движения жидкости и воздуха, равняется примерно 90 диаметрам стояка. Ранее было показано, что величина эжектирующей способности жидкости стабилизируется на этом участке стояка, величина разрежения принимает максимальное значение. Это положение подтверждается кривыми 1—4, характеризующими зависимость величины разрежений от расходов воды и условий ее входа в стояки высотой 52,2D_ст и более 90D_ст. При уменьшении высоты стояка с 4,05 до 2,35 м его пропускная способность возрастает в среднем на 15%, что объясняется уменьшением эжектирующей способности воды при уменьшении высоты стояка (при прочих равных условиях). Когда рабочая высота стояка становится равной 90 его диаметрам, пропускная способность становится минимальной и не изменяется при последующем увеличении высоты стояка. Это также подтверждают результаты экспериментов на большом стенде и в 19-этажном жилом доме.

Особо следует отметить влияние угла входа воды в стояк на его пропускную способность.

Сравнение между собой аналогичных систем канализации, отличающихся только углом присоединения поэтажных отводов к стояку (кривые 1 я 3, 2, и 4, 5 и 7, 6 и 8 на рис. 15), показывает, что при уменьшении этого угла с 90 до 45° пропускная способность стояков возрастает в 1,7 раза. Сравнивая между собой кривые 5 я 6, а также 7 и 8, видно, что при уменьшении диаметра поэтажных отводных, трубопроводов от 100 до 45 мм (при прочих равных условиях) достигается увеличение пропускной способности стояка примерно на 20—25%.

При уменьшении угла входа воды в стояк увеличивается площадь живого сечения воздуха в сжатом сечении ?_в, что приводит к уменьшению величины разрежений ?р.

Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что пропускная способность канализационного стояка, не имеющего дополнительной вентиляции, и площадь живого сечения стояка для прохода воздуха из атмосферы будут максимальными при вертикальном входе в него жидкости.

На основе исследований; проведенных на малом и большом стендах, а также в натурных условиях, получена следующая зависимость величины разрежения, мм вод. ст., от расхода жидкости и основных параметров канализационных систем (рис. 16):

где q_ж — расход стоков, м³/с; ? — угол присоединения поэтажных трубопроводов к стояку, град; D_ст — диаметр стояка, м; d_отв диаметр поэтажных отводных трубопроводов, м; L — рабочая высота стояка, м.

Формула (34) рекомендуется для определения величины разрежений в канализационных стояках, рабочая высота которых L?90D_ст. Для стояков большей высоты множитель в знаменателе формулы (34) ?90D_ст/L не следует учитывать при расчетах, и формула принимает вид:

В том случае, когда ?=90° и D_ст=d_отв, формула (35) значительно упрощается:

В связи с тем, что формулы (34) и (35) сложно использовать для расчетов, рекомендуется пользоваться при конструировании системы канализации данными табл. 5, рассчитанными по формуле (35).

Для того чтобы оценить точность формул (34) и (35), проанализируем результаты двух экспериментов в 19-этажном жилом доме, проведенных в марте 1968 г. (рис. 17). Максимальное разрежение возникло в стояке непосредственно под его сжатым сечением. Например, при опорожнении трех ванн, установленных на 18, 17 и 16-м этажах, максимальная величина разрежений составила 30 мм вод. ст. (294 Па) на 15-м этаже. При опорожнении четырех ванн, установленных на 19, 18, 17 и 16-м этажах, максимальная величина разрежений составила 53 мм вод. ст. также на 15-м этаже.

При расчете по формуле (35) при расходе жидкости 3 л/с величина разрежения составляет 30,5 мм вод. ст., а при расходе 4 л/с — 49,8 мм вод. ст., т. е. результаты расчетов хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований.

Полученные зависимости по экспериментальным данным зарубежных исследователей проанализировать сложнее, поскольку в технической литературе не приводятся фактические параметры систем. Так, например, в работе [31] приводятся результаты исследований пропускной способности канализационного стояка диаметром 100 мм высотой более 25 м. Если предположить, что фактический диаметр экспериментального стояка равнялся не 100, а 102 мм и к нему под углом 87,5° (за рубежом прямые тройники имеют угол не 90, а 87,5°) присоединялись поэтажные отводы такого же диаметра, то результаты расчетов по формуле (35) удовлетворительно совпадают с экспериментальными данными, приведенными Бешем (табл. 6).

В скандинавских странах с этой целью применяют канализационные стояки сложной конфигурации (рис. 18).

В некоторых случаях невентилируемые участки канализационного стояка не требуют устройства петлеобразного трубопровода. Этот вопрос подробно рассматривается далее.

При конструировании надземной части систем канализации зданий особое внимание необходимо уделять решению узла присоединения поэтажных отводных трубопроводов к стояку.

