I Część opisowo – obliczeniowa

1. Wstęp

Istotnym czynnikiem warunkującym życie organizmów na Ziemi jest woda. Zaspokaja ona potrzeby społeczno – gospodarcze oraz jest podstawowym elementem środowiska przy­rodniczego, dlatego należy chronić zasoby wody pod względem jakościowym jak i ilościo­wym. Woda jest reagentem uczestniczącym w większości reakcji, kształtuje środowisko i or­ganizm człowieka. Rozmieszczenie zasobów wodnych i dostępność na kuli ziemskiej, jej wy­korzystanie a także poznanie jej natury miało decydujący wpływ na miejsce powstawania i rozwoju wielu cywilizacji. To właśnie nad rzekami i morzami powstawały największe rozwi­nięte cywilizacje starożytności, rozwijał się tam transport wodny.

Nieodzownymi elementami dostarczającymi wodę do odbiorników są wodociągi komu­nalne, których zadaniem jest zapewnienie dostawy wody w odpowiedniej ilości i odpowied­niej jakości. Aby zaprojektowany wodociąg spełniał swoje zadanie, musi być spełniony sze­reg czynników, warunkujących odpowiedni dopływ wody, jakimi są odpowiednie ciśnienie, właściwy dobór średnic, materiału i zestawu hydroforowego, zapewnienie dostawy wymaga­nej ilości wody do odbiorników, długość przewodów powinna być możliwie jak najkrótsza. Projektuje się również stacje regulujące przepływ wody, aby zapewnić mieszkańcom danej miejscowości ten sam przepływ, przy zmniejszeniu kosztów z tytułu zużycia wody.

Wodociąg jest zespołem inżynierskich urządzeń współpracujących ze sobą i wzajemnie od siebie zależnych, którego głównym celem jest rozprowadzenie wody. Urządzenia wodo­ciągowe są źródłem zaopatrzenia w wodę ludzi zamieszkujących w miastach, jak również są niezbędne dla rozwijającego się z roku na rok przemysłu.

Olbrzymia rola sanitarna urządzeń wodociągowych polega na dostarczaniu ludności wody, która musi być nie tylko dobra i zdrowa, ale również ilościowo powinna pokrywać zapotrzebowanie. Wody w urządzeniach wodociągowych centralnych nie może brakować nawet w chwilach szczytowego zapotrzebowania, gdyż tylko wówczas wodociąg może speł­nić swoją rolę [7].

Woda zapewnia organizmom odpowiednie funkcjonowanie, zarówno dla potrzeb by­towo – gospodarczych, jak i przemysłowych, dlatego bardzo ważny jest jej ciągły dostęp do odbiorców, a tym samym prawidłowy dobór urządzeń działających pod odpowiednim ciśnie­niem.

2. Cel i zakres pracy

Celem niniejszej pracy jest zaprojektowanie stacji podwyższania ciśnienia dla miejsco­wości Wierzchosławice. Stan istniejący wykorzystuje dostaw wody z dwóch źródeł, jakimi są Wielowieś i Inowrocław, których wykorzystanie warunkuje ciśnienie występujące w sieci. Projekt ten ma zapewnić wyrównanie ciśnień w skutek zastosowania zbiornika wyrów­nawczego oraz zmniejszenie opłat za wodę ludności zamieszkujących obszar zasilany z Wierzchosławic.

Zakres pracy obejmuje przegląd literatury dotyczący systemów wodociągowych, ich materiałów, omówienie sposobu układania rur i odbioru technicznego wodociągu, zebranie podstawowych informacji potrzebnych do wykonania dokumentacji projektowej stacji pod­wyższania ciśnienia, podsumowanie i wnioski.

3. Zapotrzebowanie na wodę

Przed rozpoczęciem wymiarowania urządzeń wodociągowych należy najpierw poznać jakie jest zapotrzebowanie na wodę na terenie danego miasta bądź osiedla na cele bytowo – gospodarcze oraz przemysłowe. Aby określić jakie będzie zużycie wody, powinno się znać ilość użytkowników, stan wyposażenia mieszkań lub miejsc pracy, za czym idzie określenie jednostkowego zużycia wody. Ważne jest, żeby uwzględnić zmienność zapotrzebowania wody w latach, miesiącach, jak i w poszczególnych dobach czy godzinach. Dopiero po okre­śleniu tych wartości można przystąpić do doboru i wymiarowania urządzeń wodociągowych. Każdy materiał, z którego budowane są sieci wodociągowe ma swój okres użytkowania.

Z tych względów nie można będzie w zasadzie nigdy dysponować danymi bezspor­nymi, gdyż cały plan perspektywiczny jest tylko planem, którego realizacja może przebiegać w sposób różny, zależny od czynników w początkowym okresie realizacji jeszcze nie znanych lub niepewnych. Dlatego ustalenie podstaw obliczeniowych dla przyszłego zapotrzebowania wody jest szczególnie ważne [7].

3.1. Podstawy obliczeniowe zapotrzebowania na wodę

Zużycie wody przez jednego mieszkańca na dobę jest podstawą wyjściową do oblicze­nia zapotrzebowania na wodę danego wodociągu. Wskaźnik zużycia przeciętnego oraz mak­symalnego wody może być wyznaczony na podstawie danych statystycznych z miast, których wielkość urządzeń wodociągowych odpowiada wielkości wodociągu projektowanego. Zabu­dowę z odpowiednim wyposażeniem w urządzenia wodociągowe mieszkań, liczbę mieszkań­ców oraz inne dane należy ustalić na według miarodajnego planu zagospodarowania prze­strzennego. W przypadku braku takiego planu, liczbę mieszkańców określamy na podstawie wzoru [7]:

M_n = M * ($1 + \ \frac{p}{100})$ⁿ = α*M

gdzie:

M_n – liczba mieszkańców po n latach;

M – początkowa liczba mieszkańców

p – procent rocznego przyrostu liczby mieszkańców

n – liczba lat

α – współczynnik ilości mieszkańców po upływie n lat

Procent rocznego przyrostu liczby mieszkańców przyjmuje proporcjonalnie do wielko­ści miast. W Polsce za średni przyrost ludności miejskiej przyjmuje się około p = 2%.

System zaopatrzenia w wodę, którego celem jest zaopatrzenie ludności i przemysłu w wodę, zależy od miejsca, w jakim występuje ujęcie, pompownia, stacja uzdatniania, czy też zbiorniki wyrównawcze. Do czynników decydujących o wyborze systemu zaopatrzenia, na­leżą:

- wielkość zaopatrzenia na wodę

- wielkości, jakość i rozmieszczenia zasobów wodnych zaopatrujących daną sieć

- rozmieszczenie grup odbiorców wody

- warunków fizjograficznych i hydrogeologicznych

Przed wyborem zastosowania określonego układu, należy:

- poznać lokalne warunki fizjograficzne, aby móc wyznaczyć odpowiednie miejsce na zbior­nik

- ze względów ekonomicznych dążyć do zaprojektowania najkrótszych przewodów dosyło­wych

Bilans zapotrzebowania na wodę sporządza się według miejscowego planu zagospoda­rowania przestrzennego oraz obowiązujących przepisów [13].

Określając zapotrzebowanie na wodę, trzeba obliczyć charakterystyczne wartości jakimi są: Q_{d śr}, Q_{d max}, Q_{h śr}, Q_{h max}. Oblicza się je na podstawie następujących wzorów [5]:

Q_{d śr} = M*q

gdzie:

Q_{d śr} – średnie dobowe zapotrzebowanie na wodę [m³/d]

M – liczba mieszkańców danej strefy

q – przeciętne zużycie wody dla danej klasy wyposażenia (patrz tab.1) [dm³/j.o. x d]

Q_{d max} = Q_{d śr} * N_d

gdzie:

Q_{d max} – maksymalne dobowe zapotrzebowanie na wodę

N_d – współczynnik nierównomierności dobowej

Q_{h śr} = $\frac{Q_{\text{dmax}}}{24}$

gdzie:

Q_{h śr} - średnie godzinowe zapotrzebowanie na wodę w ciągu doby o maksymalPnym roz­biorze

Q_{h max} = Q_{h śr} * N_h

gdzie:

Q_{h max} – maksymalne godzinowe zapotrzebowanie na wodę w ciągu doby o maksymal­nym zapotrzebowaniu

N_h – współczynnik nierównomierności godzinowej

Wielkość urządzeń wodociągowych musi być adekwatna do zaopatrzenia na wodę przez obszar zasilania, czyli do przewidywanej ilości wody niezbędnej do zaspokojenia potrzeb odbiorców.

Tab. 1. Przeciętne normy zużycia wody na jednego mieszkańca w gospodarstwach

domowych [13]

L.p.	Wyposażenie mieszkania w instalacje	Przeciętne zużycie wody
		dm^3/mieszkańca x dobę
1	2	3
1	Wodociąg bez ubikacji i łazienki (brak kanalizacji), pobór wody ze zdroju podwórzowego lub ulicznego	30
2	Wodociąg, ubikacja bez łazienki	50 – 60*
3	Wodociąg, zlew kuchenny, wc, brak łazienki i ciepłej wody	70 – 90*
4	Wodociąg, ubikacja, łazienka, lokalne źródło ciepłej wody (piecyk węglowy, gazowy – gaz z butli, elektryczny, bojler)	80 – 100*
5	Wodociąg, ubikacja, łazienka, do­stawa ciepłej wody do mieszkania (z elektrociepłowni, kotłowni osiedlowej lub blokowej)	140 – 160*

*Wartości niższe odnoszą się do budynków podłączonych do zbiorników bezodpływo­wych na terenach nieskanalizowanych, a wartości wyższe odnoszą się do budynków podłą­czonych do sieci kanalizacyjnych.

3.2. Zapotrzebowanie na wodę do celów przeciwpożarowych

Woda przeznaczona do gaszenia pożarów powinna być czerpana z sieci wodociągowej, a pobór ten należy uwzględnić w projektowaniu systemu wodociągowego. Ilość wody potrzebnej do gaszenia pożarów dla jednostek osadniczych zależy od liczby mieszkańców. Ze względów przeciwpożar uzbrojenie przewodów rozdzielczych sieci wodociągowej stanowią zasuwy i hydranty przeznaczone do czerpania wody. Średnice (DN) przewodów wodociągowych, na których instaluje się hydranty powinny wynosić na sieci obwodowej nie mniej niż DN 100 mm, a na sieci rozgałęzionej nie mniej niż DN 125 mm. Na sieci wodociągowej przeciwpożarowej stosuje się hydranty zewnętrzne nadziemne o średnicy DN 80 mm. W tabeli 2 przedstawiono ilość wody do gaszenia pożarów dla jednostek osadniczych z uwagi na liczbę mieszkańców.

Tab. 2 Wymagana ilość wody do celów przeciwpożarowych dla jednostek osadniczych

Liczba mieszkańców jednostki osadniczej	Wydajność wodociągu [dm^3/s]	Równoważny zapas wody w zbiorniku [m^3]
do 5000	10	100
5000 – 10000	15	150
10000 – 25000	20	200
25000 – 100000	40	400
Ponad 100000	60	600

3.3. Podstawowe pojęcia i określenia

Sieć wodociągowa zewnętrzna złożona jest z kilku elementów, bez których instalacja nie mogłaby prawidłowo funkcjonować. Średnice i długość sieci zależą od miejsca ujęcia oraz od ilości przemieszczanej wody. Natomiast ilość wody zależy od zaopatrzenia na tą wodę.

