/
Автор: Азерьер С.X. Тебенихин Е.Ф.
Теги: водоснабжение железнодорожный транспорт водоотведение очистка воды
Год: 1940
Текст
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ
ТРАНСПОРТЕ
ТОМ II
ПОД РЕДАКЦИЕЙ
доктора технических наук
проф. С. X. АЗЕРЬЕР
Утверждено Комитетом
по делам высшей школы
при СНК СССР в качестве
учебника для втузов
железнодорожного
транспорта
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ТРАНСПОРТНОЕ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКВА — 1 9 4 О
В настоящем курсе дается систематическое изложение
всех вопросов изысканий, проектирования, конструирова-
ния и эксплуатации железнодорожных водосиабжений.
Основное отличие данного курса от ранее изданных за-
ключается в комплексности изложения предмета, что потре-
бовало внесения в курс новых разделов, как например: изы-
скания, гидрометрия, насосы, обработка воды и пр.
Курс состоит из двух томов и утвержден Комитетом по
делам высшей школы при СНК СССР в качестве учебника
для втузов жел.-дор. транспорта.
Том II написан проф. С. X. Азеръер за исключением
раздела третьего — Общие сведения из технологии воды и
главы V пятого раздела—«Внутрикотловая обработка
вода», которые написаны доц. Е. Ф. Тебенихиным
Цена книги П р. 75 к.
Переплет 75 к.
Переплет коленкоровый 1 р. 25 к;
Редактор С. Я. Боженков
Рецензенты проф. Н. Я. Гениев, С. Г. Веденкин,
Д. П. Козырев, I А. А. Лиговский и инж. И. А. Дерюгин
Техред Н. И. Фомин
Корректор А. И. Левина
Сдано в набор 16/Х1 1939 г.
Подписано к печати 1/П 1940 г.
Формат бумаги 72x105 Тираж 7000 экз.
31«Ь п. л. у. а. л. 48,7 зн. в п. л. 68912
ЖДИЗ 31055 Заказ 19782
Уполн. Главлита А—22210
ятип. Трансжелдориздата,
Москва, Б. Переяславская, 46
ОГЛАВЛЕНИЕ
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
НАСОСЫ
Глава 1. Центробежные насосы
§ 1. Схема действия насоса.................................................
§ 2. Всасывание............................................................
§ 3. Кавитация и высота всасывания.........................................
§ 4. Подъем жидкости.......................................................
§ 5. Классификация центробежных насосов....................................
§ 6. Движение жидкости в рабочем колесе центробежного насоса...............
§ 7. Основное уравнение центробежного насоса...............................
§ 8. Влияние профиля лопаток рабочего колеса центробежного насоса на его работу
§ 9. Насосы высокого давления .............................................
§ 10. Число лопаток и их очертание ........................................
§ 11. Корпус насоса, диффузор, направляющий аппарат........................
§ 12. Мощность и к. п.д. насоса............................................
§ 13. Зависимость между напором, производительностью и числом оборотов насоса
§ 14. Удельное число оборотов и степень быстроходности.....................
§ 15. Характеристики насоса................................................
§ 16. Параллельная и последовательная работа центробежных насосов..........
| 17. Некоторые дополнительные вопросы, освещаемые при помощи характеристик
§ 18. Безразмерная характеристика насоса...................................
§ 19. Работа центробежных насосов и вакуум.................................
§ 20. Осевое давление (осевой сдвиг) и его уравновешивание.................
§ 21. Определение главнейших размеров насоса...............................
§ 22. Выбор центробежных насосов...........................................
§ 23. Центробежные насосы с вертикальным валом.............................
§ 24. Установка н пуск центробежных насосов. Уход за насосами. Остановка на-
сосов .....................................................................
§ 25. Неисправная работа насосов ..........................................
§ 26. Преимущества и недостатки центробежных насосов.......................
Стр.
3
4
6
8
9
Ю
11
13
14
15
15
16
17
18
21
32
33
37
39
41
44
48
50
51
Глава II. Поршневые насосы
§ 27. Общие .... .........................................................52
§ 28. Всасывание........................................................ 54
§ 29. Подъем жидкости.....................................................57
§ 30. К. п. д. поршневого насоса и насосной установки.....................57
§ 31. Подача поршневым насосом и величина некоторых основных элементов в ра-
боте насоса ..............................................................59
§ 32. Графическое изображение подачи ... 60
§ 33. Некоторые теоретические основы движения жидкости в поршневом насосе . 61
§ 34. Воздушные колпаки (котлы)...........................................72
§ 35. Индикаторная диаграмма насоса.......................................76
§ 36. Движение жидкости в клапанах поршневых иасосов . 78
§ 37. Конструкции поршневых насосов.......................................80
§ 38. Паровые прямодействующие насосы.....................................85
§ 39. Некоторые специальные конструкции поршневых насосов.................90
Глава III. Другие виды водоподъемных устройств
§ 40. Гидравлический таран...............................................91
§ 41. Водоструйные приборы...............................................92
§ 42. Пульзометры .......................................................93
| 43. Эрлифты ...........................................................95
§ 44. Компрессоры.......................................................107
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ
НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ
Глава I. Общие сведения о насосных станциях Стр.
§ 1. Типы оборудования насосных станций....................................>11
§ 2. Классификация и расположение насосных станций.........................112
§ 3. Расчетный срок действия насосной станции..............................113
§ 4. Регулирование работы насосов и станции................................115
Глава II. Элементы насосных станций
§ 5. Здание станции .......................................................119
§ 6. Фундаменты под агрегаты...............................................120
§ 7. Расположение насосов. Трубопроводы и их трассировка...................121
§ 8. Соединения насосов с двигателями............• ......................124
§ 9. Приемные, обратные и предохранительные клапаны........................127
§ 10. Вакуум-насосы.........................................................131
§ 11. Задвижки и приводы к ним..............................................133
§ 12. Водомеры..............................................................136
§ 13. Сигнализация уровня воды на насосных станциях.........................142
§ 14. Манометр, вакуумметр, тахометр.......................................144
§ 15. Подъемные приспособления.............................................145
Глава III. Компоновки насосных станций
§ 16. Насосные станции с паровым оборудованием.............................145
§ 17. Насосные станции, оборудованные двигателями внутреннего сгорания .... 151
§ 18. Насосные станции, оборудованные электродвигателями...................156
§ 19. Насосные станции со смешанным оборудованием..........................167
| 20. Общие соображения к проектированию насосных станций ................. 168
Глава IV. Принципы действия автоматических насосных станций
§ 21. Общие сведения и основные понятия......................................ПО
§ 22. Область применения автоматических насосных станций.....................ПО
§ 23. Классификация автоматических насосных станций.........................171
§ 24. Особенности автоматических насосных станций...........................171
§ 25. Принципы технологического процесса управления насосной станцией .... 172
§ 26. Приборы автоматических насосных станций.......................... . . 173
§ 27. Сигнальные устройства..................................................П5
РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ
НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕХНОЛОГИИ ВОДЫ
Глава I. Характеристика природных вод
§ 1. Свойства воды ........................................................177
§ 2. Характеристика источников водоснабжения на железнодорожном транспорте 178
§ 3. Требования, предъявляемые к воде......................................180
§ 4. Исследование воды, физико-химический анализ......................... 181
§ 5. Бактериологический анализ.............................................191
Глава II. Накипеобразование и коррозия
§ 6. Накипь и ее свойства................................- -..............192
§ 7. Разновидности накипи..................................................194
§ 8. Влияние накипи на теплопередачу и металл котла........................195
§ 9. Коррозия металла......................................................196
§ 10. Защита металла от коррозии ...........................................198
§ Н. Вспенивание и бурное вскипание (бросание) котловой воды............. 200
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ
ОБРАБОТКА И СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
Глава I. Коагуляция, смешивание и хлопьеобразование
§ 1. Схема технологического процесса обработки воды. 202
§ 2. Коагуляция........................................................................204
§ 3. Сооружения для коагулирования воды. Дозирование коагулянта........210
§ 4. Смешивание реагентов с водой. Смесители........222
§ 5. Камеры образования хлопьев...................................................................... 232
Глава 11. Отстаивание воды (осаждение взвеси)
$ 6. Общие сведения и некоторые теоретические соображения, общие для всех от-
стойников ......................................................................240
§ 7. Коэфициент использования отстойника. 243
§ 8. Скорости движения воды в вертикальном и горизонтальном отстойниках . . 244
§ 9. Ве.ртнкальные отстойники ........248
§ 10. Принципы конструирования и проектирования вертикальных отстойников
§ 11. Некоторые основания к технико-экономическому сравнению вертикальных
отстойников................................................................
§ 12. Расчет вертикальных отстойников.....................................
§ 13. Горизонтальные отстойники...........................................
§ 14. Практика строительства горизонтальных отстойников...................
§ 15. Расчет горизонтальных отстойников...................................
§ 16. Эксплуатация. Выпуск и использование осадка из отстойников..........
§ 17. Выбор типа отстойников . ...........................................
Глава III. Фильтрация
§ 18. Общие соображения...................................................
§ 19. Медленные (английские) фильтры......................................
§ 20. Скорые (американские) фильтры ......................................
§ 21. Фильтр .............................................................
§ 22. Древаж..............................................................
§ 23. Загрузочные (поддерживающие) слои и песок...........................
§ 24. Желоба. Отвод промывной (отработанной) воды ........................
§ 25. Потеря напора. Вакуум в фильтре. Регуляторы скорости фильтрации ....
§ 26. Промывка фильтров...................................................
§ 27. Трубопроводы станции обработки воды.................................
§ 28. Соединение трубопроводов с фильтрами................................
§ 29. Приборы станции обработки воды и элементы центрального и дистанционного
управления и автоматизации.................................................
§ 30. Некоторые конструкции открытых кварцевых фильтров...................
§ 31. Напорные кварцевые фильтры..................,.......................
§ 32. Распределение воды по сооружениям ..................................
§ 33. Проектная мощность станции и данные для расчета ....................
Глава IV. Обработка воды хлором
§ 34. Общие сведения......................................................
§ 35. Хлорирование воды хлорной известью..................................
§ 36. Хлорирование газообразным (жидким) хлором...........................
§ 37. Практика хлорирования...............................................
§ 38. Дехлорирование. Устранение из воды привкусов и запахов........... . .
Глава V. Общие соображения к проектированию и постройке станции обработки
воды
§ 39. Выбор месторасположения станции обработки воды......................
| 40. Планировка и компоновка сооружений для обработки воды...............
§ 41. Общие соображения к постройке станции обработки воды и некоторые данные
для проектирования .......................................................
§ 42. Санитарный режим на станциях обработки питьевой воды ...............
Глава VI. Специальные случаи обработки воды
§ 43. Удаление железа из воды.............................................
§ 44. Освобождение воды от углекислоты....................................
§ 45. Удаление из воды сероводорода (азрация).............................
§ 46. Опреснение воды.....................................................
§ 47. Охлаждение воды.....................................................
§ 48. Обработка воды водоемов.............................................
РАЗДЕЛ ПЯТЫЙ
УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ
Глава I. Схема умягчения воды
§ 1. Общие сведения ......................................................
§ 2. Схема умягчения воды.................................................
Глава II. Известково-содовый способ умягчения воды
§ 3. Схемы реакций и необходимые элементы конструкции водоумягчителей . . .
§ 4. Распределитель воды................................................
§ 5. Реагенты при известково-содовом методе умягчения.....................
§ 6. Приготовление растворов..............................................
§ 7. Дозирование извести..................................................
§ 8. Сатураторы ..........................................................
§ 9. Устройства для дозирования известкового молока.......................
§ 10. Устройства для дозирования соды и коагулянта........................
§ 11. Некоторые особенности установки фильтров............................
§ 12. Умягчение воды известково-содовым способом с избытком извести и карбо-
низацией ..................................................................
Стр.
§ 13. Безотстойные умягчения...............................................403
§ М. Элементы автоматизации и дистанционного управления на станциях умягчения 403
Глава III. Пермутитовый (цеолитовый) способ умягчения воды
§ 15. Общие сведения и схемы реакций.................................... 404
§ 16 Материал для пермутитового (цеолитового) умягчения ..................406
§ 17. Схемы умягчения воды цеолитами.......................................407
§ 18. Н-пермутитовый метод умягчения воды ............................411
§ 19. Глауконитовый (пермутитовый) фильтр..................................413
§ 20. Солерастворитель.....................................................421
§ 21. Расчет глауконитовых фильтров........................................422
§ 22. Горизонтальные напорные глауконитовые фильтры........................427
ГЛава IV. Общие соображения к проектированию и постройке станций для
умягчения воды
§ 23. Выбор площадки для водоумягчительной станции и канализация отработан-
ных вод....................................................................430
§ 24. Компоновка станций умягчения воды и общие соображения к выбору типа
станции и ее элементов................................................. 431
Г лава V. Внутрикотловая обработка воды
§ 25. Котловая вода .......................................................444
§ 26. Методы внутрикотловой обработки воды.................................444
§ 27. Антинакипная смесь, применяемая на железнодорожном транспорте........446
РАЗДЕЛ ШЕСТОЙ
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ВРЕМЕННЫЕ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Глава I. Эксплуатация водоснабжения
§ 1. Структура управления водоснабжением и организация эксплуатации ....
§ 2. Пути повышения пропускной способности водоснабжения................
§ 3. Надзор за источниками и работой водоприемных сооружений............
$ 4. Уход за плотинами..................................................
§ 5. Эксплуатация сети. Борьба с утечкой воды...........................
| б. учет воды ................................ -.......................
7. Очистка, промывка и дезинфекция труб ..............................
3 8. Подготовка сети к зимним условиям ее работы и мероприятия по отогрева-
нию замерзших труб.......................................................
§ 9. Повреждения на сети. Ремонт труб и отдельных устройств сети........
§ 10. Эксплуатация отдельных сооружений водоснабжения...................
§11. Организация ремонта устройств водоснабжения.......................
Глава II. Временные водоснабжения
§ 12. Временные устройства для забора и подъема воды....................
§ 13. Временные водоемные здания и гидроколониы.........................
§ 14. Водяные поезда и цистерны.........................................
Глава III. Определение себестоимости воды
§ 15. Общие соображения.................................................
РАЗДЕЛ СЕДЬМОЙ
ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Глава I. Объем и характер изысканий
§ 1. Общие соображения..................................................
$ 2. Объекты изысканий................................_.................
§ 3. Общие соображения по изысканиям источников водоснабжения...........
§ 4. Источники водоснабжения—открытые водотоки: реки, ручьи водохранилища .
§ 5. Источники водоснабжения—подземные воды.............................
§ 6. Изыскания трассы ..апорных линий......................... _.......
§ 7. Изыскания в районе потребления воды и расположения сооружений . . . .
§ 8. Особенности изысканий в районах вечной мерзлоты....................
§ 9. Изыскания, связанные с выпуском сточных вод .......................
Глава II. Санитарно-технические изыскания и исследования
§ 10. Исследования водоемов и воды......................................
§ 11. Изыскания к проектированию санитарных охранных зон................
Глава III. Состав и содержание проекта водоснабжения
§ 12. Общие положения............................. .....................
§ 13. Состав и содержание проектного задания............................
•§ 14. Состав и содержание технического проекта водоснабжения ..........
§ 15. Рабочие чертежи ..................................................
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
НАСОСЫ
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ О НАСОСАХ
Насосы служат для развития в частицах жидкости давления, необходимого
для подъема и перемещения жидкости. Насосы различаются по сущности работы
и конструктивному оформлению. Среди различных типов и конструкций насосов
основными являются центробежные и поршневые; редко встре-
чаются специальные ротационные, внешне сходные с центробежными, но по
существу своей работы болге сходные с поршневыми и др.
В водоснабжении применяются центробежные и поршневые насосы. Кроме
того, в водоснабжении используются эрлифты, ряд водоструйных приборов и
пневматических устройств, которые также относят к группе насосов, хотя они
насосами в истинном значении этого слова не являются, а являются одной из
разновидностей водоподъемных устройств.
Почти во всех областях техники, связанных с необходимостью установки
и работы насосов (водоснабжение, канализация, мелиорация, тепло-силовые уста-
новки и теплофикационные системы, охладительные устройства, установки в ме-
таллургической, химической и других видах промышленности и т. д.), поршневые
насосы вытесняются центробежными, позволяющими осуществлять непосред-
ственное соединение их с электродвигателями и паровыми турбинами.
В области жел.-дор. водоснабжения поршневые насосы небольших мощностей
занимают и еще будут занимать значительное место.
Современные насосы строятся от малых до очень больших производительно-
стей и напоров (иа канале Волга — Москва установлены насосы производи-
тельностью по 25 м3/сек-, напоры насосов для питания паровых котлов вы-
сокого давления достигают сотен и даже тысяч метров).
ГЛАВА 1
ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ
§ 1. Схема действия насоса
Центробежный насос, схема устройства и действия которого изображена на
фиг. 1, состоит из следующих основных частей: корпуса 7, вала 2, рабочего ко-
леса 3, снабженного лопастями (лопатками) и вращающегося вместе с валом.
При вращении рабочего колеса насоса, заполненного жидкостью, в частицах
последней развиваются центробежные силы, под влиянием которых эти частицы
стремятся быть отброшенными к внешней окружности рабочего колеса. Частицы
жидкости движутся от впуска к выпуску по лопаткам рабочего колеса и оста-
вляют эти лопатки и колесо с определенной скоростью и давлением. На место
выброшенных из насоса частиц жидкости в него под давлением атмосферы не-
прерывно поступают новые частицы и т. д. Движение жидкости в связанных с
насосом всасывающем и нагнетательном трубопроводах является установив-
шимся.
На фиг. 2 представлена установка центробежного насоса с двигателем и арма-
турой. Центробежный насос может рассматриваться как обращенная водяная
турбина. В турбине в результате использования давления в частицах воды
вступающих в рабочее колесо, развивается мощность на валу; в центробежном на
сосе в результате затраты мощности на валу частицы жидкости приобретают кине-
тическую энергию, преобразуемую в давление, достаточное для подъема их на
определенную высоту.
Фиг. 1
Фиг. 2
§ 2. Всасывание
Всасывание происходит
под давлением атмосферы в
разреженное пространство,
образующееся в насосах при
их работе.
У поршневого насоса раз-
реженное пространство обра-
зуется перед поршнем при
определенном его движении
и в это пространство устрем-
ляется жидкость; поршневые
насосы могут начать всасы-
вать жидкость после некото-
рого числа ходов поршня (в
начале может итти отсасыва-
ние воздуха). В центробеж-
ном насосе при вращении ра-
бочего колеса в корпусе, не за-
полненном жидкостью, нет
достаточного разрежения и
всасывание (так называемое
сухое всасывание) отсутст-
вует. В этом случае насос дол-
жен быть предварительно за-
полнен жидкостью или необ-
ходимое разрежение в начале
работы должно быть создано
искусственно путем, отсасы-
вания воздуха из корпуса на-
соса и всасывающей линии
воздушным насосом или иным устройством; в разреженное пространство устрем-
ляется жидкость и насос начинает работать. Далее разрежение и всасывание
происходят уже вследствие вращательного движения рабочего колеса и движе-
ния частиц жидкости. Максимальная геометрическая высота всасывания для
центробежных насосов определяется формулой
Нвс А — Н/ — Л« —
с?
2$
где Л—давление атмосферы в м водяного столба (если всасывание проис-
ходит из закрытого резервуара, то А — давление в нем);
Н(—давление паров жидкости, соответствующее ее температуре;
йвс — потери на сопротивления во всасывающей линии (и -р насосе;)
Сх*— скорость движения частиц жидкости при вступлении на лопатку
рабочего колеса насоса;
ЛЙС слагается из потерь в приемном клапане (при наличии такового), потерь
на трение, изменения сечения и направления потока во всасывающем трубопро-
воде; сюда же может быть отнесена часть потерь в рабочем колесе центробеж-
ного насоса.
Скорости движения частиц жидкости, поступающих на лопатки рабочего ко-
леса насоса, значительны, поэтому в формулу введен член
СГ
2Г
Практически во избежание возможного обрыва струи Н,.с должно быть
выбрано меньшим с таким расчетом, чтобы
р2\
Нее + Н( + > 0.
В воде постоянно имеется некоторое количество воздуха, и абсолютное разре-
жение в насосе вообще недостижимо.
Давление атмосферы А зависит от высоты над уровнем моря. Независимо от
высоты под влиянием метеорологических явлений в каждом месте атмосферное
давление может несколько отклоняться от средних значений. Для различных вы-
сот значения А приведены в табл. 1.
Таблица I
Д —
Высота над уровнем моря в м 0 100 160 200 300 400 500 1000 2 000 3 000
Ав м вод. ст. ... 10,33 10,21 10,12 10,08 9,94 9,83 9,7 9,2 8,1 7,29
Член Н( (в формуле) предусматривает соответствующее уменьшение дости-
жимой высоты всасывания вследствие возможного образования паров жидкости
при разрежении во всасывающем трубопроводе и насосе. Чем выше, например,
температура воды, тем меньшее разрежение необходимо для образования паров,
тем образование их идет легче. Пары вследствие своей упругости уменьшают воз-
можную высоту всасывания тем сильней, чем выше температура перекачиваемой
воды. Давления паров воды в зависимости от температуры воды приведены
в табл. 2.
Таблица 2
1 в °Ц. . . Н; В М 0 0,062 5 0,09 10 0,12 15 0,17 20 0,236 30 0,429 40 0,75 50 1,25 бо| 70 2,0| 3,17 8о| 9о| 100 । 4,8|7,1| 10,33:-
Чем температура воды ниже, тем высота всасывания может быть больше; при
температуре воды выше 60 — 70° последнюю подводят к насосу с некоторым дав-
лением.
Практически достижимая высота всасывания для тихоходных насосов при
давлении 1 ат (10 м вод. ст.) для всасывающего трубопровода не очень длинного
и достаточно большого диаметра (скорость около 1,5 м/сек) при невысокой темпе-
ратуре воды может доходить до 5 — 6 м; при больших температурах — меньше
(для быстроходных насосов значительно меньше).
* Непосредственно перед вступлением на лопатку частицы жидкости имеют скорость
Со принимают равной Сх,
У центробежных насосов высоту всасывания принимают не более 5 — 5,5 м
(для быстроходных насосов меньше), хотя при особо благоприятных условиях Нв1.
может быть достигнута и несколько большей.
Высота всасывания при одинаковых условиях для различных жидкостей со-
ответственно изменяется в зависимости от их удельного веса: чем больше удельный
вес, тем меньше высота всасывания, и наоборот.
На высоту всасывания оказывает влияние и конструкция насоса. Так, у цен-
тробежных насосов увеличение числа лопаток рабочего колеса, уменьшение вы-
соты подъема, приходящейся на каждое колесо (т. е. увеличение числа колес при
том же подъеме), форма лопатки рабочего колеса (лопатка, загнутая назад)являют-
ся мерами конструктивного порядка, ведущими к некоторому увеличению
допустимой высоты всасывания. С другой стороны, как это подробнее указано
ниже, некоторые конструкции центробежных насосов при определенных условиях
позволяют осуществить лишь небольшую высоту всасывания, почему необходимо
с особой осторожностью выбирать высоту всасывания для быстроходных насосов.
В последнее время за границей встречается ряд устройств эжекторного типа,
приспосабливаемых к всасывающему трубопроводу и позволяющих насосу за-
бирать воду с глубин, превышающих 10 м.
§ 3. Кавитация и высота всасывания
Высота всасывания должна обеспечивать нормальную работу насоса при са-
мых неблагоприятных условиях: при наиболее низком уровне жидкости, ее макси-
мальной температуре и при наименьшем барометрическом давлении.
При определении наибольшей допустимой высоты всасывания центробежных
насосов необходимо считаться с некоторыми дополнительными явлениями и
особенно с явлениями кавитации, которые могут привести к повреждениям ра-
бочих колес и других частей насоса, выраженным в виде разъедания этих частей
(эрозия—механическое разъедание поверхностей металла интенсивными ударами).
При всяких обстоятельствах давление при входе жидкости в рабочее колесо
должно быть больше давления паров перекачиваемой жидкости.
Если высота всасывания будет больше допускаемой, то вследствие образования
паров воды и выделения воздуха в местах с пониженным давлением могут
иметь место уменьшение производительности насоса и ухудшение его к. п. д., со-
провождаемые притом явлениями кавитации. Сущность явлений кавитации
состоит в том, что при чрезмерном вакууме в насосе, когда давление в отдельных
местах (с повышенными скоростями и значительным вихреобразованием) начинает
понижаться до давления водяных паров, в потоке образуются места, заполненные
паром. Вместе с парообразованием в местах с наибольшими скоростями (скорости
у входа на внутренней и внешней сторонах лопаток неодинаковы) происходит от-
рыв потока от стенки лопатки и частичная конденсация при соприкосновении
движущихся паров с областями повышенного давления; последняя сопровож-
дается местными изменениями давления и ударами, являющимися следствием
стремительного движения частиц жидкости в пространство, занимавшееся па-
ром, в результате чего происходит постепенное разрушение рабочих колес насоса.
В соответствии с указанными явлениями допустимая высота всасывания дол-
жна быть уменьшена и принята равной:
/7вс = А — Н(—11вс—— Д й,
где дЛ — соответствующее уменьшение давления, обусловленное разностью
относительных скоростей на внутренней и внешней поверхностях лопаток, из-
менением направления потока в колесе и т. д.
^>2
Выражение + дЛ принципиально можно выразить как функцию на-
С2
пора. Таким образом, + д/г = <зН.
б
б называется коэфициентом кавитации, определяется опытным путем для каж-
дого типа насосов и резко увеличивается с увеличением удельного числа оборотов
и степени быстроходности. Поэтому с увеличением быстроходности насоса умень-
шается высота всасывания. Следует подчеркнуть, что обычно принимаемые вы-
соты всасывания могут быть приемлемы лишь для тихоходных насосов.
