Material na podstawie seminarium (zasady projektowania i budowy kanalizacji podciśnieniowej).
Wymiarowanie kanalizacji podciśnieniowej sprowadza się do zaprojektowania sieci zbiorczych rurociągów podciśnieniowych oraz stacji próżniowo-pompowej. Zaleca się stosowanie wyłącznie rozgałęzionej sieci (promienistej) z centralną stacją próżniowo-pompową. Kanalizacja podciśnieniowa służy do zbierania ścieków, a nie do transportowania ścieków na większe
odległości. Długość pojedynczego zbiorczego rurociągu podciśnieniowego nie może przekraczać 4 km. Duże obszary terenu można podzielić na strefy z własną stacją próżniowo-pompową. Węzeł opróżniający z zaworem opróżniającym będzie pracował prawidłowo, gdy minimalne podciśnienie na podłączeniu będzie wynosić 0,2 bara. System kanalizacji podciśnieniowej musi
być szczelny i w razie awarii systemu musi mieć pojemność rezerwową, która powinna wynosić około 25 % średniego dobowego dopływu ścieków. Minimalne średnice zbiorczych rurociągów podciśnieniowych należy przyjmować w zależności od występowania w ściekach dużych zanieczyszczeń stałych. Gdy brak jest w ściekach dużych zanieczyszczeń stałych, to należy przyjmować minimalną średnicę 65 mm, a gdy występują duże zanieczyszczenia stałe – to 80 mm.
Obecnie do projektowania kanalizacji podciśnieniowej ogólnie dostępne są wytyczne ATVDVWK-A 116 , PN-EN 1091 i EPA/625/1-91/024. Obowiązująca norma PN-EN 1091, odnośnie projektowania kanalizacji podciśnieniowej, zawiera minimalne wymagania projektowe. Wytyczne projektowania ograniczają się do ogólnych wymagań technicznych, dotyczących budowy i zastosowania urządzeń w systemach kanalizacji podciśnieniowej. Natomiast w wytycznych EPA/625/1-91/024 [4], występuje wiele nieścisłości przy dobrze parametrów projektowych. W wytycznych brak jest informacji, jak te parametry należy prawidłowo dobierać. W związku z tym, w niniejszym artykule zostanie przedstawiony tylko algorytm wymiarowania
kanalizacji podciśnieniowej wg ATV-DVWK-A 116:
1. Obliczanie maksymalnej odległość pomiędzy wzniesieniami w zależności od rodzaju zastosowanego profilu ułożenia rurociągu (rys. 11):
• dla profilu falowego F (rys. 11a):
• dla profilu piłokształtnego P (rys. 11b)
• dla profilu kieszeniowego K (rys. 11c):
gdzie:
L – dopuszczalna odległość pomiędzy wzniesieniami [m],
H – wysokość wzniesienia rurociągu podciśnieniowego [m],
d – wewnętrzna średnica rurociągu podciśnieniowego [m],
h – wysokość wzniesienia wewnątrz rurociągu podciśnieniowego – strata statyczna [m],
R – promień wygięcia rurociągu podciśnieniowego [m].
Rys. 11. Profil zbiorczego rurociągu podciśnieniowego:
a) w kształcie fali, b) w kształcie zębatej piły, c) w kształcie kieszeni
Promień wygięcia rurociągu podciśnieniowego R w zależności od rodzaju materiału wyznacza się ze wzorów:
• dla PVC-U:
• dla PE-HD:
gdzie:
R – promień wygięcia rurociągu podciśnieniowego [m],
D – zewnętrzna średnica rurociągu podciśnieniowego [m].
2. Obliczanie średnic rurociągów podciśnieniowych.
Wymiarowane rurociągów podciśnieniowych w pierwszym rzędzie zależy od długości gałęzi i gęstości zasiedlenia. Długość gałęzi jest to odległość zbiorczego rurociągu podciśnieniowego od stacji próżniowo-pompowej do najbardziej oddalonego węzła opróżniającego, bez uwzględniania krótkich rurociągów bocznych i podłączeniowych. Jako gęstość zasiedlenia przyjmuje się liczbę mieszkańców na metr długości gałęzi:
gdzie:
Gz – gęstość zasiedlenia dla pojedynczej gałęzi [m-1],
ΣMi – liczba mieszkańców podłączonych do pojedynczej gałęzi [-],
Lg – długość pojedynczej gałęzi [m].