Ciśnienie nominalne, PN – liczbowe oznaczenie ciśnienia charakteryzujące wymiary i wytrzymałość elementu instalacji w temperaturze odniesienia

Instalacja wodociągowa – to system przewodów, zbiorowych urządzeń, razem z uzbrojeniem znajdującym się w budynku, przeznaczonych do dostarczania wody do poszcze­gólnych punktów czerpalnych, w odpowiedniej jakości i pod odpowiednim ciśnieniem. Pod względem zasięgu terytorialnego wyróżnia się:

- system lokalny (zasilanie jednej miejscowości bądź jednego dużego zakładu)

- system centralny (zaopatrywanie dużej aglomeracji miejsko – przesyłowej wraz z miejscowościami satelitarnymi)

- system grupowy (zaopatrywanie kilku miast lub osiedli)

Przewód wodociągowy – to rurociąg ciśnieniowy lub kanał otwarty wraz z uzbroje­niem służący do transportu wody, a przewód wodociągowy według pełnionych funkcji na­zywa się przesyłowym. Składa się na niego ogół rur, kształtki, uzbrojenie oraz złącza. Prze­wody ciśnieniowe tłoczne transportowane są za pomocą pomp, a woda w przewodach ciśnie­niowych grawitacyjnych przepływają na zasadzie różnicy wysokości położenia zwierciadeł. Służy on do transportu wody od źródła (ujęcia) do obszaru rozbioru.

Przewód tranzytowy – transportuje wodę przez obszar rozbioru bez rozbioru po drodze

Przewody magistralne – przeważnie o średnicy 300 mm, który rozprowadza wodę po obszarze największego rozbioru, służy on do zasilania przewodów rozdzielczych, a nie bez­pośrednio do zaopatrzenia odbiorców. Przewód o średnicy 300 mm służą do rozprowadzenia wody w obszarze zaopatrzenia i do nich są podłączenia domowe

Przyłącze wodociągowe – umownie nazwany odcinek przewodu, łączący sieć wodo­ciągową z wewnętrzną instalacją wodociągową budynku

Seria wymiarowa (S) – to bezwymiarowa, zaokrąglona liczba, związana z geometrią rur, służy ona do oznaczania szeregu rur; które stosuje się do wyboru wymiarów rur do celów praktycznych. Seria wymiarowa wyrażona jest według następującego wzoru [19]:

S = $\frac{(\text{Dn} - \text{en})}{2\text{en}}$; gdzie Dn jest średnicą nominalną; en – nominalną grubością ścianki rury

System wodociągowy – to zespół urządzeń technicznych służących do poboru wody ze źródeł, jej uzdatnienia oraz do rozprowadzenia w odpowiedniej ilości i przy wymaganym ci­śnieniu do odbiorców. Elementy systemu wodociągowego przedstawia rys. 1:

Rys. 1. Schemat systemu wodociągowego (1 – ujęcie wody, 2 – stacja pomp I stopnia, 3 – stacja uzdatniania i oczyszczania wody, 4 – zbiornik magazynujący niski, 5 – stacja pomp

II stopnia 6 – zbiornik wyrównawczy wysoki, 7 – obszar zwodociągowany)

Lokalizacja danych elementów systemu w terenie i ich wzajemne usytuowaniem zależy od rozwiązań technicznych oraz od naturalnych warunków terenowych. Zbiornik wyrównaw­czy może być usytuowany przed obszarem zwodociągowanym, za tym obszarem, bądź może przyjmować środkowe położenie zbiornika.

Szereg wymiarowy SDR – to bezwymiarowe, liczbowe oznaczenie szeregu rur z punktu widzenia stosunku nominalnej średnicy zewnętrzne do nominalnej grubości ścianki. Szereg ten wyrażony jest za pomocą wzoru [19]:

SDR = 2 S+1 = $\frac{\text{Dn}}{\text{en}}$

Średnica nominalna DN –to umowne oznaczenie liczbowe wspólne dla wszystkich części elementów instalacji wodociągowej, jest liczbą równą średnicy rzeczywistej, która dla rur jest średnicą zewnętrzną, a dla kielichów i kształtek – średnicy wewnętrznej, wyrażona w [mm].

4. Rozprowadzenie wody

4.1. Układ sieci wodociągowych

Zadaniem sieci wodociągowej jest doprowadzenie wody do poszczególnych budynków. Sieć wodociągowa składa się z przewodów głównych, zwanych również magistralami, oraz z przewodów rozdzielczych. Przewody główne doprowadzają wodę do poszczególnych dziel­nic, a przewody rozdzielcze do poszczególnych budynków.

Sieć przewodów może mieć układ pierścieniowy lub promieniowy. System pierście­niowy jest korzystniejszy, ale kosztowniejszy. Jego nazwa pochodzi stąd, że poszczególne gałęzie są ze sobą połączone, tworząc szereg mniejszych lub większych pierścieni. Dzięki temu każda część sieci może być zasilana z dwóch stron. Zwiększa to pewność dopływu wody, ponieważ w przypadku awarii wyłącza się za pomocą zasuw tylko uszkodzony odci­nek. Nie wstrzymuje to dopływu wody do pozostałej części sieci. System promieniowy jest tańszy od pierścieniowego, ale jest znacznie mniej korzystny. W przypadku uszkodzenia przewodu konieczne jest wyłączenie dopływu wody do wszystkich budynków zasilanych z tego przewodu. Poza tym przy dużym rozbiorze wody, np. w czasie pożaru, spada ciśnienie w całej gałęzi sieci.

Woda czerpana z ujęć dostarczana jest grawitacyjnie lub za pomocą pomp do sieci, któ­rymi dalej rozprowadzana jest do odbiorców. Sieć rurociągów tworzy całość urządzeń do za­opatrywania w wodę dzięki współpracy z ujęciami, pompownią oraz zbiornikami wyrównaw­czymi lub hydroforami.

Przewody i sieć wodociągowa powinny zapewnić dostawę wody bez przerwy do wszystkich odbiorców w przewidzianej maksymalnej ilości i pod odpowiednim ciśnieniem. Spełnienie tego warunku zależy od prawidłowego układu przewodów i sieci na obszarze za­silania, jak również od jej przepustowości, materiału przewodów i uzbrojenia [7].

Projektując sieć wodociągową należy pamiętać ze przewody wodociągowe powinny być rozmieszczone w taki sposób, by było zapewnione wymagane ciśnienie w celu dostarcze­nia odpowiedniej ilości wody oraz by ciśnienie było możliwie równomierne na całym obsza­rze zwodociągowanym. Najkorzystniejszym pod względem topograficznym jest układ sieci, gdzie linie ciśnień dynamicznych układać się będą mniej więcej równolegle do powierzchni terenu. Rozwiązanie to jest w praktyce niemożliwe, ponieważ uniemożliwia to zróżnicowanie terenowe, wzajemny układ pompowni, przeszkody terenowe.

4.1.1. Sieć promienista

Zwana inaczej rozgałęźną lub otwartą, jest siecią niekorzystną z uwagi na spadek ci­śnienia wzdłuż poszczególnych rurociągów magistralnych, które nie są ze sobą połączone (patrz rys.2). Powoduje to wystąpienie znacznych różnic ciśnień w określonych punktach miasta. Układ taki stosuje się w przypadkach miast, gdzie układ terenu nie pozwala na wzajemne powiąza­nie rurociągów. W przypadku awarii na przewodzie magistralnym w takim rozwiązaniu sieci, duży obszar może być pozbawiony wody.

Rys. 2. Schemat układu promienistego (rozgałęźnego) sieci wodociągowej (1 –przewody tranzytowe, 2 – przewody magistralne, 3 – przewody rozdzielcze) [7]

4.1.2. Sieć pierścieniowa

Zwana jest ona też siecią obwodową, zamkniętą, jest hydraulicznie korzystniejszą niż sieć otwarta, ponieważ wzajemne powiązanie przewodów magistralnych i rozdzielczych umożliwia dobre warunki przepływu wody i wyrównania ciśnień (patrz rys. 3).

Sieć tego typu, w przeciwieństwie do sieci promienistej, zapewnia ciągłość dostawy wody, która może do miejsca czerpania dopłynąć w razie awarii drogą okrężną. Układ pier­ścieniowy jest tym układem, który powinien być zawsze stosowany, jeśli tylko pozwalają na to warunki lokalne i terenowe, a nadaje się szczególnie w przypadku terenu mało zróżnico­wanego wysokościowo, ze zbiornikiem górnym końcowym lub centralnym [7].

Rys. 3. Schemat układy pierścieniowego (obwodowego) sieci wodociągowej (1 – przewody tranzytowe, 2 – przewody magistralne, 3 – przewody rozdzielcze) [7]

5. Wiadomości wstępne o materiałach instalacji zewnętrznej

5.1. Wybór materiału

Wybierając materiał, z którego ma być zbudowany wodociąg, należy koniecznie zwró­cić uwagę na walory eksploatacyjne rur (oddziaływanie na wodę do picia, łatwość wymiany elementów, możliwość renowacji), wytrzymałość konstrukcyjną, podatność na obciążenia i uszkodzenia, łatwość montażu (pracochłonność wykonywania połączeń, ciężar rur), cenę materiału i złączek, zakres oferty techniczno – asortymentowej. Trzeba również wziąć pod uwagę żywotność materiału i późniejszą renowację całego wodociągu. Należy pamiętać, że rury z PVC i PE mają mniejszy zakres średnic w porównaniu z rurami stalowymi czy żeliw­nymi.

5.2. Właściwości rur

Trwałość rur ma związek z ich odpornością na korozję. Naturalnie odporne na korozję są tworzywa sztuczne. W przewodach z rur żeliwnych i stalowych stosuje się powłoki ochronne na zewnętrznej i wewnętrznej (w postaci cementu) ściance przewodu. Cement chroni przed korozją, a przewody mają dzięki niemu małą chropowatość, a jako surowiec mi­neralny pochodzenia naturalnego nie wpływa negatywnie na jakość wody pitnej i zdrowie ludzkie, dlatego warunki przepływu są lepsze niż w nowej rurze bez wykładziny cementowej.

Powłoki zewnętrzne zabezpieczają rurę przed korozyjnym działaniem gruntu, wód gruntowych oraz prądów błądzących. Ważna jest również wytrzymałość rur. Decyduje ona o tym, czy rury z danego materiału mogą zostać użyte do budowy przewodów w szczególnych warunkach gruntowych (np. w gruntach narażonych na obciążenia dynamiczne, przy poko­nywaniu przeszkód terenowych). Największą wytrzymałością konstrukcyjną charakteryzują się przewody z żeliwa sferoidalnego i stali, najmniejszą tworzywa sztuczne.

Szybkość i sprawność budowy przewodu zależy od rodzaju złącz, ciężaru elementów, długości odcinków rur, zakresu przygotowania podłoża pod przewód. Złącza kielichowe z pierścieniem uszczelniającym przyspieszają montaż przewodu. Wolniej przebiega zgrzewa­nie, a najdłużej trwa łączenie metodami tradycyjnymi, np. spawanie. Długie odcinki i mały ciężar rur umożliwiają szybki montaż. Najlepsze pod tym względem są rury stalowe i two­rzywowe.

Jakość wymaganego podłoża zależy głównie od rodzaju gruntu, a tylko w niewielkim stopniu od materiału rury. Przewody z żeliwa sferoidalnego i stali mają mniejsze wymagania niż rury z tworzyw sztucznych. W użytkowaniu wodociągu ważna jest łatwość eksploatacji.

Rurociągi, niezależnie od rodzaju materiału, z którego są wykonane, muszą być podda­wane renowacji. Odcinki przewodów, które po uszkodzeniu tracą konstrukcję, muszą być wymienione na nowe, natomiast odcinki które utrzymały jeszcze swoją konstrukcję (żeliwo i stal), mogą być rekonstruowane przy zachowaniu starego rurociągu. Podczas eksploatacji uciążliwe są uderzenia hydrauliczne.