В работе [31] представлены шесть типов тройников (см. рис. 18), из которых предпочтение отдается фасонным частям, обеспечивающим вход жидкости в стояк под острым углом.

Наиболее эффективными являются фасонные части, обеспечивающие вертикальный вход жидкости в стояк. Этому назначению отвечают фасонные части «Rehau» [34], «Sovent» [38] и «Sextia» [32].

В отечественной практике поэтажные отводы могут присоединяться к стояку под острым углом только с помощью косых тройников или крестов. В этом случае возникает необходимость еще в одной фасонной части — отводе, например: тройник 60°+отвод 120° или тройник 45°+отвод 135°. Однако применение двух фасонных частей для присоединения к стояку одного поэтажного трубопровода часто осложняется из-за недостаточного места в санитарно-технической шахте, и тогда вынужденным решением является применение прямых тройников или крестов, что ведет к уменьшению пропускной способности стояков. Следует особо подчеркнуть, что смежное присоединение (в одном сечении) двух квартир к одному канализационному стояку с помощью прямых крестов недопустимо. При таком решении опорожнение ванны в одной квартире сопровождается поступлением сточной жидкости по поэтажному отводу в ванну смежной квартиры. Когда присоединение двух смежных квартир нельзя осуществить с помощью косых крестовин, следует канализационный выпуск из каждой квартиры присоединять к самостоятельному канализационному стояку.

Очень важным при конструировании систем канализации в высотных зданиях является вопрос о необходимости устройства вентиляционного стояка. В зарубежной практике строительства до настоящего времени широко распространены двухтрубные системы канализации. Прокладка второго стояка существенно удорожает строительство и, кроме того, делает невозможным применение типовых санитарно-технических кабин, нашедших широкое распространение в массовом строительстве. Поэтому следует тщательно проанализировать условия, при которых становится необходимым устройство вентиляционных стояков.

Вентиляционный стояк должен устанавливаться в тех случаях, когда потери напора воздушного потока в сточном стояке по расчету достигают критической величины (например, 65 мм вод. ст. для гидравлических затворов высотой 60 мм), что возможно, когда величина расчетного расхода сточной жидкости превышает критическую, указанную в табл. 5, пли когда высота сточного стояка превышает допустимую.

Что касается величины расчетных расходов сточной жидкости, то едва ли максимальный расход, приведенный в табл. 5 и равный 9,45—16,1 л/с, достижим для одного стояка. Если это рассуждение справедливо, то наиболее простым представляется решение, в соответствии с которым устраивается однотрубная система с канализационным стояком диаметром 150 мм. Кроме того, можно рекомендовать устройство нескольких сточных стояков с уменьшенными нагрузками на каждый из них.

Допустимая высота стояков должна быть определена расчетом, исходя из величины удельной потери напора воздуха (при критическом расходе жидкости) и минимальной высоты гидравлического затвора, присоединяемого к расчетному стояку.

Величина удельной потери напора воздуха определяется по его скорости, а скорость — по формуле (31). Данные, представленные в табл. 7, рассчитаны по формуле (31) с использованием данных табл. 5.

Величины удельных потерь напора воздуха на трение взяты из справочника [21]. Данных о потерях напора воздуха в местных сопротивлениях при его движении в канализационном стояке в настоящее время не имеется. Ориентировочно их можно принять равными 50% потерь на трение. Так, для стояка диаметром 100 мм максимальная величина удельных потерь напора воздуха составит примерно 0,23 мм/м, для стояка диаметром 150 мм — 0,14 мм/м. Отсюда критическая, высота канализационного стояка в зависимости от высоты гидравлических затворов (50, 60 или 70 мм) может быть равна: для стояков диаметром 100 мм — 220, 260 или 300 м; для стояков диаметром 150 мм — 350, 430 или 500 м. Однако в приведенном расчете не учитываются потери напора воздуха в сжатом сечении стояка, так как мы рассматривали движение воздуха на участке стояка, расположенном выше входа в него жидкости.

Можно рекомендовать и другой метод определения допустимой высоты канализационного стояка, исходя из расчетного расхода сточной жидкости и основных параметров системы канализации здания. Располагая этими данными, по формуле (35) определяется максимальная величина потерь напора воздуха в сжатом сечении стояка (например, 30 мм вод. ст.). Таким образом, величина напора воздуха, которая может быть «потеряна» на трение и в местных сопротивлениях на участке стояка, расположенном выше входа жидкости в стояк, составит разницу между минимальной высотой гидравлического затвора (например, 50 мм) и величиной уже потерянного напора (30 мм вод. ст.), т. е. 20 мм вод. ст. Далее по формуле (31) необходимо определить скорость воздуха, поступающего в стояк, и в зависимости от скорости воздуха (предположим, 2,5 м/с) и диаметра стояка — удельную потерю напора воздуха на трепне (предположим, 0,11 мм/м) и в местных сопротивлениях (50% .потерь на трение, т. е. 0,055 мм/м). Суммарная величина удельных потерь напора составит при этом 0,165 мм/м. Допустимая высота канализационного стояка: 20:0,165?120 м.

