Строительство и ремонт 

Фактическое распределение воды в трубе при переходе сливного коллектора в вертикальный стояк.

 

Гидродинамика сточных вод

  

   Сети внутренней, а иногда и наружной канализации собираются из фасонных частей и готовых труб, имеющих определенные диаметры, а если диаметр труб по длине неодинаковый, то это скорее брак, чем тонкий расчет. Кроме того в канализационных трубах всегда присутствует воздух, неучтенный нами при рассмотрении движения идеальной жидкости. А еще на движение жидкости влияет сила трения, разная для труб из различных материалов и некоторые другие факторы. Все эти факторы в той или иной степени учитываются при расчете канализационных сетей, мы же продолжим рассмотрение процесса движения жидкости, теперь уже с учетом перечисленных факторов.

 

1. В канализации, куда попадает множество разнообразнейшего биологического материала, происходят сложнейшие химические процессы и вообще существует жизнь. В результате этого в канализационных трубах кроме обычного воздуха всегда присутствуют различные газы, причем попадание этих газов в жилище крайне не желательно

   И не только по соображениям человеческой эстетики (канализационные газы имеют крайне неприятные запахи, напоминающие о процессах испражнения), но и по гигиеническим и даже противопожарным нормам. Дело в том, что некоторые газы образующиеся в канализационных сетях, по своему химическому составу мало чем отличаются от газов, добываемых из Земли, да и почему они должны отличаться, если генезис их сходен? В некоторых странах канализационный газ (биогаз) использовался для приготовления пищи с позапрошлого столетия, а сейчас ведутся серьезные разработки по использованию сточных вод для добычи биогаза. Но у нас страна богатая, газа много, настолько много, что с газом, а точнее с попаданием газа в жилище ведется борьба по вышеуказанным причинам.

   Для того, чтобы биогаз не попадал в жилище, придуман гидрозатвор. Кто именно изобрел гидрозатвор, история умалчивает, но это несомненно одно из величайших изобретений человечества. Теперь все сантехприборы подключаются к канализационной сети только с использованием гидрозатвора. Наиболее наглядно представить суть гидрозатвора можно на примере коленчатого сифона.

 

   Когда давление в жилище Р1 приблизительно равно давлению в стояке Р2, вода в сообщающихся сосудах находится на одном уровне. А почему высота гидрозатвора должна быть не менее некоторой определенной величины h мы скоро узнаем.

 

2. Ускорение свободного падения всегда больше, чем ускорение движения реальной жидкости, перемещающейся в трубе

 

   Реальной жидкости, даже не содержащей твердых частиц, при движении по трубам приходится дополнительно преодолевать сопротивление воздуха, находящегося в трубе, а если жидкость заполняет трубу полностью, то не просто преодолевать сопротивление, но и выдавливать воздух из трубы. Кроме того существует трение жидкости о стенки трубопроводов и чем больше на стенках труб неровностей, шероховатостей и прочих дефектов, отдаляющих поперечные сечения труб от идеальной круглой формы, тем больше влияние силы трения. А еще сила трения зависит от содержания и размеров твердых частиц (каловых масс и не только) в сточных водах.

 

   Так как диаметр канализационных стояков обычно постоянный по всей длине, то сточные воды, попадая из сантехприбора в стояк, при небольшой скорости, большом объеме и в зависимости от траектории, (чаще всего при подключении к стояку отвода такого диаметра как и стояк, да еще и под углом 87.5о) могут заполнить всю площадь поперечного сечения трубы. Далее с увеличением скорости потока площадь сечения потока при постоянном объеме уменьшается, между тем площадь сечения стояка остается неизменной. Это приводит к тому, что вода движется вниз как правило по стенкам трубы, причем не всегда по прямолинейной траектории, а иногда под действием кориолисового ускорения закручиваясь по спирали. А, условно говоря, разница между площадью сечения потока и площадью стояка заполнена воздухом, присутствовавшим в трубе.

 

   Пока вода заполняет все сечение трубы, на первом этапе - до расформирования потока, она движется как поршень в насосе, сжимая находящийся под водой воздух. Чем больше расход воды, тем больше будет высота водяной пробки, следовательно, тем больше будет давление, оказываемое водой на воздух в стояке ниже заполненного сечения. Сжимаемый воздух будет искать выход и такой выход - канализационные трубы нижележащих этажей, а в связи с тем что процесс изменения давления неравномерный по высоте стояка, то больше всего воздуха нагнетается в канализационные трубы этажа, находящегося под тем, где произошел большой выброс воды. Иногда перепад давлений настолько большой, что вода из гидрозатворов нижележащего этажа выдавливается в мойку или ванну.

 

   После того как сброс воды закончен, вода, полностью попав в стояк, будет еще некоторое время двигаться как поршень, на этот раз понижая давление в вышележащих трубах до тех пор, пока поток не перестанет быть сплошным. Частично понижение давления в стояке выше течения воды компенсируется за счет фановой вентиляции, но опять же процесс этот инерционный и неравномерный. Например, если быстро выливать воду из ведра в унитаз, подключенный под углом 90о к стояку диаметром 100 мм, то можно увидеть уже после того, как вся вода вылита или даже раньше, как из гидрозатвора унитаза резко вымывается вода в момент понижения давления. А после того, как поток перестает быть сплошным, воздух, до этого сжатый в нижней части стояка, устремляется вверх в зону разрежения.