6. Materiały stosowane do sieci wodociągowej zewnętrznej

Do wykonania instalacji wodociągowej jako przewody zewnętrzne stosuje się takie materiały jak:

1. Rury żeliwne

2. Rury stalowe

3. Rury azbestowo cementowe

4. Rury z tworzyw sztucznych

Wybierając materiał do projektowania sieci wodociągowych konieczne jest zapoznanie się z charakterystyką danego materiału. Każdy materiał ma swój zakres średnic, grubość ścianki, wymiary, kształtki, sposób łączenia, zastosowanie, wytrzymałość, odporność na ko­rozję. Dopiero po zaznajomieniu się z tymi właściwościami można przystąpić do dalszego projektowania.

6.1. Rury żeliwne

Żeliwo jest to stop żelaza z węglem o procentowej zawartości węgla 2 – 3,6% i takich składników jak krzem, mangan, fosfor i siarka. Rozróżniamy żeliwo: białe, szare, stopowe, ciągliwe i sferoidalne.

Żeliwo białe zawiera węgiel w postaci cementytu, który daje biały przełom żeliwa, ma budowę gruboziarnistą, jest kruche i twarde, nadaje się do obróbki mechanicznej. Żeliwo białe po długotrwałym wyżarzaniu otrzymuje się z niego żeliwo ciągliwe o własnościach zbliżonych do stali

Żeliwo szare – zawiera węgiel w postaci grafitu, w wyniku czego jego przełom ma barwę szarą. Ma budowę ziarnistą i jest kruche, nie nadaje się do obróbki poprzez kucie, wal­cowanie i przeciąganie. Żeliwo szare charakteryzujące się dobrą obrabialnością, dużą odpor­nością na ścieranie, małym skurczem odlewniczym i stałością wymienników

Żeliwo stopowe – uzyskuje się poprzez dodanie odpowiednich dodatków stopowych (że­liwa krzemowe, manganowe, aluminiowe, niklowe i elektrodowe)

Ciągliwe otrzymuje się w wyniku wyżarzania odlewów wykonanych z żeliwa białego, obsypanych sproszkowaną rudą żelaza. Stosowane jest do wyrobu drobnych części, jak np. łączników używanych do montażu np. instalacji wodociągowych

Sferoidalne dostaje się poprzez zastosowanie specjalnych procesów, w wyniku których grafit występuje w postaci skupień kulistych.

Na rys. 4 przedstawiono sposób obcinania rur żeliwnych.

Rys. 4. Sposób cięcia bezkielichowych rur żeliwnych piłą taśmową [14]

6.1.1. Rury i kształtki żeliwne

Mają zastosowanie w technice wodociągowej. Wadą rur żeliwnych jest ich kruchość i mała odporność na uderzenia. Wykonywane są jako kielichowe lub kołnierzowe. Do układa­nia w ziemi stosowane są rury kielichowe. Zmiany kierunków prowadzenia rur oraz zmiany średnic dokonuje się przez zastosowanie odpowiednich kształtek. Średnice rur żeliwnych kształtują się od 50 do 1200 mm, przy długości użytkowej od 2000 do 5000 mm. Rury te od­porne są na korozję (dla zwiększenia odporności rury te pokrywa się obustronnie warstwa smoły), dopuszczalne ciśnienie robocze 10 kG/cm² (10 at).

Rury żeliwne stosowane są od około 300 lat. Zaletą rur jest ich taniość i odporność na korozję. W warunkach normalnych mogą być użyteczne przez 100 lat i więcej.

Rys. 5. Połączenie kielichowe rur żeliwnych [15]

Łączenie rur kielichowych z uszczelką (rys. 5) wykonywane jest w ten sposób, że należy umyć bosy koniec rury i środek kielicha, upewnić się, że uszczelka jest czysta. Po wykonaniu tych czynności należy włożyć uszczelkę w środek kielicha oraz upewnić się, że została ona dobrze założona oraz nałożyć a nią i na bosy koniec rury smar. Następnie bosy koniec rury i kielich należy odpowiednio dopasować, aby uzyskać odpowiedni profil i wsunąć bosy koniec rury w kielich. Liniowanie musi być dokładne. Są dwa znaczniki na rurze. Jeśli rury są dokładnie połączone, pierwszy znacznik musi być niewidoczny a drugi widoczny. Po połączeniu, należy sprawdzić czy uszczelka jest dokładnie i równo położona w kielichu i nie rusza się podczas połączenia.

Rys. 6. Połączenie kołnierzowe rur żeliwnych [18]

Na rys. 6 (patrz też rys. 7) przedstawiono elementy i sposób łączenia kołnierzowego rur żeliwnych ciśnieniowych. W tego typu łączeniach należy dobrać odpowiednią wielkość kołnierza, a żeby zapewnić odpowiednie uszczelnienie dodatkowo stosuje się uszczelkę gu­mową. Kołnierze łączymy za pomocą śrub. Połączenia kołnierzowe stosowane są tam, gdzie może zachodzić potrzeba wymiany rur, kształtek bądź elementu uzbrojenia.

Rys. 7. Połączenie rur kołnierzowych (1 – kołnierz, 2 – uszczelka gumowa,

3 – otwory na śruby, 4 – śruby) [7]

Należy unikać zakładania połączeń kołnierzowych wprost w ziemi, ponieważ śruby stalowe łatwo ulegają zniszczeniu na skutek korozji.

Kształtki żeliwne ciśnieniowe kielichowe, kołnierzowe bądź kielichowo - kołnierzowe, umożliwiają:

1. Zmianę kierunku przewodu

2. Wykonanie odgałęzienia

3. Zmianę średnicy

4. Połączenie dwóch rur o końcach bosych

5. Połączenie rur kielichowych i kołnierzowych

6. Zamknięcie przewodu

7. Odwodnienie i oczyszczenie rurociągu

6.2. Rury stalowe

To stop żelaza i węgla, o zawartości węgla poniżej 1,75%, otrzymywane w wyniku od­węglania poprzez wypalanie węgla tlenem zawartym w powietrzu lub w rudzie żelaza.

Stale dzielimy na: stale węglowe i stopowe. Każda z nich dzieli się jeszcze na stale kon­strukcyjne, narzędziowe i o specjalnych właściwościach.

Stale węglowe ze względu na procentową zawartość węgla dzielimy na niskowęglowe (do 0,25%), średniowęglowe (0,25 – 0,6%) i wysokowęglowe (powyżej 0,6%).

Rury stalowe mają zastosowanie w wyjątkowych przypadkach. Stosuje się je tam, gdzie mogą wystąpić wstrząsy i obciążenia dynamiczne, np. do układania na mostach, pod torami kolejowymi, w rejonach górniczych, zakładach przemysłowych itp. Zasadniczą wadą tych rur jest ich większa podatność na korozję. Wymagają stosowania warstw ochronnych wewnętrz­nych i zewnętrznych Rury stalowe charakteryzują sie dość niska chropowatością.

Średnice rur stalowych są różne i wykonywane wg potrzeb, długość do 8000 mm, wy­trzymałość do 20 kG/cm² i więcej.

Wykonywane są jako rury zgrzewane na styk (z szwem) i rury bez szwu.

Rury metalowe są szczelne, nie przepuszczają związków chemicznych i gazów, dlatego można je stosować np. w gruntach silnie skażonych.

Stal jako materiał do instalacji wodociągowych występuje jako stal ocynkowana (po­włoka cynkowa zabezpiecza rury przed korozją). Podstawowymi zaletami stali są jej własno­ści mechaniczne. Jest wytrzymała na rozciąganie, zginanie i ściskanie, co pozwala na układa­nie nawet długich instalacji, bez dodatkowych podpór. Instalacje stalowe sprawdzają się też tam, gdzie rury narażone są na obciążenia mechaniczne. Stal jest materiałem szczelnym, przez rury stalowe nie przenikają gazy z otoczenia zewnętrznego (np. tlen). Jest odporna na od­działywanie promieni UV, pod ich wpływem własności stali nie ulegają pogarszaniu. Jest też odporna na wysokie temperatury, można z niej wykonywać nie tylko instalacje wody użytko­wej (zimnej i ciepłej), ale także instalacje grzewcze. Nie ma obawy, że pod wpływem cią­głego działania wysokiej temperatury i ciśnienia, rury ulegną odkształceniu. Stal ma najniższy wśród materiałów instalacyjnych współczynnik rozszerzalności cieplnej (0,013 mm/mK), co oznacza wydłużenie 1 metra odcinka rury o 0,65 mm, przy wzroście temperatury wody o 50°C). Stal jest podatna na korozję. Dotyczy to szczególnie przewodów, którymi płynie woda o stosunkowo niskim (poniżej 7) pH. Może to powodować uszkodzenie powłoki z cynku. Ze względu na dość dużą chropowatość ścianek rur stalowych, tworzą się w nich osady złożone ze związków żelaza i błony biologicznej. Sprawia to, że pogarsza się jakość wody (zawartość żelaza) oraz jej parametry mikrobiologiczne. Instalacja z rur stalowych najsłabiej wytłumia drgania, co powoduje, że jest najgłośniej pracującą instalacją (w porównaniu z miedzią czy tworzywami sztucznymi). Jednocześnie stal jest dobrym przewodnikiem i instalacje wody ciepłej i grzewczej powinny być izolowane, zapobiega to stratom ciepła, ale również wpływa na kompensację. Rury ocynkowane można łączyć za pomocą złączek z żeliwa białego, złą­czek zaciskowych oraz złączek mosiężnych.

Właściwości fizyczne stali:
• gęstość ρ = 7850 kg/m3
• współczynnik liniowej rozszerzalności αT = 0,000012oC-1
• współczynnik przewodzenia ciepła λ = 58 W/mK
• współczynnik Poissona ν = 0,30

6.2.1. Połączenia rur stalowych

Wyróżniamy następujące typu łączenia rur stalowych:

- gwintowane:

a) nierozłączne (spawane)

b) rozłączne (kołnierzowe)

Rury ocynkowane można łączyć przez połączenia gwintowane lub kołnierzowe z przej­ściem na gwint

- spawane

Stosowane tylko do rur czarnych

*acetylenowo – tlenowe (gazowe)

*łukowe – ręczne (do sieci)

- kołnierzowe (rys. 8):

a) do przewodów o dużej średnicy (powyżej 100 mm)

b) do instalacji wysokoprężnych

do uszczelnień stosuje się taśmy

Rys. 8.. Połączenie kołnierzowe rur stalowych [18]

Typy kołnierzy:

a) zaślepiający (kończy rurociąg)

b) z szyjką (do spawania)

c) tulejowy nasuwany (do spawania)

d) tulejowy gwintowany

e) tulejowy nasuwany z kielichem do spawania

f) płaski luźny

g) nierozdzielny

Cechą charakterystyczną dla kołnierza jest DN oraz PN, średnica śrub, grubość kołnie­rza, ilość śrub.

Łączy się najczęściej przez spawanie. W zależności od grubości ścianek rury, można stosować spawanie gazowe lub łukowe. Przy połączeniach rur z armaturą stosuje się najczę­ściej połączenia kołnierzowe. Stosowane są również połączenia kołnierzowe samych rur oraz połączenia kielichowe.

Spawanie łukowe jest to proces łączenia metalowych elementów przy zastosowaniu spawarki elektrycznej. W trakcie tego procesu wytwarza się łuk elektryczny w szczelinie po­między łączonymi elementami metalowymi a metalową elektrodą. W wyniku tego powstaje bardzo wysoka temperatura rzędu 3000ºC, co powoduje stopienie się krawędzi metalowych elementów i elektrody w jedną całość.