Рассмотренный пример со всей очевидностью показывает, что допустимая высота канализационного стояка данного диаметра тем меньше, чем больше величина расчетного расхода сточной жидкости. Действительно, с увеличением расхода стоков растет величина потерь напора воздуха в сжатом сечении стояка и одновременно уменьшается величина, которую «может потерять» воздух на трение и местные сопротивления стояка.

Математически для условий течения воздуха в сточном стояке указанное положение можно выразить в виде:

где L — полная высота стояка (включая вытяжную часть), м; i — удельные потери напора на трение и в местных сопротивлениях, мм/м; h_сж.с — потери напора воздуха в сжатом сечении стояка, мм; h_з — высота гидравлического затвора, мм.

В том случае, когда сумма потерь напора воздуха превышает высоту гидравлического затвора, требуется дополнительная вентиляция стояка, при этом совершенно не обязательно устройство второго — вентиляционного — стояка. Простейшим решением является увеличение диаметра сточного стояка. Такое мероприятие при постоянном расходе сточной жидкости обеспечивает уменьшение обоих слагаемых, входящих в левую часть уравнения (36).

Если же в располагаемом сортаменте канализационных труб не имеется труб большего диаметра и не представляется возможным устройство двух сточных стояков с уменьшенными нагрузками, необходимо предусматривать устройство вентиляционного стояка.

Диаметр и допустимая высота вентиляционного стояка должны быть рассчитаны из условия устойчивости гидравлических затворов данной системы. Следует подчеркнуть, что в двухтрубной системе канализации весь воздух; эжектируемый из атмосферы жидкостью, движется только по вентиляционному стояку. Это объясняется увеличенными сопротивлениями в сточном стояке, которые возникают в его сжатом сечении. Вентиляционный стояк не занят жидкостью, и естественно, что весь воздух поступает в систему по нему.

Расход воздуха, поступающего в систему канализации, минуя сжатое сечение стояка, соответствует величине эжектирующей способности жидкости и может быть определен по формулам (30) и (26). Этот расход больше, чем расход воздуха, фактически поступающего веточный стояк через его вытяжную часть, и зависит от параметров системы канализации. Расходы воздуха в вентиляционных стояках диаметрами 100 и 150 мм, входящих в конструкции различных систем канализации, приведены в табл. 8. При расчетах использованы данные табл. 5.

Анализ приведенных в табл. 8 данных показывает, что независимо от диаметров вентиляционных стояков в системах канализации одинаковой конструкции при одинаковых диаметре сточного стояка и расходе жидкости величина эжектирующей способности жидкости (т. е. расход воздуха, движущегося по вентиляционному стояку) постоянна.

В табл. 9 приводятся данные о величине скорости и удельных потерях напора на трение воздуха, движущегося по вентиляционным стоякам диаметрами 100 и 150 мм. Скорости воздуха определены как частное от деления величины е/о расхода на площадь живого сечения вентиляционного стояка соответствующего диаметра. Величины удельных потерь напора воздуха на трение определены в соответствии с данными работы [21]. К этим потерям следует прибавить потери в местных сопротивлениях ориентировочно в размере 50% потерь на трение.

Рассмотрение приведенных данных позволяет сделать вывод о том, что устройство вентиляционного стояка не всегда может быть эффективным. Так, в системе канализации, включающей сточный стояк диаметром 150 мм, к которому под углом, например, 45° присоединяется поэтажный отвод диаметром 100 мм, при критическом расходе жидкости (16,1 л/с) нельзя устраивать вентиляционный стояк диаметром 100 мм. В этом случае удельная потеря напора воздуха только на трение составит 1,2 мм/м, а с учетом местных сопротивлений — 1,8 мм/м. Следовательно, при высоте гидравлических затворов, например, 50 мм допустимая высота вентиляционного стояка в такой системе составит лишь 50:1,8?28 м.

Устройство вентиляционного стояка диаметром 150 мм при тех же условиях позволит снизить суммарную величину потерь напора воздуха до 0,255 мм/м. При этом допустимая высота стояка возрастет до 50:0,255?200 м.

Следует отметить, что современное массовое строительство не требует устройства вентиляционных стояков в системах канализации.

Проведенные расчеты и результаты экспериментов позволили рекомендовать устройство однотрубной системы канализации со стояком диаметром 100 мм в 25-этажном жилом доме (Москва, проси. Мира, д. 184). Восьмилетняя практика эксплуатации систем канализаций в указанном здании полностью подтвердила правильность этой рекомендации.