Tekst na podstawie opracowania Bartosza Kaźmierczaka „Wybrane zagadnienia z kanalizacji, cz.I systemy kanalizacyjne”. Politechnika Wrocławska
Kanalizacja ciśnieniowa może być stosowana do transportu ścieków bytowogospodarczych i/lub przemysłowych. Uwarunkowania techniczno-ekonomiczne wykluczają najczęściej jej zastosowanie do transportu ścieków deszczowych czy ogólnospławnych. Wymiarowanie kanalizacji ciśnieniowej odbiega w zasadniczy sposób od schematów przyjętych przy obliczaniu sieci grawitacyjnej i jest o wiele bardziej skomplikowane. Kanalizacja ciśnieniowa działa w skutek samoczynnie uruchamiających się pojedynczych urządzeń zbiornikowo-tłocznych (pompowni). Momenty włączania poszczególnych urządzeń zbiornikowo-tłocznych nie zależą od siebie, gdyż są zależne wyłącznie od intensywności dopływu ścieków do tych urządzeń.
Dobór i rozmieszczenie urządzeń zbiornikowo – tłocznych należy dokonywać na podstawie szczegółowych planów zagospodarowania przestrzennego terenu, w oparciu o analizę techniczno-ekonomiczną różnych wariantów ich liczby i rozmieszczenia. W pewnych przypadkach zabudowy bardziej uzasadnione może okazać się zainstalowanie jednego urządzenia do obsługi kilku nieruchomości (pompownia sieciowa), niż oddzielnych dla każdego budynku. Dobór podstawowych parametrów sieciowych urządzeń zbiornikowo – tłocznych, takich jak: wydajność pomp (Q) i objętość użytkowa (Vu) zbiornika wyrównawczego, można wykonać w oparciu o analogiczne zasady jak przy obliczaniu urządzeń hydroforowych.
Przyjmując za podstawę częstotliwość (i) włączeń pomp na godzinę, równą liczbie cykli pracy (najczęściej i = 4 ÷ 10), objętość użytkową zbiornika określa wzór:
gdzie:
Vu – objętość użytkowa zbiornika – do sterowania działania pompy, dm3,
Q – wydajność pompy ściekowej, dm3/s,
T – cykl działania pompy, s:
przy czym czas ruchu tr:
a czas postoju tp:
Qśr – średni dopływ ścieków w poszczególnych cyklach (zmienny w dobie), dm3/s,
qść – obliczeniowy odpływ ścieków z obiektu (Qść ≥ AWsmax = 1,2÷2,5 dm3/s), dm3/s;
K – charakterystyczny współczynnik jednoczesności odpływu ścieków z obiektu, dm3/s:
K = 0,5 – dla budynków mieszkalnych, w tym restauracji, biur;
K = 0,7 – dla dużych obiektów typu szkoły, szpitale, hotele, zakłady gastronomiczne;
AWs – równoważnik odpływu ścieków z urządzenia:
AWs = 1,2÷2,5 – dla miski ustępowej (o zbiornikach na wodę 4÷9 dm3);
AWs = 0,8÷1,3 – dla wanny, zlewozmywaka,
AWs = 0,5÷0,8 – dla pralki automatycznej,
AWs = 0,3÷0,8 – dla pisuaru;
AWs = 0,2÷0,8 – dla zmywarki do naczyń;
AWs = 0,3÷0,5 – dla natrysku, umywalki, bidetu, itd.
Q – wydajność pompy ściekowej, dm3/s,
Qd min – minimalny dobowy dopływ ścieków, dm3/s:
Vśc – dobowa objętość ścieków, dm3,
qjd – jednostkowy dobowy strumień ścieków od mieszkańca, dla miast qjd =150 dm3/d∙Mk,
LM – liczba mieszkańców.
– Qmin = 4,0 dm3/s – dla pomp bez rozdrabniarek i przewodów o średnicy 80 mm,
– Qmin = 2,5 dm3/s – dla pomp z rozdrabniarkami i przewodów o średnicy 65 mm.