   Таким образом восстанавливается давление в верхней части стояка (например в гидрозатворе упомянутого унитаза), при этом из гидрозатворов нижележащего этажа вода может сильно вымываться, так как движение воды происходит не только за счет изменяющегося давления, но и за счет инерции, которую вода набирает во время движения.

 

   Официально считается, что вода, стекая по стенкам стояка увлекает за собой воздух, даже если вся площадь сечения не заполнялась водой. Эта особенность называется эжектирующей способностью жидкости. Так вода, стекающая по стояку, увлекает за собой не только воздух из основной трубы, но также и воздух из отводов, расположенных ниже рассматриваемого. Причем чем больше скорость, тем больше эжектирующая способность. Но мне приведенное выше объяснение кажется более правдоподобным.

   Тем не менее расчет пропускной способности невентилируемых стояков подразуемевает в частности определение объема эжектируемого водой воздуха, при этом выходит, что каждый литр воды увлекает за собой до 10 литров воздуха, а то и больше. Впрочем, такие расчеты выполняются по эмпирическим формулам, а результаты таких расчетов хорошо соотносятся с результатами экспериментов, поэтому будем считать официальную точку зрения правильной.

 

   Уменьшение давления в стояке над рассматриваемым отводом приводит к тому, что часть воды из гидрозатвора выдавливается более высоким давлением в трубе над гидрозатвором. После того, как давление в трубах восстанавливается, уровень воды в гидрозатворе выравнивается, но при этом часть воды безвозвратно уходит в канализацию и высота гидрозатвора становится меньше. Тем не менее при следующем таком же перепаде давления из гидрозатвора уже ничего не выплеснется.

 

   Как правило перепад воздушного давления в трубах при наличии фановой вентиляции  - при правильном расчете канализации - не превышает 45 мм водного столба (вод.ст., напомню 1 атмосфера ≈ 10.3 м вод.ст.) а это означает, что при этом может выплеснуться воды из гидрозатвора до 45 мм по высоте. А так как вода из гидрозатвора может не только выплескиваться, но и испаряться (особенно интенсивно в жаркое время года) до 1 мм высоты гидрозатвора в сутки, то отечественные сифоны и прочие сантехприборы (например, унитазы) имели такую конструкцию, чтобы обеспечить высоту гидрозатвора не менее 50 мм.

   При этом выпускались и сантехприборы с высотой гидрозатвора 60 и 70 мм. Так гидрозатвор высотой 70 мм выдерживает перепад давления до 80-85 мм вод. ст. Сейчас на отечественном рынке представлено множество импортных сантехприборов, при покупке которых следует смотреть не только на внешний вид, но и на высоту гидрозатвора.

 

   Когда перепад давлений в трубах больше допустимого, то может произойти срыв гидрозатвора. Тем не менее при небольшой высоте стояков или ограниченном количестве сточных вод использование невентилируемых стояков вполне допустимо, более подробно эта тема рассматривается в статье "Расчет внутренней канализации"

 

Устройство гидрозатвора.

 

Заключение

 

   Прочитав данную статью, можно сделать несколько выводов:

 

1. Пропускная способность стояков ограничивается не только площадью поперечного сечения, но также высотой стояка. Сточные воды, двигаясь по стояку, не могут увеличивать скорость своего движения до бесконечности, особенно если вода заполняет все сечение трубы и приходится не просто падать, а заодно и работать поршнем.  Кроме того при увеличении скорости потока увеличивается сопротивление воздуха и трение о стенки трубы. В результате скорость движения жидкости достигает некоторого максимального значения (около 4 м/с) и больше увеличиваться не может, происходит это на высоте приблизительно равной 90 диаметрам стояка. Это позволяет использовать канализационные сети в зданиях большой высоты.

 

2. Пропускная способность стояка также зависит от угла подсоединения канализационного отвода к стояку. На рисунках 2 и 3 показаны отводы, подсоединенные к стояку под углом 87.5о, как мы уже видели на примере движения идеальной жидкости, такое подключение самое неблагоприятное. Подключение отводов под углом 60о увеличивает пропускную способность стояка в 1.3 раза, а под углом 45о - в 1.7 раза при прочих равных условиях.

 

3. Пропускная способность горизонтальных участков канализации зависит не только от уклона и начальной скорости движения, но и от высоты заполнения трубы, коэффициента шероховатости стенок трубы, вязкости воды, количества твердых частиц и некоторых других факторов

 

   Как правило горизонтальные участки рассчитвываются на равномерное движение сточных вод, т.е. с постоянной скоростью. А уклон горизонтальным участкам нужен для преодоления силы трения и сопротивления воздуха. Чем меньше диаметр трубы, тем больший требуется уклон для преодоления указанных сил.