На основании экспериментальных исследований, произведенных с центро-
бежными насосами некоторых типов, Всесоюзный институт гидромашин пред-
ложил следующую формулу для определения наибольшей высоты всасывания:
Наак — А '357^/' >
где Я8ак— вакуумметрическая высота всасывания, т. е. геометрическая вы-
сота плюс потери во всасывающем трубопроводе;
п — число оборотов насоса в 1 мин.;
С>— производительность насоса в м?!сек ^для насосов с двусторонним
впуском следует принимать 1.
Высоту всасывания, определяемую по указанной формуле, рекомендуют
уменьшать на 1 — 2 м (учитывая возможную близость к границе кавитации),
при этом следует учесть сказанное о всасывании насосами жидкостей, имеющих
высокую температуру.
Известен целый ряд непола-
док в работе насосов ввиду не-
удовлетворительного всасыва-
ния, поэтому допускаемую-вы-
соту всасывания нельзя для раз-
личных насосов принимать оди-
наковой. Наибольшую величину
высоты всасывания следует со-
гласовывать с заводом, строя-
щим насосы, и во всяком случае
по определении Нк проверять
таковую с учетом явлений ка-
витации.
Значение Со при определе-
нии наибольшей высоты всасы-
вания установлено рядом экспе-
риментальных работ.
На фиг. 3 приведены полученная экспериментальным путем кривая А зави-
симости наибольшей высоты всасывания от абсолютной скорости входа частиц
жидкости в рабочее колесо и кривая В с принятыми для гарантии несколько мень-
шими значениями Нк.
Возникновение кавитации часто сопровождается шумом и треском в насосе.
Устранение явлений кавитации сводится к правильному выбору высоты вса-
сывания и созданию нормальных условий всасывания, т. е. кустранению неплот-
ностей, уменьшению потерь во всасывающей линии, правильной прокладке
последней и т. д. В ряде случаев рабочие колеса и направляющие аппараты
выполняются из достаточно стойких материалов, например нержавеющей стали
с определенным содержанием хрома и никеля.
Внутренние поверхности рабочего колеса, направляющего аппарата и про-
чих частей должны быть более гладкими. Явления кавитации часто усиливаются
при резком понижении рабочего напора, так как при этом увеличиваются произво-
дительность насоса и скорости и понижаются давления при входе жидкости в
рабочее колесо.
С увеличением содержания растворенных газов в жидкости кавитация уси-
ливается.
Фиг. 4
Разность
§ 4, Подъем жидкости
Достигаемый в современных конструкциях насосов максимальный подъем
(напор) далеко превышает обычные пределы, встречающиеся в связи с примене-
нием насосов для целей водоснабжения. Так, встречаются установки насосов,
напор которых значительно превышает 1 000 м и более.
На фиг. 4 представлена принципиальная схема работы насосной установки.
Вода поступает к всасывающему штуцеру (патрубку) насоса из резервуара с давле-
нием в нем На и нагнетается насосом в резервуар с давлением
в нем Нв . Давления у всасывающего и напорного штуцеров
насоса ка и определяются при помощи приборов, устано-
вленных у штуцеров.
Энергия, заключенная в 1 кг воды при выходе из напор-
ного штуцера (относительно плоскости, совпадающей с уров-
нем всасывания):
С2
Е* = к» + 1 + 2о 4~ ^4;
то же при ыходе из всасывающего штуцера (относительно
той же плоскости):
С2
Ев = ка + 20 + ,
где Св—скорость движения воды в напорном, а Са~вс
всасывающем штуцере.
1чины энергии, заключающейся в 1 кг нагнетаемой жидкости
(воды) при выходе последней из насоса и входе в него, рассматривается как
развиваемый насосом напор
Н = Ев Еа = кв 4* 2 4- 20 4* --ка — 20 — = кв — ка -г 2 4—.
.ъ
Са и Св равны или близки по величине и последний член никакого практичес-
кого значения не имеет.
Давления ка и кв в основном обусловлены давлениями в начале всасы-
вающего и в конце напорного трубопроводов, отметками всасывания и на-
гнетания и сопротивлениями во всасывающем и напорном трубопроводах:
ка = На — 20 — квс;
кв =Нв 4- 4- кцагц,
где квс и кнагн—потери при движении воды во всасывающем и напорном трубо-
проводах.
Таким образом,
Н — Не 4- 21 4- кнагн — На Д- 20 4- кас 4* 2 — ОЕ — На) 4- Нг + к,
Нг ' 2о 4“ 2 4™ Д, И к = кнагн + кес.
Нг — геометрический напор (геометрическая, геодезическая высота подъема),
равный разности отметок нагнетания и всасывания; к — сопротивления во вса-
сывающем и напорном трубопроводах (исключая насос).
Таким образом, развиваемый насосом напор должен быть равен разности
давлений в пространстве над уровнем нагнетания и уровнем всасывания, сложен-
ной с разностью отметок нагнетания и всасывания и сопротивлениями во всасы-
вающем и напорном т рубопроводах.
При давлениях в резервуарах На и Не, равных атмосферному
Не - На - О
Напор у работающих или находящихся в испытании насосов определяется
при помощи вакуумметра (или мановакуумметра) и манометра. Поэтому раз-
виваемый насосом напор часто называют манометрическим подъемом (напором).
При /7« = 0, а На О
Н = — На + Нг+П,
т. е. напор, развиваемый насосом в том случае, когда вода к нему подходит с не-
которым давлением, может быть уменьшен на величину этого давления, иначе
говоря насос использует это давление.
§ 5. Классификация центробежных насосов
Центробежные насосы можно классифицировать и разделять по целому ряду
признаков:
1) в зависимости от расположения вала — на горизонтальные и вертикаль-
ные;
2) в зависимости от развиваемого напора—на насосы низкого давления (при-
мерно до 20 — 25 м), среднего давления (примерно до 40 м) и высокого давления
(свыше 40 — 60 м); такое разделение
является чисто условным;
3) в зависимости от направления
движения жидкости при входе в рабочее
колесо — с односторонним (фиг. 5,а) и
двусторонним впуском (фиг. 5,6);
Фиг. 6
Фиг. 5
4) в зависимости от числа рабочих колес — на одноколесные и многоколес-
ные;
5) в зависимости от направления движения жидкости и конструкции много-
колесных насосов последние служат для увеличения расхода или увеличения на-
пора; в первых жидкость идет параллельно в два или три колеса (фиг. 6, движение
жидкости показано стрелками); насосы
эти называются сдвоенными, строенны-
ми; в других—жидкость проходит ко-
леса последовательно (фиг. 7); насосы
эти называются двухступенчатыми, трех-
ступенчатыми, многоступенчатыми (мно-
гокамерными). Многоступенчатые насосы
строятся для высокого давления, одно-
ступенчатые — для низкого и среднего
давлений (одноступенчатые насосы очень
редко могут встретиться для давлений
около 100 м):
6) в зависимости от характера движения жидкости при переходе ее из рабочего
колеса в корпус насоса 5 (фиг. 8) — насосы без диффузора (фиг. 8,а), насосы
с диффузором О (фиг. 8,6) и насосы с направляющим аппаратом Ь (фиг. 8,в).
В первом случае жидкость по выходе из рабочего колеса поступает непосредственно
в корпус; вследствие внезапного изменения сечения здесь имеет место определен-
ная потеря напора. Во втором случае при наличии диффузора, образующего рас-
ширяющееся кольцевое пространство, скорость движения жидкости по выходе
из рабочего колеса уменьшается, что ведет к уменьшению потерь.
Наконец, в последнем случае при наличии направляющего аппарата — диффу-
зора с рядом расширяю-
щихся каналов скоро-
сти в нем постепенно
уменьшаются, преобра-
зование скорости в да-
вление идет со значи-
тельно меньшими поте-
рями. Насосы с напра-
вляющими аппаратами
часто называются тур-
бинными; к. п. д. их от-
носительно высокий;
7) насосы делятся еще на быстроходные, нормальные и тихоходные. Призна-
ком для отнесения насосов к той или иной категории является коэфициент быстро-
ходности, характеризующий так называе-
мое удельное число оборотов п5, прини-
маемое равным
~ гц/(^
п5 = 3,65 —
Ни
Насвс
Шкий
Фиг. 9
где п — число оборотов в 1 мин.;
— расход в м3/сек;
Н— напор в м;
8) в зависимости от способа приведения в действие двигателем—на приводные
(фиг. 9) и непосредственно соединенные с двигателем на общем валу и общей фун-
даментной плите (фиг. 2).
§ 6. Движение жидкости в рабочем колесе центробежного насоса
Фиг. 10
На фиг. 10 представлено распределение скоростей при движении жидкости
в рабочем колесе центробежного насоса. Жидкость подходит к рабочему колесу
центробежного насоса в осевом направлении с абсолютной скоростью Со. У входа
обычно происходит отклонение струй от осевого в радиальное направление.
Абсолютная скорость вступления
жидкости на лопатки рабочего коле-
са С, близка к Со. Рабочее колесо вра-
щается с угловой скоростью ш; окруж-
ная скорость на внутренней окруж-
ности рабочего колеса—^.Частицы
жидкости, вступившие на начало ло-
патки рабочего колеса с абсолютной
скоростью Сх, участвуют здесь в двух
движениях: они вращаются вместе
с рабочим колесом со скоростью [}г
и перемещаются по лопатке рабочего
колеса с некоторой относительной скоростью определяемой из парал-
лелограма скоростей у входа.
Профиль лопатки у входа частиц жидкости в рабочее колесо принимается
в соответствии с условиями безударного входа. Угол характеризует направ-
ление начального элемента лопатки.
Жидкость движется в рабочем колесе с изменяющимися скоростями: в конце
лопатки рабочего колеса относительная скорость движения частиц по лопатке
равна М/а, окружная скорость на внешней окружности рабочего колеса — У2.
Абсолютная скорость движения частиц жидкости в конце лопатки рабочего
колеса (перед тем как они ее оставляют) равна С2—диагонали параллелограма,
построенного на скоростях У2и ^2у выхода. Так элементарно можно предста-
вить движение жидкости в рабочем колесе центробежного насоса зависящее от
числа оборотов насоса и профиля лопаток, т. е. конструкции рабочего колеса.
§ 7. Основное уравнение центробежного насоса
Поток состоит из элементарных струек.
Представим, что и рабочее колесо имеет бесконечно большое число беско-
нечно тонких лопаток и вращается с угловой скоростью ш.
В частицах жидкости, заполняющих рабочее колесо, развивается центро-
бежная сила щш2г, где т—масса (отнесем последнюю к единице веса), рав-
1
ная —, г — радиус вращения.
Работа центробежных сил на элементарном пути (1г равна т&2г<1г.
Вся работа жидкости (1 кг) при перемещении ее в рабочем кблесе от
окружности входа (радиусом /?г) до окружности выхода (радиусом /?2) пред-
ставляет сумму элементарных работ, равную
», г 2 '
но
ш /?2 = ^2;
О)/?! =
Таким образом, означенная работа равна:
Ц22 — Ц2
Вся приобретенная жидкостью энергия и, следовательно, вся работа расхо-
дуется на осуществление всасывания, на осуществление нагнетания, т. е. на созда-
ние давления и на изменение скоростей движения по лопаткам рабочего колеса
с до 1У2:
= Л + Л + ^2-^
2^ 1121 2^
где /?! — соответствующая часть работы, расходуемая на осуществление
всасывания;
Л2 — то же — на осуществление нагнетания;
-^у и —— скоростные напоры, соответствующие скоростям IV 2 и IV, (при
IV 2 < часть кинетической энергии восстанавливается в дав-
ление).
С2
К = Нвс + Ьвс + ,
о
ростью Су I последнее требует затраты энергии
так как частицы жидкости не только должны преодолеть высоту всасывания и
потери, но они должны вступить на начало лопатки рабочего колеса со ско-
С?
2^
Вследствие того что частицы в конце лопатки рабочего колеса
Сг
уже обладают скоростью С2 или кинетической энергией ^у, имеем:
^2 ___ г, ।
о п — П1 агн . ,1на<н >
или
Сг
&2 = Ннаги 4“ Л нагн >
где Ннагн — высота нагнетания;
йнагн — потери в нагнетательном трубопроводе.
Подставив значения и /г2 в выражение для работы, получим:
—(7?
2ё
С2 С2
— Нвс 4" Лес 4“ 4~ Ннагн 4" кнагн
IV? —IV?
2^
Из параллелограма скоростей (фиг. 10) следует:
IV? = + С? - 2и1С1 соз ах; IV? = V} 4- Сг — 2С72С2 соз а2.
Тогда ^2-01 2^ м ъ , С? С22 , Ц2С2 — 2{72С2 соз а2 /7ес “Г Кес “Г 1 “нагн Т" Кнагн " ‘ '"' ' ' ' " ' (72 4" С2 — 2С\Сг созах 2^
После приведения подобных членов получим уравнение:
гл । <. । гл II. _______(72С2 соз а2 (71С1соза1
пвс Нее Т" ‘*нагн ~Г Кнагн — ---- ‘
или развиваемый насосом напор
__ 1]2С2 СОЗ а2 — 1\СХ СОЗ аг #
угол а1 в подавляющем большинстве случаев равен 90°.
Вводя понятие о теоретическом напоре, обозначим последний через Н',
тогда
це _ и2С2 СОЗ !Х2
- 1 ’
Последнее является теоретическим уравнением работы насоса.
Действительное движение жидкости в рабочем колесе При небольшом числе
лопаток (а не бесконечно большом) и относительно большой ширине каналов
искажается и отличается от струйного движения, предположенного.при выводе
уравнения. Это приводит к тому, что действительный напор, развиваемый насо-
сом, зависящий от числа лопаток, их формы и пр. (а также от наличия и формы
направляющего аппарата), уменьшается. Это уменьшение учитывается введением
в уравнение общего гидравлического к. п. д т)г, учитывающего также гидравли-
ческие потери в самом насосе (трение в каналах и при движении жидкости по ло-
паткам рабочего колеса, потери при изменении сечений, потери в зазорах и т. д.).
Таким образом, в окончательном виде получаем основное (действительное)
уравнение центробежного насоса:
^2С2соза2
где Н—действительный полный напор, развиваемый насосом.
Среднее значение т]Гдля насосов без направляющего аппарата 0,6—0,7, для
насосов высокого давления с направляющим аппаратом 0,75—0,90. Основное
уравнение можно представить и в таком виде:
Я = 71г-/с
112С2 соз а2
где к — коэфициент циркуляции, отдельно учитывающий конечное число лопаток
и отклонение действительного движения от модели струйного движения;
т)г характеризует гидравлические потери в рабочем колесе, направляющем
аппарате и корпусе.
Выведенное основное уравнение может быть получено и иным путем из урав-
нения Бернулли или теоремы моментов импульсов.
§ 8. Влияние профиля лопаток рабочего колеса центробежного насоса
на его работу
Как это следует из основного уравнения центробежного насоса, напор, раз-
виваемый им, зависит от величины и направления скоростей и С2.
Угол р2 выбирается в определенных пределах; влияние величины угла
можно представить в результате анализа основного уравнения центробежного
насоса.
Фиг.
Нафиг. 11 показаны возможные значения угла р2 (от р2 весьма малого
до ₽2, стремящегося к 180°), соответствующие лопаткам различной кривизны
[фиг. 11,а, 11,6 и 11,в — лопатки загнуты назад, фиг. 11, г—лопатки направле-
ны радиально (последний элемент лопатки направлен по радиусу), фиг. 11,0 и
11,е — лопатки загнуты вперед].
Из уравнения
„ _ (72С2 СО8 а2
видн», что для колес одного и того же диаметра и одинаковых чисел оборотов и
производительности при различном профиле лопаток получаются различные Н.
Путем выбора соответствующей
ширины рабочего колеса у выхода
можно радиальные составляющие аб-
солютных скоростей у выхода С2 по-
лучить равными абсолютной скорости
входа С1г т. е. С2г = Сх (фиг. 12).
Для лопатки, сильно загнутой
назад, угол р2мал,угол близок к 90°
и тогда И близко к 0, т. е. вся работа
идет на изменение относительных ско-
ростей; жидкость выходит из рабочего
колеса с той же скоростью, с какой
поступает в него; давления колесо не
развивает.
С увеличением угла р2 угол
уменьшается и Н возрастает. При
й2 = 90° лопатка заканчивается ра
диально; эти лопатки могут быт.
использованы лишь в насосах спе-
циальных конструкций.
При ^2>90° лопатки загнуты впе-
ред, И принимает наибольшее значение, но при этом, как это видно из фиг. 12,
получаются большие скорости; что приводит к значительным потерям при
преобразовании скоростного напора в давление; образование больших скоро-
стей на коротком пути от входа до выхода вызывает значительные ускорения
в жидкости и, кроме того, большие скорости сопровождаются большими поте-
рями на трение. Все это приводит к весьма низкому к. п. д. такого насоса.
Обычно в практике проектирования центробежных насосов угол принимают
равным 14 — 25°, а принимают в пределах 20—35° (лопатки загнуты назад)
или близким к указанным пределам и редко более. Рабочие колеса этого типа
дают практически более устойчивую работу насоса и лучшую в эксплуатацион-
ном отношении зависимость между 1)иН.
§ 9. Насосы высокого давления
Из основного уравнения центробежного насоса следует, что напор увеличи-
вается с увеличением окружной скорости, т. е. с увеличением числа оборотов
и увеличением внешнего диаметра рабочего колеса О3. Максимальное число обо-
ротов центробежного насоса принимают до 3 000 в 1 мин. (у турбонасосов редко
больше).
в
Фиг. 13
При непосредственном соединении насосов на общем валу с электродвигателями
трехфазного переменного тока число оборотов агрегата в 1 мин. близко 500, 600,
750, 1 000, 1 500, 3 000.
При увеличении /?2 для увеличения напора Н насоса при неизмен-
ном расходе необходимо уменьшить ширину рабочего колеса у выхода Ь2 и оста-
вить без изменения /?х. На фиг. 13,а, 13,6, 13,в, 13,г представлены схемы
Фиг. и
рабочих колес насосов
для одного и того же Ц
и разных Н.
Таким образом, от-
/?2 я
ношение — тем больше,
чем больше Н. Обычно
К. о
— = 2; для насосов вы-
П1
/?.
сокого давления ~ уве-
«1
личивается до трех.
В случае необходи-
мости увеличить И ло-
патки принимаются с уг-
лами з3 в обычных преде-
лах, насосы же строят-
ся многоступенчатыми.
На фиг. 14 представлен многоступенчатый (многокамерный) насос. Частицы
жидкости подходят к первому рабочему колесу с незначительным давлением, вы-
ходят из первого рабочего колёса с давлением, определяемым по уравнению:
Н = 7]/- ^2^2 СО8 а3 .
далее частицы с этим давлением (не считая незначительных потерь) поступают во
второе рабочее колесо и так как в последнем они вращаются с теми же скоростями,
дополучают здесь такое же приращение давления, как и в первом колесе, т. е. вы-
ходят примерно с удвоенным давлением. Таким образом, п-камерный насос раз-
вивает общее давление, равное пН (по соображениям, связанным с конструкцией,
вала, п принимается не более 10 — 12).
§ 10.Число лопаток и их очертание
Число лопаток 2 определяется по формуле:
81П
/I ~4~ Э»
Обычно 2 принимают равным в пределах от 6 до 12 в зависимости от размеров
колеса. У больших колес встречаются еще короткие промежуточные лопатки,
начинающиеся примерно со средней окружности колеса. Расстояние между
лопатками определяется из формулы:
^2
— 2
Толщина лопатки принимается
или несколько больше. Форма
ние жидкости возможно без по-
терь, сечение канала должно из-
меняться плавно. Этому удовле-
творяет лопатка, несколько загну-
тая назад из дуг круга (фиг. 15,а,
центры М, Е) или одной дуги
(фиг. 15,6, центр М). В последнем
случае построение идет следующим
образом: произвольную точку О
внешней окружности соединяют с
центром О, пристраивают к прямой
ОО угол и угол Э1+32; точку К
соединяют с точкой О, линию 6/\
возможно малой — до 3 — 5 мм (бронза)
лопатки должна обеспечивать движе-
Фиг. 15
проводят до пересечения с окруж-
ностью в точке В; полученный отрезок СВ делят пополам; из середины восстанав-
ливают перпендикуляр до пересечения с линией ОМ в точке М; последняя
явится центром, через который вычерчивается лопатка. Построение профиля
лопатки дугами двух радиусов состоит по существу
в подборе радиусов с тем, чтобы кривизна лопатки
уменьшилась к выходу.
Реже встречаются очертания части лопаток по
эвольвентам. Лопатки на концах заостряются.
§11 . Корпус насоса, диффузор, направляющий
аппарат
Преобразование части кинетической энергии
в энергию давления происходит в диффузоре или
направляющем аппарате (если они имеются) и кор-
пусе (кожухе) насоса, имеющем часто у одноколес-
ного насоса и тоже за последней ступенью многоколесного насоса (фиг. 16)
улиткообразную форму с постепенно увеличивающимся сечением.
Направляющий аппарат, одна из конструкций которого показана на фиг. 17,
закрепляется неподвижно в корпусе насоса и вследствие имеющихся в нем
расширяющихся каналов, образуемых рядом лопастей, преобразует часть
кинетической энергии в давление и, кроме того, служит для улучшения условий
безударного движения жидкости из рабочего колеса в корпус.
Жидкость выходит из рабочего колеса с большими скоростями, достигаю-
щими 15 — 25 м/сек и более, поэтому устройство направляющего аппарата,тгёр-
вые элементы лопаток которого направлены под определенным углом в соответ-
ствии с параллелограмом скоростей у выхода (фиг. 18), значительно повышает
к. п. д. насоса. Характер лопаток и каналов направляющего аппарата различен.
Ширина направляющего аппарата на 1 — 2 мм более ширины колеса; между
направляющим аппаратом и рабочим колесом имеется небольшой зазор; число
лопастей то же, что и у рабочего колеса,
или отличается на 1 от их числа в рабочем
колесе.
Лопатки у начала обычно очерчива-
ются по эвольвенте. При ненормальном
режиме работы насоса, не соответствующем
'шпия поправляющего
0П01Ш
Фиг. 18
Фиг. 17
расчету, у начала лопаток направляющего аппарата создаются большие вих-
ревые движения, что может привести к уменьшению к. п. д. насоса.
Насосы низкого давления со скоростями у выхода из рабочего колеса
7 — 8 м/сек обычно не имеют направляющего аппарата и строятся с улитко-
образным корпусом. Насосы высокого давления строятся с направляющими
аппаратами (в американской практике некоторые новейшие модели насосов не
имеют направляющих аппаратов с лопатками).
Диффузор является собственно направляющим аппаратом без лопаток.
Насосы с диффузором имеют меньший к. п. д., чем с направляющим аппаратом,
но они имеют преимущества при сильно изменяющемся режиме работы насоса
(изменяющихся расходах).
§ 12. Мощность и к. п. д. насоса
Полезная мощность насоса в поднятой жидкости рарна:
2Ул=1МЛС,
где у — удельный вес жидкости;
С/ — в л/сек-,
И — в м.
Мощность, передаваемая на вал,—№
Ту ==т^>
где г;,, — общий к. п. д., учитывающий механические и гидравлические по-
тери в насосе.
У современных насосов в зависимости от их конструкции, размеров, тщатель-
ности изготовления и пр. т]н колеблется в пределах от 0,6 до 0,85 (очень редко
несколько выше).
Мощность двигателя следует выбирать с учетом потерь в передаче и с запа-
сом 10 — 20% на перегрузку (запас на перегрузку тем больше, чем мощность дви-
гателя меньше).
Перечислим основные потери, отражающиеся на к. п. д. насоса:
а) потери напора от трения в колесе, направляющем аппарате, в сборном
канале, ведущем жидкость к нагнетательному штуцеру, потери на местные со-
противления, потери, связанные с преобразованием кинетической энергии
в энергию давления;
б) потери на удары и вихри в направляющем аппарате. Последние потери
имеют место при ненормальных расходах потому, что при этом абсолютная ско-
рость выхода, зависящая от расхода, не совпадает с направлением лопаток на-
правляющего аппарата. Потери эти достигают значительных величин при малых
расходах и снижаются при увеличении расхода до нормального;
в) потери, связанные с кавитацией;
г) потери объемные вследствие утечек в зазорах, сальниках, гидравлической
осевого сдвига, и т. д.;
пяте, служащей для уравновешивания
д) потери механические (трение г
подшипниках и т. д.).
Таким образом, высокий к. п. д
получается при выполнении таких ме
роприятий, как лучшая обработка лопа
ток рабочего колеса и направляющей
аппарата, лучшее обеспечение безудар
ного движения жидкости, что в опреде-
ленной степени имеет место при проек-
тировании рабочих колес с лопатками,
загнутыми назад. Общий к. п. д. насоса
может быть расчленен на ряд отдель-
ных к. п. д., как то: объемный, гидра-
влический, механический и т. д. Вслед-
ствие трудности точного учета анали-
тическим путем отдельных потерь
в практике определяют общий к. п. д. и
влический к. п. д.
Расход
Фиг. 19
в отдельных исследованиях — гидра-
На фиг. 19 дана принципиальная кривая к. п. д. насоса, совмещенная с ха-
рактеристикой работы насоса. Значение этой кривой к. п. д. следующее: при за-
крытой задвижке т;н — 0, расход равен нулю, а следовательно и полезная работа
равна нулю; при таком открытии задвижки, когда напор стремится к нулю,
полезная работа также стремится к нулю и т(„ = 0.
В эксплуатации насос должен использоваться для тех значений () и Н, при
которых он имеет наибольшее или близкое к нему. На практике, к сожалению,
последнее не всегда имеет место.