Wówczas objętość zbiornika wyrównawczego projektowana jest na czas przetrzymania ścieków – nawet do 1 doby.
Najbardziej złożonym zagadnieniem jest kwestia racjonalnego doboru
średnic ciśnieniowych przewodów kanalizacyjnych. Kryteriami są tutaj:– minimalna prędkość przepływu ścieków,
– maksymalna wysokość ciśnienia.
Kryterium minimalnej prędkości (υ min) ma na celu zapewnienie transportu cząstek stałych zawieszonych w ściekach lub wleczonych przy dnie, tak by nie dopuścić do ich osadzania się.
Tak więc projektowana sieć powinna spełniać dwa warunki:
– w każdym odcinku sieci powinna być okresowo osiągana prędkość samooczyszczenia (niezbędna do rozmycia i transportu odłożonych osadów): V ≥ Vmin
– maksymalne ciśnienie, w najbardziej niekorzystnie położonych punktach sieci, nie powinno przekroczyć wartości granicznej (dla zapewnienia minimalnej żądanej wydajności urządzenia): H ≤ Hmax
Jak łatwo zauważyć, oba warunki są przeciwstawne sobie – odnośnie wymaganych średnic przewodów (d):
– mniejsze średnice to większe prędkości przepływu (υ) ścieków,
– większe średnice to mniejsze straty ciśnienia (∆h),
wynika to z analizy wzoru Weisbacha:
Współczynnik liniowych oporów tarcia (λ) należy obliczać w oparciu o (znany z wodociągów) wzór Colebrooka–White’a :
lub wzór Zigranga-Sylwestra, który jest nieuwikłaną postacią wzoru Colebrooka–White’a (3.9) o wysokiej zgodności (do 0,1%):
dla k ≥ 0,25 mm – dla tworzyw sztucznych – wg ATV-A110.
Liczba (k) pracujących jednocześnie urządzeń, z pośród ich liczby (n) w całym systemie, ulega znacznym zmianom. Skutkiem tego występują duże wahania ciśnienia w sieci. W konsekwencji różne są też czasy działania poszczególnych urządzeń, zależnie od aktualnego ciśnienia w sieci, jak i kształtu charakterystyki dobranego urządzenia tłocznego. Przykładowo, z nomogramu (na rys. 3.7) dla założonego stosunku tr / tp = 0,016 można określić liczbę k jednocześnie pracujących urządzeń przy globalnej ich liczbie n – na założonym poziomie prawdopodobieństwa Pn(k), a mianowicie:
– Pn(k) = 0,1% – odnośnie nie przekraczania maksymalnego ciśnienia: Hrzecz ≤ Hmax ,
– Pn(k) = 10% – odnośnie osiągania prędkości samooczyszczenia: Vmin 0,7 m/s.
Rys. 3.7. Nomogram do obliczania prawdopodobieństwa Pn(k) jednoczesnej pracy k spośród n
urządzeń w systemie, przy stosunku tr/tp = 0,016.
Określenie położenia w sieci pracujących urządzeń nie jest jednak możliwe. Można jedynie określić, dla jakich zakresów wartości n, tj. dla jakiej liczby urządzeń zainstalowanych powyżej, przepływ w danym odcinku sieci jest funkcją pracy k urządzeń.
Przykładowo, przy Pn(k) = 0,1%:
– dla n[1; 3] urządzeń, strumień przepływu jest funkcją pracy k = l urządzeń;
– dla n[4; 12] – k = 2, a
– dla n[13; 28] – k = 3 itd.,
przy czym w każdym przypadku każde rozmieszczenie pracujących urządzeń jest jednakowo prawdopodobne (w zakresie od l do n).