Rury stalowe bez szwu – rury walcowane na gorąco, stosujemy do:

1. na instalacje w ciepłownictwie i gazownictwie

2. w wyjątkowych przypadkach w zewnętrznych sieciach wodociągowych wszędzie tam, gdzie rurociągi narażone są na siły zginające

Rury stalowe ze szwem gwintowane, stosujemy do:

1. w wewnętrznych instalacjach wodociągowych do wody zimnej i ciepłej wody użytkowej

2. w instalacjach wody gaśniczej i przemysłowej, chłodniczej

3. w urządzeniach centralnego ogrzewania wodnego o temp t <150 stopni C i ciśnieniu 1,25 MPa oraz parowych o ciśnieniu p>= 70 kPa (rury stalowe instalacyjne średnie ze szwem)

Podział ze względu na zabezpieczenie przed korozją:

1. rury czarne bez zabezpieczenia przed korozją CZ

2. rury ocynkowane OC1 o średnicach DN15 i większych

3. rury ocynkowane OC2 o średnicach DN15 i większych, o pogrubionej warstwie cynku, do instalacji ciepłej wody

4. rury lakierowane LK

6.3. Rury azbestowo cementowe

Stosuje się je w gruntach piaszczystych oraz na terenach budownictwa komunalnego. Wytrzymałość tych rur może sięgać 10 kG/cm². Wykonuje się je o średnicach 50 - 400 mm. Długość tych rur wynosi 3000 – 4000 mm. Do ich łączenia stosuje się specjalne złączki, a do uszczelnień uszczelki gumowe. Zmiany kierunków i średnic przewodu dokonuje się za po­mocą zastosowania kształtek żeliwnych.

Wadą rur azbestowo cementowych jest kruchość, która powoduje ograniczenie zasto­sowania, mała wytrzymałość na zginanie, niemożliwość stosowania ogrzewania ich prądem elektrycznym w wypadku zamarznięcia wody w rurze.

Głównymi zaletami rur azbestowo cementowych są: dostateczna wytrzymałość na we­wnętrzne ciśnienie hydrauliczne i obciążenia zewnętrzne, nieuleganie wpływom korozji elek­trochemicznej, mała wrażliwość na korozję chemiczną, niskie opory hydrauliczne, niski współczynnik przewodnictwa cieplnego.

Łączy się za pomocą odpowiednich nasuwek i uszczelnień gumowych. Są stosowane dwa rodzaje złączy tych rur – złącza typu Simplex oraz złącza typu Gibault.

Złącza typu Simplex może pracować na ciśnienie do 5 kG/cm2 i składa się nasuwki azbestowo – cementowej o średnicy wewnętrznej nieco większej od średnicy zewnętrznej łączonych rur, zaopatrzonej wewnątrz na końcach w zgrubienia dla przytrzymania zakłada­nych z obu stron szczeliny stykowej dwóch pierścieni gumowych, natomiast złącze typu Gi­bault (rys. 9) na ciśnienie do 10 kG/cm2 i składa się z wewnętrznego pierścienia nasuwko­wego żeliwnego oraz dwóch kołnierzy żeliwnych, ściąganych śrubami. Kołnierze dociskają do pierścienia dwie uszczelki gumowe z obu stron styku rur.

Rys. 9. Złącze Gibault – elementy i przekroje (1 – zewnętrzne pierścienie żeliwne (kołnierze), 2 – we­wnętrzny pierścień żeliwny, 3 – gumowe pierścienie uszczelniające,

4 – śruba stalowa [2]

Złącza obu wymienionych typów pozwalają na lekkie skręcenie w nich rur (4 – 6 stopni), na skutek czego można bez specjalnych kształtek wykonać krzywoliniowy przewód.

Obecnie rury azbestowo - cementowe nie są stosowane w instalacjach wodociągowych, ponieważ mogą być one źródłem narażenia na azbest podczas usuwania awarii, co połączone jest z odsłanianiem, odcinaniem i usuwaniem uszkodzonego odcinka przewodu. Może to powodować uwalnianie do atmosfery włókien azbestowych na czas krótkotrwały. Jednak rury te nadal istnieją w instalacjach, dlatego wiedza o nich jest niezbędna.

6.4. Tworzywa sztuczne

Materiały, których podstawowym składnikiem są organiczne substancje wielkoczą­steczkowe, zwane polimerami oraz składniki dodatkowe wpływające na właściwości prze­twórcze i/lub użytkowe polimerów.

Na powierzchni rur metodą „gorącej czcionki” drukowane są informacje takie jak np.:

- numer normy (np. PN-EN 12201-2)

- nazwa producenta

- wymiary: średnica zewnętrzna x grubość ścianki (np. 90 x 8,2)

- typoszereg rury (np. SDR 11)

- klasa materiału (np. PE 100)

- ciśnienie nominalne (np. PN 16)

- data i zmiana produkcji (np. 24.04.06 C)

Polimery są to związki wielkocząsteczkowe złożone z jednakowych powtarzających się prostych jednostek, zwanych „merami”, których liczbą w makrocząsteczce określa stopień polimeryzacji „n”, na ogół większy od 100.

Wyróżniamy następujące polireakcje:

- polimeryzacja

- polikondensacja

- poliaddycja

Polimeryzacja – proces łączenia monomerów w substancje wielkocząsteczkowe, bez substancji ubocznych mogą powstać homopolimery (PP,PS,PE,PVC), kopolimery (z różnych polimerów SBS, ABS)

Polikondensacja – stopniowy przebieg reakcji chemicznych substancji wielofunkcyj­nej, której towarzyszy wydzielanie prostych związków chemicznych (H2O, amoniak)

Poliaddycja – stopniowo postępująca reakcja związana z przegrupowaniem atomów wodoru, której nie towarzyszy wydzielanie się związków ubocznych

Do zalet tworzyw sztucznych możemy zaliczyć:

1. Łatwość formowania wyrobów o skomplikowanych kształtach i krótki cykl produkcyjny

2. Możliwość uzyskiwania wyrobów o barwnych i gładkich powierzchniach

3. Dobra przyczepność do innych materiałów

Wadą tworzyw sztucznych jest ich wydłużanie cieplne, rury z tworzyw sztucznych są nieod­porne na wnikanie tlenu.

Temperatura awaryjna – temp. jaką może mieć woda w stanie awaryjnym w suma­rycznym czasie 100 godzin w 50 latach eksploatacji

Wyróżnia się następujące rodzaje tworzyw sztucznych stosowanych do instalacji wodo­ciągowej:

1. Polichlorek winylu (PVC)

2. Polietylen (PE)

3. Polipropylen (PP)

4. Polibutylen (PB)

6.4.1. Polichlorek winylu (PVC)

Cechami charakterystycznymi PVC są: odporność na korozję, bardzo wysoka sztyw­ność oraz długotrwałe działanie kwasów, zasad, piasku, olejów i zakwaszonej gleby; gładkie ściany wewnętrzne (nie zarastają osadami, sprzyjają niskim oporom przepływu); łączone są poprzez klejenie lub gwintowanie, stosowane są również połączenia kołnierzowe oraz śru­bunki.

Rury z PVC (rys. 10) nie są odporne na rozciąganie i zginanie, niskie i wysokie temperatury. Po odkształceniu tworzywa, nabywa ono specyficzne właściwości (np. CPVC jest odporne na bardzo wysokie temperatury oraz na bezpośrednie działanie ognia).
Rury z PVC używa się głównie do transportu zimnej wody i w instalacjach kanalizacyjnych.

Rys. 10. Rury z PVC o połączeniu kielichowym [16]

Rur z PVC-U nie stosuje się do instalacji, w których czynnik ma wysoką temperaturę, z uwagi na jego odporność na nią. Do instalacji niskotemperaturowych używa się rur z chloro­wanego polichlorku winylu. CPVC charakteryzują się wysokimi właściwościami wytrzyma­łościowymi. Do 80% - można stosować do wody zimnej i ciepłej, temp.max 80º C (temp. awaryjna 95 stopni C).

Zalety instalacji z PVC i CPVC to:

- odporność na korozję, dająca 50-letnią trwałość bez konieczności wymiany,

- doskonałe parametry hydrauliczne,

- szczelność połączeń,

- obojętność i odporność chemiczna na ponad 500 różnych związków chemicznych, włącznie z większością kwasów, zasad i alkoholi, detergentów, wybielaczy,

- łatwy i szybki montaż, niewymagający specjalistycznego sprzętu oraz energii elektrycznej,

- doskonałe właściwości ognioodporne.

6.4.2. Polietylen (PE)

Rury z PE są wykorzystuje się w instalacji ciepłej i zimnej wody, gazowych, kanaliza­cyjnych, a także jako rury osłonowe. Stosuje się je w temperaturze od -20°C do 60°C. Są od­porne na działanie kwasów i zasad, lecz ulegają niszczeniu pod wpływem promieniowania UV. W praktyce do instalacji wewnętrznych używa się je rzadko. Produkowane są w trzech odmianach: o niskiej gęstości i dużej elastyczności – PE-LD, o średniej gęstości – PE-MD, a także o wysokiej gęstości i małej elastyczności PE-HD.

Rury polietylenowe mają zastosowanie w:

* wodociągach (przede wszystkim do wody zimnej

* kanalizacji ciśnieniowa

* kanalizacji grawitacyjna

* renowacji zniszczonych rurociągów

* rurociągach technologicznych w oczyszczalniach, kopalniach, zakładach przemysłowych

* odwodnieniach, drenażach, przepustach

* zbiornikach dla rolnictwa, retencyjnych, na wodę i płyny technologiczne, przeciwpożaro­wych, inne (łączenie przez łączenie czołowe, złączki gwintowane i zaciskowe).

Powinno pracować w niższych temperaturach (przy wyższych temp mają małą wytrzy­małość).

Zastosowanie rury z HDPE:

* rury i kształtki drenarskie

* do budowy sieci wodociągowych i kanalizacyjnych, a także sieci przesyłowych dla wielu substancji chemicznych

Wszystkie rury z polietylenu są elastyczne i ciągliwe, zatem można je mocno wyginać, co pozwala zaoszczędzić na kształtkach, głównie kolankach. Ważną zaletą PE jest niska tem­peratura kruchości: -25°C.

Rury z PE łączy się je przez zgrzewanie doczołowe, elektrooporowe, połączenia kieli­chowe z uszczelką (także kompensacyjne), śrubunkowe, kołnierzowe (rys. 11).

Rys. 11. Połączenie kołnierzowe rur z PE [18]

6.4.3. Polipropylen (PP)

Rury z polipropylenu należą do najczęściej stosowanych, bo stosunkowo tanich wyro­bów. Są bardzo lekkie i charakteryzują się podwyższoną odpornością na wysokie i niskie temperatury (nawet do - 90°C), wysoką odpornością chemiczną na ścieki oraz odpornością na uderzenia mechaniczne. Ponadto cechuje je wysoka żywotność, odporność na osadzanie ka­mienia, doskonała szczelność, odporność na wysokie ciśnienie (do 1,6 MPa), niskie opory przepływu, dobra izolacyjność elektryczna (brak prądów błądzących), gazoszczelność, mała wydłużalność cieplna rur do centralnego ogrzewania dzięki zastosowaniu perforowanej wkładki aluminiowej (rury STABI) czy warstwy włókna szklanego. Rury te znajdują zasto­sowanie do instalacji ciepłej i zimnej wody, centralnego i podłogowego ogrzewania, we­wnętrznych instalacji kanalizacyjnych (również niskoszumowych), do instalacji przemysło­wych. Mogą być one łączone poprzez zgrzewanie, za pomocą łączników gwintowanych i zgrzewanych z polipropylenu, połączeń kołnierzowych, zaciskowych. Poza polipropylenem typ 3 (PP-R), do produkcji rur stosuje się też PP-High Temperature (polipropylen wysoko­temperaturowy).
W instalacjach wodociągowych i grzewczych w budownictwie mieszkaniowym rury z poli­propylenu łączy się przez kielichowe zgrzewanie polidyfuzyjne przy użyciu złączek z tego

samego materiału (PP).
Można też je łączyć za pomocą łączników gwintowanych z wkładką mosiężną – połączenia te służą do łączenia rur z armaturą.