Na podstawie długości gałęzi i gęstości zasiedlenia z tabeli 1 określa się średni stosunek powierza do ścieków w danej gałęzi zbiorczego rurociągu podciśnieniowego. Natomiast stosunek powietrza do ścieków na poszczególnych odcinkach zbiorczego rurociągu podciśnieniowego zaleca się przyjmować od 2:1 do 12:1. Wskazane jest, żeby stosunek powietrza do ścieków na
poszczególnych odcinkach zbiorczego rurociągu podciśnieniowego malał w kierunku stacji próżniowo-pompowej. Po ustaleniu stosunku powietrza do ścieków fi na poszczególnych odcinkach gałęzi z tabeli 2 dobiera się wewnętrzne średnice zbiorczego rurociągu podciśnieniowego. Zaleca się stopniowanie średnicy podciśnieniowego rurociągu nawet, jeśli z punktu widzenia
hydraulicznych wartości granicznych nie ma jeszcze potrzeby zwiększania średnicy rurociągu, ponieważ rurociąg podciśnieniowy dodatkowo pełni zadanie akumulatora podciśnienia. Zbiorcze rurociągi podciśnieniowe należy tak projektować, aby suma strat statycznych h na długości pojedynczej gałęzi nie była większa niż 5 m.
3. Obliczanie ilości ścieków i powietrza dopływającego do zbiornika podciśnieniowego.
Dobowy dopływ ścieków do zbiornika podciśnieniowego oblicza się ze wzoru:
gdzie:
Qdśr – dobowy dopływ ścieków [dm3⋅d-1],
ΣM – liczba mieszkańców podłączonych do kanalizacji podciśnieniowej [-],
qdśr– średnia dobowa ilość ścieków na jednego mieszkańca (w krajach UE waha się od 120 dm3⋅d-1do 400 dm3⋅d-1) [dm3⋅d-1].
Sekundowy przepływ ścieków w poszczególnych gałęziach zbiorczych rurociągów podciśnieniowych oblicza się ze wzoru:
gdzie:
QSi – sekundowy przepływ ścieków w pojedynczej gałęzi [dm3⋅s-1],
ΣMi – liczba mieszkańców podłączonych do pojedynczej gałęzi [-].
Całkowity sekundowy dopływ ścieków QS do zbiornika podciśnieniowego oblicza się ze wzoru:
Maksymalny sekundowy przepływ strumienia powietrza w poszczególnych gałęziach zbiorczych rurociągów podciśnieniowych oblicza się ze wzoru:
gdzie:
QPi – sekundowy przepływ powietrza w pojedynczej gałęzi [dm3⋅s-1],
QSi – sekundowy przepływ ścieków w pojedynczej gałęzi [dm3⋅s-1],
fśri – średni stosunek powietrza do ścieków występujący w pojedynczej gałęzi [-].
Całkowity sekundowy dopływ powietrza QP do zbiornika podciśnieniowego oblicza się ze wzoru:
Średni stosunek powietrza do ścieków w całym systemie kanalizacji podciśnieniowej f oblicza się ze wzoru:
4. Dobór pomp ściekowych i próżniowych.
Wydajność pojedynczej pompy i ich ilość w kanalizacji podciśnieniowej dobiera się w taki sposób, aby był spełniony warunek:
• dla pomp ściekowych:
• dla pomp próżniowych:
gdzie:
QSs – wydajność pojedynczej pompy ściekowej [dm3⋅s-1],
QS – całkowity sekundowy dopływ ścieków do zbiornika podciśnieniowego [dm3⋅s-1],
ns – liczba pomp ściekowych [-],
QPp – wydajność pojedynczej pompy próżniowej [dm3⋅s-1],
QP – całkowity sekundowy dopływ powietrza do zbiornika podciśnieniowego [dm3⋅s-1],
a – współczynnik bezpieczeństwa, który zaleca się przyjmować pomiędzy 1,2 – 1,5 [-],
np – liczba pomp próżniowych [-],
Szczytowy przepływ powietrza w eksploatacyjnych warunkach pracy pomp próżniowych oblicza się ze wzoru:
gdzie:
QPs – szczytowy przepływ powietrza w warunkach eksploatacyjnych [m3⋅h-1],
a – współczynnik bezpieczeństwa, który zaleca się przyjmować pomiędzy 1,2 – 1,5 [-],
QP – całkowity sekundowy dopływ powietrza do zbiornika podciśnieniowego [m3⋅h-1],
pb – ciśnienie barometryczne [kPa],
pśr – średnie bezwzględne ciśnienie pomiędzy ciśnieniem, przy którym następuje wyłączanie się i załączanie się pomp próżniowych [kPa].