§ 13. Зависимость между напором, производительностью и числом оборотов
насоса
С изменением числа оборотов изменяются и скорости, пропорциональные
числу оборотов. Параллелограмы или треугольники скоростей у выхода при этом
получаются подобными.
Таким образом, с изменением числа оборотов с п до производительность
насоса изменится с р до причем
Р п
3 Водоснабжение
17
Так как
(72С2со8 а.
а С может быть выражено через 17, то И изменяется пропорционально квад-
рату скорости; при этом напор при числе оборотов определится из соот-
ношения:
7/
нГпГ
так как М , то при этом потребная мощность также определится из
'Э'71н
соотношения:
ТУ
Следует иметь в виду, что указанный закон пропорциональности сохраняется
лишь в определенных пределах чисел оборотов, с которыми связаны условия вса-
сывания и к. п. д. насоса. Нарушение закона пропорциональности, как это уста-
новлено опытом, имеет место при больших производительностях, превосходящих
допускаемые для данного насоса, а равно и при больших высотах всасывания.
§ 14. Удельное число оборотов и степень быстроходности
Если колеса насосов геометрически подобны, т. е. имеют одинаковые отно-
шения соответствующих размеров и равные углы наклона лопаток, то они со-
ставляют серию колес.
Для колес одной и той же серии при одном п имеет место соотношение:
Л = (Л\2
(Ъ \П,) Нв ’
ибо расходы пропорциональны сечению (квадрату линейного размера) и ско-
рости, т. е. пропорциональны кубу линейного размера, а напоры пропорциональны
квадрату скорости (скорости же пропорциональны линейному размеру).
Между расходами и напорами, развиваемыми различными колесами одной
серии при разных числах оборотов, также существует зависимость. Пусть
раиНя и и На — расходы и напоры для одного колеса при числзх оборотов
п. и лх. Тогда
=п...
, Ра 1^1
Пусть Ра и Ре — расходы для двух колес одной серии при одном числе
оборотов. Тогда
Так как
то
• Р —
Р* . п .. (ЯЛ3
4, \я,) ’
или
ю же
На
На
Л? =
М ’ Н’ \^1 ’
На
нв
2
2
п
1
Таким образом, по расходу и напору одного колеса серии при некотором
числе оборотов можно определить расход и напор другого колеса серии при
другом числе оборотов.
Удельное число оборотов или коэфициент бы-
строходности колеса есть число оборотов такого колеса (модельного)
той же серии, которое развивает напор в 1 м при полезной мощности в 1 ЛС и,
следовательно, развивает расход 75 л!сек.
Удельное число оборотов п = з,65п^^—,
где 0 — в м3/сек.
Действительно, пусть данное колесо при числе оборотов п дает расход ф
и напор Н. Тоже колесо даст напор Н1=\ м при числе оборотов п15 опре-
деляемом из соотношения:
Н п2 п
I п1 1 /Я
Тогда расход колеса при этом числе оборотов
91 — 9~ —
9_
ун
Чтобы получить расход не а 0,075 м3[сек при том же напоре Н = 1 м,
при’.ем колесо той же серии, но другого размера; развивая одинаковый на-
пор Н = 1 м, т. е. имея одинаковые скорости движения жидкости у выхода,
колесо это удовлетворяет соотношению:
0,075 \п1) ’
так как равенство скоростей требует, чтобы числа оборотов при этом
были обратно пропорциональны радиусам.
Отсюда
п =п , п ,/^9 _
’ 'г 0,075 /Н V У Я-0,075 ]/Н г 75/Я
3,65 п °
]/И3
Из полученной формулы следует, что степень быстроходности увеличи-
вается с увеличением и п и с уменьшением Н.
Коэфициент быстроходности для одного колеса (ступени) в отличие от
насоса равен:
1Ц 3,65 .
н[*
где и Нг — производительность и напор, развиваемые одним колесом
(ступенью) насоса.
В табл. 3 приведены коэфициенты быстроходности, позволяющие классифи-
цировать типы колес (и насосов).
Т аблица 3
П81 Типы колес (и насосов) ^2-^1 Схема по фиг. 13
60—80 Т ихоходные 3—2,5 а, б
80-150 Нормальные 2,0 в, г
150—350 Быстроходные 1.6-1,2 д
350-600 Винтовые полеосевого типа 1,1 г
600—1 200 Пропеллерные (осевые) Около 1 —
На фиг. 13 показаны колеса с различными п5. С увеличением л5 движение
жидкости в рабочем колесе переходит постепенно из радиального в радиально-
осевое и далее в осевое.
Фиг. 205
Фиг. 20а
Пропеллерные насосы, применяемые для больших расходов и ма-
лых напоров, имеют более сложные лопасти и большие проходные се-
чения. Они занимают особое место среди центробежных насосов. На фиг. 20
представлен разрез винтового (поту ссвого) насоса. На фиг. 20а дгно рабочее
колесо винтового насоса Мирна. На фиг. 206 показан разрез пропеллерного
насоса.
п, определяет конструкцию и тип насоса: насосы с меньшим пя— высо-
кого давления, с большим пв — низкого давления. С уменьшением^5—л8уве-
личивается и принимает максимальное значение при О2 = т. е. для так
называемых осевых колес; л8 увеличивается также с увеличением и с умень-
шением р2. Здесь еще раз уместно напомнить, что при больших л8 высота
всасывания принимается небольшой (часто близкой к нулю) и, например, для
Я{ = 1 000, при напоре, равном 6 я, высота всасывания принимается рав-
ной 2 я.
§ 15. Характеристики насоса
Производительность С) и напор Н, развиваемые насосами при числе
оборотов л, связаны определенной зависимостью. Из закона пропорциональ-
ности следует, что
Ф —
/н /я;
т. е. ф и Н изменяются по параболе с вершиной в начале координат.
Фиг. 21
Связь между Ри// для данного насоса при данном п в простейшем
виде графически дается в виде кривей С^Н—основной характеристики насоса.
На фиг. 21 показаны характеристики (?Я насоса при л= 1 600, «л—1475
и = 1 ЗОЭ об/мин.
Используя теоретическое уравнение работы насоса:
= С05
ё
в результате ряда преобразований приходят к уравнению и далее построению
наклонной прямой с углом наклона, зависящим от угла 32; учитывая конечное
число лопаток колеса и все гидравлические потери, получают после дополнитель-
ных построений действительную характеристику — кривую ()Н. Характеристи-
ки, используемые в практике, получаются опытным путем.
По данной характеристике для данного л можно, пользуясь законом про-
порциональности, построить новую характеристику насоса для иного числа
оборотов п1. Так, приняв на данной характеристике (фиг. 21) некоторую точку
найдем из закона пропорциональности и Н1г т. е. соответствующую
точку другой характеристики для числа оборотов, равного п1. Каждой рабочей
точке основной характеристики насоса, как указывалось, соответствует пара-
болическая кривая, по которой
перемещается эта точка при из-
менении числа оборотов. Кри-
вые эти (параболы), проходя-
щие через начало координат,
называются кривыми пропор-
циональности.
На фиг. 21 дан ряд кривых
С>Н, построенных указанным
образом для различных л. Па-
раболы, соединяющие точки на
различных кривых ОН, харак-
теризуют работу насоса не при
одинаковых к. п. д., так каке
увеличением л увеличиваются
гидравлические потери, наобо-
рот, механические потери могут
сильнее сказываться при малых
л, при малых мощностях.
На фиг. 22 кроме кривой
ОН и кривой к. п. д. показана
кривая изменения потребной
мощности.
ФИГ. 23 Если на различных кривых
ОН данного насоса (для различ-
ных л) выделить части этих
кривых с одинаковыми к. п. д. и соединить точки кривых ОН, имеющие
одинаковые значения то получим кривые равных к. п. д. (фиг. 23).
Эти кривые по характеру близки к кривым пропорциональности. Совокупность
кривых ОН и одинаковых к. п. д. позволяет устанавливать наиболее выгодные
условия работы насоса.
§ 16. Параллельная и последовательная работа центробежных насосов
А. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА НАСОСОВ
Работа каждого насоса характеризуется рядом связанных между собой
величин, как то: производительностью, напором, числом оборотов, к. п. д.,
потребной мощностью.
Насосные установки часто представляют собой соединения центробеж-
ных насосов с асинхронными электромоторами трехфазного переменного тока, не
позволяющими регулировать число их оборотов.
Изменение числа оборотов центробежного насосаможет иметь место, например,
при приведении его в действие от двигателя внутреннего сгорания или при помощи
ременной передачи при возможности изменения диаметра шкива. Моторы
постоянного тока позволяют изменять число оборотов, но имеют весьма ограни-
ченное применение.
Работа насоса при определенном числе оборотов характеризуется вполне
определенной кривой ОН, выражающей графически зависимость между произ-
водительностью и напором, развиваемыми насосом. Кроме того, как это следует
из изложенного
Н 02Нг
ТТ; "л" ’''ТГ
О2
Последнее представляет уравнение параболы с параметром
О2
Н'
Работа насоса характеризуется также кривой к. п. д. в зависимости от
и кривой потребной мощности в зависимости от р. Как это видно из дальней-
шего, С) и Н при данном л устанавливаются в увязке с работой сети.
Полная высота преодолеваемого напора состоит из статической (геометри-
ческой) части и динамической части — сопротивления в трубопроводах, кото-
рое меняется с изменением количества перекачиваемой жидкости.
Если построить в прямоугольных коор-
динатах геометрическую высоту подъема
Н, (параллельна оси абсцисс), в каждой точке
этой линии отложить по вертикали (фиг. 24)
отрезки, равные потерям в трубопроводе
(сети) при подаче соответствующих количеств
жидкости, то получим параболическую кри-
вую, характеризующую работу трубопровода
(сети). Насос должен обеспечить напор, не-
обходимый для пропуска в сети определен-
ного расхода.
При наложении кривой ЦН насоса и кри-
вой, характеризующей работу сети, точка В
пересечения этих кривых определит макси-
мальную подачу данного насоса при работе в данный трубопровод (сеть).
Меньшие производительности могут быть получены при частичном погашении
избытка напора на задвижке; так, например, если желательно получить про-
изводительность то потребный напор должен быть Н2', а напор, развивае-
мый при этом насосом, есть Н2, поэтому часть напора, равная Н2 — Н2,
должна гаситься при частичном прикрытии задвижки, необходимом для умень-
шения до р2. При желании получить производительность большую, чем Рх,
например р3, необходимо развить насосом напор Н'3, а насос при этой производи-
тельности развивает напор Н3<773'; следовательно, такая производительность
насоса при данных условиях недостижима за недостаточностью развиваемого
им напора.
Фиг. 25
Фиг. 26
На фиг. 25 представлена схема параллельной работы двух насосов, а на
фиг. 26 — характеристика работы насоса при параллельном соединении колес
(сдвоенный, строенный насос). Общий расход С} равен сумме расходов всех колес;
напор, развиваемый насосом, изменяется в тех же пределах, как и напор, разви-
ваемый каждым колесом (абсциссы складываются при одинаковых ординатах).
Когда в один и тот же трубопровод (сеть) работает несколько насосов
(параллельная работа), то определение рабочих точек В имеет особо важное зна-
чение. Учитывая, что при работе двух насосов, т. е. при удвоенных количествах
воды, и при работе трех насосов, т. е. при утроенных количествах воды, потери
возрастут примерно в 4 раза (22) в первом случае и примерно в 9 раз (З2) во
втором, перестраиваем искусственно кривые потерь для случая работы двух и
трех насосов (фиг. 27), для чего от линии геометрического напора для соответст-
вующих производительностей откладываем отрезки потерь, в 4 раза (при двух
насосах) и в 9 раз (при трех насосах) большие, чем при работе одного насоса.
При этом замечаем, что точка В сдвигается и что с увеличением количества ра-
ботающих насосов максимальная производительность каждого уменьшается,
например с до при параллельной работе двух насосов и с до ()3 при
параллельной работе трех насосов. С увеличением числа параллельно работающих
центробежных насосов может быть достигнуто и такое положение, когда произво-
дительность каждого из них станет настолько малой, что они все вместе не
дадут производительности, большей одного отдельно работающего насоса. Как
показывает практика, в этом случае может работать един насос и давать пол-
ную свою производительность, в то время как остальные работают вхолостую.
Как видно из фиг. 27, описанное явление зависит от вида и взаимного рас'
положения кривой ()Н и кривых потерь; при более пологих кривых (Щ насо.а
(фиг. 28) разность в производительности каждого насоса (в случае работы од-
ного или же параллельной работы двух из них) получается очень большой ((^
много больше чем $2); в случае более круто расположенных кривых ЦН насоса
производительность каждого насоса при включении другого в параллельную ра-
боту также изменяется с до $2, но менее значительно, чем в предыдущем
случае.
При подсчете напора для заказа насосов нужно учитывать сопротивления,
являющиеся результатом одновременной параллельной работы двух или не-
скольких насосов в один общий трубопровод (сеть), если такая работа предпо-
лагается. Для параллельной работы необходимо более крутое направление
кривых р/7.
Пологая характеристика, ведущая к значительным колебаниям произво-
дительности насоса при незначительных изменениях напора, выгодна лишь
при регулировании работы насоса (в довольно широких пределах изменения О)
при помощи напорной задвижки, как это иногда имеет место при установке
электронасосов для питания котлов.
Крутизна кривой ОН изменяется при изменении конструкции насоса (умень-
шении 32 и т. д.); с увеличением коэфициента быстроходности характеристика ОН,
как правило, принимает более крутое направление, как это видно из фиг. 29,
где а — характеристика ОН для одного из насосов
Ь — » С?/7 » » » »
с — ъ ОН » » » »
с1— » ОН » » » »
с п, - 78
» п8 = 125
» п8 — 260
» п8 = 400
Исследование параллельной работы может быть также проведено на ос-
нове следующего.
Если параллельная работа имеет место, то насосы развивают одинаковые
напоры (иначе параллельная работа невозможна) и общая подача является сум-
мой производительностей отдельных насосов.
На фиг. 30 даны кривые двух разных насосов (построение упрощается при
одинаковых насосах).
Общая подача насосов определяется следующим образом: проводится ряд
параллельных линий 1—1", 2—2", 3—3" и т. д., т. е. линий одинаковых
Расход (производительность) в в % от нормального расхода
Фиг. 29
Суммируя расходы 1—1' и 1—1" для одного напора, получим точку А,
принадлежащую суммарной характеристике параллельной работы обоих на-
сосов. Точно так же, суммируя расходы 2—2' и 2—2" и т. д., получим
точки В, С, Г), характеризую-
щие суммарную работу двух
данных насосов при различных
напорах.
Кривая АВСО и является
искусственно построенной сум-
марной характеристикой двух
параллельно работающих насо-
сов; ею пользуются для решения
вопросов, связанных с работой
насосов, так же как пользуются
характеристикой одного насоса.
На фиг. 31 представлены
результаты исследования воз-
можности параллельной рабо-
ты двух и трех одинаковых
центробежных насосов. Как
видно из фигуры, в этом случае характеристика трубопровода остается одной
и той же, но кривая ()Н н..соса искусственно перестраивается, так что каждая
новая точка суммарной кривой ()Н при той же ординате (при том же напоре)
имеет абсциссу—производительность, увеличенную в 2 или 3 раза (в зависимо-
сти от того, для скольких параллельно работающих насосов строится эта кри-
вая 0Я). Точка пересечения суммарной кривой ()Н с характеристикой трубопро-
вода (сети) определяет суммарную производительность двух (для случая рабо-
ты двух) или трех (для случая работы трех) насосов, включенных параллельно.
Как видно из фиг. 31, при работе одного насоса производительность его равна
ЗЮ л)сек, при работе двух насосов общая их производительность равна
Фиг. 31
565 л/сек (или производительность каждого равна 282,5 л)сек) и работе трех
насосов общая их производительность равна 760 л/сек (или производительность
каждого равна 253 л[сек}. В этом случае при крутом направлении кривой РН
вопрос параллельной работы насосов разрешается вполне удовлетворительно.
На фиг. 32 даны результаты исследования параллельной работы уже рабо-
тающих на станции центробежных насосов одного завода с другими центробеж-
ными насосами, развивающими другие С} и Н (лишь предположенными к заказу и
установке). Исследование велось по второму методу, т. е. при остающейся
характеристике трубопровода (сети), строилась кривая для работы одного ста-
рого и одного нового, двух старых и одного нового насосов и т. д. Из фиг. 32
видно, к какому случаю относится каждая из кривых.
На фиг. 33 показаны геометрическая высота подъема—кривая для одного
насоса, кривая для двух одинаковых насосов, кривая к. п. д. и кривые,
характеризующие работу сети для двух режимов; к. п. д. при параллельной ра-
боте для одного режима характеризуется точкой 8, для другого — точкой 10.
При работе одного насоса к. п. д. его характеризуется при разных режимах сети
точками 7 и 9. Указанные исследования параллельной работы насосов дают
полную ясность совместной эксплуатации
насосов и сети.
На фиг. 34 приведены результаты ана-
лиза работы насосов одной станции и сети:
а) при транзите, б) при максимальном хо-
зяйственном расходе и в) при пожароту-
шении. Статические (геометрические) вы-
соты подъема для всех трех случаев раз-
личны.
Исследование относится к случаю ра-
боты насосов с полностью открытыми за-
движками. В случае частичного прикрытия
одной из них соответствующая кривая $Н
может быть заменена другой с учетом
дополнительных сопротивлений в задвижке. Фактически при частичном при-
крытии задвижки у одного из насосов его производительность уменьшается;
производительность другого насоса при этом увеличивается, но на величину
меньшую той, на которую снизилась производительность первого насоса. Та-
ким образом, несколько снижается и суммарный расход.
В эксплуатации вообще производится регулирование работы насосов частич-
ным прикрытием задвижек, и тогда имеют место и изменение суммарной про-
изводительности работающих насосов и соответствующее перераспределение
их производительностей.
н
100
Потери при транзите
хПотери при макс. юз. расходе
Суммарная кридая Ц-Н
80
со
40]
20
Ч 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 О
Потеря напора при пожаре
Нг-при транзите
Нг-при моксималЬиахл.
расходе
Фиг. 34
В редких случаях, когда на станции установлены электронасосы и насосы,
работающие от двигателей, позволяющих изменять число оборотов, пуск в па-
раллельную работу может производиться при переменном числе оборотов послед-
них, и тогда исследования параллельной работы производятся с использованием
различных кривых С)Н тех насосов, которые работают при различных числах
оборотов.
При большом расстоянии между насосами, работающими на общую
магистраль, исследование параллельной работы остается таким же, но для пер-
вого насоса необходимо учесть дополнительные сопротивления в магистрали
на участке между первым и остальными насосами. Это может быть выполнено пу-
тем принятия характеристики насоса, аналогично изложенному в параграфе 17.
Если к кривой СН можно провести горизонтальную касательную, то в опре-
деленной области ее каждому напору могут соответствовать две производитель-
ности. Отрезок кривой АС (фиг. 35) между точкой касания и осью ординат может
при известных условиях характеризовать неустойчивую работу, в то время как
остальная часть кривой — устойчивую. Это явление принципиально легко
можно было бы наблюдать на насосе, работающем только со статической частью
напора, т. е. с коротким трубопроводом относительно большого диаметра.
Насос подает воду в сборный резервуар В; кривая насоса так располо-
жена, что ось абсцисс совпадает с уровнем всасывания, находящимся постоянно
на одной и той же высоте, уровни же воды в трубопроводе и резервуаре соответ-
ствуют рабочим точкам насоса на кривой (}Н.
Точка 1 соответствует уровню воды в трубопроводе Нх, точка 2 — уровню
Н2, после достижения которого вода может уходить к месту потребления. При
переходе точки / в положение 2 производительность падает с до Если ко-
личество ()2 соответствует потреблению воды, то наступает установившееся со-
стояние. Е'сли же ()2 больше, т. е. насос перекачивает больше потребности, уро-
вень воды в резервуаре поднимается, а рабочая точка приближается к наивыс-
шей точке кривой А, причем производительнэсть насоса уменьшается до (]а.
Если потребление воды в этот момент меньше, чем (]а, уровень воды в резервуаре
стремится подняться еще выше,
Фиг. 35
но это невозможно, так как самая высшая точка
уже достигнута и соответствует Нтах. Насос в
это время «выходит из равновесия» и больше
не подает воды. Напор падает до Я4, уровень
воды в резервуаре выше чем Ни и наступает
обратное течение воды. Резервуар опорож-
няется через насос, если вода не успевает
уходить к месту потребления. Лишь при по-
нижении уровня воды в резервуаре до Н5
насос опять начинает подавать воду, рабочая
точка переходит от точки С к точке 5; трубо-
провод и резервуар опять наполняются и т. д.
Это явление может повторяться до тех пор,
пока могут наступить расходы, меньшие Са . Из сказанного следует, что в кривой
()Н нужно стремиться к исключению из работы неустойчивых участков. Ана-
логичные случаи имели место у некоторых насосов, установленных для пита-
ния котлов, где при изменении давления пара в котле рабочая точка попадала
на неустойчивую ветвь.
Практически представляет интерес пересечение кривой с характеристи-
ками трубопровода и соответствующее перемещение рабочих точек.
Известен случай, когда насосы, установленные для водоснабжения, в опре-
деленные часы суток допускали параллельную работу; в иные часы суток той же
параллельной работы получить не удавалось. Выяснилось, что вследствие опре-
деленных изменений в эти часы () рабочая точка переходила на ветвь кривой
с неустойчивой работой.
Точка пересечения кривой С)Н с осью ординат характеризует давление,
развиваемое насосом при пуске и закрытой задвижке, или так называемое
давление холостого хода.
При всех возможных изменениях геометрического напора (изменения
уровня воды в источнике и др.) давление холостого хода насоса должно
быть выше статической высоты подъема, в противном случае пуск насоса невоз-
можен. Иногда совместная работа двух одинаковых насосов возможна, но
пуск второго требует остановки первого, так как рабочая точка выше давления
холостого хода. Оба таких насоса необходимо пускать одновременно с постепен-
ным открытием напорных задвижек. В ряде случаев при постепенно снижающейся
устойчивой характеристике можно включать насос при другом работающем.
Существуют различные требования к виду кривой ЦН-, при изменяющейся
высоте напора (параллельная работа), или так называемой ступенчатой работе
насосов, желательно более крутое направление кривой; при изменяющихся рас-
ходах и одинаковой высоте напора желательно более пологое направление кри-
вой С>Н. То и другое направления кривой ЦН обусловлены конструкцией рабо-
чего колеса насоса.
Для параллельной работы желательно иметь насосы с возможно незначи-
тельными участками неустойчивой работы на кривой ()Н или вовсе без таковых
участков.
Относясь с вниманием к определению напора, который должен быть развит
насосом при включении в параллельную работу, и к виду кривой (}Н, нужно осто-
рожно отнестись к определению потребной мощности мотора. Обычный характер
кривых (Д7 насосов, предназначенных для параллельной работы, должен соответ-
ствовать круто направленной кривой. Из фиг. 28 легко усмотреть, что при под-
счете мощности мотора при параллельной работе по формуле ЛГ = 2;— под 0>
«
нельзя понимать производительность насоса только при параллельной работе,
так как в том случае, когда будет работать только один насос (другой выключен),
потери в сети уменьшаются, рабочая точка из В2 переместится в В, (фш . 28) и
производительность насоса возрастет, причем это возрастание производительности
может быть значительно большим, чем соответствующее уменьшение напора,
т. е. в приведенной выше формуле,() может увеличиться сильнее, чем Н умень-
шиться (в зависимости от характера кривой С}Н), и потребная мощность значи-
тельно увеличится. Если еще принять во
внимание, что при увеличении производи-
тельности к. п. д. может понизиться, мощ-
ность мотора, рассчитанная с обычно прини-
маемыми 10 — 15% на перегрузку, может
оказаться малой; в этом случае мотор пере-
грузится (со всеми вытекающими отсюда по-
следствиями).
Следует мощность моторов выбирать с
учетом отмеченного и, кроме того,,иметь на
станции автоматические приборы, выключаю-
щие мотор из работы в случае перегрузки.
Рассмотрим случай параллельной работы центробежного насоса с поршне-
вым. У поршневого насоса производительность зависит от числа ходов поршня
или, что то же, от числа оборотов двигателя, напор же принципиально может до-
стигаться любой (в определенных пределах, поскольку позволяет мощность
двигателя и прочность элементов насоса). Характеристика работы поршневого
насоса выражается прямой, параллельной оси ординат. (Благодаря возраста-
нию объемных потерь в насосе при увеличении напора расход несколько снижает-
ся, а характеристика §Н несколько отклоняется от вертикали, приближаясь
к оси ординат.) Представим эту характеристику работы поршневого насоса
при некотором числе двойных ходов (фиг. 36) в виде прямой, отстоящей от оси
ординат на расстоянии (Зюгит (для удобства построения проходящей в от-
рицательном направлении оси абсцисс), проведем линию статического давления и
построим от точки К кривую потерь КВ} при работе только центробежного насоса
йот точки Б кривую потерь ЬВ, соответствующую суммарной производитель-
ности центробежного и поршневого нассс< в Предельная производительность
одного центробежного насоса равна Если при этом включить в работу пор-
шневой насос, то рабочая точка перемещается из Вт в В (точка пересечения
кривой ()Н насоса с кривой потерь, сэо-в тствующей параллельной работе
обоих насосов) и производительность центробежного насоса уменьшается до С}
ши одновременной полной производите:ьчости поршневого насоса. Если порш-
невой насос вы л:очить, то производительность центробежного насоса тотчас
же увеличится с ф до Ог
На основании излсж иного можно сделать следующие выводы:
а) параллельная работа центр, б жчых наосов требует напоров, определя-
емьх с учетом суммарных потерь в трубопроводах, возникающих при работе
всех параллельно работающих насосов;
б) при подборе двух или нескольких насосов, считаясь с количеством парал-
лельно работающих насосов, необходимо подбирать производительность каждого
насоса как половину или соответствующую часть всего расхода. Принимаемая
при этом производительность насоса будет, естественно, меньше произво-
дительности его при одиночной работе; необходимо наличие характеристик
насосов;
в) при подборе насосов необходимо иметь характеристику работы сети при
разных режимах или знать отдельные моменты работы сети. При отсутствии
характеристик, указанныхв пп. «б»и«в»,подачанасосаприодиночной и особенно
параллельной работе определена быть не может;
г) параллельная работа центробежных насосов требует кривых ЦН, соответ-
ственно круто направленных;
д) параллельная работа центробежных насосов должна производиться в
пределах устойчивой части кривых ЦН насосов; неустойчивые
(}Н должны быть из работы исключены;
е) давление холостого хода насоса должно быть выше
статической части высоты напора;
ж) при параллельной работе нескольких центробеж-
ных насосов моторы их должны быть рассчитаны с учетом
возможной перегрузки вследствие возможного выключения
некоторых насосов;
з) заводы, изготовляющие насосы, обязаны предоста-
влять в распоряжение организаций, проектирующих на-
сосные станции, кривые ()Н предположенных к изго-
товлению насосов;
и) в процессе проектирования насосной станции, впредь
до подтверждения заказа на определенные насосы необхо-
димо провести исследования параллель-
ной работы насосов (если таковая проек-
том предусматривается).