Zastosowanie rur PP:

* w instalacjach zimnej i ciepłej wody użytkowej, centralnego ogrzewania instalacjach i sieciach kanalizacyjnych

* instalacjach i sieciach kanalizacyjnych

* instalacjach przemysłowych
* jako rury drenarskie i osłonowe

6.4.4. Polibutylen (PB)

Do cech wyróżniających to tworzywo należą termoplastyczność, udarność, zdolność tłumienia drgań, a także wysoka odporność na pełzanie, pęknięcia naprężeniowe i ścieranie. Wykonane z niego rury cechuje też znakomita elastyczność oraz odporność na korozję naprę­żeniową, kwasy, zasady i rozpuszczalniki. Zachowują pamięć kształtu. Instalacje wykonuje się z nich szybko, ważne jest też to, że rury można układać w niskich temperaturach (nawet do - 25°C) i są one odporne na destrukcyjne skutki zamarzania i odmarzania wody. Niewąt­pliwą zaletą rur PB jest łatwość i skuteczność połączeń – wykonuje się je najczęściej na wcisk złączką z PB z wkładką mosiężną poprzez zgrzewanie polidyfuzyjne lub kielichowo z uszczelką z EPDM.
Są gazoszczelne dzięki zastosowaniu wkładki antydyfuzyjnej. W zależności od przeznacze­nia, ciągła temperatura czynnika roboczego może wynosić + 60° C w przypadku rur do c.w. i 90° C – dla rur do ogrzewania centralnego i podłogowego. Odporne są na ciśnienie robocze do 1 MPa. Wykonane z rur polibutylenowych instalacje cechuje wysoka estetyka, niewysoki koszt materiału i robocizny, wysoka wytrzymałość oraz bardzo długa żywotność, cicha praca nawet przy bardzo dużych prędkościach przepływu, a także bakteriostatyczność – są odporne na rozwój jakichkolwiek mikroorganizmów.

Montaż instalacji sprowadza się do odcięcia odpowiedniego odcinka rury ze zwoju i wsunięcia go w odpowiedni łącznik – zaciskowy lub gwintowany z mosiądzu. Choć sam ma­teriał jest najdroższy spośród tworzyw stosowanych w instalacjach wodnych, łatwość mon­tażu oraz zalety użytkowe powodują, że instalacje wodne z niego są cenowo konkurencyjne.

Rury z PB charakteryzują się wysoka udarnością, odpornością na pełzanie, ścieranie. Ciągła praca zapewniona jest w temp +90 stopni C, temp awaryjna +100 st C.

Zastosowanie tych rur:

*instalacje wodociągowe

*instalacje c.o.

*sieci ciepłownicze

6.4.5. Połączenia rur z tworzywa sztucznego

Tworzywa sztuczne mogą być łączone przez:

1. klejenie za pomocą specjalnych kształtek – stosowane do rur PVC

2. połączenia kielichowe – stosowane do rur PVC. Rury mają specjalne końcówki (kielichy), w które wsuwane są tzw. końce bose. Połączenie jest uszczelniane podkładką gumową

3. kształtki kołnierzowe – stosowane dla większych średnic rur, przeważnie dla rur siecio­wych. Przy skręcaniu połączeń kołnierzowych należy śruby dokręcić „na krzyż” za pomocą klucza dynamometrycznego. W połączeniach tych należy stosować uszczelki z kauczuku bu­tylowego

4. zgrzewanie elektrooporowe – stosowane do rur z PE

5. zgrzewanie doczołowe – stosowane do rur LDPE i z polipropylenu (polega na ogrzaniu czołowych styków i stykaniu ze sobą)

6. zgrzewanie polifuzyjne – stosowane do rur z polipropylenu i polibutylenu oraz rur war­stwowych (powinno wytwarzać się ciśnienie podczas zgrzewania, zlikwidowana owalność, odtłuszczona powierzchnia)

7. elektrozłączki – stosowane do rur z LDPE (polietylen o niskiej gęstości). Końce łączonych rur wsuwa się do złączki, która jest następnie poddawana działaniu prądu elektrycznego przez specjalne urządzenie

8. złączki zaciskowe i gwintowe – stosowane do rur z polibutylenu, rur warstwowych, poli­etylenu, a szczególnie PE-X (polietylen sieciowany) materiału tego nie można zgrzewać ani kleić

9. złączki zaprasowywane – stosowane do rur warstwowych

W instalacjach wody zimnej do połączeń z mufką metalową należy stosować złączki z gwintem zewnętrznym. Nie zaleca się łączyć złączek PVC z gwintem wewnętrznym z meta­lowymi elementami wkrętnymi. Gdy ich zastosowanie jest konieczne, trzeba dokręcać je ręcznie zachowując dużą ostrożność. Uszczelnienie połączeń gwintowych należy wykonywać za pomocą taśmy teflonowej. W instalacjach ciepłej wody użytkowej CPVC do połączeń systemu z tradycyjną instalacją stalową oraz grzejnikami, zaworami, wodomierzami itp. na­leży stosować wyłącznie śrubunki metalowe z elementem CPVC. Niedopuszczalne jest wy­konywanie w instalacjach c.w.u. połączeń gwintowych CPVC – metal uszczelnianych na gwincie. Do uszczelniania połączeń gwintowanych należy używać taśmy teflonowej, nie wolno stosować pakuł.

Podstawowym sposobem łączenia elementów z PVC w instalacji jest klejenie. Ważne jest staranne wykonanie połączenia klejonego. Stosowane są też połączenia gwintowane (złączki fabryczne), także w miejscach, gdzie PVC należy połączyć z metalem (np. wyjście do baterii).

Do łączenia rur PE stosuje się złączki zaciskowe i samozaciskowe, elektrozłączki, zgrzewanie doczołowe oraz połączenia gwintowane i kołnierzowe. Ponieważ PE-X nie może być klejony ani zgrzewany, do połączeń rur z tego materiału stosuje się złączki zaciskowe: skręcane ręcznie z pierścieniem, zaprasowywane lub zaciskane. Odmianą połączeń zacisko­wych są połączenia samozaciskowe – na rurę nakłada się pierścień zaciskowy, a następnie rozszerza ją ekspanderem. W tak przygotowaną rurę wsuwa się kształtkę metalową, rura po­wraca do pierwotnego kształtu (tzw. pamięć kształtu) i sama się zaciska. Dla PE-LD stosuje się głównie zgrzewanie. Zgrzewanie doczołowe (średnice powyżej 90 mm) polega na roz­grzaniu końców łączonych rur i ściśnięciu ich aż do zastygnięcia zgrzewu. Ważne jest współ­środkowe połączenie rur oraz brak wypływki zgrzewu do środka. W przypadku elektrozłą­czek (średnice do 90 mm) końce łączonych rur wsuwa się do złączki, która jest poddawana działaniu prądu elektrycznego. Stosując odpowiednie adaptery (złączki przejściowe) można połączyć rury z polietylenu z rurami stalowymi.

Polibutylen wyróżnia się znaczną elastycznością. Można układać przewody stosując tzw. system kablowy - przewód rozwija się ze zwoju, wyginając go zgodnie z kształtem po­mieszczania bez szkody dla własności materiału. Ogranicza to stosowanie liczby kolan - ręcz­nie z rury PB można wykonać łuk odpowiadający ośmiu średnicom zewnętrznym. Ogranicze­niem tego rozwiązania jest konieczność zastosowania dodatkowych podpór. Rura jest odporna na zmiany prędkości - w tym na gwałtowny wzrost prędkości; wykazuje też wysoką udarność - te cechy sprawiają, że nadaje się do instalacji zagrożonych uderzeniem hydraulicznym. Po­libutylen jest odporny na temperatury do -15ºC, dzięki czemu nie ma ograniczeń co do wa­runków montażu.

Rury PB łączy się poprzez zgrzewanie elektrooporowe lub polifuzyjne. Zgrzewanie po­lifuzyjne polega na podgrzaniu zewnętrznej części rury i wewnętrznej części kształtki, którą następnie nasuwa się na rurę. W systemach instalacyjnych producenci proponują specjalne złączki wciskowe (rozbieralne) z pierścieniem uszczelniającym, dzięki którym nie jest ko­nieczne stosowanie specjalistycznych narzędzi.

Polipropylen cechuje się wysoką sztywnością i podobnie jak PVC montowany jest me­todami tradycyjnymi. Ma szeroki zakres pracy: wykazuje kruchość dopiero w temperaturach poniżej -40ºC, a odpowiednie odmiany (PP-3) pozwalają na stosowanie tworzywa w tempe­raturach nawet do 120ºC. Wykazuje się też dużą odpornością na zawartość żrących substancji chemicznych.
Rury polipropylenowe łączy się przez zgrzewanie (kielichowe – do 40mm średnicy i elektro­oporowe) lub przez łączniki gwintowane i kołnierzowe.

Zgrzewanie doczołowe polega na ogrzaniu i uplastycznieniu powierzchni łączonych elementów za pomocą płyty grzejnej, a po odsunięciu ich od płyty na dociśnięciu do siebie z odpowiednią siłą docisku i pozostawieniu do ochłodzenia. Poprawne wykonanie zgrzewania pozwala zachować właściwą giętkość na całej długości odcinka i wytrzymałość połączeń równą wytrzymałości rury.

Zgrzewanie elektrooporowe polega na łączeniu rur z kształtkami posiadającymi wto­piony drut elektrooporowy. Przy użyciu zgrzewarki elektrooporowej prąd elektryczny prze­pływa przez element grzejny, zatopiony w kształtce, powoduje roztopienie i połączenie mate­riałów.

7. Urządzenia hydroforowe

7.1. Zbiorniki

Zbiorniki hydroforowe są stałymi zbiornikami ciśnieniowymi, podlegającymi stałemu lub ograniczonemu dozorowi technicznemu. Hydrofory można włączyć do sieci szeregowo lub bocznikowo. W pierwszym przypadku przez zbiornik tłoczona jest cała ilość wody, nato­miast we włączeniu bocznikowym do hydroforu kierowane są tylko te ilości wody, które nie są aktualnie pobierane.

Hydrofor powinien być zaopatrzony w manometr o takiej klasie, by przy dopuszczal­nym ciśnieniu niedokładność jego nie była większa niż 5%.

Manometr należy tak ustawić, aby jego wskazania były wyraźnie widoczne dla obsłu­gującego personelu. Mając na uwadze wytrzymałość zbiornika przepisy wymagają, aby na podziałce ciśnieniomierza czerwoną kreską oznaczone było ciśnienie odpowiadające dopusz­czonemu [11].

Każdy zbiornik hydroforowy powinien być zaopatrzony w co najmniej jeden zawór bezpieczeństwa. Należy go umieszczać bezpośrednio na zbiorniku tak, by było uniemożli­wione jego zanieczyszczenie lub uruchomienie.

7.2. Eksploatacja urządzeń hydroforowych

Prawidłowa eksploatacja urządzeń hydroforowych powinna zapewniać ekonomiczną i bezawaryjną i bezpieczną pracę w możliwie jak najdłuższym czasie. Zrealizowanie tego może nastąpić dzięki dobrze zaprojektowanej stacji, prawidłowemu wykonaniu urządzenia, zatrud­nieniu wykwalifikowanej obsługi, przestrzeganiu przepisów bezpieczeństwa.