Wymaganą wydajność ssania pomp próżniowych w kanalizacji podciśnieniowej oblicza się ze wzoru:
gdzie:
QPps – wydajność pomp próżniowych w kanalizacji podciśnieniowej [m3⋅h-1],
pb – ciśnienie barometryczne [kPa],
QPp – wydajność pojedynczej pompy próżniowej [m3⋅h-1],
pmin – minimalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje wyłączenie pomp próżniowych [kPa],
pmax – maksymalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje załączenie pomp próżniowych [kPa].
Dobrze dobrane pompy ściekowe i próżniowe dla projektowanej kanalizacji podciśnieniowej muszą spełniać następujące warunki:
gdzie:
QSp – wydajność dobranych pomp ściekowych [dm3⋅s-1],
QS – całkowity sekundowy dopływ ścieków do zbiornika podciśnieniowego [dm3⋅s-1],
ns – liczba pomp ściekowych [-],
QPps – wydajność pomp próżniowych w kanalizacji podciśnieniowej [m3⋅h-1],
QPs – szczytowy przepływ powietrza w eksploatacyjnych warunkach [m3⋅h-1],
np – liczba pomp próżniowych [-].
5. Obliczanie objętości zbiornika podciśnieniowego.
Minimalną objętość ścieków w zbiorniku podciśnieniowym oblicza się ze wzoru:
gdzie:
VS – minimalna objętość ścieków w zbiorniku podciśnieniowym [m3],
QSp – wydajność dobranych pomp ściekowych [m3⋅h-1],
ks– liczba załączeń pomp ściekowych w ciągu godziny (maksymalnie 12/h) [-].
Minimalną objętość powietrza w zbiorniku podciśnieniowym oblicza się ze wzoru:
gdzie:
VP – minimalna objętość powietrza w zbiorniku podciśnieniowym [m3],
QPps – wydajność pomp próżniowych w kanalizacji podciśnieniowej [m3⋅h-1],
pmin – minimalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje wyłączenie pomp próżniowych [kPa],
pmax – maksymalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje załączenie pomp próżniowych [kPa],
kp– liczba załączeń pomp ściekowych w ciągu godziny (maksymalnie 12/h) [-],
np – liczba pomp próżniowych [-].
Objętość zbiornika podciśnieniowego oblicza się ze wzoru:
gdzie:
V – objętość zbiornika podciśnieniowego [m],
VS – minimalna objętość ścieków w zbiorniku podciśnieniowym [m3],
VP – minimalna objętość powietrza w zbiorniku podciśnieniowym [m3].
Następnie należy sprawdzić czy spełniony jest warunek:
6. Obliczanie mocy silników dla pomp próżniowych i ściekowych.
W przypadku, kiedy w katalogu pomp próżniowych lub ściekowych trzeba oddzielnie dobierać silniki, to dla pomp próżniowych całkowitą moc silników można obliczyć ze wzoru:
gdzie:
Pp– moc pomp próżniowych [kW],
QPps – wydajność pomp próżniowych w kanalizacji podciśnieniowej [m3⋅s-1],
pmin – minimalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje wyłączenie pomp próżniowych [kPa],
pmax – maksymalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje załączenie pomp próżniowych [kPa],
pb – ciśnienie barometryczne [kPa],
ηp – sprawność pompy próżniowej [-],
κ – współczynnik adiabatyczny dla powietrza – wynosi 1,4 [-].
Natomiast całkowitą moc silników dla pomp ściekowych oblicza się ze wzoru:
gdzie:
Ps – moc pomp ściekowych [W],
QSp – wydajność dobranych pomp ściekowych [m3⋅s-1],
ρ – gęstość cieczy [kg⋅m-3],
g – przyspieszenie ziemskie [m⋅s-2]
Hu – użyteczna wysokość podnoszenia pomp [m],
ηs – sprawność pompy ściekowej [-].
7. Użyteczną wysokość podnoszenia pomp ściekowych oblicza się ze wzoru:
gdzie:
HU – użyteczna wysokość podnoszenia pomp ściekowych [m H2O],
∆H – straty hydrauliczne w rurociągu ciśnieniowym [m H2O],
∆Z – geometryczna różnica wysokości [m H2O],
∆pvac – maksymalne podciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym [m H2O].
Maksymalne podciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym oblicza się ze wzoru:
gdzie:
∆pvac – maksymalne podciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym [kPa].
pb – ciśnienie barometryczne [kPa],
pmin – minimalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje wyłączenie pomp próżniowych [kPa].