Б. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ РАБОТА
НАСОСОВ
ветви кривых
Схема последовательной работы двух
насосов представлена на фиг. .37.
Идея последовательной работы цен-
тробежных насосов до некоторой степени
отражена в типе многоколесного насоса. На фиг. 38 показаны характеристики
насосов с одним, двумя и тремя одинаковыми колесами. Ординаты увеличивают-
мии*'
Фиг. 39
ся по числу колес,
л абсциссы те же. Идея
последовательной ра-
боты отражена в не-
которых конструк-
циях агрегатов, раз-
вивающих очень боль-
шие напоры. Мно-
* гокамерный насос
п роизводительностью
3 000 л/мин и напо-
ром 728 м, изображен-
' ный на фиг. 39, пред-
__I ставляется разделен-
ным на две последо-
вательно соединенные
части, приводимые в
движение общим мотором; вода по выходе из напорного штуцера первой части
агрегата поступает к всасывающему штуцеру второй части и оставляет напор-
ный штуцер этой части агрегата с давлением, равным сумме давлений, обусло-
вленных работой первой и второй частей насоса.
Расположение насосов, приводимых в движение отдельными двигателями,
называется последовательным в том случае, когда напорный трубопровод, иду-
щий от первого, присоединен ко всасывающему штуцеру второго; в этом случае
напоры, развиваемые обоими насосами, суммируются (за вычетом потерь в сое-
диняющем их трубопроводе). Последовательное соединение насосов выполняется
при желании увеличить напор воды, подаваемой в какую-либо отдельную зону
(при необходимости иметь канализационные насосы со значительным напором
иногда проектируют установку двух последовательно расположенных насосов;
эксплуатация канализационных насосов при этом усложняется).
§ 17. Некоторые дополнительные вопросы, освещаемые при помощи
характеристик
1. На фиг. 40 представлены характеристики насоса с обычным рабочим коле-
сом и характеристики (пунктиром) со срезанными (укороченными, сточенными)
лопатками с соответ-
ственно уменьшенными
Р и И. Такое укороче-
ние лопаток и обрезка
рабочего колеса (по диа-
метру) в пределах при-
мерно до 10% иногда
производятся некоторы-
ми заводами при выборе
соответствующей рабо-
чей точки, подходящей
для данных условий ра-
боты.
2. На фиг. 41 изо-
бражен насос, подающий
воду в резервуары и сеть
7 и 2, находящиеся на
различных отметках;
длины и диаметры тру-
бопроводов известны;
требуется определить ве-
личину подачи в первый
Фиг. 40
второй резервуары. На фиг. 42 изображены линии ста-
и
тического давления 7 и 2, характеристики трубопроводов 3 и 4. Напор, разви-
Фиг. 42
ваемый насосом, должен удовлетворять условиям подачи в один и другой ре-
зервуары; насос развивает нужный напор при производительности, равной сумме
подач в оба резервуара. Сложив кривые 3 и 4 (сложив абсциссы для одинаковых
ординат), получим кривую 5, представляющую общую характеристику всей сети.
Точка пересечения заданной кривой $Н насоса б с кривой 5 (точка С) укажет рабо-
чую точку насоса. Проведя горизонтальную прямую через точку С, получим при
пересечении ею характеристик обоих трубопроводов величины подач в каждый
из резервуаров и ()2.
Если трубопровод разветвляется не непосредственно у насоса, а на некотором
расстоянии от него, то задача решается также с тем, что вместо кривой ф/7
используется другая кривая 8, получаемая из кривой (}Н путем вычитания из
ординат этой кривой (напоры) соответствующих потерь на участке от насоса до
разветвления трубопроводов; потери эти отдельно отражены кривой 7.
Точка пересечения кривой 8 с кривой 5 даст производительность насоса
(точка О), а точки пересечения горизонтальной прямой, проведенной через точ-
ку О, с кривыми 3 и 4, укажут величины подач в один и другой резервуары—
и ^'2.
3. Приведем весьма интересную задачу, иллюстрирующую при помощи харак-
теристик возможность в отдельном
расхода при последовательном соеди-
нении двух насосов, а не при парал-
лельном. Пусть на фиг. 43 — 7 ли-
ния статического давления, 2 — ха-
рактеристика трубопровода, 3 — ха-
рактеристика насоса, 4 — суммарная
случае получения большего суммарного
Фиг. 44
характеристика параллельной работы двух насосов, 5 — суммарная характе-
ристика, построенная для последовательной работы двух насосов (сложение
ординат). В данном случае характеристики насоса и трубопровода оказались
такими, что при постедовательном включении общая подача будет больше тако-
всй при п фалле.'ьном включении (на фиг. 43 указаны численные значения Р).
Практ. ч еки полученное решение возможно, например, при трубопроводах ма-
лого сечения и значительной длины.
На фиг. 44 показана схема установки, позволяющая осуществлять параллель-
ную или последовательную работу насосов.
При закрытых задвижках 2, 3 и 5 и открытых 7, 4 и 6 насосы работают парал-
лельно; при закрытых задвижках 7, 3, 4 и открытых 2, 5 и 6 — последовательно.
§ 18. Безразмерная характеристика насоса
Работа насоса должна производиться в нормальных условиях при наилучшем
или достаточно хорошем к. п. д.; так должен производиться подбор насоса.
Приняв по данным завода некоторую оптимальную точку, характеризуемую
Р, Н, п и т] пях, соответствующую наиболее выгодным условиям работы насоса при
заданном числе оборотов, допуская максимальное снижение к.п.д. в пределах
например 10%, можно наметить и пределы регулирования работы насоса. Если
(фиг. 45) по осям абсцисс и ординат откладывать не абсолютные значения р, И и т),
а различные их значения в процентном отношении к оптимальным значениям,
принятым за 100%, можно построить две дополнительные точки характеристик
ЦН при значениях
к. п. д. т]* = 0,9 7]тах и примерно следующих значениях Ц и Н
С?т1п —0,7 Цопт\ ^тах,= 1,15 /70яот;
Ртах = 1,25 Ролт; Нт1п = 0,75 Нопт.
Три ТОЧКИ, из которых
полнительные, определяют
диктующую наиболее эко-
номическую область рабо-
ты насоса при заданном
числе оборотов и пределы
регулирования работы на-
соса.
§ 19. Работа центробеж-
ных насосов и вакуум
Характеристика (}Н
насоса позволяет предста-
вить себе с достаточной
точностью основные пара-
метры в работе насоса и
связь между ними (Р,Н,п).
Однако известны случаи,
когда установленные насо-
сы не дали тех С[иН, каких,
судя по их характеристике,
следовало бы ожидать.
одна для оптимальных значений р, Н и т, и две до-
кривую — безразмерную характеристику насоса,
В воде, перекачиваемой
насосом, в зависимости от ее свойств, темпера-
туры и давления может находиться то или иное количество воздуха или других
газов (углекислота, сероводород и т. д.) в растворенном состоянии, а нередко
в виде пузырьков. С уменьшением температуры воды способность газов раство-
ряться в ней увеличивается и с увеличением — уменьшается. В 1 м3 воды при
давлении 760 мм растворяется следующее количество воздуха (в м3):
0° 10° 20° 30° 50° 70° 100°
0,029 0,023 0,019 0,016 0,013 0,012 0,011
Согласно закону Генри-Дальтона, в определенном объеме воды, соприкасаю-
щейся с газами при определенной температуре, может находиться в растворе
определенный объем газов независимо от давления. При уменьшении давления
объем газа стремится увеличиться, а объем его в растворе не может увеличить-
ся, поэтому часть его выделяется из раствора и образует отдельные пузырьки
и, наоборот, при уменьшении вакуума, т. е. увеличении давления, часть пузырь-
ков газа растворяется в воде.
Во всасывающем трубопроводе насоса обычно имеет место вакуум, а вследст-
вие этого и выделение из воды некоторого количества воздуха.
Количество растворенного воздуха, которое может выделяться из воды при
всасывании в зависимости от температуры перекачиваемой воды и от величины
вакуума, может быть определено при любой температуре для различной величины
вакуума.
Действительно, пусть при давлении р0 (атмосферном) объем находящегося
в растворенном состоянии воздуха в 1 м3 воды при I — сопз! равен г>0 м3; при
абсолютном да лении рх объем воздуха в 1 м3 воды должен быть равен кх,
♦ К. п. д. насоса х|н часто обозначается через т].
1 Водоснабжение
33
причем в входит и растворенный (объем которого не меняется) и нераст-
воренный воздух,
”о Рх ^х-----”о Ро—Рх
но — = — или —----
V* Ро ”0 Рх
»—1'0= ^0
Ро — Рх
Рх
ът — г>0 — количество воздуха в 1 м3, выделившееся из раствора вследствие
постоянства объема воздуха в растворе (закон Генри), а рй—рх — вакуум;
следо ательно, количество выделившегося воздуха равно количеству воздуха,
растворенного в воде при той же температуре и атмосферном давлении, умно-
женному на отношение вакуума к абсолютному давлению в трубопроводе (насосе).
Таким образом, количество воздуха, которое может быть выделено из 1 м3
воды при температуре, например, 10° в зависимости от величины вакуума, вы-
ражается формулой:
0,023
Рх
Численные значения
приведены в табл. 4.
Таблица 4
Вакуум
в м
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Количество воз-
духа в м3, которое
может быть
выделено
из 1 м3 воды
0,0025
0,0057
0,00 >8
0,0153
0,023
0,0345
0,0536
0,092
0,207
При производительности насоса л! сек может быть выделен и соответствен-
ный объем воздуха.
Как видно из табл. 4, при вакууме в 6—7 м и выше объем воздуха, который
может быть выделен из воды, становится уже значительным, а это может при-
вести к ненормальной работе насоса. Воздух во всасывающем трубопроводе
резко снижает производительность насоса; в одном опыте при введении во
всасывающий трубопровод воздуха в количестве 3,75% от количества перекачи-
ваемой воды насос переставал подавать воду. Выводы из единичного опыта не мо-
гут быть численно обобщены, но они показательны. Влияние воздуха, оказываемое
на работу центробежного насоса в смысле уменьшения производительности насоса
(иногда до 2=0), общеизвестно, и потому значение описанного выше явления ста-
новится совершенно очевидным, в особенности при больших вакуумах. Насосы
при больших величинах вакуума во многих случаях, несомненно, работают при
уменьшенном (). Следует допустить, что определенная часть воздуха, выделив-
шегося из раствора, уходит с водой в напорный трубопровод, определенная же
часть остается во всасывающем трубопроводе и всасывающей камере насоса
и здесь накопляется до некоторого оптимального количества, ведущего к срыву
работы насоса
Обобщение вопроса и уточнение оптимального количества воздуха для раз-
личных вод, конструкций и размеров насосов затруднительны.
На фиг. 46 показан разрез насоса, не имеющего камеры всасывания; за-
держка воздуха, выделившегося из раствора, здесь почти не может иметь места.
34
Насос, изображенный на фиг. 14, имеет камеру всасывания, в которой воздух
легко может накопляться перед рабочим колесом до пределов, ухудшающих усло-
вия всасывания и препятствующих нормальной работе насоса. Следовательно,
в вопросе о влиянии вакуума на работу насосов большое значение имеет и их
конструкция.
При испытании насоса на
заводском стенде высота вса-
сывания может быть неболь-
шая, длина всасывающего
трубопровода также неболь-
шая, т. е. вакуум небольшой,
а если путем прикрытия за-
движки на всасывающем тру-
бопроводе и создается боль-
шой ваку м то время работы
насоса здесь незначительно;
в этом смысле условия нако-
пления воздуха, выделяюще-
гося из воды и частично за-
держивающегося в насосе,
здесь могут отличаться от тех
же условий при длительной
работе насоса на насосной
станции. Кроме того, резуль-
таты испытаний в виде ряда
характеристик насоса при разных вакуумах проектирующему насосную стан-
цию и эксплуатирующему насосы обычно неизвестны.
Сказанного достаточно, чтобы сделать ряд предварительных выводов. Между
производительностью насоса и вакуумом в насосе при его работе может существо-
вать определенная связь, иначе производительность насоса зависит не только от л
и Н, как это следует из имеющейся в распоряжении кривой <^Н, но и от величины
вакуума. Таким обра-
зом, для совершенно
полного представле-
ния о работе наеоса
необходимо иметь в
распоряжении не
только характеристи-
ку насоса при опре-
деленном л, а ряд ха-
рактеристик насоса
при это л и различ-
ных величинах ва-
куума. Указанные
характеристики или
соответствующие им
данные в настоящее
время уже частично
встречаются. На фиг.
47 и 48 показаны ха-
рактеристики насосов
при различных высотах всасывания— 1,5 и б—6,5 м (следовало бы показать
характеристики при различных величинах вакуума). Необходимо также
иметь самое точное представление о воде (жидкости) и растворенных в ней
газах.
На фиг. 49 дан ряд характеристик одного насоса при различных л; указаны
области работы с различными к. п. д. и наибольшая допустимая высота всасыва-
ния для различных производительностей насоса.
Если вакуум в определенных пределах мало влияет на производительность
какого-либо насоса, то при дальнейшем увеличении вакуума может иметь место
сильное падение фи к. п. д. и возможны полный срыв работы насоса, явления
кавитации, значительный износ частей насоса и т. д.
На фиг. 50 приведен результат одного исследования, при котором сальники
насоса были сильно подтянуты и все неплотности устранены. Кривая 1 дает за-
Фиг. 49
КПД-Г]
Фиг. 50
при обычном неплотном сальнике. В последнем случае ф с увеличением вакуум-
метрической высоты всасывания резко снижается. Прокладке всасывающего тру-
бопровода и работе сальников на стороне всасывания следует уделять особое
внимание.
Схема установки, изображенная на фиг. 51, полностью убеждает в нецеле-
сообразности прокладки общих всасывающих линий к нескольким центробежным
насось
насосам. Действительно, при
работе насосов, расположен-
ных по фиг. 51, воздух, вы-
делившийся во всасывающем
трубопроводе, попадает в
большей своей части в на-
сос Г, последний быстро пре-
кратит работу или будет рабо-
тать ненормально. При ра-
боте насоса III по той же
причине насос I трудно будет
включить в работу. При авто-
матическом включении насо-
Фиг. 51 сов такая установка вовсе
недопустима. При наличии
в перекачиваемой жидкости значительного количества газов может предста-
виться необходимым особое устройство на всасывающем трубопроводе для
постоянного отсасывания выделяющихся газов. На фиг. 52 дано такое устрой-
ство, состоящее из вакуум-котла и Эльмо-насоса.
§ 20. Осевое давление (осевой сдвиг) и его уравновешивание
Фиг. 52
Осевое давление, или осевой сдвиг, имеет место вследствие различия дав-
лений на обе стороны колеса. Для различных колес и насосов это явление прояв-
ляется неодинаково.
На фиг. 53 изображено колесо с односторонним впуском. Просачивающаяся
через зазоры жидкость оказывает на обе поверхности колеса давление й2, которое
с приближением может
быть принято равным
давлению в частицах
жидкости по выходе из
колеса; в таком случае
вся поверхность колеса
справа, т. е. противо-
положная входу, и часть
поверхности колеса сле-
ва находятся под ука-
занным давлением й8.
Кроме того, на поверх-
ность колеса со стороны
входа действует незна-
чительное давление йг
Давления жидкости с обеих сторон колеса по площади и(/?2— /??) взаимно
уравновешиваются, а равнодействующее давление, равное с некоторым при-
ближением величине (Л2— й1)п(/?1—г!) , направлено в сторону всасывания
(справа налево); оно и представляет собой осевое давление, обусловливающее явле-
ние осевого сдвига. Колеса с двусторонним впуском не имеют осевого давления
или практически они испытывают незначительное давление благодаря тому, что
зазоры неодинаковы.
В многоступенчатых насосах явление осевого сдвига усиливается с увели-
чением числа колес. Уравновешивание осевого давления является серьезной за-
дачей при конструировании насосов, особенно многоступенчатых. Знакомство с
Фиг. 53
Фиг. 54
<р.1г. э5
отдельными мероприятиями конструктивного порядка необходимо для ведения
правильной эксплуатации, так как отсутствие уравновешивания осевого давления
приводит к весьма серьезным неполадкам в работе насоса и преждевременному
износу отдельных его частей.
Осевое давление уравновешивается автоматически, причем уравновешиваю-
щие силы увеличиваются с увеличением сдвига; в отдельных случаях предусматри-
вают применение упоров, препятствующих перемещению вала с рабочими коле-
сами.
Ряд конструкций представляет собой группы колес, расположенных в насосе
так, что впуск воды в одну и другую группы происходит в противоположных на-
правлениях (фиг. 54), на фигуре направление движения воды показано стрелка-
ми. Колеса с двусторонним впуском (фиг. 55) принципиально могут быть от-
несены сюда же. Указанное расположение колес в многоколесном насосе не-
конструктивно и усложняет корпус насоса.
Фиг. 56
Фиг. 58
На фиг. 56 показана схема уравновешивания при помощи дополнительного
уплотняющего кольца со стороны, противоположной всасыванию, и устройства
отверстий в колесе для пропуска воды, просочившейся через зазоры. Так как
некоторое осевое давление в
этом случае остается, то необ-
ходим механический упор (упор-
ный подшипник). Эта схема имеет
широкое распространение для
малых и средних насосов.
В конструкциях многих на-
сосов предусматривается особая
разгрузочная шайба (фиг. 57).
Давление воды на шайбу дей-
ствует в сторону, противополож-
ную осевому давлению; проса-
чивающаяся вода отводится по
специальному каналу и трубке
(последнюю можно присоеди-
нить к всасывающему трубопро-
воду).
На фиг. 58 изображена схе-
ма насоса с разгрузочным порш-
нем й за последним колесом в
соединении с небольшой шай-
бой Ь. С увеличением сдвига за-
зор а2 увеличивается, увеличи-
вается и давление на поршень,
и последний стремится переме-
ститься в сторону, противопо-
ложную осевому давлению. Вода
отводится через отверстие с. Су-
ществует еще целый ряд анало-
гичных устройств.
На фиг. 59 показана гре-
бенчатая пята и на фиг. 59а ша-
риковая пята, дающая менее приемлемое решение конструкции для уравно-
вешивания осевого давления или применяемая иногда совместно с одним из
способов автоматической (гидравлической) разгрузки. В настоящее время почти
все одноколесные насосы с диаметром напорного патрубка выше 200 мм, уста-
навливаемые на водопроводах, строятся с двусторонним всасыванием. Большое
распространение имеет разгрузочная шайба.
§ 21. Определение главнейших размеров насоса
Основные размеры рабочего колеса насоса определяются при заданных (), Н
и п; последнее выбирается в соответствии с типом привода, назначением насоса
и коэфициентом быстроходности *.
Пусть даны () л/сек, Н м и п. об/мин.
1. Мощность на валу насоса:
У = 4-2^- ЛС.
7э т|„
Принимая тг)н = 0,75, определяем М. Мощность мотора при непосредствен-
ном соединении та же, а при наличии ременной передачи соответственно
увеличивается. Обычно №Мот принимают с запасом 10 — 20% на перегрузку.
2. Диаметр вала насоса с небольшим числом колес и не очень
большим числом оборотов определяется из расчета его на кручение как транс-
миссионного вала по формуле
3 Л-------ЛГ
й = 1/ 3 000 — см-
При увеличении числа колес и длины вала при большом числе оборотов,
даже при небольшом эксцентриситете, может иметь место прогиб вала (и
далее авария). В этом случае особо необходима проверка (балансировка) вала
с рабочими колесами на заводе. При расчете проверяется критическое число
оборотов вала пк , которое должно значительно отличаться (не менее чем на
25—30%) от числа оборотов п. У центробежных насосов обычно число п
ниже пк, в противном случае переход через критическое число оборотов дол-
жен происходить быстро. Вращение вала при критическом числе оборотов
не допускается. Проверка числа оборотов ведется по данным аналогичных
насосов, по окончании проектирования всего насоса, по выявлении числа ко-
лес, размеров (веса) их, длины вала и пр. Упрощенная проверка ведется по
формуле
пк = 300 1/ ,
V С
где Р сила, вызывающая прогиб вала на 1 см, О вес вращающихся частей
(вала, рабочих колес, разгрузочной шайбы), рассматриваемый как сосредото-
ченный или равномерно распределенный между опорами.
Относительно короткий вал можно рас-
сматривать как балку, лежащую на двух
опорах и равномерно нагруженную (фиг. 60);
тогда
Фиг. 60
384/57
5/3
где /= 1 см;
Е—модуль упругости (для стали 2 200000 кг/см1 2);
г КСР .
1— момент инерции сечения вала слг;
I — длина вала между опорами в см.
3. Диаметры рабочего к о л ес а (фиг. 61). По—диаметр окружности у
входа в рабочее колесо; —диаметр окружности, соответствующей началу ло-
паток; О2 — диаметр внешней окружности рабочего колеса. Обычно или
превышает О0 на незначительную величину.
1 В современных расчетах центробежных насосов используют коэфициент быстро-
ходности; при этом в значительной мере уменьшается произвол в выборе различных
расчетных величин. Излагаемый расчет является упрощенным и приведен лишь для упро-
щенного же определения главнейших размеров основных частей насоса.
Р2 для нормальных насосов близко к2 а для насосов высокого давления
(тихоходных) изменяется в пределах до 3 О1.
Ро определится, если задаться скоростью Со, средние значения которой
обычно 2—3 м]сек или несколько выше, и
стеснением полости, куда вступает жид-
кость (уменьшение поперечного сечения,
вызываемое втулкой и валом). Указанное
стеснение может быть определено с доста-
точной для расчета точностью (по сечению
вала определен диаметр втулки и т. д.);
для упрощенного расчета указанное сте-
снение может быть принято равным
10—20%.
Таким образом,
л п П ТГ Оо /-• .
У = 0,8 • —
Фиг. 61
отсюда определяется
принимают примерно равным Ро;
/%%(2 — 3)й0.
4. Параллелограм скоростей у выхода. Зная п, определяют
и*~ 60 ’
далее, задавшись значениями углов (часто в пределах от 8 до 15°) и р2, строят
параллелограм скоростей у выхода и определяют скорость С2 (фиг. 61а).
5. Параллелограм скоростей у входа:
р _г . и _
Ч—с0» ----ей—•
Так как Сх и \\ взаимно перпендикулярны, то из прямоугольного тре-
угольника определяется угол
6. Число колес. Нх* — развиваемое
каждым колесом, определяют по уравнению:
„ Г72С2 СОЗ «2
= V----------•
Фиг. 61а
Тогда число колес равно полученную величину округляют до ближай-
шего целого числа.
7. Размеры рабочего колеса. Ширина рабочего колеса у входа
Ьх определяется из соотношения:
<3^5:71 Ох Ьх Сх,
при этом толщиной ло астей пренебрегают.
Число лопаток
2=65. . С1П
г-^-р2_п 8Ш 2
а 1
Числом лопаток можно также задаться.
♦ В отличие от ранее принятого обозначения — Н, — напор, приходящийся на 1 колесо.
Ширина рабочего колеса у выхода Ь2 определяется подобно Ьи причем
из параллелограма скоростей у выхода нужно вычислить С2г—радиальную
составляющую скорости С2.
(} ^к-О2-Ь2-С2..
Отсюда определяется Ь2. Стеснение, обусловленное толщиной лопаток, не
принято во внимание. Ь2 может быть определено по ширине направляющего
аппарата из уравнения 0 = г3 а3 Ь2 С2.
Число лопастей в направляющем аппарате г3 =гили 1. Расстояние
между лопастями — а3. Ширина направляющего аппарата д8 принимается близ-
кой д2. Скорость в начале направляющего аппарата близка С2 — абсолютной ско-
тгР2
роста выхода. Шаг 13 % —, а а3 может быть принято равным /3 81п (фиг. 62).
23
Сужение рабочего колеса от до Ь2 выполняется по дуге круга.
При двустороннем впуске вместо (? в расчете принимается у.
Иногда при заданных С? и Н необходимое п может быть определено следую-
щим образом: из параллелограма скоростей у выхода имеем:
С2________5Ш р2_____________§1п р2
1Г2 ~ 81П [ 180 — (а2 + М ~ (а2+02)’
или
С -и Ё1??2—
2 8Ш(а2+^)-
Тогда
81П (аз + р2)-5- '
Задавшись величинами и р2, можно определить^, а далее и п.
