Режимы течения жидкости и воздуха в канализационных стояках

Визуальные наблюдения потоков воды и воздуха в стеклянных трубопроводах на большом стенде подтвердили правильность принятой для аналитических исследований модели течения воды и воздуха (гл. II).

Вода при истечении из горизонтального поэтажного отвода перекрывает сечение стояка, ударяется о его противоположную стенку с образованием вихря, а затем начинает двигаться вниз. При этом сечение стояка на уровне присоединения отводного трубопровода остается сжатым водой до тех пор, пока не прекратится истечение из отвода. Так, например, если опорожнение полностью заполненной ванны емкостью 160—180 л продолжается в течение 180 с, то все это время стояк перекрыт жидкостью. На небольшом расстоянии (30—50 см) от входа в стояк движение водовоздушной смеси стабилизируется: вода в виде пленки движется по внутренней поверхности стояка, а внутри потока воды в виде стержня движется воздух.

До поступления воды в стояк воздух движется в нем снизу вверх. При опускном движении воды по стояку воздух изменяет направление своего движения на противоположное. Отсюда следует однозначный вывод о том, что поступление воздуха из атмосферы в стояк вызвано движением жидкости.

Структура стержневого течения существенно изменяется в зависимости от соотношения фаз в стояке. При практических расходах жидкости, когда истинная доля сечения трубы, занятая газовой фазой, уменьшается, жидкость движется по стенкам стояка сплошным потоком.

Уменьшение расхода воды приводит к увеличению доли сечения стояка, занятой газовой фазой, — происходит искривление границы раздела фаз газ жидкость. Дальнейшее уменьшение расхода жидкости еще более искривляет эту границу раздела и, наконец/при пленочном движении жидкости граница раздела фаз принимает волнообразный характер.

При пленочном движении жидкости может вновь измениться направление движения воздуха, тогда вектор его скорости будет направлен вертикально вверх. В этом случае воздух будет двигаться навстречу движению жидкости. Воздух создает дополнительное сопротивление движению жидкости, и поэтому остаточная жидкость медленно стекает по стенкам стояка.

Пленочное движение жидкости не имеет практического значения для расчета надземной части систем канализации зданий. При больших расходах транспортирование жидкости по стояку обязательно сопровождается поступлением воздуха в стояк из атмосферы.

Все формы стержневого движения жидкости и воздуха в канализационном стояке характеризуются чистой поверхностью раздела фаз и отсутствием пенообразования. Даже при расходах жидкости, значительно превышающих критические, стержневой характер движения не переходит в снарядный, которому присуще наличие газовых пузырей («снарядов»), имеющих длину, равную нескольким десяткам, диаметров трубопроводов. Газовые пузыри-снаряды занимают все сечение трубопровода, являясь газовыми пробками, которые снизу и сверху отделяются одна от другой тонким слоем жидкости. При этом резко возрастает эжектирующая способность жидкости, что приводит к возникновению в стояке разрежений большой величины, составляющей до 3500 мм вод. ст., о чем свидетельствуют результаты экспериментальных исследований водосточных стояков, выполненных канд. техн. наук М. А. Гурвицем [4].

Следует, однако, отметить, что в канализационном стояке невозможно достигнуть вакуума указанной величины, так как в отличие от водосточного канализационный стояк является незамкнутой системой, в которой напорный режим течения не может быть создан и при срыве только одного гидравлического затвора происходит также срыв вакуума в стояке.

Жидкость, поступающая в стояк из поэтажного отвода, создает местное сопротивление большой величины для движущегося сверху (из атмосферы) вниз воздуха.

В результате возникает дефицит воздуха. Поэтому, если в стояк воздух из атмосферы будет поступать минуя сжатое сечение (ниже места входа жидкости), то количество воздуха будет соответствовать эжектирующей способности жидкости и дефицита воздуха не возникнет.

Это положение подтверждено исследованиями на малом стенде более чем на десяти системах канализации, отличающихся высотой и диаметром стояков, а также условиями входа в них жидкости. Экспериментальная схема представлена на рис. 5. Расход воздуха определялся по его скорости, замеренной полупроводниковым термоанемометром; величина разрежений фиксировалась мановакууммедром, присоединенным к стояку в одном сечении с местом входа воздуха. Во избежание искажения картины течения в сравнительно коротком стояке, на нем не устраивался нижний гиб.