7.3. Budowa stacji hydroforowych

Podczas realizacji wykonania projektu nie wolno bez uzgodnienia z projektantem do­browolnie wprowadzać żadnych zmian wielkości elementów składowych urządzenia.

Wykonawca powinien zwrócić szczególną uwagę na poziom hałasu w budynkach miesz­kalnych i użyteczności publicznej. Usuwanie stacji hydroforowych w pewnej odległości od budynków zmniejsza natężenie hałasu, ale ciągnie to za sobą zwiększenie kosztów inwe­stycyjnych. Zbiorniki hydroforowe, jej zawory zwrotne i armatura muszą być bardzo szczelne, gdyż nieszczelności załączają system regulacyjny, powodując ciągłą pracę urządze­nia, nawet w sytuacji, kiedy na sieci nie ma rozbioru. Niesie to za sobą znaczne straty ekono­miczne. Konieczna jest również staranna konserwacja elementów hydroforowych, aby zestaw działał prawidłowo i żeby można było uniknąć przymusowych postojów.

8. Uzbrojenie sieci i przewodów wodociągowych

8.1. Zasuwy

Urządzenia te służą do zamykania przepływu wody przez rurociąg. Budowa zasuw nie pozwala na zamknięcie się przepływu, które mogłoby wywołać uderzenia hydrauliczne. Wrzeciono ze stali nierdzewnej bądź z mosiądzu, o budowie gwintowanej, podnosi lub opuszcza ruchomą tarczkę, na której z obu stron znajdują się uszczelniające pierścienie, które po opuszczeniu tarczki zamykają szczelnie przepływ wody.

Dla większych średnic wykonuje się zasuwy z dodatkowym zaworem. Przy dużych śred­nicach zasuwy, przy większych ciśnieniach wody, otwarcie zasuwy byłoby niemożliwe z uwagi na parcie wody. Zawór ten pozwala na wyrównanie ciśnienia z obu stron tarczy przed jej podniesieniem.

Zasuwy umieszczone na przewodach w obiektach (pompowniach, zbiornikach, studzien­kach itp.), są z reguły kołnierzowe, natomiast umieszczone na przewodach w ziemi są zwykle kielichowe. [7]

8.2. Klapy zwrotne

Urządzenia służące do przepuszczania wody w jednym kierunku. Otwierają się one wyłącznie przy przepływie prawidłowym. Ich budowa uniemożliwia przepływ wody w obu kierunkach, umieszczane są one z reguły w pompowniach na rurociągach tłocznych, w celu zabezpieczenia przewodu przed cofnięciem się wody w przypadku wyłączenia pracy pompy.

Klapa zwrotna ma takie działanie dzięki występowaniu klapy zamykającej prze­pływ umieszczonej na zawiasach.

8.3. Zawory odpowietrzające

Zakładane są one w najwyższych punktach przewodów i sieci, aby odprowadzić powie­trze i gaz gromadzące się w tych punktach. Jest to bardzo ważne w celu utrzymania odpo­wiedniego ciśnienia w sieci oraz zapewnienia ciągłego przepływu przez rurociąg. Groma­dzące się powietrze w najwyższych punktach spowodowałoby powstanie ciśnienia dzięki wytworzonemu tzn. korkowi powietrznemu. Bardzo często powietrze usuwa się z sieci przez instalacje domowe. Innym sposobem do odpowietrzenia może być umieszczenie hydrantów, uruchamianych od czasu do czasu.

W odpowietrzniku występuje pływak kulowy, który w chwili gdy zaczyna się groma­dzić powietrze w korpusie odpowietrznika, zwierciadło wody opada, a wraz z nim pływak, odsłaniając w pewnym momencie otwór, co powoduje natychmiastowe wydostanie się po­wietrza z sieci.

8.4. Zawory odwadniające

Umożliwiają one potrzeby opróżniania rurociągu z wody, a umieszcza się je w najniż­szych punktach sieci. Spuszczoną wodę odprowadza się do rowu otwartego lub kanalizacji przez syfon i studzienkę przepływową.

8.5. Hydranty pożarowe

Do czerpania wody z rurociągów w przypadku pożaru służą hydranty, które dzięki umieszczeniu ich w najwyższych punktach sieci umożliwiają odpowietrzanie, a usytuowanie w punktach najniższych ułatwia odwodnienie przewodu. Wyróżniamy hydranty naziemne, składające się z kolumny z dwoma wylotami, mające zawór grzybkowy oraz hydranty pod­ziemne, znajdujące się całkowicie pod ziemią i zamykane są za pomocą zaworu grzybko­wego.

Hydranty naziemne można łatwo zlokalizować w terenie, ale stanowią one przeszkodę na ulicach, natomiast hydranty podziemne można montować w ulicach, ponieważ nie utrud­niają one ruchu na drodze. Wodę w hydrantach należy spuścić na zimę, aby woda znajdująca się w nich, nie zamarzła.

9. Projektowanie sieci wodociągowych i przewodów

Warunki, które powinny spełniać przewody i sieci wodociągowe:

1. Dostawa wody bez przerw do wszystkich odbiorników w przewidywa­nej maksymalnej ilości i pod wymaganym ciśnieniem

2. Najmniejsze nakłady inwestycyjne i koszty eksploatacyjne sieci i in­nych z niż związanych urządzeń.

Powyższe warunki można osiągnąć poprzez:

- zaprojektowanie układy sieci na obszarze zasilania i na ciągu, aż do ujęcia

- ustalenie przepustowości sieci i sposobu zasilania

- materiał uzbrojenia wykonawstwo i eksploatację

Czynności w procesie projektowania

1. Trasowanie sieci (zaprojektowanie układu sieci w planie z uwzględnie­niem obszarów maksymalnego zapotrzebowania na wodę, punkty zasilania sieci, to­pografię terenu)

2. Ustalenie natężenia przepływów; odcinkowych i węzłowych oraz obliczo­nych dla poszczególnych odcinków

3. Dobór średnic przewodów

4. Obliczenie strat ciśnień

5. Wyznaczenie linii ciśnień i sprawdzenie czy ta linia zapewnia wszędzie wymaganą wysokość ciśnienia gospodarczego i pożarowego

6. Korekta średnic i ponowne obliczenie strat ciśnienia oraz kolejne spraw­dzenie

7. Sprawdzenie warunków maksymalnego ciśnienia

9.1. Obliczenia hydrauliczne przewodów wodociągowych

Dla wykonania obliczeń wodociągowych trzeba przeanalizować przewidywalne dobowe zużycie wody na ilość mieszkańców na obszarze projektowanego terenu. Zużycie to uzależnione jest od posiadanych przyborów sanitarnych. Żeby prawidłowo zaprojektować sieć wodociągową, należy dobrać odpowiednie średnice przewodów.

Średnice przewodów dobiera się w taki sposób, aby prędkość przepływu wody była ekonomiczna i wynosiła:

- dla Ø ≤ 300 mm: v = 0,50 – 0,80 m/s

- dla Ø > 300 mm: v = 0,90 – 1,50 m/s

Każda sieć wodociągowa powinna zostać tak zaprojektowana, aby zapewniała wymagane ciśnienie w każdym odcinku przewodu, dlatego należy brać pod uwagę straty na długości, straty miejscowe przy jednoczesnym rozbiorze na odcinkach.

Obliczenia hydrauliczne przewodów wodociągowych możemy otrzymać dzięki poniższych wzorów:

h_str = λ*$\frac{v^{2}*L}{2*g*D}$

λ = $\left\lbrack - 2*\lg{(\frac{2,51}{\text{Re}\sqrt{\lambda}} + \frac{k}{3,72*D})} \right\rbrack^{- 2}$

Re = $\frac{v*D*\rho}{\nu}$

Q = F*v = $\frac{\Pi*D^{2}*v}{4}$

i = 0,0826*$\frac{\lambda*Q^{2}}{D^{5}}$

Dla rur o przekroju kołowym przy całkowitym napełnieniu prędkość przepływu wyraża wzór Colebrooka-White^,a :

V = - 2 ▪ ▪

gdzie :

h – straty ciśnienia na długości

λ – współczynnik oporów liniowych

v – średnia prędkość przepływu

L – długość odcinka przewodu

g – przyspieszenie ziemskie

D – średnica zewnętrzna przewodu

Re – liczba Reynoldsa

k – współczynnik chropowatości

ρ – gęstość wody

ν – współczynnik lepkości kinematycznej

F – powierzchnia przekroju

Q – natężenie przepływu

i – jednostkowe straty na pokonanie oporów tarcia, równe spadkowi dna kanału przy prze­pływie o swobodnym zwierciadle, lub nachyleniu linii ciśnień przy przepływie pod ciśnie­niem

W rurach ciśnieniowych przepływowych może występować krótkotrwały wzrost ciśnienia wewnętrznego powyżej nominalnego ciśnienia roboczego spowodowany uderzeniem hydraulicznym. Wzrost ciśnienia zachodzi w sieci, gdy ciągłość przepływu jest zaburzona przez nagłe zmiany w warunkach przepływu, jakimi są np. uruchomienie i zatrzymanie pracy pomp, nagłe otwarcia i zamknięcia armatury (zaworów, zasuw), pęknięcia rur itp.

Gwałtowna zmiana średniej prędkości Δv wody w rurze daje wzrost ciśnienia o Δp:

Δp = $\frac{c*\Delta v}{g}$

gdzie:

g – przyspieszenie ziemskie

c – prędkość fali ciśnieniowej w rurze

Prędkość c zależy od sprężystości wody i ścianki rury oraz jej otoczenia. Dla swobodnie popartej rury kołowej ma zastosowanie wzór:

c = $\sqrt{\frac{E_{p}*g/\gamma}{\frac{E_{p}}{E_{w}}\ + \ \frac{D_{m}}{s}}}$

gdzie:

E_w – moduł sprężystości wody

E_p – jednorodny moduł sprężystości materiału rury

γ - gęstość wody

D_m – średnica zewnętrzna rury

s – grubość ścianki

Dla rur stalowych i betonowych prędkość fali ciśnieniowej jest około trzy razy większa od tej dla rur HDPE i osiąga 1000 do 2000 m/s.

Kiedy warunki przepływu zmienią się (np. w następstwie zmiany poboru wody lub regulacji zawodu), fala ciśnieniowa przemieszcza się wzdłuż rurociągu z prędkością c. Swobodne zwierciadło wody eliminuje występowanie nadciśnienia lub podciśnienia i zmiana taka również rozprzestrzenia się w taką prędkością c. Czas potrzebny na przebycie przez falę ciśnieniową dystansu od przekroju, w którym fala powstała do przekroju ze swobodnym zwierciadłem wody i z powrotem jest ważny dla wytworzenia się nadciśnienia lub podciśnienia. W konwencjonalnie projektowanych rurociągach, przyjmowana jest średnia prędkość wody rzędu 1 m/s.

Liczba zmian obciążenia podczas spodziewanej 50 – letniej trwałości użytkowej może być oszacowana na podstawie załączenia lub wyłączenia pomp co każde 10 minut. Daje to około 10⁶ zmian w przepływie, co po uwzględnieniu odbicia fal koresponduje z maksimum 10⁷ zmian obciążenia. Wytrzymanie 10⁷ zmian obciążenia jest zazwyczaj określane jako wytrzymałość zmęczeniowa.