§ 22. Выбор центробежных насосов
При проектировании насосных установок необходимы характеристики
наиболее употребительных насосных агрегатов с указанием заводов, типов, про-
изводительностей, напоров, чисел оборотов, мощностей, к. п. д., габаритных
размеров и т. д.
Фиг. 63
В насосостроении СССР принят ряд марок. Например, завод им. Калинина
в Москве строил насосы следующих марок:
одноколесные НДв — насосы с двойным всасыванием высокого давления;
НДс — то же среднего давления;
НДс В — то же среднего давления вертикальные;
НДн — то же низкого давления;
НК — насосы консольные;
НФ — насосы фекальные (канализационные);
многоколесные НМА — насосы многоколесные нового типа;
НМГ — то же старого типа (снимаемые с производства).
Цифры впереди марки озна-
чают размер в дюймах напор-
ного штуцера; например 4НДс —
диаметр штуцера 4".
Ниже приводятся некото-
рые типы центробежных насо-
сов с характеристиками. На
фиг. 63 представлен насос марки
НДс и НДв для непосредствен-
ного соединения с мотором.
В табл. 5 приведены техниче-
ские характеристики этих насо-
сов. Завод строит насосы до
24НД. На фиг. 64 представ-
лены характеристики одного
из насосов НД. Характеристики,
изображенные пунктиром, отно-
сятся к насосам с максимально
уменьшенным (срезанным) диа-
метром рабочего колеса. На основе заданных заводу С} и Н последний опре-
деляет возможное уменьшение диаметра колеса.
Таблица 5
Марка насоса Число об/мин. ц в л/сек Н в м К. п. д. Вакуумметрическая высота всасывания в м вод. ст.
максималь- ная рекомен- дованная заводом
4НД 2 950 1 450 55 50 28 25 106 86 26 21,5 0,78 0,77 0,78 0,77 ОО 1 1 сп 3 5
6НД 2 900 1450 75 70 37 25 73 53 18 14,5 0,80 0,79 0,79 0,78 4,5 7 4 5
8НД 960 1 450 120 ПО 180 170 40 26 90 60 0,82 0,81 0,72 0,81 1 5_ 4
12НД 960 1 450 220 180 325 285 28 18 66 45 0,88 0,87 0,88 0,87 7,5 4,5 1 1 и»
На фиг. 65 изображен насос марки НМА (насос многоколесный нового типа
вавода им. Калинина).
В табл. 6 даны технические характеристики насосов типа НМА и на фиг. 66 —
характеристики одного из насосов.
Таблица 6
Марка насоса Число об/мин. 0 в л/сек Нем К. и. д. Вакуумметрическая высота всасывания В М ВОД. СТ.
макси- мальная рекомендо- ванная заводом
4НМАх2 2 900 50 40 140 95 0,78 0,77 2,5 2
бНМАх2 2 900 90 75 145 93 0,78 0,77 0 0
1 450 50 35 0,78 6 4,5
8НМАХ2 1 450 130 90 105 70 0,82 0,8 5 4
8НМАх4 1450 130 90 210 140 0,81 0,8 5 4
10НМАХ2 1 450 270 225 175 115 0,82 0,81 2,5 2
Фиг. 65
В системах водоснабжения может встретиться необходимость перекачивания загряз-
ненных жидкостей, не свободных от мелких примесей растворов и т. д.; отличительной
чертой насосов для загрязненных жидкостей является малое количество и своеобразная
форма лопаток рабочего колеса, образующих широкие каналы, что уменьшает возмож-
ность засорения колеса.
На фиг. 67 представлен центробежный канализационный насос группы IX Мелито-
польского завода диаметром 150 мм с ременной передачей. Насос предназначен для жид-
костей, содержащих большое количество ила, осадка и пр. Особенностью этого насоса
являются откидные (на шарни-
Фиг. 66
рах) крышки, позволяющие легко
и быстро осматривать и очищать
колесо. Насосы изготовляются
также и для непосредственного
соединения с мотором.
§ 23. Центробежные насосы
с вертикальным валом
Насосы с вертикальным
валом широко используются
для подъема подземных вод.
Однако этим далеко не исчер-
пывается область их приме-
нения.
Вертикальные центро-
бежные насосы устанавлива-
ются также в тех случаях,
когда необходимо иметь ми-
нимальные размеры насосной стан-
ции в плане или когда отметки
уровня воды в источнике подвер-
жены сильным колебаниям.
Насосы на вертикальном валу
имеют свои особенности. Они тре-
буют большей точности при уста-
новке, удовлетворительного урав-
новешивания вращающихся частей,
удовлетворительной смазки и т. д.
Насосы эти можно классифициро-
вать по конструкции, в зависимо-
сти от вида сооружения, в котором
они должны быть установлены (ко-
лодец, шахта, скважина), конструк-
ции промежуточного вала и на-
порной линии и т. п. В подавляю-
щем большинстве случаев верти-
кальные насосы приводятся в дей-
ствие электрическими двигате-
лями. Различают опускные на-
сосы, насосы шахтного типа, соеди-
ненные непосредственно с мотора-
ми, насосы шахтного типа, соеди-
ненные с моторами промежуточным
валом, насосы для установки в сква-
жинах, или артезианские, и насо-
Фиг. 67 сы, располагаемые вместе с элект-
ромоторами под водой.
Опускные электронасосы, отличие конструкции которых заключается в их
подвижности, чаще применяются в горном деле для откачки воды из шахт.
Насос и мотор закрытого типа с вентиляцией или водяным охлаждением (фиг. 68)
соединены непосредственно и обычно укреплены в подвешиваемой на блоке
конструкции из железных балок, имеющей площадку для обслуживания. Все
необходимые приборы и арматура для обслуживания агрегата могут быть рас-
положены на платформе.
Уравновешивание осевого давления, достигаемое при помощи шариковых
Вят в комбинации с рассмотренными ранее способами, имеет здесь особое значе-
вие, так как у таких насосов возможны быстрый износ, заедание частей и т. д.
Для опускания агрегата применяется ручная лебедка с ленточным тормозом,
храповым механизмом и пр. для закрепления агрегата в определенном поло-
жении. Другая лебедка служит для навивания электрического кабеля.
На фиг. 69 представлен общий вид на-
соса, устанавливаемого в шахте или колод-
це. Насос соединяется с мотором промежу-
точным валом; мотор располагается наверху.
Насос обычно ставится на каменных столби-
ках (фиг. 70) или на балочках (фиг. 71) так,
чтобы имелся доступ к нижнему подшипнику.
Направляющие подшипники располагаются
в зависимости от длины и числа оборотов
вала, а также передаваемой мощности.
Фиг. 69
Фиг. 70
Фиг. 68
Насосы шахтного типа в зависимости от уровня грунтовых вод и интенсив-
ности откачки могут в отдельные периоды работать и под водой; мотор
же должен быть постоянно вне воды.
Описанные конструкции с открытым (или частично открытым) промежуточ-
ным валом, с установкой отдельно напорного трубопровода, при глубокой откачке
уступили свое место артезианским центробежным насосам (фиг. 72). Напорный
трубопровод центрирован и прикреплен к опорной соединительной раме, на-
ходящейся под мотором; в нижней части трубопровода укреплены насос и вса-
сывающий трубопровод. Промежуточный вал находится внутри трубопровода,
между фланцами которого, точно обработанными, через каждые 2— 3 м укрепле-
ны направляющие подшипники или кольца специальной конструкции, предо-
храняющие от заедания даже при продолжительном выключении насоса.
Весь напорный трубопровод и скрепляющая рама под мотором поставляют-
ся заводами вместе с насосом.
Фиг. 71
Фиг. 72
Артезианские насосы для установки в скважине выполняются заграничными
заводами с длиной вала свыше 150 м. К. п. д. насосов средней величины дости-
гает, по данным заводов, 0,77—0,78.
На фиг. 73 показан один из артезианских насосо для небольшого
напора. Обычно насосы эти выполняются многоступенчатыми с тем, чтобы
напор, приходящийся на каждое колесо, и диаметр колес (ыли возможно
меньшими.
На фиг. 74 показан пятиступенчатый насос, а на фиг. 74а отдельная
ступень насоса.
Имеются выполненные конструкции насосов с числом ступеней до 30.
Конструкция опорной рамы включает в себя основной подшипник, воспри-
нимающий вес вращающихся частей.
На фиг. 75 представлен разрез одного из насосов.
Иногда в верхней части у опорной рамы монтируется нормальный насос
вертикального типа, принимающий воду от нижнего артезианского насоса и повы-
шающий напор (фиг. 76). Цель такой компоновки, применяемой при больших
напорах и скважинах малого диаметра, состоит в некоторой разгрузке от высокого
Фиг. 73
давления нижнего насоса
и напорного трубопровода
(в пределах скважины) и в
некотором уменьшении об-
щего числа ступеней, так
как каждая ступень верх-
него насоса может разви-
вать значительно больший
напор, чем ступень ниж-
него артезианского на-
соса.
Фиг. 74а
Фиг. 75
Для привода может быть использован и двигатель внутреннего сгорания или
иной; в последнем случае может быть осуществлена ременная передача или при
помощи конических зубчатых колес. На фиг. 77 показана установка с ременной
передачей. Артезианские насосы в настоящее время осваиваются нашими за-
водами.
В последнее время в заграничной практике встречаются электронасосы для
установки их полностью (вместе с моторами) под водой или так называемые погру-
женные электронасосы (фиг. 78). Электродвигатель и насос непосредственно со-
единены между собой без длинного промежуточного
Фиг. 77
вала; здесь должны отсутствовать соответствующие
механические потери на передачу работы и не-
поладки, связанные с работой длинного вала.
Заграничные заводы строят погруженные
электронасосы с моторами трехфазного перемен-
Фиг. 78
ного тока с короткозамкнутым
якорем для производительности до
180 м8/ч, напором до 200 м; диа.-
метр насосов в зависимости от
производительности колеблется в
пределах 240—370 мм, что позво-
ляет устанавливать их в скважи-
нах диаметром 275—400 мм.
§ 24. Установка и пуск центро-
бежных насосов. Уход за накосами.
Остановка насосов
А. УСТАНОВКА НАСОСА
Перед установкой насоса его
целесообразно разобрать и собрать
для осмотра отдельных частей.
Фундаментная плита насоса (гори-
зонтального) должна быть уста-
Фиг. 79
новлена горизонтально; оси вала насоса и вала мотора должны лежать на од-
ной прямой линии; при трансмиссионной передаче ось шкива насоса должна быть
параллельна оси трансмиссионного вала. Укрепив всасывающий и нагнетатель-
ный трубопровод и проверив правильность положения насоса, приступают к за-
ливке фундаментных болтов и фундаментной плиты. Спустя 36—48 час., когда
цемент затвердеет, фундаментные болты могут быть окончательно затянуты, при
этом фундаментная плита не должна быть перекошена и правильность установки
не должна быть нарушена.
При соединении насоса и мотора помощью муфты проверяется расстояние
между муфтами (фиг. 79), которое по всей окружности между полумуфтуми
46
олжно быть одинаковым; линейка, прикладываемая по поверхности муфты
араллельно оси вала, должна плотно прилегать к обеим полумуфгам; вал насоса
ри ослаблении затяжки сальников должен вращаться свободно.
Б. ПОДГОТОВКА И ПУСК НАСОСА
Уход за насосом
Включение насоса в работу можно производить только после его за-,
полнения. При заполнении насоса водой все воздушные краны на нем должны
быть открыты до появления в них воды; после заполнения воздушные краны и за-
движка на напорном штуцере закрываются. Наполнение водой может произ-
водиться посредством: а) особой воронки с краном (очень редко); б) соединения
корпуса насоса с водопроводом (очень редко); в) ббводной трубки на обратном
клапане (заполнение водой из нагнетательного трубопровода); в этом случае не-
обходимо следить, чтобы всасывающая линия не подвергалась высокому давле-
нию; г) отсасывания воздуха из всасывающей линии и корпуса насоса воздушным
насосом.
Перед первым пуском насоса необходимо проверить направление вращения
вала насоса; все масленки должны быть залиты маслом.
Пуск в ход должен быть произведен при закрытой задвижке; лишь после до-
стижения насосом нормального числа оборотов и развития определенного давле-
ния (судя по показанию манометра) можно
начать постепенное открытие задвижки.
Длительная работа насоса при закрытой
задвижке не рекомендуется. Работа насоса
без жидкости не допускается, так как при трувш
этом может иметь место сильный износ отввоау
уплотняющих колец, разгрузочной шайбы
и т. д.
Нельзя также допускать продолжи-
тельную работу насоса с ненормальной по-
дачей воды. Необходимо открывать за-
движку до тех.пор, пока насос начнет раз-
вивать нормальную производительность
(например, нормальная нагрузка мотора,
судя по амперметру).
Трущиеся части не должны нагревать-
ся выше допускаемой температуры.
Подтягивание сальников производится с таким расчетом, чтобы перекачивае-
мая жидкость могла несколько просачиваться наружу, что является признаком
отсутствия присасывания воздуха в корпус насоса; при подтягивании сальников
не должно происходить заедание вала.
Необходимо следить за исправной работой подшипников. В первый период
действия насоса необходима частая смена масла; при вполне исправной работе
насоса достаточно сменять смазку и чистить подшипники один-два раза в месяц.
При наличии у центробежного насоса разгрузочных шайб для уравновеши-
вания осевого сдвига необходимо обратить внимание на положение вала относи-
тельно подшипника; для этой цели на валу может быть сделана соответствующая
засечка; вал при износе разгрузочной шайбы смещается относительно своего
нормального положения. Смещение засечки допускается не более 1,5 мм’ в том
случае, когда засечка смещается более чем на 1—1,5 мм, может происходить исти-
рание разгрузочной шайбы и следующий за этим износ рабочих колес и других
частей насоса. Наружная сторона разгрузочной шайбы не должна находиться
под давлением; вода, просачивающаяся через соответствующий зазор, должна
свободно по трубке отводиться наружу (фиг. 80).
Периодически в зависимости от загрязненности перекачиваемой жидкости
насос необходимо разбирать для осмотра и чистки отдельных деталей.
4 Водоснабжение
49
При приведении в действие насосов двигателями, изменяющими число обо-
ротов, регулирование работы производится изменением числа оборотов. Регули-
рование производительности во всех случаях можно производить задвижкой,
однако, это неэкономично.
Остановка насоса
При остановке насоса необходимо:
а) постепенно закрыть задвижку на насосе;
б) закрыть кран у вакуумметра во избежание поломки его при последующей
заливке насоса;
в) выключить двигатель насоса.
При остановке насоса на длительное время, особенно зимой, необходимо пол-
ностью удалить воду из корпуса насоса и, разобрав насос, тщательно протереть
детали. Нельзя в зимнее время оставлять воду в трубопроводе, проложен-
ном через неотапливаемые помещения.
§ 25. Неисправная работа насосов
а) Плохое всасывание или отсутствие подачи воды
Причины:
а) неполное заполнение всасывающего трубопровода водой, частичное запол-
нение его воздухом;
б) неплотности во всасывающей линии или сальниках насоса, приводящие
к засасыванию воздуха;
в) слишком малое расстояние приемного клапана от уровня воды в резервуа-
ре или колодце и как результат этого засасывание воздуха;
г) чрезмерно большая высота всасывания или большое сопротивление во
всасывающем трубопроводе вследствие его загрязненности, засоренности сетки
приемного клапана и т. д.;
д) чрезмерно большая высота нагнетания, слишком большое сопротивление
в нагнетательном трубопроводе по сравнению с напором, развиваемым насосом;
е) недостаточное число оборотов насоса (недостаточное число оборотов двига-
теля или скольжение ремня);
ж) неправильное направление вращения вала насоса.
б) Перерыв или уменьшение подачи воды
Причины:
а) застревание приемного клапана;
б) загрязнение сетки в конце всасывающего трубопровода;
в) частичное попадание воздуха во всасывающий трубопровод через неплот-
ности во фланцах, сальниках и пр.; воздушные мешки во всасывающем трубо-
проводе;
г) уменьшение во время работы насоса отметки воды в колодце и невозмож-
ность при этом осуществлять нормальное всасывание;
д) уменьшение отметки воды в колодце, увеличение высоты всасывания и пол-
ной манометрической высоты подъема и как следствие уменьшение производи-
тельности насоса;
е) большой износ уплотняющих колец в насосе; большой осевой сдвиг колес
и частичное перекрытие каналов в направляющем аппарате или корпусе;
ж) загрязнение каналов в рабочем колесе насоса;
з) понижение числа оборотов двигателя или скольжение ремня при ременной
передаче.
в) Колебания в подаче воды и временное повышение
подачи
Причины:
а) образующиеся воздушные мешки уменьшают подачу, время от времени
скопившийся воздух прорывается, и тогда подача вновь увеличивается;
б) напор вследствие каких-либо причин оказался меньше, подача увеличилась.
г) Большое потребление энергии
Причины:
а) заедание вала или других частей насоса; сильный осевой сдвиг, срабаты-
вание и торможение разгрузочной шайбы, пяты, трение колес об уплотняющие
кольца и корпус и т. д.;
б) действительно развиваемый напор значительно меньше того, на который
был рассчитан центробежный насос; при этом насос может развивать большую
производительность и работать при пониженном к. п. д.;
в) регулирование работы насоса производится при значительном закры-
тии задвижки.
д) Затруднения при включении насоса в работу
Если давление холостого хода насоса не превышает статической высоты
подъема, насос включить в работу невозможно; иногда приходится прибегать к
частичному выпуску воды из бака или напорного трубопровода для уменьше-
ния противодавления.
Включение насоса в параллельную работу с уже работающими насосами
возможно лишь в том случае, если давление холостого хода включаемого насоса
выше давления, развиваемого работающими насосами. Иногда при совместной
работе двух или трех насосов включать их нужно одновременно.
е) Нагрев частей насоса
Нагрев корпуса может быть в результате продолжительной работы насоса
с закрытой задвижкой. Нагрев сальников может происходить от сильной затяж-
ки их или перекоса. Нагрев подшипников может быть вследствие:
а) отсутствия смазки или сильного ее загрязнения;
б) неисправной работы колец подшипника (заедание или застревание колец);
в) перекоса вала или сильной затяжки вкладышей подшипника.
ж) Другие неисправности в работе насоса
Насос ьо время работы сильно дрожит; это может быть результатом ослабле-
ния фундаментных болтов, перекоса фундаментной плиты, неправильного соеди-
нения вала насоса с валом мотора при помощи муфты, неправильной работы ре-
менной передачи, цри неуравновешенности колес в насосе или при ненормальном
износе подшипников.
§ 26. Преимущества и недостатки центробежных насосов
Центробежные насосы обладают целым рядом преимуществ. К наиболее су-
щественным из них относятся:
а) простота и компактность конструкции, небольшой вес, небольшая требуе-
мая площадь, относительно легкие фундаменты;
б) небольшая стоимость установки и эксплуатации; последняя чрезвычайно
проста;
в) простота непосредственного соединения с получившими большое распро-
странение электродвигателями;
г) широкое применение для перекачивания загрязненных жидкостей (отсут-
ствие клапанов):
д) уменьшение явлений гидравлических ударов в сети по сравнению с пор-
шневыми насосами.
К числу недостатков центробежных насосов относятся:
а) необходимость заполнения насоса перед его пуском;
б) некоторое ограничение (в определенных достаточно строгих пределах)
напора, развиваемого каждым насосом.
ГЛАВА II
ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ
§ 27. Общие сведения схемы действия поршневых насосов и клас-
сификация их.
Поршневые насосы известны с давних времен. Современные их конструкции
имеют широкое распространение на жел.-дор. транспорте.
При поступательно-возвратном движении поршня в цилиндре поршневого
насоса простого действия при одном его ходе образуется разреженное простран-
ство, куда под влиянием атмосферного давления устремляется вода (жидкость),
при другом ходе поршня вода (жидкость) вытесняется в напорный трубопро-
вод. Так осуществляются всасывание и нагнетание в поршневом насосе.
Фиг. 81 Фиг. 82 Фиг. 83
По устройству и схеме действия различают насосы простого действия (фиг. 81),
насосы двойного действия (фиг. 82 и 83) и насосы тройного действия. В насосах
двойного действия всасывание и нагнетание осуществляются при каждом ходе
поршня: всасывание с одной стороны поршня, нагнетание — с другой.
Насосы тройного действия состоят из скомпанованных в одну конструкцию
трех насосов простого действия, работающих от общего коленчатого вала. Со-
единением в одну конструкцию двух насосов двойного действия образуется насос
четырехкратного действия.
В соответствии с типом поршня различают: плунжерные насосы (фиг. 82),
работающие надежно при больших давлениях, и насосы с дисковыми поршнями
(фиг. 81), пригодные для установок, раз-
вивающих давление не свыше 5 — 8 ат.
В последних конструкциях между порш-
нем и стенками цилиндра достигается
меньшая плотность, чем в первых.
В зависимости от направления движе-
ния поршня различают горизонтальные
и вертикальные насосы.
Всасывающие и нагнетательные кла-
паны в различных насосах расположены
различно. На фиг. 83 эти клапаны распо-
ложены один над другим; на фиг. 84 изо-
бражен насос с клапанами, расположен-
ными в отдельных камерах, причем ка-
мера с нагнетательными клапанами располо-
провод); насос имеет два
Фиг. 85 жена в наивысшем месте (для облегчения
выхода воздуха в нагнетательный трубо-
всасывающих клапана и общую всасывающую трубу
и два нагнетательных клапана и общую нагнетательную трубу.
На фиг. 85 изображена схема насоса с проходным поршнем. Нагнетательный
клапан скомпанован в поршне и перекрывает имеющиеся в последнем проходные
отверстия. Такая конструкция сводит к минимуму поперечное сечение и размеры
насоса. При движении поршня вверх осуществляются всасывание и нагнетание,
при движении вниз ни всасывания, ни нагнетания не происходит. На фиг. 86
показана схема аналогичного насоса двойного действия с двумя проходными
поршнями, получающими движение от коленчатого вала. Поршни движутся в
противоположных направлениях. Штанга верхнего поршня трубчатая.
Всасывание и нагнетание происходят при движении поршней вверх и вниз.
Когда нижний поршень поднимается, верхний опускается и пропускает воду,
А
<5'5
Фиг. 86
подаваемую первым; происходят всасывание и нагнетание; когда
нижний поршень опускается, верхний поднимается и осуще-
ствляет всасывание через нижний поршень и одновременно
нагнетание.
Схема отличается от предыдущей увеличением производи-
тельности и большей равномерностью подачи. Однако устрой-
ство привода, штанг и пр. здесь более сложно.
Потребная мощность у насосов простого действия за оба
кода поршня неодинакова; у насосов двойного действия по-
требление мощности более равномерно и более равномерно дви-
жение воды в трубопроводах.
На фиг. 87 изображены схемы диференциальных насосов.
Последние осуществляют всасывание за один ход, а нагнета-
ние — за два хода (стрелками показано направление движения
воды).
Мощность, потребляемая за оба хода, примерно одинакова;
движение воды в напорном трубопроводе более равномерно, чем
у насоса простого действия (с которым диференциальный насос
сходен), а число клапанов вдвое меньше, чем у насосов двойного
действия.
Если Р— площадь поршня (плунжера) (фиг. 86), /—
площадь скалки, 5 — ход поршня, то объем жидкости, вса-
сываемый насосом за один ход, равен Р8. Объем, вытесняе-
мый из цилиндра за один ход, равен (Г—/)$; объем, вы-
тесняемый за другой ход, равен Р8— (р—/)8 = /8. Объем,
вытесняемый за оба хода, равен (Р — /) 5 + /8 = Р8.
Для большей равномерности подачи / принимают рав-
Р
ным
а
В зависимости от типа и характера привода различают насосы ручные, паро-
вые и приводные, обычно приводящиеся в действие при помощи ременной пере-
дачи, электродвигателями, двигателями внутреннего сгорания, редко ветряными
и очень редко водяными двигателями.
В зависимости от схемы привода различают насосы с кривошипным механиз-
мом (приводные) и прямодействующие. В приводных насосах поступательно-воз-
вратное движение поршня обусловлено наличием кривошипного механизма, полу-
чающего движение или непосредственно от двигателя или при помощи передачи.
В прямодействующих насосах движение поршню насоса передается непо-
средственно от поршня паровой машины (поршень паровой и водяной части
агрегата сидят на одном штоке).
§ 28. Всасывание
Процесс всасывания у поршневых насосов несколько отличается от такового
у центробежных, поэтому определение возможной высоты всасывания здесь дано
подробно.
Пусть имеется насос простого действия (без всасывающего колпака).
рй — атмосферное давление;
рх — давление в частицах жидкости у поршня при всасывании;
Нвс — высота всасывания;
и — скорость движения поршня (в данный момент) или скорость движе-
ния жидкости в цилиндре;
V — скорость движения жидкости во всасывающем трубопроводе (в дан-
ный момент) в предположении постоянства сечения трубопровода;
Ь—длина всасывающего трубопровода;
<1 — диаметр всасывающего трубопровода;
/—площадь сечения всасывающего трубопровода;
Е— площадь поршня (сечения цилиндра);
х—путь, пройденный поршнем (к данному моменту), считая от мертвого
положения;
] — ускорение поршня;
г—радиус кривошипа;
— скорость движения пальца кривошипа;
ш — угловая скорость вращения кривошипа;
7 — вес единицы объема жидкости.
Разность давлений ——— расходуется:
1) на осуществление всасывания на высоту Нвс;
2) на сообщение жидкости, движущейся в цилиндре со скоростью и, соот-
и2
ветствующей кинетической энергии —•;
3) на преодоление сопротивлений при входе во всасывающую трубу, рав-
V2
ных I -2-.