Одновременно на том же стенде была определена длина начального участка стояка, на которой достигается максимальная величина эжектирующей способности жидкости. Экспериментально начальный участок установлен в результате измерения величины эжектирующей способности жидкости в стояке диаметром 45 мм, к которому под углом 45° присоединен отводной трубопровод такого же диаметра. Рабочая высота стояка последовательно увеличивалась с 2,35 до 5,28 м (с 52,2 до 117,2 диаметра стояка). Результаты эксперимента представлены графиками на рис. 6.

Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что величина эжектирующей способности возрастает лишь на участке стояка, равном 90 диаметрам от места входа в него жидкости. При увеличении рабочей высоты стояка с 90 до 117,2 его диаметра расход воздуха не изменяется.

Экспериментальные исследования эжектирующей способности жидкости позволили установить следующую зависимость (рис. 7) ее от основных параметров системы канализации здания:

где Q_в — величина эжектирующей способности воды, л/с; q_ж — расход жидкости, л/с; D_ст — диаметр стояка, дм; d_отв — диаметр поэтажного отвода, дм; L — рабочая высота стояка, дм; 90D_ст — длина начального участка стояка, дм; ? — угол присоединения поэтажных трубопроводов к стояку, град.

Из формулы (30) следует, что за длину начального участка (или длину участка стабилизации эжектирующей способности) стояка принята длина, равная 90 его диаметрам от места входа жидкости. Следовательно, формула (30) Верна для стояков, рабочая высота которых L?90D_ст. Для стояков большей высоты определение величины эжектирующей способности жидкости следует производить по формуле (30), исключив из нее сомножитель ?90D_ст/L.

В тех случаях, когда D_ст=100 мм (1 дм), L?90D_ст, D_ст=d_отв и ?=90°, формула (30) принимает вид:

Сравнение экспериментальных значений величины эжетирующей способности жидкости с расчетными по формуле (26), в которой коэффициент 2,5 заменен на 9,5?D_ст/(1+cos ?)^0,177, представленное на рис. 8 (для стояков с L?90D_ст), позволяет сделать вывод о том, что теоретические предпосылки, положенные в основу разработки этой формулы, правильно отражают физику явлений при течении жидкости и воздуха # вертикальном трубопроводе.

Анализ формулы (30) показывает, что величина эжектирующей способности жидкости, определенная экспериментально, прямо пропорциональна длине -начального участка стояка в степени 1/2. Нетрудно видеть, что эта же закономерность отражена в аналитической формуле (26).

Пропорциональность величины эжектирующей способности жидкости длине участка ее стабилизации в степени 1/2 находит обоснование, в теории пограничного слоя [30], в которой рассматривается развитие пограничного слоя при течении жидкости вдоль плоской пластины бесконечной длины: «удвоение длины пластины не приводит к удвоению сопротивления, так как толщина пограничного слоя на задней половине пластины (удлиненной в два раза) больше, чем на передней половине, вследствие чего сопротивление трения на задней половине пластины меньше, чем на передней».

Следует подчеркнуть, что зависимости (26) и (30) справедливы только для стержневого режима течения жидкости и воздуха в канализационном стояке. При изменении режима течения эти зависимости нарушаются.

Результаты исследований зависимости фактического расхода воздуха от расхода воды на восьми системах канализации, отличающихся диаметрами и высотой стояков, а также условиями входа в них жидкости, позволяют сделать вывод о том, что при боковом подводе жидкости к стояку расход воздуха, поступающего в стояк выше его сжатого сечения, практически не зависит от угла присоединения поэтажного трубопровода.

На основе комплекса исследований по определению расхода воздуха, поступающего в стояки, установлена следующая зависимость скорости воздуха, м/с, от условной скорости воды, высоты и диаметра стояков, а также диаметра поэтажных трубопроводов (рис. 9):

где v_ж — условная скорость жидкости, определяемая как отношение ее расхода к площади сечения стояка, м/с; D_ст и d_отв — диаметры стояка и поэтажного отвода, м.

Из зависимости (31) следует, что и на расход воздуха, поступающего в стояк выше его сжатого сечения, оказывает влияние не вся высота стояка, а лишь длина его начального участка, равная 90D_ст.

В случае D_ст=d_отв и L?90D_ст формула (31) примет вид:

Расход воздуха, поступающего в стояк, равен:

При известных величинах эжектирующей способности жидкости, определяемой формулой (30), и расхода воздуха, определяемого формулой (32), дефицит воздуха определится из выражения:

При увеличении расхода жидкости возрастает сопротивление, создаваемое ею в сжатом сечении стояка, а также величина эжектирующей способности жидкости. Однако несмотря на увеличение сопротивлений в сжатом сечении стояка при возрастании расхода жидкости, расход воздуха, поступающего через вытяжную часть в стояк, увеличивается (рис. 10).