Przyjmując zatem prawdopodobieństwo wystąpienia przepływów i prędkości maksymalnych na poziomie Pn(k) = 0,1% – z warunku Hrzecz ≤ Hmax oraz prawdopodobieństwo wystąpienia prędkości samooczyszczenia na poziomie Pn(k) = 10% – z
warunku Vrzecz ≥ Vmin, ustalić można dwa różne strumienie obliczeniowe „miarodajne” dla zwymiarowania danego odcinka sieci. Ideę linearnego modelu obliczeniowego kanalizacji ciśnieniowej, dla n [1; 100] urządzeń przy tr/tp = 0,016, zobrazowano na rysunku 3.8.
Rys. 3.8. Idea obliczeń dla linearnego modelu kanalizacji ciśnieniowej (n [1; 100] oraz tr/tp = 0,016)
Jak widać liczba pracujących jednocześnie urządzeń, spośród n = 100 urządzeń, z prawdopodobieństwem Pn(k) = 0,1% wynosi k = 7, a z prawdopodobieństwem Pn(k) = 10% wynosi k = 3. Ekstremalne wartości ciśnienia wystąpią dla przypadku lokalizacji k urządzeń na początku danego odcinka obliczeniowego li – o przyjętej średnicy di(ki).
Kierując się minimalizacją kosztów eksploatacji (zużywanej energii), średnicę danego odcinka di(ki) dobierać należy jako największą z możliwych – przy zapewnieniu prędkości samooczyszczania (PSP). Zabezpieczeniem przed przepełnianiem się zbiorników pomp jest pojemność buforowa.
Podstawą doboru średnic przewodów ciśnieniowych nie jest wartość maksymalnego godzinowego przepływu ścieków (jak to ma miejsce przy wymiarowaniu grawitacyjnej kanalizacji bytowo-gospodarczej) lecz parametry pracy (H, Q) urządzeń zbiornikowotłocznych (pomp) – w mniejszym interwale czasu. Wg DWA-A 118, maksymalny godzinowy strumień ścieków bytowo-gospodarczych z terenów mieszkaniowych wynosi: Qbg = 0,005 dm3/s·Mk
Do wymiarowania sieci kanalizacji ciśnieniowej, wg wytycznej ATV-A116, przyjmuje się wskaźnik scalony odpływu szczytowego (qs) w wysokości:
gdzie mnożnik „1,5” uwzględnia przeciążenie systemu – występujące w mniejszym niż godzinowy interwale czasu (kilkuminutowym). Stąd maksymalny – szczytowy Qs (w dm3/s) strumień odpływu ścieków oblicza się z wzoru:
Obliczenia wysokości strat ciśnienia przeprowadza się przy założeniu ustalonego odpływu ścieków przy szczytowym obciążeniu całego systemu. W wymiarowanym systemie należy wariantowo wyznaczyć najbardziej niekorzystną drogę przepływu ścieków – dla której wystąpią najwyższe straty ciśnienia przy transporcie ścieków od najdalszego
budynku do wylotu na oczyszczalnię. Najczęściej, za minimalny przepływ obliczeniowy na najdalszym – początkowym odcinku
sieci, przyjmuje się Qmin = 4,0 dm3/s, jako odpływ z najdalszej pompowni przy minimalnej średnicy przyłącza d = 80 mm. Wówczas w przewodzie miejskim o np. dmin = 100 mm prędkość przepływu wyniesie υ ≈ 0,5 m/s < 0,7 m/s – skąd wynika konieczność płukania tego odcinka. W najdalszym (początkowym) odcinku sieci rozgałęźnej dopuszcza się wyjątkowo
średnicę przewodu miejskiego d = 80 mm na długości do 300 m. Wówczas przy Qmin = 4,0 dm3/s dla υ ≈ 0,8 m/s.
Przykład obliczeniowy kanalizacji cisnieniowej możecie znaleźć w opracowaniu jw. pod adresem;
http://www.bartoszkazmierczak.pl/pliki/wyklad2a.pdf