Примерные средние значения 5:
а) конец трубы опущен в резервуар — 0,5;
б) конец трубы выполнен в виде воронки — 0,1;
в) на конце трубы сетка или клапан с сеткой — от 1 до 5 и более в зависимо-
сти от конструкции клапана, отношения поперечного сечения отверстий к отвер-
стию трубы, формы отверстий и т. д.
Примерные средние значения потерь для сетки, клапана и клапана с сеткой
в м вод. ст. даны в табл. 7.
Таблица 7
V 0,5 0,7 1 '2 1,4 1,6 1,8 2 м ':сек
Сетка 0,03 0,05 0,10 0,14 0,20 0,26 0,32 0,40
Клапан 0,04 0,07 0,15 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60
Клапан с сеткой 0,07 0,12 0,25 0,34 0,50 0,66 0,82 1,00
4) на преодоление сопротивлений по длине всасывающего трубопровода:
. Ь V2
а-2ё'
Примерные средние значения X (для чистых труб)
V 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5—3 м/сек
X 0,027 0,024 0,022 0,021 0,02
Чаще сопротивления по длине определяются по общепринятым формулам
или таблицам.
5) На преодоление местных сопротивлений во всасывающем трубопроводе,
$ — для колена диаметром от 50 до 500 мм колеблется от 0,14 до 0,23;
среднее значение-т-0,2.
Примерные значения потерь для каждого нормального колена в 90°
V 0,5 0,75 1,0 1,5 2 3 м/сек
4)2
0,003 0,006 0,01 0,02 0,04 0,09 м
2ё
для больших диаметров несколько больше (может быть взято из спра-
вочников);
6) на переход из всасывающей трубы в цилиндр, на преодоление сопротив-
лений всасывающего клапана; с некоторым приближением (достаточным для опре-
'Уз
деления высоты всасывания) указанные потери могут быть приняты равными 0,7 —
2 ё
Уз
для тарелчатых клапанов и 0,35 — для конических клапанов (в3—скорость дви-
жения в клапане или точнее в отверстии клапана);
7) на сообщение движущейся жидкости необходимого ускорения при следо-
вании жидкости за поршнем (движущимся с ускорением).
Ускорение поршня
ди
} ~ д1'
Как это далее показано:
и = шг 81п ш /;
2 ,
---= (О2 * * * * * Г СО5 « (.
д1
Наибольшее значение
дн
— = ш8 г,
д1
так как
V! = (1>г; <1)2Г= —,
таким образом
наибольшее
2
«1
Ускорение
случае может
Р
столба жидкости во всасывающем трубопроводе в простейшем
быть принято равным ускорению поршня, умноженному на от-
ношение -г, т. е. равным:
Сила, обусловливающая создание названного ускорения, равна массе, умно-
женной на ускорение, т. е.
ё ’ г/ ёг '
(Для простоты ускорение объема жидкости Рх, заполняющей часть
цилиндра, не учитывается).
Если эту силу рассматривать как приложенную к столбу жидкости во всасы-
вающем трубопроводе в виде давления, распределенного по сечению этого столба,
то последнее равно;
7 Ь«1 Р
ёг/
Это давление, выраженное в метрах водяного столба, равно:
Цз2Р
ёг/ '
Таким образом, высота всасывания, которую следует рассматривать как раз-
ность отметок наивысшего положения поршня в цилиндре и наинизшего уровня
воды в резервуаре:
Т 2г 8 г //
Выражение имеет символическое значение, поэтому все потери на преодо-
ление сопротивлений, в том числе и в клапане, условно объединены в один член.
Вообще говоря, сопротивление во всасывающем клапане может быть показано
отдельно.
Процесс всасывания и высота всасывания здесь, так же как это подробно
указано для центробежных насосов, зависят от величины атмосферного давления,
температуры жидкости, удельного веса жидкости и т. д. Возможные неплотности
в сальниках могут уменьшить допустимую высоту всасывания.
Для осуществления нормального всасывания необходимо, чтобы рх (давление
в частицах жидкости у поршня при всасывании) было больше Н, (давления паров
перекачиваемой жидкости, соответствующего температуре перекачиваемой жид-
кости).
С увеличением числа оборотов двигателя или числа двойных ходов поршня
насоса допустимая высота всасывания уменьшается. Предельное допустимое число
двойных ходов для насоса простого действия принципиально может быть
определено из уравнения, служащего для определения Нвс (при замене в нем и
через п). При работе поршневого насоса с воздушным колпаком на всасы-
вающем трубопроводе, выравнивающим условия работы и движения во вса-
сывающем трубопроводе, или при работе насоса кратного действия, как это бу-
дет далее подробно указано, значение члена, характеризующего ускорение и вли-
яние последнего, уменьшается, а допустимая высота всасывания увеличивается.
Пример. Определить возможную высоту всасывания насоса, установленного на
отметке 500 м над уровнем моря для перекачивания воды с максимальной температурой 30°.
Размеры насоса. Э поршня —140 мм; 5 — ход поршня = 2 г = 150 мм; л = 80 об/мин.;
Л = 125 мм; Ь = 10 м; V = 1,5 м/сек; на трубопроводе 5 колен в 90°.
Высота всасывания вследствие установки насоса на отметке 4-500 м над уровнем
моря должна определяться, исходя из величины А для этой отметки или, что то же
— = 9,7 м.
Т
Возможные колебания барометрического давления примем равными 0,3 м.
Высота всасывания вследствие перекачивания воды температурой 30° должна быть
уменьшена на 0,43 м.
Расход равен:
х-0,125-
•-------• 1,5 = 0,018 м31сек
и
0,018-4
0 = й.0,140’' 1 >16 м/сек,
а
и1
5—=5=0,07 м.
* &
Сопротивление при входе во всасывающую трубу при наличии на конце ее кла-
пана с сеткой равно
.1,5’
2§ = 5 2 § — 0,57 М-
Сопротивления по длине всасывающего трубопровода равны
, п Ю 1,5’ л„
Хй-2а ~ 0,022 0.125'19,6 ~0,2
V1
Местные сопротивления 25 "Уо ПРИ $ колеиах в 90° составляют 5-0,02 = 0,1 м.
& ъ
Сопротивления во всасывающих
имя в клапане около 3 м, принимаем
приняты тарелчатыми).
?~гп___п8п
1/1 = — 60
клапанах, приближенно считая скорость движе-
9
равными 0,7 - =0,7д-д1 =5= 0 ,65 м (клапаны
3,14-0,15-80
-----бФ-----= 0,63 м1сек.
Величина давления на создание ускорения столба воды во всасывающем трубопроводе
равна
"1 Р_ 10-0,63’0,14’
й’ г '/ “9,81-0,075 - 0,Пб’^6’8*'
Таким образом, возможная высота всасывания Нвс равна
9,7 — (0,3 + 0,43 + 0,07 + 0,57 + 0,2 + 0,1 + 0,63 + 6,8) =5= 0,60 м.
Как это будет выявлено далее, допустимая высота всасывания может быть увели-
чена до 6—6,5 м при установке на всасывающей линии воздушного котла (колпака).
§ 29. Подъем жидкости
Принципиально высота напора, развиваемого насосом, не ограничена и за-
висит от имеющейся мощности двигателя и прочности отдельных частей насоса.
Напор или манометрическая высота подъема равен высоте геометрического
подъема, сложенной с сопротивлениями в трубопроводе и (в отдельных случаях)
с давлением в напорном резервуаре. Вакуумметрическая высота всасывания (гео-
метрическая, сложенная с потерями) и манометрическая высота подъема в сумме
дают полный манометрический подъем.
О влиянии ускорения в напорном трубопроводе и о величине давления в ча-
стицах жидкости у поршня при нагнетании подробно будет сказано далее.
§ 30. К. п. д. поршневого насоса и насосной установки
Теоретический расход (производительность) насоса простого действия
(объем, описываемый поршнем)
_ Р8п „,
§теор фр 1СеК-
Действительный расход (производительность) С) вследствие неплотностей
у поршня, и главное несвоевременной посадки клапанов, а также проникновения
воздуха (газов, пара) в цилиндр насоса — несколько меньше. Отношение действи-
тельного расхода (подачи) к теоретическому представляет собой объемный к. п. д.
насоса (коэфициент наполнения):
„ $
Ятеор '
Для хорошо выполненных насосов т1о может быть принят в пределах 0,90 —
0,99, для малых насосов — 0,85 — 0,90, для прямодействующих — близким к
единице. При неудовлетворительном состоянии насоса т10 может быть много
меньшим.
При открытии и закрытии клапанов точно в момент нахождения поршня в
мертвых положениях т1о может быть близким к единице. Естественно, что с уве-
личением числа оборотов т1о обычно понижается, а при некотором числе оборотов
определенные конструкции клапанов становятся вообще непригодными. Объем-
ный к. п. д. собственно не является к. п. д.;он дает отношение объемов, а не отно-
шение работ (в исключительных случаях т|0 может быть и более единицы). Сле-
довательно, т]0 имеет иное значение, чем остальные к. п. д. Поэтому его лучше
назвать коэфициентом наполнения.
Полезная мощность
Д'ЛС.
п 7э
Мощность, затраченная на валу насоса (насос с кривошипным ме-
д/
ханизмом), больше 1Чп. Отношение -у, т. е. отношение полезной мощно-
сти к мощности, затрачиваемой на валу насоса, представляет собой к. п. д.
насоса:
Коэфициент этот учитывает все потери в насосе, в том числе гидравлические и
механические.
Таким образом, мощность на валу насоса
7эт;«
колеблется в пределах 0,7 — 0,92 в зависимости от размеров, конструкции и
тщательности выполнения насоса.
От к. п. д. насоса следует отличать к. п. д. всей насосной установки
1ч полное
где (Vполное представляет полный расход мощности, т. е. полезный расход плюс
все потери в насосе, передаче и двигателе.
Пример. Трехскальчатый насос, имеющий О = 175 мм и 5 = 225 леи, при испытаниях
на заводском стенде дал следующие результаты: количество подаваемой воды (?= 18,2 л/«к,
давление по манометру у напорного патрубка насоса равно 15 кг/см*, вакуумметр показал
разрежение в 21 см вод. ст.
Расстояние по вертикали между осями манометра и вакуумметра у = 1,2 м. Расход
энергии по ваттметру 35 квт-ч при к. п. д. электродвигателя тм = 0,93. Насос соединен
с двигателем при помощи редуктора, имеющего к. п. д. т]р = 0,97; п = 70 об/мин.
21 • 10,33
Нм = 15-10+-----+ 1,2= 154,04 м;
полезная мощность
^п =
75
18,2 • 154,04
— 75
= 37,5
ЛС.
Затраченная мощность на валу насоса согласно показаниям приборов (ваттметра) и
данных о к. п. д. мотора и передачи:
/V— — г - —-0 93-0 97 = 49 9 ЛС
™ - 0.736 ~ 0,736 ,у у,у' ’ л ’
к. п. д. насоса:
37,5
тт = 42,9 — 0>®°>
к. п. д. установки:
37,5 0,736 „ п
-----35---- = °’79-
Теоретическая производительность насоса:
ЗРЗп к-0,175» „ 70
Ятеор ~ бо —3- .0,22500—19 Л:сек,
объемный к. п. д.:
18,2
тю = о = 0>96
§ 31. Подача поршневым насосом и величина некоторых основных элементов
в работе насоса
Теоретический расход поршневого насоса простого действия уже ука-
зывался:
Р8гг ч /
Ят!оР=-о0- м/сек,
где я —число оборотов или число двойных ходов поршня в минуту.
Действительный расход
_ Р8п „,
<2 = ~б(Г м1сек'
Действительная производительность насоса двойного или /-кратного дей-
ствия
п •р8п
® г,°1 60 ’
где / = 2для насоса двухкратного или двойного действия; / = 3 для
насоса тройного действия и т. д. У насоса двойного действия обе стороны
подают неодинаково, так как шток имеет сечение, равное /. Подача за один
оборот равна:
Р8 + (Р—/)8 = (2Р—/)8.
Пусть иср — средняя скорость движения поршня;
Тогда
28п ,
“о= -бо~ М^сек’
<2 = 1Р
Значения иср для некоторых насосов
даны в табл. 8.
Для вязких жидкостей принимаются
меньшие скорости; при перекачке нефти —
примерно вдвое меньшие.
На выбор величины иср влияют высота
всасывания, длина всасывающей линии, на-
личие или отсутствие воздушного котла (кол-
пака) на всасывающей линии и пр.
При коротких всасывающих линиях или
наличии воздушного котла иср может прини-
маться большим.
Число оборотов или число ДВОЙНЫХ ХО-
ДОВ насоса колеблется от 20 — 30 в 1 мин.
Для тихоходных насосов, относительно боль-
ших— до 150 — 250 в 1 мин. и несколько
выше для быстроходных насосов с малым 5
и специальными клапанами. Как это далее
указано, при большой высоте всасывания
необходимы насосы с малым п, то же при
длинных всасывающих и нагнетательных
трубопроводах.
Средние значения чисел оборотов (двой-
ных ходов) поршневых насосов даны в табл. 9.
Таблица 8
Вид насосов в м/сек
Ручные насосы . . . 0,05—0,15
Прямодействующие насосы ...... 0,3-0,8
Приводные насосы малые 0,3-0,5
Приводные насосы средние ..... 0,6-0,9
Приводные насосы большие 1,2—2,0
Таблица 9
Тип насоса п в мин.
Насосы ручные . . . » штанговые колодезные . 20-30 20—30
Насосы тихоходные . 30-60
» нормальные . » быстроход- ные .... Насосы особой кон- струкции (с корот- 60—100 100—150
ким ходом поршня) 150—250 и несколько выше
Большое увеличение п ведет к быстрому изнашиванию клапанов.
При числе оборотов (двойных ходов) пдобО — 80 применяются клапаны
с посадкой на седло под действием веса; при п, доходящем до 200, — пружинные
и выше—специальной конструкции.
Для подачи насосом определенного расхода <2 при конструировании насоса
8
могут иметь место различные отношения
При большом О и малом 8 длина насоса получится меньшей, давление на
поршень и на отдельные детали механизма, передающего движение поршню,
возрастает, следовательно, размеры их должны быть увеличены.
При малом Ь требуется большее 8, увеличивается длина насоса, облегчаются
отдельные части передаточного механизма, но с увеличением хода поршня при дан-
ном числе оборотов возрастают ускорения и силы инерции.
Насосы для больших Н выполняются с малым О и большим 8; для малых Н—
выполняются с малым 8. Быстроходные насосы выполняются с малым 8. Часто
быстроходные насосы выполняются так, что 8 примерно равно О. Для обычных
5
вертикальных и горизонтальных насосов колеблется в пределах 1,3—2;
5
для паровых и приводных штанговых насосов — колеблется в пределах 2—6.
§ 32. Графическое изображение подачи
Движение воды во всасывающем и напорном трубопроводах связано с дви-
жением поршня насоса.
Последнему движение чаще всего передается кривошипным механизмом (за
исключением паровых прямодействующих и ручных насосов).
>хема кривошипного механизма, передающего движение поршню, представ-
лена на фиг. 88:
<о—угловая скорость вращения,
г — радиус кривошипа,
<₽ — угол поворота кривошипа, равный
х — путь, пройденный поршнем.
Ввиду того что отношение незначительно (меньше 1:5), рассматриваем
шатун бесконечной длины. Это приводит к более простой конечной формуле
и при практическом ее использовании допустимо.
Из фиг. 88 следует:
х = г— гсоз? -= г(1 —соз®);
йх . й<о
и = -ут = гею ® — ш г 81п ®;
а! ' И ' ’
, Ли й'о г — х „ / х
1 — ЮГ СОЗ ® -зу — О)2 ГС08 ® = Ш2Г-= (О2 г I I--
аг а/ • г \ г
Скорость движения поршня изменяется по синусоиде, ускорение — по коси-
нусоиде.
Если по оси абсцисс откладывать угол поворота кривошипа <р или пропорцио-
нальное ему время (движение вала равномерное), а по оси ординат—скорость дви-
жения поршня в каждый момент, то получатся кривые синусоиды, дающие пред-
ставление об изменениях скорости движения поршня, а следовательно и об объе-
мах, подаваемых насосом в каж-
дый момент времени.
Площадь синусоиды, ограни-
ченная двумя ординатами, пред-
ставляет некоторый объем, пода-
ваемый поршнем (насосом) в проме-
жуток времени, соответствующий
указанным ординатам. Площадь
целой ветви синусоиды вверх от
оси абсцисс представляет объем во-
ды, подаваемый насосом за ход
поршня.
Действительно,
проинтегрировав это выражение
в пределах от ш I = 0 до ш I — тг,
т. е. для одного хода, получим
подачу насоса простого действия
•= ---Р ЮГ
соз ш I
ш
= Г5.
Тип насоса
Кривая подачи
Диф> 'еренци-
алоный
насас
Насос
простого
действия
Косое
(плунжерный)
простого
действия
Насос
( плунжерный)
двойного действия
кривоилты под
углом (30*
Сдвоенный
насос
двойного действия,
кривошипы род
углом 30*
ТреаснаяонатОю
насос
нривоииипы под
углом 120*
^/7шг81п ш 1(11
о
о
Фиг. 89
На фиг. 89 представлены кривые подачи насосами простого действия, двой-
ного действия, диференциальным, сдвоенным двойного действия (четырехкрат-
ного действия), строенным. Кривые построены как суммы подач насосами про-
стого действия. Как видно из фиг. 89, наиболее равномерную подачу дают строен-
ные насосы. Значения максимальных скоростей по сравнению со средней;
Для насоса простого действия.........«„„„ = 3,14 «,„
* Шал ’ 1.р
* * ДВОЙНОГО » .........Ытах=1>57 иср
» » тройного » .........«шах = 1 >05 иср
» » четырехкратного действия . . нтах =1,1 иср
Если бы при построении были приняты во внимание сечения штоков, то
кривые, соответствующие одному и другому ходу (одна и другая ветви для на-
соса двойного действия), несколько отличались бы друг от друга, ибо, как ука-
зывалось, подача одной стороной поршня несколько больше подачи другой
стороной.
§ 33. Некоторые теоретические основы движения жидкости
в поршневом насосе
Вследствие возвратно-поступательного движения поршня в поршневом на-
сосе и связанных с ним всасывающем и нагнетательном трубопроводах имеет
место неустановившееся движение жидкости. Решение уравнения неустановив-
шегося движения реальной жидкости позволяет изучить целый ряд явлений в ра-
боте поршневого насоса.
Исследование движения жидкости во всасывающем
и нагнетательном трубопроводах поршневого
насоса
Уравнение неустановившегося движения реальной жидкости имеет вид:
д / р яг\ 1 дя Н
дз \ г ' 7 ' 2 § дё дз
Гидравлический смысл его: при движении реальной жидкости приращение
полной удельной энергии жидкости на единице пути идет на преодоление сил
инерции и преодоление сопротивлений по пути.
На фиг. 90 и 91 изображены схемы насоса простого действия; примем следую-
щие обозначения:
рх—давление в частицах жидкости у поршня при всасывании;
ру—давление в частицах жидкости у поршня при нагнетании;
и—скорость движения поршня;
х—путь, пройденный поршнем при всасывании от мертвого положения
(к рассматриваемому моменту);
у — путь, пройденный поршнем при
нагнетании от мертвого положе-
у-г- ния (к рассматриваемому мо-
। менту);
Фиг. 90
Фиг. 91
5 = 2г— ход поршня:
г0—высота всасывания (собственно высота всасывания Нвс = г0-\ 8);
—высота нагнетания;
ха — глубина погружения трубы под уровнем воды;
р0— атмосферное давление;
ра—давление в частицах жидкости при поступлении во всасывающий
трубопровод;
рн—давление в частицах жидкости в конце нагнетательного трубопро-
вода;
—скорость движения жидкости в конце нагнетательного трубо-
провода;
V — скорость движения жидкости в некотором сечении трубопровода;
Р — площадь поршня;
/—величина некоторого сечения трубопровода.
а) Определение величины давления в частицах
жидкости у поршня при всасывании
Использовав уравнение ^установившегося движения для периода всасы-
вания с траекторией движущейся жидкости от места поступления ее во вса-
сывающую трубу до поршня, умножив обе части уравнения на Лз и проин-
тегриро ав в пределах названной траектории от 5 = 0 до 5 = $Л (положение
частиц у поршня), будем иметь:
8Х 8х
( , Р , V2 \ \ С дъ С , п
( 2 — 1 Рз 4— I —тг с1з 4- \ -т— с1з = 0;
\ Т 2^7 ё } д1 } дз
о о
5Х
[’ 0 [ V- \ , м2 „2 м2
}д8\2о] 2^0 2ё 2ё 2ё
(оа—скорость, с которой жидкость вступает во всасывающий трубопровод
практически близка нулю).
На основе уравнения постоянства расхода
= ир,
следовательно,
дъ _ ди Р '
()1~ сП / ’
8Х
5;
8
О
Г ди Р , 1 ди Г Р ,
I “ГТ “"Т“ -- ТТ 1 (*$)
з д1 / ё д1 } /
о о
ди / х
ибо зависит только от I и не зависит от 8; / на пути движения жидкости,
вообще говоря, может меняться и потому за знак интеграла вынесено быть
не может. Однако, разбив весь путь (трубопровод) на ряд участков с постоян-
ными сечениями Д, /2. можно
8х
О
представить виде:
1 ди
Т д1
Г 3|
1_О
8. 8
Р С Р Г
'Тг^54' \ Лз -р... -р I
/1 4 /2 л
5, зх.
ё 1/Л + у/11
р р
Обозначив выражение -^8Х 4-$п 4-••• и т. д., имеющее измерение
71 7г
длины и называемое приведенной длиной всасывающей линии, через Ьс, имеем:
1 Г ди , I ... .ди
— \ аз = — (Ьс 4- х) —г.
ё ) д1 ё 01
о
Полученное выражение пропорционально инерции движущейся жидкости.
,, ('02 .
Наконец, I аз, характеризующий сопротивления на пути движения
о
жидкости, может быть также разбит на ряд интегралов, заключающих отдель-
ные сопротивления, пропорциональные квадратам скоростей в отдельных уча-
стках (в том числе и клапанах насоса), а так как эти скорости в свою
очередь пропорциональны скорости движения поршня и, то последний инте-
п2
грал примет общий вид: IV — , где IV отражает в себе отдельные коэфициенты
сопротивлений и может быть легко определен для заданного конкретного слу-
чая.
Таким образом, в результате интегрирования имеем:
2°+х+2“+Т Т 2“+2^+~1Г «+1У25“о’
откуда давление в частицах жидкости у поршня при всасывании
— = —-[г04-х4-^^-^4-(и'4-1)^ •
у у [ “ ё 01 2ё
Анализ уравнения позволяет выявить влияние целого ряда факторов на ра-
боту поршневого насоса. Не производя пока анализа, сделаем аналогичный вы-
вод для периода нагнетания.
б) Определение величины давления в частицах
жидкости у поршня при нагнетании
Пусть поршень движется вниз (фиг. 91) и к рассматриваемому моменту прошел
путь у от верхнего мертвого положения. Проинтегрировав уравнение неустановив-
шегося движения (предварительно умноженное на дз) для периода нагнетания
с траекторией движущейся жидкости от поршня до конца нагнетательного тру-
бопровода, т. е. в пределах от $ = зу до $ = з„, имеем:
5»
Г дг , ,
\ -т— с1з 4"
4 дз
5,
8п
С 0? , „
\ — йз = 0:
5,
V2 \ , _ _ ц2
2ё) 2^2 ё'
5»
д /
дз \
1 1 ди
7.) 01
«п
(’ Г Ои ,
.) / 01^'
Разбив весь путь движения жидкости на ряд участков с постоянным
сечением, можно последний интеграл (весь член) представить в таком виде:
1 ди Г р е р <? д. д. р <?
7 о?17Г51 + А5"+-+Х5"
Д = У7;= 8 — у; выражение 5ц4-...+-^ 5Л обозначим через Ьн; оно
У 2 Ул
имеет измерение длины и носит название приведенной длины на-
гнетательного трубопровода.
Искомый интеграл (весь член) примет вид:
_(Ьн + $_у)_.
Наконец,
«л
(рассуждения здесь те же, что и при интегрировании аналогичного члена
при исследовании процессов всасывания).
Таким образом, в результате интегрирования имеем:
+ -(8—у) + ^ + —(Ен 4-8—>)|“ + (Н'—1) и2 .
у Т 2^ ё 61 у
пн также может быть выражено через а:
2Я /л2*25;
/72
обозначив IV — I 4- через IV', имеем:
* п
^-у + ^-(5-У)+^№. + 8-»^+И''5.