10. Projekt stacji podwyższania ciśnienia

10.1. Opis stanu istniejącego

Wierzchosławice zasilane są wodą, która płynie ze stacji z Gniewkowa i Inowrocławia. Z uwagi na ciśnienie z jakim woda dopływu do tej miejscowości z obu zasilających ją źródeł, większość wody dostarczana jest z Inowrocławia, gdzie koszt za jeden kubik jest zdecydowa­nie większy. Połączenie tych dwóch sieci ze sobą jest wykonane jest w taki sposób, że unie­możliwia to regulację przepływu. Brakuje tutaj zbiornika, który umożliwiłby ograniczenie zasilenia z Inowrocławia, co wiązałoby się ze zmniejszeniem opłat mieszkańców za medium.

Przed zaprojektowaniem stacji podwyższania ciśnienia woda została kupowana z Inowro­cławia w ilościach jakie przedstawia tabela 3.

Tab. 3. Zestawienie zakupu wody z Inowrocławia dla Wierzchosławic:

Miesiące	Zakup [tys. m^3/miesiąc]
1	2
styczeń	7,883
luty	7,157
marzec kwiecień	15,469
maj	8,739
czerwiec	9,999
lipiec	9,981
sierpień	8,780
wrzesień	7,336
październik	6,579
listopad	6,406
grudzień	8,000

Zanotowano największy zakup wody z Inowrocławia z czerwca wynoszący 9,999 tys. m³/miesiąc, jest to tym samym Q_{d śr I} = 0,333 tys. m³/dobę.

Rys. 12 i 13 przedstawiają wygląd starej hydroforni, gdzie woda tłoczona jest za pomocą pomp wirowych.

Na terenie stacji znajduje się wyłączony z eksploatacji zbiornik retencyjny o pojemności 50 m³.

Rys. 12. Stan obecnej hydroforni w miejscowości Wierzchosławice

Rys. 13. Pompy wirowe w hydroforni w Wierzchosławicach

10.2. Opis projektowanego rozwiązania

Zamierzenie inwestycyjne służące usprawnieniu pracy stacji podwyższania ciśnienia w Wierzchosławicach oraz zmniejszeniu dostaw wody z Inowrocławia polega na wymianie ist­niejących hydroforów na nowoczesny zestaw hydroforowy i budowie odcinka sieci wodocią­gowej, która będzie zasilać istniejący zbiornik retencyjny przy jednoczesnym zastosowaniu komory zasuw, które umożliwią przepływ wody z obu zasilających kierunków w momencie, kiedy ilość wody jaka będzie zużywana w określonym czasie będzie większa niż dopływ wody z Wierzchosławic. Ma to na celu stały dopływ wody, a tym samym uniknięcie sytuacji niedoboru dostatecznej ilości wody oraz zapobiegnięcie zjawiska kawitacji. Budowany odci­nek sieci będzie dostarczał wodę z Gniewkowa i pokryje w części zapotrzebowanie miesz­kańców Wierzchosławic, a tym samym zmniejszy ilość wody dostarczanej z Inowrocławia.

Uwzględniając dwustronne zasilanie stacji, należy początkowo zaprojektować dwa zbior­niki o pojemności V = 25 m³, które będą regulowały ciśnienie dopływające do Wierzchosła­wic.

Zarówno regulacja stacji zasuw jak i działanie pomp dostarczających wodę pod okre­ślonym ciśnieniem i w odpowiedniej ilości jest zależne od maksymalnego rozbioru wody. Zestaw pompowy składa się z pomp połączonych ze sobą równolegle, pracujących progresywnie, sterowanych w oparciu o przemiennik częstotliwości gwarantujący stałe ciśnienie w sieci niezależnie od rozbioru. Zapotrzebowanie zbiornika retencyjnego umożliwia uzyskanie niezbędnych zapasów wody ze stacji uzdatniania w Gniewkowie. Schemat technologiczny stacji umieszczono w części rysunkowej pracy.

10.3. Obliczenia zapotrzebowania na wodę – bilans

Niezbędne dane do obliczenia zapotrzebowania na wodę. Przyjęto zgodnie z Rozporządzeniem [13].

- przeciętne zużycie wody: q = 150 [dm³/mieszkaniec x doba]

- współczynnik nierównomierności godzinowej: N_h = 1,5

- współczynnik nierównomierności dobowej: N_d = 2,0

- sklep: Q_{d śr} = 0,25 [m³/doba]

- szkoła: Q_{d śr} = 10,0 [m³/doba]

- Handpol: Q_{d śr} = 6,08 [m³/doba]

Maksymalne godzinowe zapotrzebowanie wody dla potrzeb bytowo – gospodarczych obliczono w oparciu wzór:

Q_{h max} = $\frac{M*q*N_{d}*N_{h}}{24}$

gdzie:

M – liczba mieszkańców danej strefy

q – przeciętne zużycie wody dla danej klasy wyposażenia (patrz tab.1) [dm³/j.o. x d]

N_d – współczynnik nierównomierności dobowej

N_h – współczynnik nierównomierności godzinowej

Obliczono zapotrzebowanie dla sklepu, szkoły i Handpolu:

Q_{d śr} = 0,25 + 10,0 + 6,08 = 16,33 m³/d

Q_{d max} = Q_{d śr} * N_d = 16,33 * 1,5 = 24,495 m³/d

Q_{h max} = $\frac{\mathbf{Q}_{\mathbf{\text{dmax}}}}{\mathbf{24}}$ * N_h = $\frac{\mathbf{24,495}}{\mathbf{24}}$ * 2,0 = 2,041 m³/h = 0,567 dm³/s

Dla celów ekonomicznych obliczono zapotrzebowanie na wodę dla miejscowości zasi­lanych przez stację podwyższonego ciśnienia w Wierzchosławicach, co przedstawia tabela 4.

Tab. 4. Obliczenie zapotrzebowania na wodę dla miejscowości zasilanych wodą płynącą ze stacji w Wierz­chosławicach

Miejscowość	Liczba jed­nostek odniesienia	Zapotrzebowanie na wodę
		Qj [dm^3/d x j.o.]
1	2	3
Wierzchosławice	1275	150
Szadłowice	392	150
Skalmierowice	221	150
Więcławice	312	150

Q_{d śr} = 191,25 + 16,33 + 58,8 + 33,15 + 46,8 = 346,33 [m³/d]

Obliczono dobowe zapotrzebowanie na wodę:

Q_{d max1} = Q_{d śr1} * Nd

Q_{d max1} = 346,33 * 1,5 = 519,495 [m³/d]

Obliczono godzinowe średnie zapotrzebowanie na wodę:

Q_{h śr1} = Q_{d max1} : 24

Q_{h śr1} = 519,495 : 24 = 21,65 [m³/h]

Obliczono maksymalne godzinowe zapotrzebowanie na wodę:

Q_{h max1} = Q_{h śr1} * Nh

Q_{h max1} = 21,65 * 2,0 = 43,3 [m³/h]

Wg przepisów [13] przyjęto zapotrzebowanie przeciwpożarowe na wodę dla liczby mieszkańców jednostki osadniczej do 5000 osób, gdzie niezbędna wydajność wodociągu lub zapas wody musi wynosić 10 dm³/s (patrz tab. 2).

Q_p.poż. = 10 dm³/s = 1,157*10^-7 m³/d

10.4. Obliczenia zbiornika metodą sumową

Aby można było określić wymiary zbiornika, który miałby spełniać zadanie zapew­nienie dostarczenia do odbiorców odpowiedniej ilości wody, należałoby najpierw zapoznać się z godzinowym rozbiorem wody. Można je określić na podstawie procentowego zużycia wody w ciągu jednej doby w każdej godzinie rozbioru. Dane te zestawiono w tabeli 5, a następnie zamieszczono na rys 14.

Tab. 5. Procentowe zużycie wody w ciągu dnia dla poszczególnych godzin rozbioru

Godziny	procentowe zużycie wody [%]
1	1,49
2	1,64
3	3,76
4	6,40
5	6,69
6	3,92
7	5,78
8	3,48
9	1,50
10	3,43
11	6,83
12	4,62
13	5,10
14	3,74
15	7,17
16	6,31
17	5,34
18	1,90
19	2,18
20	2,52
21	3,94
22	2,59
23	4,17
24	5,50

Średnie procentowe zużycie wody otrzymamy ze wzoru:

$\frac{100\%}{24}$ = 4,17

Zatem zbiornik należy zaprojektować uwzględniając również średnie procentowe zuży­cie wody równe 4,17%.

Rys. 14. Histogram rozbioru wody w osiedlach

Obliczenie pojemności wyrównawczej zbiornika przy 24 – godzinnej pracy pompy za­mieszczono w tabeli 6.

Tab.6. Zestawienie obliczeń pojemności wyrównawczej zbiornika przy 24 – godzinnej pracy pomp

godziny	Wydajność pomp [%]	Zużycie wody przez miasto [%]	Przybyło do zbiornika	Użyto ze zbiornika	Jest w zbior­niku
1	2	3	4	5	6
			x=k2 - k3	y=k6 + k4 - k5
0 - 1	4,17	1,49	2,68		9,04
1 - 2	4,17	1,64	2,53		11,57
2 - 3	4,16	3,76	0,40		11,97
3 - 4	4,17	6,4		2,23	9,74
4 - 5	4,17	6,69		2,52	7,22
5 - 6	4,16	3,92	0,24		7,46
6 - 7	4,17	5,78		1,61	5,85
7 - 8	4,17	3,48	0,69		6,54
8 - 9	4,16	1,5	2,66		9,20
9 - 10	4,17	3,43	0,74		9,94
10 - 11	4,17	6,83		2,66	7,28
11 - 12	4,16	4,62		0,46	6,82
12 - 13	4,17	5,1		0,93	5,89
13 - 14	4,17	3,74	0,43		6,32
14 - 15	4,16	7,17		3,01	3,31
15 - 16	4,17	6,31		2,14	1,17
16 - 17	4,17	5,34		1,17	0,00
17 - 18	4,16	1,9	2,26		2,26
18 - 19	4,17	2,18	1,99		4,25
19 - 20	4,17	2,52	1,65		5,90
20 - 21	4,16	3,94	0,22		6,12
21 - 22	4,17	2,59	1,58		7,70
22 - 23	4,17	4,17	0,00	0,00	7,70
23 - 24	4,16	5,5		1,34	6,36
	100	100

Pojemność zbiornika obliczono ze wzoru:

Vz = $\frac{y}{100}$* Q_{d max}

gdzie:

y – procentowa pojemność zbiornika

y = 11,97%

Q_{d max} – maksymalne dobowe zapotrzebowanie na dobę

Q_{d max} = 519,495 m³/d

Obliczona pojemność zbiornika wynosi:

Vz = $\frac{y}{100}$* Q_{d max} = 62,18 m³

W celu uzyskania zamierzonego efektu projektowanej stacji i uniknięciu braku dostawy zaprojektowano 2 zbiorniki na wodę pitną poziome jednokomorowe V = 25 m³, z dwustronnym zasilaniem. Stację zasila woda z Gniewkowa zakupywana w ilości 50 m³ przy czym niedobór pozostałych 12,18 m³ będzie dopływać z Inowrocławia. Schemat zasilania zbiornika zamieszczono na rys. 15.

Rys. 15. Schemat zasilania zbiornika

Dobrano następujące wymiary zbiorników:

- średnica zbiornika D = 2,8 m

- długość dobranego zbiornika L = 4,6 m

Jednokomorowy zbiornik poziomy służy do gromadzenia wody pitnej i pozwala na wyrównywanie okresowych deficytów wody przy zwiększonym zapotrzebowaniu.

Wykonany jest on z blach stalowej, zamknięty z obu stron płaskimi przykrywami o średnicy Ø 2800 mm. W górnej części zbiornika usytuowany jest szyb włazowy Ø 700 mm, zamknięty szczelnie klapą. Regulacja zbiornika działa przy pomocy zamieszczonego zaworu pływakowego (patrz rys. 16).