Расход воздуха, поступающего в стояк выше его сжатого сечения, увеличивается до определенного предела, соответствующего критическому расходу жидкости, т. е. моменту срыва гидравлического затвора. После этого через сорванный гидравлический затвор в стояк поступает дополнительное количество воздуха и, естественно, что расход воздуха, поступающего выше сжатого сечения стояка, резко уменьшается.

При увеличении расхода жидкости величина ее эжектирующей способности возрастает быстрее, чем расход воздуха, фактически поступающего в стояк, что обусловливает возрастание дефицита воздуха. Это положение иллюстрируется графиками на рис. 11. Кривые 1 и 3 этих графиков рассчитаны по формуле (30), кривые 2 и 4 — по формуле (32).

Формулы (30), (31) и (33) позволяют проанализировать работу телескопических канализационных стояков (стояков с переменным диаметром по высоте), широко применяющихся в практике строительства в США. Увеличение диаметра нижней половины стояка способствует увеличению эжектирующей способности жидкости при неизменном расходе воздуха, поступающего в стояк из атмосферы. Следовательно, в телескопическом стояке увеличивается дефицит воздуха и уменьшается пропускная способность.

Во избежание возникновения дефицита воздуха в стояке, к которому на различных отметках присоединяются поэтажные отводные трубопроводы (т. е. образование сжатого сечения возможно на разных отметках стояка), необходима подача воздуха в этот стояк ниже точек присоединения к нему поэтажных трубопроводов. Наилучшим образом это может быть достигнуто устройством второго, вентиляционного, стояка, который соединяется перемычками со сточным стояком либо объединяет поэтажные трубопроводы (рис. 12). Последняя схема исследована нами на большом стенде (диаметр сточного стояка и поэтажных отводных трубопроводов — 57 мм, диаметр вентиляционного стояка — 51 мм, угол присоединения отводов к сточному стояку — 90°). Замерялась» скорость воздуха, поступающего в вентиляционный стояк; при этом вытяжная часть сточного стояка была заглушена, отводные трубопроводы в первом и втором «этажах» не вентилировались.

Проведенный эксперимент показывает, что при отсутствии сопротивлений большой величины расход воздуха, поступающего в систему канализации, увеличивается во,всем диапазоне увеличения расхода жидкости. График зависимости расхода воздуха, поступающего по вентиляционному стояку, от расхода воды представлен на рис. 13, кривая 1. Для сравнения на графике приведены кривая 2, которая показывает изменение расхода воздуха в той же системе, не имеющей вентиляционного стояка, при поступлении воздуха через вытяжную часть сточного стояка, и кривая 3, рассчитанная по формуле (30). Небольшой дефицит воздуха в исследуемой системе (область между кривыми 1 я 3) объясняется потерями напора воздушной струи на вход, трение и в местных сопротивлениях в гидравлическом тракте, по которому движется воздух. Кроме того, диаметр вентиляционного стояка несколько меньше диаметра сточного стояка. Возникновение дефицита воздуха небольшой величины обусловливает образование разрежения в системе канализации. При расходе воды 1,665 л/с величина разрежения составила лишь 32 мм вод. ст. (314 Па), в то время как без вентиляционного стояка в той же системе при расходах жидкости 0,8—1 л/с величина разрежений достигает 60—65 мм вод. ст., т. е. приводит к срыву гидравлического затвора высотой 60 мм.

Несмотря на отсутствие вентиляции двух нижних отводных трубопроводов, срыва гидравлических затворов, присоединенных к ним, не происходит. Это объясняется изменением режимов течения жидкости и воздуха в нижнем гибе сточного стояка со стержневого на вертикальном участке на разделенное в канализационном выпуске — вода омывает нижнюю стенку трубы, а над ней свободно течет воздух (рис. 14), Изменение режимов течения характеризуется резким снижением скорости воздуха, что сопровождается повышением статического напора над точкой перегиба стояка.

Повышение статического напора воздуха сопровождается не снижением, а повышением уровня воды в гидравлических затворах санитарно-технических приборов, присоединенных к стояку в нижних этажах. Следует подчеркнуть, что выброс воды, заполняющей эти гидравлические затворы, в чашу санитарно-технических приборов происходит только в том случае, когда сечение трубопровода канализационного выпуска не менее чем на 3/4 сужено, например, вследствие частичного засора.