в) Анализ величины —
Т
Обращаясь к уравнению
Ь_р«_к+х+мд. ^+(1У+1)Н,
т тЕ ё М ^ё\
приходим к следующим выводам:
I) меньше давления на свободной поверхности жидкости и зависит
от высоты всасывания, длины и сечения всасывающего трубопровода, сопро-
тивлений в трубопроводе и насосе (клапанах), скорости движения поршня и
ускорения движущейся жидкости;
2) при определенных значениях членов, входящих в уравнение, мо-
жет быть очень малой величиной. Значение меньшее давления паров
перекачиваемой жидкости при температуре жидкости, или отрицательное зна-
Рх
чение получаемое из уравнения при определенных значениях входящих
в него членов, означает разрыв струи жидкости и отделение поршня от вса-
сываемой жидкости. Это вызывает удар жидкости о поршень, когда послед-
5 Водоснабжение
65
ний замедлит свое движение и будет настигнут движущейся жидкостью, или
когда возвращаясь из мертвого положения встретит жидкость, движущуюся
навстречу;
3) правильное действие насоса требует, чтобы при всяком положении поршня
правая часть уравнения была больше давления паров перекачиваемой жидко-
сти при температуре жидкости, а это налагает определенные ограничения на
величину входящих в уравнение членов;
4) высота всасывания поршневого насоса может быть тем большей, чем
меньше х, т. е. горизонтальные насосы при больших высотах всасывания могут
оказаться предпочтительными перед вертикальными;
5) высота всасывания может быть тем больше, чем меньше длина всасываю-
щего трубопровода и больше его сечение;
б) высота всасывания у тихоходных насосов может быть больше, чем у бы-
строходных;
7) высота всасывания зависит от инерционных сил; последние, находясь в оп-
ределенной связи с остальными членами уравнения, имеют также ограниченную
величину, что указывает на определенное ограничение числа оборотов (двойных
ходов) поршневого насоса, после чего нормальная его работа становится невоз-
можной;
8) —, будучи величиной переменной, зависит от положения поршня; на-
рушение нормальной работы насоса, зависящее от рх, произойдет при наименьшем
его значении (при соответствующих значениях прочих величин, входящих в урав-
нение).
Положение поршня с наименьшим — может быть найдено в резуль-
тате графического построения величины — в зависимости от положения пор-
шня, т. е. в функции от х.
Так как ц = шг 3]-п
— = ш2г соз = ш2г 1-----1 ;
01 \ Г ]
и2 _ш2г2зт2ш^ _шМ(1—соз2 и>() ш2г2 Г / х V"
2% ~ V ~У/ .
—— 1 — 1 --------- =____ | .
2^ \ 'г г2 / 2^ \ г г2)
п Рх
Подставив в выражение для —
получим:
I II
значения и,
ди и2 ,
и —- в функции от х,
01 &&
III IV
О)2г2 /9^ \
+ («'+»
Откладывая по оси абсцисс путь, пройденный поршнем (от х = 0 до
х — 2г), а по оси ординат соответствующие значения членов I, II... V с уче-
том их знаков, получим графическое изображение каждого члена, а так как
у представляет алгебраическую сумму указанных членов, то по суммирова-
нии их на графике (суммирование ординат) получим величину —.
Обычно из члена, характеризующего сопротивления, выделяют сопротив-
ления в клапане, имеющие наибольшее значение в начале хода поршня (подъем
клапана), далее с грубым приближением их можно принимать одинаковыми.
Результаты построения даны на фиг. 92. Член / — прямая, параллельная
оси абсцисс; член II — прямая наклонная; член III—прямая, проходящая
через точку 0.
Ь / х\ Ь
Действительно, — ш2г (I-----) при х = 0 принимает значение — ш2г;
при х = г принимает значение 0;
при х = 2г принимает значение—<о2г.
Следует обратить внимание, что чем ш и особенно Ьс больше, тем наклон этой
прямой больше.
Член IV — парабола, проходящая через точку О.
Действительно, — ш2г (1——) при х=0 принимает значение 0; при
х= г принимает значение 0; при х = 2г
2гг
принимает значение----— ш2.
Член V — парабола; при х = 0 и х = 2г
принимает значение 0.
Сопротивление во всасывающем клапане
показано отдельно.
Из рассмотрения суммарной кривой
следует:
I) Наименьшее значение — имеет ме
Т
сто в начале хода поршня: именно в этом
положении поршня и может произойти раз-
рыв струи.
2) Характер кривой — в значительной
Фиг. 92
мере предопределяется характе-
ром (наклоном) прямой, графически изображающей член III, зависящий от вели-
чины Ьс и инерции движущейся жидкости.
Из графика видно, что Ьс и число двойных ходов поршня должны быть
ограничены.
3) Суммарная кривая должна быть расположена исключительно в
положительной части графика (выше х — х), в противном случае работа на-
соса невозможна. Если при построении кривая ~ займет такое положение,
что частично разместится ниже оси х—х, То график позволит определить, на
с р,
какую величину необходимо увеличить — для получения нормальной ра-
боты насоса.
4) Для указанного увеличения ~ могут быть приняты следующие меры:
уменьшение Ьс (замена части трубы трубой большего сечения или возмож-
ным сокращением длины трубы), снятие клапана у начала всасывающей трубы
или замена его клапаном другой конструкции, уменьшение числа оборотов
насоса и, наконец, как это далее будет разъяснено, установка на всасываю-
щем трубопроводе оздушного котла (колпака).
Пример. Требуется определить давление у поршня при всасывании насосом про-
стого действия, приводимым в движение от кривошипного механизма: радиус кривошипа
г = 125 мм, ход поршня 5 = 250 мм, число оборотов п = 64 в 1 мин. Необходимые раз-
меры приведены иа фиг. 93.
Средняя высота над уровнем моря в месте установки насоса равна 250 м; соответ
ствующее этому _Е» = 10 л<. Расстояние от нижнего положения поршня до уровня воды
7
в резервуаре 20 = 3 м; длина всасывающей линии Ь = 6,65 м; диаметр ее ц = 0,10 м", ди-
аметр патрубка, соединяющего всасывающую камеру с цилиндром, й„ = 0,15 м; расстоя-
ние от оси клапана до оси цилиндра Ь = 0,30 л; на всасывающей линии установлены
приемный клапан с сеткой и два отвода.
Как уже указывалось, наиболее невыгодным для является крайнее нижнее по-
7
ложение поршня (х = 0).
Давление у поршня:
= —Гхо+х-Ь + ®2г (1 —+ (77+ 1)
7 7 Ь 8
\ г) \г г / Д
Определим величину члена, зависящего от
инерции воды во всасывающей трубе,
'‘-'М'-т)-.
Приведенная длина
г'-в’®О+0’3О%'“’'50л':
<а=^г=?>14-64 = 6,70;
30 30
Й1 = ^у-6,7г • 0,125 (1 — -^=6,05^1—А);
при х = 0 /г, =6 ,05 м‘,
при х = г /г4 =0;
при х = 2г /г{ = — 6,05 м.
Сопротивление всасывающего клапана в насосе и приемного клапана в момент их
подъема можно принять практически в среднем равным 0,7 м; кпр.к = Ьк= 0,7 м; для
всего остального хода это сопротивление можно практически принять примерно постоян-
ным и равным 0,3 м.
Член, зависящий от инерции воды в самом цилиндре,
при х = 0
й; = о.
Член, характеризующий сопротивления во всасывающей трубе,
(77 + 1)^
при х = 0 также равен 0.
Таким образом, при х = 0
= 10 — 3 - 6,05 — 0,7 - 0,7 = -0,45 м.
7
Давление под поршнем — отрицательная величина, что не может иметь места,
(нормальное всасывание невозможно), поэтому необходимы меры для увеличения до
соответствующей положительной величины. Практически для действующей установки воз-
можно:
1) устранение нижнего приемного клапана, что дает возможность увеличить -Е*.
примерно на 0,7 м; ‘
2) уменьшение числа оборотов насоса; для уменьшения величины к* с 6,05 до
5,60 м достаточно уменьшить угловую скорость в отношении = 0,96, т. е. «долж-
но быть равно:
64-0,96 ^60 об/мин.
При желании определить численные значения Е*. для х — г и х = 2г необходимо
7
уточнить численные значения IV и члена, содержащего IV для данного конкретного слу-
чая, после чего определится Е*. .
„ 7
величина, входящая в выражение
(^+1)= (ж +1)
2^ \ г г2)
определится в зависимости от характера сопротивлений.
В данном случае имеем:
2 5=0,2-2 = 0,4;
Е -— 1
^вс. сет ’
(сопротивление в клапане выделено и учтено отдельно);
, 0.02-6.65 . о.
Л 0,10 ’ ’
Е 5 =3,20.
Сопротивления во всасывающей трубе равны:
Таким образом,
IV! = 3,2 ((Ы25!2= 4 99.
1 \0,10/
То же в патрубке длиной Ь — 0,3 м и й = 150 мм;
2^=2-1,25 = 2,50
(для поворота без закругления 5 можно принять равным 1 — 1,25).
Е _ 0,02-0,3 0 04;
-0 15-
25 = 2,54;
14^2 = 2,54 1,79;
2 \ 0,15 /
IV = + IV 2 = 4,99 4- 1,79 = 6,78;
(7У+ 1) = (14-6,78) ?ЛА1252|2х_ =
К 7 2§ \г г2] 7 19,62 \г г2/
= 0,275 ^-^);
при х = 0 этот член равен 0: при х = г он равен 0,275 м;
прих=2г он равен 0.
Как уже указано, сопротивления в клапане учтены отдельно. Дальнейшее определение
— для х = г и для х = 2г не представляет затруднений.
г) Анализ величины^.
Т
Рассматривая уравнение
Рч Рп , /е ч , 1 ,, , о ч ди , и2
-^ = — + ^-(5-/)+ - (Ьн + 8-у) - + Ц/',
приходим к следующим выводам:
1) — на протяжении хода поршня меняет свою
величину;
2) член — (Лн +5 — у) , отражающий действие инерционных сил, ме-
ё 01
няет свой знак на протяжении хода поршня и во второй половине хода имеет
/ ди \
знак минус I и уменьшается,-- отрицательно) .
Так как при этом Ьн может иметь большое численное значение, то вели-
чина этого члена может стать больше суммы остальных членов уравне-
ния и тогда "у может стать отрицательной величиной, т. е. работа насоса
при этом окажется невозможной. Таким образом, с точки зрения процесса
в период нагнетания число оборотов поршневого насоса ограничено;
3) резкие увеличения и уменьшения давления в период нагнетания,
связанные с величиной Ьн и и, могут привести к явлениям, аналогичным
явлениям гидравлического удара;
4) возможность указанных ненормальных явлений тем меньшая, чем
больше давление рн в конце нагнетательного трубопровода и высота подъ-
ема гг.
Наименьшее ~у- может быть указано в результате графического построе-
ния величины в зависимости от положения поршня, т. е. в функции от
у. (Для процесса нагнетания путь, проходимый поршнем, обозначен у, в соот-
ди и2 .
ветствии с чем в выражения для и, и — вместо х входит у.)
Имеем:
II
II о
III
Ш2Г ( 1 — —+ ----------- ш2г ( 1--—) +
\ г / ' ё \ г /
2ё \Г г2) •
Откладывая по оси абсцисс путь, пройденный поршнем (от у — 0 до
у = 2г), а по оси ординат соот етствующие значения членов I, И... V с учетом
их знаков, получим графическое изображение каждого члена, а по суммиро-
вании их (суммирование ординат) —член .
Здесь также выделено сопротивление в нагнетательном клапане, показан-
ное отдельно.
Результаты построения видны на фиг. 94.
Член / — прямая, параллельная оси абсцисс; член II — прямая наклон-
ная; член /// — прямая, проходящая через точку 0. Чем больше ши осо-
бенно Ьн,тем наклон этой прямой больше; член IV—парабола, проходя-
щая через точку 0; член V — парабола.
Из рассмотрения суммарной кривой у- следует:
1) наименьшее значение имеет в конце хода поршня (именно
при этом положении поршня может иметь место ненормальная работа насоса);
2) характер кривой в значительной мере предопределяется характе-
ром (наклоном) прямой, графически изображающей член, зависящий от Ьн
и инерции движущейся жидкости;
3) в случае недопустимо малой величины и ненормальных явлений
в насосе график позволит наметить определенные мероприятия для создания
нормальной работы насоса (чаще — уменьшение
зволит определить необходимое число обо-
ротов).
д) Давления -- и для н а с о-
7 7
сов кратного действия
Изложенное относилось к насосам про-
стого действия.
При работе насосов кратного действия
движение жидкости в трубопроводах отли-
чается вследствие наложения движений,
обусловленных работой отдельных насосов
простого действия, составляющих насосы
кратного действия. Поэтому отличаются и
ускорения движения, значительно влияю-
рг
щие на величины — и
7
числа оборотов; график по-
Изменения —
7
и для различных на-
сосов кратного действия различны.
Так, для насосов Двойного действия жидкость во всасывающем и нагне-
тательном трубопроводах ни при одном ходе поршня не будет оставаться в покое
(ясно видно из кривых подачи). Однако колебания значений скоростей за один
ход поршня, а следовательно и ускорений, здесь такие же, как и у насосов про-
стого действия, следовательно, конструирование насоса двойного действия не
оказывает влияния на величины
Аи^..
7 Т
У диференциального насоса не меняется по сравнению с насосом простого
действия, а изменения у у этого насоса отличаются, потому что он подает за
каждый ход половинное количество воды, следовательно, максимальная скорость
и максимальное ускорение жидкости здесь колеблются в меньших пределах.
То же следует сказать о насосе четырехкратного действия (спаренный насос
двойного действия) и особенно о насосе тройного действия, у которого ско-
рости и ускорения движения жидкости в трубопроводах колеблются в относи-
тельно меньших пределах, а следовательно в относительно меньших пределах
колеблются
^-и^.
т т
Трехскальчатые насосы ослабляют действие инерционных сил и являются
наиболее подходящими при значительном числе оборотов (двойных ходов) насоса.
§ 34. Воздушные колпаки (котлы)
Воздушные колпаки выравнивают скорости движения жидкости в трубах.
Однако вместе с тем они выравнивают давления — в частицах жидкости при вса-
сывании и & —при нагнетании. Характер и причины такого выравнивания давле-
ний, играющего столь большую роль в работе поршневых насосов, следуют
из приведенного ниже.
На фиг. 95 представлена схема поршневого насоса простого действия с кол-
паками на всасывающем и нагнетательном трубопроводах. Колпаки эти нахо-
дятся в непосредственной близости у камеры всасывания и нагнетания насоса, и их
часто называют всасывающими и нагнетательными (воздушными) колпаками.
Сущность действия всасывающего воздушного
колпака—герметически закрытого котла, располо-
женного ниже поршня и сообщающегося трубой с I _
Фиг. 95
Фиг. 96
нижним уровнем жидкости,—сводится к тому, что насос засасывает жидкость непо-
средственно из колпака по очень короткой всасывающей трубе; вследствие ваку-
ума в колпаке жидкость движется к нему, причем движение ее от нижнего
уровня близко к установившемуся, ибо колебания уровня жидкости в колпаке
незначительны. При наличии всасывающего колпака уровень жидкости как бы
приближается к поршню.
Вследствие более равномерного движения жидкости от нижнего уровня
в колпак сопротивления во всасывающей трубе уменьшаются. Движение остается
неравномерным только на коротком участке трубы. Ускорение должно сооб-
щаться лишь небольшому объему жидкости между воздушным колпаком и вса-
сывающей камерой насоса, поэтому воздушные колпаки необходимо иметь в
непосредственной близости у насоса.
Над уровнем жидкости в колпаке находится воздух; давление его меньше
атмосферного на величину, зависящую от расположения всасывающего колпака
над нижним уровнем жидкости.
На фиг. 96 показана схема установки всасывающего воздушного колпака.
Давление воздуха в колпаке:
Рк_= Ро
Т 7
2^’
2
где — потери на сопротивления в трубе при скорости з ней п*к;
^6
(Л«+х) ди , ,ИЛ , 1Ч и2)
—------^+(^ + 1) 2^],
==р^_
где Ьск — приведенная длина небольшого участка всасывающей трубы между
всасывающей камерой насоса и колпаком,
IV к— член, характеризующий потери на этом же участке трубы, и т. д.
Графическое построение — в этом случае показано на фиг. 97. Как
видно из фигуры, член /// — прямая, предопределяющая в значительной
мере характер кривой здесь резко уменьшает свои наклон (приближается
к горизонтальной прямой) — это приводит к соответствующему изменению
„ рх
наклона суммарной кривой -у-.
Таким образом, при наличии воздушного колпака на всасывающем трубо-
проводе движение становится более близким к равномерному и колебания дав-
лений в частицах жидкости у поршня становятся менее значительными. Послед-
нее обстоятельство позволяет:
Фиг. 97
1) увеличить высоту всасывания;
2) увеличить число оборотов (двойных ходов) насоса и т. д.
При установке нагнетательного воздушного колпака у поршневого насоса про-
стого действия при одном ходе поршня часть вытесняемой поршнем жидкости
идет непосредственно в трубопровод, часть — в колпак, сжимая в последнем
воздух; при другом ходе поршня избыток давления воздуха вытесняет жидкость
из колпака в нагнетательный трубопровод.
Таким образом, нагнетательный колпак выравнивает поток в нагнета-
тельном трубопроводе. Работа колпака и достаточное выравнивание потока
требуют соответственно большого объема воздуха.
На фиг. 98 показана схема поршневого насоса простого действия с нагнета-
тельным воздушным колпаком. Так как насос непосредственно нагнетает жид-
кость в колпак, давление в котором равно рт, то имеем:
у = ~ + 2т— (5— У) +у [Ьпт + 5 — у] + 2^’
2 2
Рт _ । 7 _7 I I У? ''т
Т~Т+ 1 ^+2^+^2я.
* 1>к — скорость в трубопроводе для случая установки воздушного колпака.
где Ьпт—приведенная длина небольшого участка нагнетательной трубы от
камеры нагнетания у насоса до колпака;
1Ут'—член, характеризующий потери на том же участке;
»т— скорость в напорном трубопроводе (при установке нагнетатель-
ного колпака);
опт— скорость у выхода из трубопровода.
Если построить кривую ^-для поршневого насоса с нагнетательнымколпа-
7
ком, нетрудно убедиться, что колебания величины значительно умень-
шатся по сравнению с аналогичными колебаниями при отсутствии колпака. Это и
понятно, ибо на характер кривой в значительной мере влиял член III, за-
висящий от приведенной длины нагнетательного трубопровода, а последняя при
наличии воздушного колпака мала.
Таким образом, воздушный колпак на нагнетательном трубопроводе вырав-
нивает подачу и давление у поршня; он позволяет увеличить число оборотов на-
соса, так как влияние члена, зависящего от инерции движущейся жидкости,
в этом случае невелико.
Фиг. 99
В начале действия насоса, когда необходимо привести в движение значитель-
ные массы жидкости, явления протекают сложнее; в соответствии с этим и осо-
бенно при длинных напорных линиях нужен некоторый запас мощности дви-
гателя.
На фиг. 99 показаны встречающиеся случаи правильного и неправильного вы-
полнения и установки всасывающих колпаков (а и б — неправильная установка,
в — допускаемая, г—наиболее правильная). Колпаки должны быть как можно
ближе к камере всасывания; в этом случае одной из лучших конструкций являет-
ся такая, в которой нижняя часть насоса одновременно служит и всасывающим
колпаком, т. е. последний конструктивно представляет часть самого насоса;
важно и то, что поверхность жидкости в воздушном колпаке здесь большая.
Объем воздуха в воздушных колпаках выбирается с таким расчетом, чтобы
колебания давлений, характеризуемые степенью неравномерности колпака,
О = Ртах ~рт1п, что можно принять равным -тах-~ п, практически нахо-
Рт Ут
дились в пределах 2—5%.
Здесь ’\>т— средний, отах—максимальный и ют(п минимальный объемы воз-
духа в колпаке.; рт, ртах и рт1П—среднее, максимальное и минимальное
давления в колпаке.
При примерных подсчетах объем воздуха во всасывающем воздуш-
ном колпаке для насоса простого действия может быть принят рав-
ным/Р5, где I принимается различным в зависимости от высоты всасывания и
числа колен на всасывающем трубопроводе (табл. 10).
Таблица 10
Высота всасывания в м 5 6 7 8
Объем воздуха при малом числе колен . . . То же при большом числе колен 5 Р8 7 Р8 8 Р8 11 Р8 12 Р8 16 Р8 16 Р8 20 Р8
Объем воздуха в колпаке можно считать равным примерно 2/3 объема кол-
пака; необходимый объем воздуха и колпака для насосов двойного действия
примерно вдвое меньше и в несколько раз менее для насосов тройного дей-
ствия. Воздух во всасывающем колпаке накопляется в зависимости от нали-
чия его в воде, высоты всасывания (вакуума) и пр. В больших насосах удале-
ние воздуха может происходить при помощи особых устройств, в малых и
средних — избыточный воздух при накоплении удаляется вместе с водой. Арма-
тура всасывающего колпака — вакуумметр, водомерное стекло, устрой-
ство для отсасывания воздуха. Необходимый минимальный объем воздуха в
нагнетательном колпаке для насосов простого действия может быть принят
0,55
равным -у- Е$.
В табл. 11 приведены объемы воздуха в воздушных нагнетательных колпаках
для различных насосов.
Таблица 11
Тип насоса 8=0,02 8=0,05
Насос простого действия » двойного » » тройного » 27 Р8 10,5 Р8 0,45 Р8 11 Р8 4,2 Р8 0,18 Р8
Как видно из табл. 11, насосы кратного действия требуют устройства
воздушного колпака со значительно меньшим объемом воздуха.
Для выбора размеров нагнетательного колпака насоса простого действия
пользуются также эмпирическими данными, указывающими объем воздуха в кол-
паке, равный 1Р8 в зависимости от давления в нем (в метрах водяного столба) и
длины нагнетательной линии в метрах.
Значения / приведены в табл. 12.
Таблица 12
в м 20 50 100 500 1000 2000
1 в зависимости от числа колен 4—6 5—7 6—9 9—12 12—16 16—20
Иногда предусматривают небольшой колпак у насоса, а другой уста-
навливают на линии.
Воздух в нагнетательном колпаке находится под повышенным давлением и
постепенно уходит с водой, растворяясь в ней. Он пополняется здесь при
помощи особых приспособлений.
Необходимая арматура нагнетательных колпаков — манометр, водомер-
ное стекло, краники, предохранительный клапан и припособления для попол-
нения колпака воздухом.
У некоторых насосов впуск воздуха производится в цилиндр неподалеку от
нагнетательного клапана. Впуск осуществляется открытием специального кла-
пана в период всасывания; воздух попадает в камеру нагнетания, а далее вместе
с водой поступает в нагнетательный воздушный колпак.
На фиг. 100 показано устройство для впуска воздуха с дополнительным кол-
пачком / и краниками а, в и с. При закрытых краниках а и с и открытом в выпу-
скается вода из колпачка /, далее открывается краник с и в колпачок поступает
Зылускводы
Фиг. 100
(фиг. 102), получим
диаграмму насоса о
воздух; открывается краник
а, закрывается краник с,
часть воздуха поступает в кол-
пак //.
На фиг. 101 показана
арматура всасывающего и на-
гнетательного колпаков.
§ 35. Индикаторная
диаграмма насоса
Объединяя кривые да-
влений на одной диаграмме
теоретическую индикаторную
ростого действия без колпа-
ков. Площадь, ограниченная обеими кривыми,
представляет работу за оба хода поршня или один
оборот.
Диаграмма снимается индикатором, нанося-
щим в определенном масштабе давления в каж-
дый момент в зависимости от положения поршня;
На фиг. 103 дана диаграмма Ьс1е работы насоса
в предположении: а) полного заполнения цилиндра
перекачиваемой жидкостью (отсутствие пузырьков
воздуха), б) правильного и плотного прилегания
поршня к цилиндру и клапанов к своим седлам,
в) отсутствия сопротивлений при движении жидко-
сти через клапаны, г) на-
Фиг. 101
7—предохранительный клапан; 2,
77—водомерные стекла; 3—трубка
для заполнения насоса водой;
4—кран; 5—манометр; 6, 14 — воз-
душные краны; 7—трубка для на-
гнетания воздуха; 8, 7 2—люки;
9—перепускная трубка с краном;
10—вакуумметр; 13—трубка для
отсасывания воздуха
личия воздушных колпа-
ков со значительными объ-
емами воздуха (позволяющими давление в колпаках
считать практически неизменным).
При данных условиях индикаторная диаграмма
ЬсЛе представляется идеальной.
Действительная диа-
грамма Ь' с'(Ге' отличается
от идеальной: в' с' откло-
няется от вертикали ввиду
необходимости сжать по-
павший при всасывании
воздух, а также ввиду
того, что к началу нагне-
тания всасывающий кла-
пан еще не успел полно-
стью закрыться.
Точка с' выше точки с
Фиг. 103
ввиду необходимости раз-
вить дополнительное давление для подъема нагнетательного клапана. Колеба-
ния давления после точки с' вызваны инерционными силами, проявляющимися
в жидкости; падение давления в конце хода поршня (Ге') также происходит
с некоторым запозданием вследствие запоздания посадки нагнетательного кла-
пана; далее, е' ниже точки е (большее разрежение) вследствие необходимости
приподнять всасывающий клапан и т. д.
При ограниченных объемах воздуха в колпаках вместо горизонтальных пря-
мых участков индикатор зачерчивает вытянутые кривые линии.
Индикаторные диаграммы чрезвычайно важны, ибо они указывают на воз-
можные ненормальности в работе насоса.
На фиг. 104 показан ряд диаграмм, указывающих на ненормальную работу
насоса:
диаграмма 104,а — насос вместе с водой всасывает воздух (неплотности во
всасывающем трубопроводе); необходимость сжатия его (вытеснения) ведет к
, К
уменьшению объемного к. п. д., характеризуемого в диаграмме отношением
форма кривой повышения давления соответствует уравнению ри = соп51;
диаграмма 104,6 — в рабочей камере насоса воздушный мешок;
диаграмма 104,в иг — запаздывание посадки всасывающего и нагнетатель-
ного клапанов вследствие недостаточной нагрузки их;
диаграмма 104,Оие — пропуск всасывающего и нагнетательного клапанов
вследствие засорения или поломки;
Фиг. 104
диаграмма 104, ж и з — колпаки с недостаточным объемом воздуха и удален-
ные от насоса; поступление воды со значительными колебаниями.
Индикаторная диаграмма позволяет определить индикаторную мощность на-
соса:
ЛС,
т. е. ту мощность, которую поршень передал жидкости.