Rys.16. Zbiornik retencyjny od środka wraz z zaworem pływakowym

10.5. Obliczenia hydrauliczne sieci wodociągowej

W tabeli 7 zestawiono dane hydrauliczne sieci wodociągowej, obliczone za pomocą programu Aqua Life. Dane do obliczeń wykorzystano ze schematu 1.

Schemat 1. Dane technologiczne wykorzystane do obliczeń hydraulicznych sieci wodociągowej w Wierzchosławicach

Wyniki przedstawiają się w sposób następujący:

Tab. 7 Straty na długości na odcinkach

L.p.	Nr węzłów	Nr katal.	Qh max [dm3/s]	Dz/Dw [mm]	v [m/s]	i [‰]	h = L*i [m sł.w.]	k [mm]	L [m]
1	3 - S2	SDR41/160	12,037	160/152	0,66	2,83	2,97	0,01	1050
2	4 - 3	SDR41/110	4,83	110/105	0,56	3,31	5,46	0,01	1650
3	5 - 4	SDR41/90	3,68	90/85	0,64	5,39	8,36	0,01	1550
4	7 - 5	SDR41/90	1,63	90/85	0,28	1,27	2,59	0,01	2036
5	6 - 5	SDR41/90	2,04	90/85	0,36	1,90	2,65	0,01	1400
6	8 - 4	SDR41/90	1,15	90/85	0,20	0,66	0,96	0,01	1450

Rzędne linii ciśnień Q_{h max} w poszczególnych punktach:

S2	-	120,88
3	-	117,91
4	-	112,45
5	-	104,09
7	-	191,50

Profil strat zamieszczono w części graficznej

10.6. Obliczenia ciśnienia wymaganego

Wymagane ciśnienie robocze jest to ciśnienie niezbędne do prawidłowego funkcjono­wania najniekorzystniej położonego punktów czerpalnych. Jest to najczęściej najdalszy punkt rozbioru, punkt znajdujący się najwyżej bądź punkt w którym jest największa ilość osób. Wielkość tego ciśnienia jest związana z wysokością geometryczną położenia miarodajnego punktu czerpalnego i jest mierzona od poziomu terenu.

Obliczyć je można wg wzoru:

Hw = 7 + 3,25n [m]

gdzie:

n – liczba kondygnacji

W sieci wysokość podnoszenia wody powinna być zwiększona o straty na całym odcinku od stacji zasilają­cej miejscowość do najniekorzystniejszego miejsca w sieci.. Jeżeli w obszarze zasilanym wy­stępują zróżnicowane wysokościowe strefy zabudowy, wymagane ciśnienie robocze należy obliczać dla każdej ze stref oddzielnie. Linię wymaganego ciśnienia można przyjąć z dosta­teczną dokładnością jako równoległą do linii profilu podłużnego terenu.

- liczba kondygnacji: n = 2

- linia ciśnienia wymaganego: Hw = 13,50 m

- ciśnienie maksymalne: P_max = 0,6 MPa

10.7. Obliczenia systemu pompowego

Dobór pompy dla stacji należy dokonać uwzględniając wymaganą wydajność (Q) oraz żądaną wysokość podnoszenia (Hp), którą obliczamy wg wzoru:

Hp = Hw + h _str, a h_str obliczono ze wzoru:

h_str = λ*$\frac{v^{2}*L}{2*g*D}$

λ = $\left\lbrack - 2*\lg{(\frac{2,51}{\text{Re}\sqrt{\lambda}} + \frac{k}{3,72*D})} \right\rbrack^{- 2}$

Re = $\frac{v*D*\rho}{\nu}$

Q = F*v = $\frac{\Pi*D^{2}*v}{4}$

i = 0,0826*$\frac{\lambda*Q^{2}}{D^{5}}$

gdzie :

h – straty ciśnienia na długości

λ – współczynnik oporów liniowych

v – średnia prędkość przepływu

L – długość odcinka przewodu

g – przyspieszenie ziemskie

D – średnica zewnętrzna przewodu

Re – liczba Reynoldsa

k – współczynnik chropowatości

ρ – gęstość wody

ν – współczynnik lepkości kinematycznej

F – powierzchnia przekroju

Q – natężenie przepływu

i – jednostkowe straty na pokonanie oporów tarcia, równe spadkowi dna kanału przy prze­pływie o swobodnym zwierciadle, lub nachyleniu linii ciśnień przy przepływie pod ciśnie­niem

W przypadku sieci w Wierzchosławicach należy obliczyć wysokość podnoszenia pompy dla dwóch przypadków.

a) najdalszego punktu w sieci

Hp = (H₂ – H₁) + H_W + Σh_str

gdzie:

H₂ – wysokość terenu najdalszego punktu w sieci

H₁ – wysokość terenu stacji podwyższania ciśnienia

H_W – ciśnienie wymagane

Σh_str – suma strat ciśnienia od stacji do najdalszego punktu

Hp = (88,0 – 84,4) + 13,50 + 19,38 = 36,48 m

b) punktu najwyższego w sieci

Hp = (H₃ – H₁) + H_W + Σh_str

gdzie:

H₃ – wysokość terenu najdalszego punktu w sieci

Σh_str – suma strat ciśnienia od stacji do najwyższego punktu sieci

Hp = (91,1 – 84,4) + 13,50 + 8,43 = 28,63 m

Na podstawie przedstawionych obliczeń należy wziąć wartość większą wysokości podnoszenia pompy, ponieważ spełniony zostanie warunek konieczny do prawidłowego funkcjonowania sieci w każdym jej punkcie. Jednocześnie musi być również spełniona wysokość podnoszenia wody do celów przeciwpożarowych wynoszącą 5 m.

Parametry doboru pompy są następujące:

Hp = 36,48 m

Q = 43,3 m³/h

Zaprojektowano zestaw sześciu pomp Hydro Vacuum ZHA.2.05.5.1201.4 do tłoczenia wody w stacji w Wierzchosławicach z czego jedna przeznaczona jest na wypadek wystąpienia pożaru. Przyjęto, że pompy w danym zestawie pracują równolegle. Charakterystykę tych pomp przedstawia wykres 1.

Qp = $\frac{43,3}{5}$ = 8,66 m³/h

Hp = 36,48 m

Wykres 1. Charakterystyka zestawu do podnoszenia ciśnienia Hydro – Vacuum ZHA.2.05.5.12.01.4 [20]

Oś wlotu pompy znajduje się na wysokości 70 cm od podłoża. Żeby nie wystąpiło zja­wisko kawitacji, różnica wysokości pomiędzy osią wlotu pompy a najniższym stanem zwier­ciadła wody w zbiornikach nie może być mniejsza od 1,0 m.

Jeżeli rzędna stacji podwyższania ciśnienia wynosi 84,4 m n.p.m., zestaw pomp przyj­muje rzędną 85,1 m n.p.m. Dla bezpieczeństwa przyjęto, że dno zbiornika musi znajdować się na granicznej wysokości, zatem znajduje się ono na 86,1 m n.p.m.

Ciśnienie na jakim muszą działać pompy wynosi 36480,00 mm H₂O, co daje 3,58 bar.

11. Podsumowanie i wnioski

Celem pracy było zaprojektowanie przebudowy istniejącej stacji hydroforowej w Wierzchosławicach, aby w większej ilości zapewnić zasilanie sieci wodociągowej wodą do­starczaną z Gniewkowa. W tym celu wykonano odpowiednie obliczenia potrzebne do doboru zbiornika retencyjnego o wymiarach pozwalających zapewnić całodobowy dopływ wody, w którym ciśnienie z obu zasilających źródeł zostanie wyrównane. Wymagana ilość wody tło­czona zostanie za pomocą zestawu pomp połączonych równolegle.

Wykonując stację podwyższania ciśnienia według wytycznych umieszczonych w niniejszym projekcie, można zapewnić właściwy przepływ wody, pod odpowiednim ciśnieniem przy dobranych urządzeniach wodociągowych jakie mają zostać wykorzystane do przebudowy stacji w Wierzchosławicach. Tym samym ograniczony zostanie dopływ dużej ilości wody zasilanej przez Inowrocław, co pozwala na zmniejszenie kosztów zużycia wody ponoszonych przez mieszkańców miejscowości.

Cel projektu został osiągnięty. Korzyści ekonomiczne zostaną przy zastosowaniu wykonaniu zaprojektowanych ustaleń.

Zaprojektowano układ stacji ze zbiornikami poprawiającymi zarówno warunki technologiczne jak i ekonomiczne aspekty przy określonych parametrach:

- woda w ilości 12,18 m³ zostanie zakupiona z Inowrocławia, pozostała ilość zakupiona zostanie z Gniewkowa tj. 50 m³

- stałe ciśnienie w sieci p = 3,58 bar

- stacja zasilona zostanie dwoma zbiornikami o pojemności użytkowej Vz = 25 m³

- do układu przyjęto zestaw pompowy Hydro Vacuum ZHA.2.05.5.12.01.4

Karta katalogowa Jafar

Literatura

1. Celiński J., Wasilewski Z.: Technologia instalacji wodociągowych i kanalizacyjnych, Ar­kady, Warszawa 1977

2. Chabelski Z., Sawicki W.: Rury azbestowo – cementowe w technice sanitarnej, Ar­kady, Warszawa 1971

3. Chudzicki J., Tabernacki J., Wiszniewska B., Przegląd współczesnych rozwiązań wyposażenia eksploatacyjnego sieci wodociągowej, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna”, nr 8, 1991, s. 186 – 189

4. Chudzicki J., Tabernacki J., Wiszniewska B., Klasyfikacja wyposażenia eksploatacyjnego sieci wodociągowej, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna”, nr 9, 1991, s. 194 – 197

5. Dolecka J., Wodociągi i kanalizacja: materiały pomocnicze do ćwiczeń projektowych. Cz. 1, Wodociągi, Dział Wydaw. Politech. Białostockiej, Białystok 1982 r.

6. Furtak L., Rabiej S., Wild J., Biela A., Warunki techniczne wykonania i odbioru rurocią­gów z tworzyw sztucznych wraz z Aneksem: zalecone do stosowania przez Mi­nisterstwo Gospodarki Przestrzennej i Budownictwa, Polska Korporacja Techniki Sa­nitarnej,Grzewczej,Gazowej i Budownictwa, Warszawa 1996

7. Gabryszewski T., Wodociągi. Arkady, Warszawa 1983

8. Heidrich Z., Wodociąci i kanalizacja, tom 1 Wodociągi, WSIP, Warszawa 1999

9. Jamer M., Rubnikowicz A., Technologia robót i materiałoznawstwo instalacyjne, Wy­dawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 1994

10. Kieleski P., Rury stalowe w instalacjach sanitarnych, Arkady, Warszawa 1966

11. Marczuk M. Projektowanie i eksploatacja urządzeń hydroforowych. Wydanie drugie po­prawione i uzupełnione, Arkady, Warszawa 1973

12. PN – B – 02864 Przeciwpożarowe zaopatrzenie wodne

13. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury (z dn. 14.01.2002 r. w sprawie przeciętnych norm zużycia wody (Dz.U.02.8.70))

14. Duker – materiały informacyjne

15. Electrosteel – materiały informacyjne

16. Gamrat – materiały informacyjne

17. Hawle – materiały informacyjne (ŻELIWNA – HAVLE)

18. WAVIN – materiały informacyjne

19. http://www.b-r.pl/file/Katalogi/SDR,%20S,%20121.pdf

20. http://www.rafstal.pl/web/wp-content/uploads/2009/01/zestawy-hydroforowe.pdf

II Część rysunkowa