Площадь индикаторной диаграммы (определяемая планиметром) позволяет
вычислить среднюю ординату диаграммы, изображающую в определенном
масштабе среднее индикаторное давление.
Среднее индикаторное давление р1 кг/смг оказывается больше манометри-
ческого напора Нм, т. е.
ЮОООр^хНм.
Выражение 10000 р, можно назвать индикаторным напором.
Отношение = V — гидравлический к. п. д. насоса, учитывающий гид-
Н {
равлические потери ~ насосе.
То же
(Объемные потери здесь не рассматриваются.)
С другой стороны, механический к. п. д. насоса, учитывающий трение
в подшипниках, сальниках и т. д., равен
_ М
т>мех ~ '
§ 36. Движение жидкости в клапанах поршневых насосов
Назначение клапанов ясно из изложенного выше.
Теория действия клапанов поршневых насосов сложна и не дает в ряде
вопросов законченных решений. Здесь приводятся лишь некоторые основные
понятия и эмпирические зависимости.
Различают следующие типы клапанов:
а) подъемные, движущиеся нормально к опорной поверхности, имеющие наи-
большее распространение;
б) шарнирные, вращающиеся около закрепленной оси;
в) золотники, перемещающиеся по опорной поверхности.
Открытие перекрываемых отверстий у клапанов, отмеченных в пп. «а» и «б»,
происходит под влиянием разности давлений ниже и выше клапана; откры-
тие золотников — вынужденное.
Различают:
а) весовые, или грузовые, клапаны, закрывающие отверстия под влиянием
своего веса;
б) пружинные клапаны, закрывающие отверстия под влиянием веса и пру-
жины;
в) клапаны с вынужденной посадкой, осуществляемой особым механизмом.
Закрытие золотников вынужденное.
В зависимости от конструкции различают тарелчатые клапаны с плоской
опорной поверхностью, конусные с конической опорной поверхностью, шаровые,
групповые и т. д.
В условиях неустановившегося движения клапан при подъеме и посадке
движется различно, причем движение это весьма сложно и подчиняется сложным
зависимостям.
Основные требования, предъявляемые к клапану при его конструировании:
спокойная посадка без стука, зависящая от скорости, с которой клапан садится на
седло, возможно меньшее сопротивление, открытие и закрытие отверстий с
меньшим запозданием возможно ближе к моментам нахождения поршня в мерт-
вом положении.
Для расчета клапанов приводятся различные методы и приемы, базирую-
щиеся на опытных данных.
Формула
Атах п 500 — 600,
где йтах — максимальная высота подъема клапана в мм;
п—число оборотов насоса в мин.
будучи принята при расчете клапанов, должна обеспечить согласно опытам
проф. Куколевского, безударную посадку.
Существуют и иные, основанные на опыте методы подбора и расчета клапанов
для достижения посадки их без стука.
Существенными элементами в расчете являются скорость через отвер-
стие в клапане и сопротивление в клапане, возникающее вследствие изменения
здесь величины и направления скорости движения. Скорость движения в клапане
меняется, подъем его также меняется, изменяются и сопротивления.
На фиг. 105 показана кривая изменений потери напора в клапане йКл на про-
тяжении хода поршня. Как видно из кривой, потеря напора в начале хода порш-
ня наибольшая, а далее почти постоянная. Объясняется это тем, что в момент на-
чала движения клапана необходимо преодолеть его инерцию.
Можно принять для одного из типов насосов (фиг. 106):
»г = 1>.-пс12/1к3 = Р 1,57 иср,
где й2—диаметр клапанной коробки (седла) непосредственно перед клапаном
(й3 несколько больше д!2);
«2 — скорость движения жидкости непосредственно перед клапаном в м/сек;
«з—скорость движения в клапане при его открытии (фиг. 107).
Для наибольшей скорости движения поршня
4Р
®2 = 1,57 иср м/сек;
’•=‘'57"»Л? “1сек-
При расчете клапанов существенными являются:
1) скорость движения р3 в отверстиях всасывающего клапана в зависимости
от предположенной высоты всасывания, числа оборотов и пр.;
2) то же для нагнетательного клапана в зависимости от высоты нагне-
тания, степени чистоты жидкости и пр.,
Фиг. 107
3) высота подъема клапана в зависимости от числа оборотов, величины
насоса, условий безударной посадки и т. д.
Скорость «3 в зависимости от высоты всасывания может быть по Наейег'у
примерно в следующих пределах:
Нвс 1,5 3 4 5 6 7 7,5 л
1>3 7 6 5 4 3 2 1,2 м/сек
Для нагнетательных клапанов скорость «3 в зависимости от высоты
нагнетания может быть принята примерно в следующих пределах:
20 30 50 70
1>а 2 2,5 3,5 4
Потеря напора 0,30 9,45 0,85 1,1
Для обычных насосов и чисел оборотов К
12 мм и обычно не выше 15 мм.
125 200 м
5 6 м/сек
1,8 2,5 м
принимается в пределах до
При отсутствии соответствующих данных для предварительных расчетов
можно принимать равным примерно около 2 — 3 м. Большие «3 принимаются
при малых высотах всасывания и при больших напорах. Например, у насо-
сов к гидравлическим прессам давлением до 50 ат «3 принимается
8 м, всасывание при этом не имеет места. Нормально «з у всасывающих
клапанов 2 м/сек. Сопротивление можно принимать равным примерно
2 2
0,7 для тарелчатых клапанов и 0,35^ для конических Ч
Я ё
1 Более точные сведения н подробные исследования клапанов см. Берг, Теория порш-
невых насосов, перевод с нем., 1935.
§ 37. Конструкции поршневых насосов
А. ОСНОВНЫЕ ДЕТАЛИ НАСОСОВ
а) Поршни
На фиг. 108 показаны схемы различных поршней (7 — дисковый, 2 — про-
ходной, 3 и 4 — плунжер). На фиг. 109 показан поршень, выполненный из чугуна
(реже из бронзы) с уплотняющими кольцами из кожи; на фиг. ПО — поршень
с уплотняющими кольцами из дерева и на фиг. 111 — поршень с металлическими
кольцами.
Деревянные уплотняющие кольца из
отдельных сегментов прижимаются к стенкам
цилиндра стальной пружиной. Кожа приме-
няется для уплотнения при перекачке ней-
тральных вод, имеющих температуру не
выше 30°, дерево — при перекачке воды,
имеющей более высокую температуру. Раз-
Фиг. 109
/ 2
4
Фиг. 108
резные пружинящие металлические кольца из материала более мягкого, чем
стенки цилиндра, применяются при перекачке чистой воды.
Кожаные манжеты при длительной остановке насоса высыхают и для работы
с продолжительными перерывами не пригодны. В этих последних случаях ино-
гда металлический поршень с рядом заточек на его поверхности пришлифовы-
вают к цилиндру. Для уплотнения поршней применяется также бумажная или
льняная набивка, проваренная в сале.
Плунжеры обычно выполняются из чугуна; для облегчения веса они часто
делаются пустотелыми (на фиг 112).
Плунжеры имеют на концах закругления и иногда заканчиваются кони-
ческой поверхностью, что ведет к некоторому уменьшению сопротивлений.
б) Сальники
Сальники (фиг. 113) служат для уплотнения поршневых штоков и плун-
жеров при выходе их из цилиндров насосов. В качестве уплотняющего матери-
ала применяется хлопчатобумажная и пеньковая просаленная набивка. При
больших давлениях применяется набивка из кожаных колец (фиг. 114), а для
горячих жидкостей — из особых сплавов. Сальники и грундбуксы выпол-
няются из бронзы.
з) Клапаны
На фиг. 115 показан простой тарелчатый клапан без пружины и верхних
направляющих, с нижними ребрами и плоской опорной поверхностью, он уста-
навливается в насосах небольшой производительности при небольшом числе
Фиг. ИЗ Фиг. 114 Фиг. 115
оборотов; седло выполнено в виде бронзовой втулки. Ограничитель подъема
клапана расположен так, что клапан при нормальной работе не ударяется и не
может выскочить из седла.
Нафиг. 116 изображен клапан с пружинной нагрузкой.
На фиг. 117 изображен кольцевой клапан с концентрическими кольцами
в нем, т. е. многоопорный клапан. Такой клапан при небольшой высоте подъема
имеет значительное проходное
сечение.
Часто один большой клапан
заменяется группой клапанов
(фиг. 118) небольших размеров.
Такое устройство облегчает
ремонт клапана, однако, при
этом отдельные клапаны могут
работать в разных условиях.
Фиг. 117
Фиг. 116
Конические клапаны употребляются главным образом как запорные.
Конструкции клапанов вообще разнообразны; имеются специальные кон-
струкции для загрязненной жидкости, быстроходных насосов и т. д.
На фиг. 119 представлена схема откидного клапана, применяемого для за-
грязненных жидкостей при малом числе оборотов насоса; для правильной посадки
клапан может быть нагружен пружиной.
6 Водоснабжение
81
Б. ПРИВОД К ПОРШНЕВЫМ НАСОСАМ
Схемы приведения в действие поршневых насосов паровыми машинами
(фиг. 120), встречающиеся и до сих пор на некоторых работающих водопроводах,
в настоящее время в практике проектирования почти исключаются.
Фиг. 120
Поршневые насосы
приводятся в действие при
помощи ременной пере-
дачи от двигателей вну-
треннего сгорания, локо-
Фиг. 119
мобилеи и пр. В отдельных редких случаях не исключается и привод от элек-
тродвигателя.
На фиг. 121 показан привод к насосу от электродвигателя при помощи зуб-
чатой передачи. Последний на жел.-дор. транспорте может найти весьма ограни-
ченное применение, так как при наличии электроэнергии чаще представится
Фиг. 121
более целесообразным установка центро-
бежных насосов, приводимых в действие
электродвигателями.
Большое применение на жел.-дор.
транспорте имеет непосредственное при-
ведение в действие насоса от паровой
машины без маховика и кривошипного
механизма (прямодействующие насосы).
Таких насосов на жел.-дор. транспорте
более половины от всего установленного
количества насосов.
В. РАЗНОВИДНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ
ПОРШНЕВЫХ НАСОСОВ
Условиям эксплуатации на жел.-дор.
транспорте по конструкции и рабочему
давлению удовлетворяет ряд приводных
поршневых насосов. На фиг. 122 изо-
бражен горизонтальный одноцилиндровый насос двойного действия с зубчатой
передачей производительностью от 17 до 51 л?/ч Для напора до 8 ат.
На фиг. 123 изображен горизонтальный скальчатый трехцилиндровый на-
сос без зубчатой передачи производительностью от 19 до 150 м3/ч для напора до 8
и 10 ат. Скалки работают в наружных сальниках; цилиндры отлиты в одном кор-
пусе и скрепляются с рамой болтами. К корпусу снизу прикреплена общая всасы-
вающая камера, служащая всасывающим воздушным колпаком. Вверху прикреп-
лена общая нагнетательная камера, служащая одновременно в качестве неболь-
шого воздушного колпака. Привод ременный; от шкива движение к скалкам
передается трехколенчатым валом.
Фиг. 122
На фиг. 124 представлен горизонтальный скальчатый трехцилиндровый на-
сос с зубчатой передачей производительностью от 19 до 150 м3[ч для напора до
15 и 20 ат. Корпус имеет устрой-
ство, аналогичное представленному на
фиг. 123.
Описанные насосы выполняются из
следующих материалов: цилиндры — чу-
гунные, штоки и валы — стальные, кла-
паны и клапанные седла — из фосфори-
стой бронзы, втулки сальников плунже-
ров — бронзовые, клапанные пружины—
хромированные.
Фиг. 124
П ШТАНГОВЫЕ НАСОСЫ
Особое место среди поршневых насосов занимают штанговые насосы.
При подъеме воды из скважин малого диаметра и глубоких шахтных колод-
цев нередко применяются штанговые насосы. В обсадную трубу скважины опу-
скается водоподъемная труба с цилиндром в нижней части. В цилиндре совер-
шает возвратно-поступательное движение проходной поршень, приводимый в дви-
жение от кривошипно-шатунного механизма лебедки, установленной на поверх-
ности земли у устья скважины. На фиг. 125 показана схема простейшего штанго-
вого насоса. Принцип его действия заключается в следующем: при движении
поршня а вверх открывается всасывающий клапан б, нагнетательный клапан в за-
крывается, и за один ход происходят всасывание и нагнетание. При обратном дви-
жении поршня нагнетается лишь небольшая часть воды, равная /8,
где / — площадь штанги, 8 — ход поршня.
Работа насоса и двигателя неравномерна. Часто г-| П П
механизм, передающий движение, снабжается проти- & й-
вовесом, частично создающим нагрузку при движе- . и Ц.
нии поршня вниз и облегчающим работу двигателя при
движении поршня вверх. Для той же цели иногда рядом
Фиг. 125 Фиг. 126 Фиг. 127
располагают два насоса, работающие от одного коленчатого вала с криво-
шипами под углом 180°.
Для устранения неравномерности подачи применяют диференциальные
насосы, схема которых показана на фиг. 126. Здесь нагнетание происходит за
оба хода поршня. Выравнивание подачи не ведет еще к выравниванию работы
за оба хода, так как при перемене хода поршня и при закры-
тии или открытии нагнетательного клапана гидравлические удары передаются
непосредственно на штанги и вызывают добавочные напряжения в них; силы
инерции масс поршня и штанг при значительной длине последних также вызы-
вают в них напряжения. Вес штанг и поршня, если он ничем не уравновешивается,
вызывает неравномерную затрату мощности за оба хода поршня.
Для уменьшения влияния гидравлического удара стремятся уменьшить
высоту нагнетания, для чего часто осуществляется только подъем воды, а не нагне-
84
тание ее в сеть. Нагнетание воды в сеть производится другим насосом. Иногда
на нагнетательном трубопроводе устраивают воздушный колпак.
Вредное действие инерционных сил смягчается уменьшением числа ходов
насоса.
Вес штанг и поршня может быть уравновешен специальным противовесом
или гидравлическим или пневматическим путем.
При больших производительностях для более равномерной нагрузки за
оба хода поршня применяются конструкции штанговых насосов с двумя поршнями,
работающими таким образом, что когда один поршень идет вниз, другой идет
вверх.
На фиг. 127 показана схема такого насоса. Штанга верхнего поршня труб-
чатая, штанга нижнего поршня проходит в ней. Привод осуществляется от об-
щего коленчатого вала. При расхождении поршней нагнетание осуществляется
верхним поршнем, всасывание идет через нижний; при сближении поршней ниж-
ний поршень нагнетает через верхний и одновременно имеет место и всасывание.
Штанговые насосы имеют применение в артезианских скважинах неболь-
шого диаметра (до 200 мм); при больших диаметрах целесообразнее применять
центробежные насосы с вертикальным валом.
К. п. д. штанговых насосов достаточно высок и колеблется от 0,65 до 0,80 в за-
висимости от конструкции их.
В эксплуатации штанговые насосы имеют целый ряд недостатков: обрывы
штанг, затруднительность осмотра и своевременного ремонта цилиндра и поршня,
быстрый износ частей и т. д.
При наличии в воде песка может происходить заклинивание поршня и порча
цилиндра.
При больших глубинах число ходов насоса принимают 20 — 30 в 1 мин.
При небольших глубинах скважин встречаются быстроходные штанговые насосы
с числом ходов до 150 в 1 мин.
Изготовление штанговых насосов на заводах СССР в настоящее время почти
не имеет места.
§ 38. Паровые прямодействующие насосы
Насосы, приводимые в действие паровыми машинами, называются паровыми
Насосы эти делятся на насосы с кривошипным механизмом и маховиком, обеспе"
чивающим равномерность вращения вала, и насосы без маховика.
Паровая часть в насосах с ма-
ховиком выполняется в виде ма-
шины простого, двойного или трой-
ного расширения, а сами насосы
без паровой части за исключе-
нием привода часто мало от-
личаются от приводных; во вто-
ром случае насосы называются
прямодействующими и отличаются
от приводных насосов.
Прямодействующие насосы
имеют большое распространение на
жел.-дор. транспорте. На фиг. 128
представлен один из таких насо-
сов. Кривошипный механизм и ма- Фиг. 128
ховик здесь отсутствуют. Паровой
и водяной цилиндры расположены на одной оси, поршни их соединены общим
штоком и движутся с постоянной скоростью почти на всей длине хода под дей-
ствием давления пара, неизменным в течение всего хода; отсечки пара, расши-
рения его и пр., как это имеет место у обычных паровых машин, здесь нет.
Паровой цилиндр должен иметь лишь парораспределительное устройство
для изменения направления движения пара в цилиндре, т. е. для изменения на-
правления движения поршня.
Типы и конструкции прямодействующих паровых насосов разнообразны.
Они делятся на:
а) насосы одноцилиндровые двойного действия — симплекс;
б) насосы двухцилиндровые четырехкратного действия—дуплекс.
В зависимости от степени ис-
Фиг. 129
пользования пара насосы делят-
ся на:
а) насосы с одним паровым ци-
линдром, работающие без расши-
рения пара;
б) насосы с двумя паровыми
цилиндрами, работающие с расши-
рением пара; расширение не в пре-
делах одного цилиндра, а при
переходе из цилиндра меньшего
диаметра в цилиндр большего диа-
метра; тандем-цилиндры высокого
и низкого давлений на одной оси
и компаунд-цилиндры высокого и
низкого давлений рядом; пар из ци-
линдра высокого давления поступа-
ет в цилиндр низкого давления;
в) насосы с тремя паровыми
цилиндрами, работающие с двой-
ным расширением пара.
Схемы ряда насосов показаны
на фиг. 129 (переход пара из ци-
линдров высокого давления в ци-
линдры низкого давления на схе-
мах не показан).
По расположению оси насосы делятся на горизонтальные и вертикальные.
Среди последних встречаются особые конструкции шахтных насосов и т. д.
Наибольшее распространение в водоснабжении на жел.-дор. транспорте полу-
чили прямодействующие двухцилиндровые насосы четырехкратного действия
системы Вортингтон. В котельных для питания небольших котлов и для перекачки
нефти встречаются одноцилиндровые насосы двойного действия системы Блек.
На фиг. 130 дан
разрез насоса систе-
мы Вортингтон.
Существенной ча-
стью конструкции яв-
ляется парораспреде-
лительное устройство.
Схема работы распре-
делительного устрой-
ства одного из насо-
сов показана на фиг.
131,а, 131,6, 131,в и
131 ,г. Пар по каналу 7
поступает в паровой
цилиндр I (положе-
Фундаментная плита
Фиг. 130
ние 1-е), поршень движется вправо; в правой части цилиндра I пар вы-
ходит через канал 2. При помощи муфты 4 и системы рычагов,
поводков и пр. 5, 6, 7 и 8 и золотникового штока 9 золотник цилиндра 7I переме-
щается вправо и открывает паровпускной канал 10 в левой части парового
цилиндра II.
Поршень цилиндра П перемещается вправо (положение 2-е); при движении
штока 11 при помощи системы рычагов и пр. 12, 75 и 74 и золотникового штока 75
золотник цилиндра / начнет перемещаться влево, перекроет окна каналов 1,
16 и 2, а поршень цилиндра I, передвигаясь вправо, закроет паровыпускной
канал 2.
Так как в правой части цилиндра / остается некоторое количество пара вслед-
ствие его упругости, то дальнейшее движение поршня затормозится.
При дальнейшем перемещении золотника влево откроются паровпускное
окно 16 и паровыпускной канал. Свежий пар поступает в правую часть ци-
линдра /; отработанный пар выходит через канал; поршень цилиндра I дви-
жется влево и т. д., как это показано на схемах а, б, в и г. Парораспределение
так устроено и отрегулировано, что золотник одного цилиндра, связанный с дви-
жением поршня другого цилиндра, запаздывает на % — сек. ПРИ изменении
своего хода; вследствие этого поршни в своих мертвых положениях несколько
задерживаются, а это дает возможность осуществить правильную посадку клапа-
нов в водяных цилиндрах, где при движении поршня (скалки) осуществляются
всасывание и нагнетание.
Насосы отличаются простотой конструкции и надежностью в работе; уход
за ними прост. Регулирование производительности осуществляется большим или
меньшим открытием или закрытием паровпускного вентиля, что приводит к из-
менению числа ходов. Частично эта регулировка может производиться и измене-
нием длины хода. Насосы могут быть пущены в любом положении поршней и
при наличии пара постоянно готовы к пуску.
Между необходимым давлением пара в котле, размерами поршней парового
и водяного цилиндров и общей высотой подачи существует следующая зависи-
мость:
. . яО* Н кВ2,
Рк~Ро)-----4~ = ”Гб,—4~’
где т] — к. п. д. насоса около 0,8;
а — коэфициент, характеризующий среднее рабочее давление пара на
поршень;
а рк—принимается равным 0,9 рк— 0,5 ат;
рк—абсолютное давление пара в котле в ат;
р0 — абсолютное давление мятого пара, выпускаемого в атмосферу
(1,1 —1,2 ат);
йп—диаметр поршня парового цилиндра;
—диаметр поршня водяного цилиндра;
Н —общая высота подъема.
Расход пара до 35 — 40 кг на 1 ЛС-ч.
Применение насосов компаунд или тандем с двойным расширением пара
позволяет увеличить экономичность установки (расход пара до 25 — 30 кг на
1 ЛС-ч,) однако благодаря большей сложности конструкции, а часто и отсут-
Фиг. 132
ствию этих насосов в производстве использование их ограничено, тем более, что
для больших мощностей они могут быть заменены поршневыми насосами, при-
водимыми в действие локомобилями.
Зная расход пара, можно определить необходимую поверхность нагрева
котла; последняя получается делением общего количества пара на количество
пара, снимаемого с 1 м2 поверхности котла в час.
На фиг. 132 представлен паровой прямодействующий горизонтальный скаль-
чатый насос дуплекс системы Вортингтон производительностью от 15 до
100 м3/ч для напоров до 15 ат.
Для регулирования степени сжатия остающегося в цилиндре пара насосы
имеют буферные вентили (фиг. 133), позволяющие осуществлять перепуск неко-
торого количества пара в паровыпускной канал и далее в выхлопную трубу.
Буферные вентили регулируют ход поршня. Расположение буферных вентилей
на паровом цилиндре показано на фиг. 134. Благодаря большому расходу пара
насосы работают неэкономично, однако, при использовании отработанного пара
для отопления, подогрева питательной воды и т. д. экономичность установки не-
сколько повышается; по сравнению с расходом пара на 1 ЛС-ч у паровых машин
с охлаждением пара (5—10 кг) и локомобилей (б—8 кг) расход пара большой.
Фиг. 133
Фиг. 134
Уход за насосами
Паровые прямодействующие насосы имеют очень большое распростра-
нение на жел.-дор. транспорте, поэтому необходимо кратко остановиться на
уходе за ними.
Перед первым включением насоса в работу все части его должны быть тщ
тельно осмотрены; при этом должны быть сняты крышки цилиндров и золотни-
ковых коробок и смотровых люков клапанных коробок, проверены внутренние
поверхности и обработанные места, клапаны, сальники, все шарнирные соеди-
нения тяг, штоков, арматура и т. д.
Убедившись в исправности насоса, наполняют масленки, смазывают ручной
масленкой все шарнирные соединения, заливают насос и всасывающую линию
водой (при небольшой всасывающей линии насос всасывает и без предваритель-
ного заполнения водой) и включают его в работу.
Пуску насоса, т. е. постепенному открытию вентиля на паровой трубе,
предшествует открытие краников масленок и необходимых задвижек.
Равномерность хода поршней регулируется буферными вентилями с таким
расчетом, чтобы в цилиндрах не было стука. Необходимо следить за объемом
воздуха в напорном воздушном колпаке (воздух должен занимать примерно 2/3
объема колпака) и в случае необходимости впускать его; необходимо следить
за сальниками.
Остановка насоса производится закрытием парового вентиля и далее закры-
тием задвижки на напорной линии.
При остановках на значительный промежуток времени необходимо спустить
воду из насоса и протереть трущиеся и обработанные части.
Во время работы насоса наблюдают за показаниями манометра и вакуум-
метра. Значительные колебания стрелки манометра указывают на недостаточ-
ность воздуха в воздушном колпаке или неисправность клапанов; значитель-
ные колебания стрелки вакуумметра —.на засорение всасывающего клапана или
линии, пропуск воздуха и т. д.
Неравномерность хода может быть вызвана неправильной установкой зо-
лотников.
Пропуск воды и пара в крышках, сальниках и пр. не должен иметь места;
с другой стороны, сальники не должны быть чрезвычайно затянуты.
Капитальный ремонт производится в назначенные сроки и при неисправном
состоянии отдельных частей; текущий и предупредительный — примерно один-
два раза в месяц.
§ 39. Некоторые специальные конструкции поршневых насосов
Мембранные насосы
В практике водоснабжения мембранные, или диафрагмовые, насосы встре-
чаются при перекачке кислых растворов (влияющих на металл} на сооружениях
для обработки воды, при откачке воды из траншей и т. д. Нафиг. 135 показан
Фиг. 135
Фиг. 136а
один из мембранных насосов. Конструкция отличается тем, что здесь гибкая
резиновая мембрана зажата между двумя частями корпуса насоса. Между
мембраной и поршнем находится жидкость, не действующая разъедающим об-
разом на трущиеся металлические части насоса.
На фиг. 136 и 136а представлен ручной диафрагмовый насос (лягушка),
применяемый для откачки грязной воды на строительных работах.
Техническая характеристика диафрагмового насоса приведена в табл. 14.
___________ Таблица 14
Диаметр ци- линдра в мм Ход поршня в мм Диаметр отверстия в мм Производитель- ность в л/мин (при 40 двойных ходах) Вес в кг
От 150 до 350 250 От 78 до 175 От 320 до 1 760 От 136 до 425
Насосы Альвейер
На фиг. 137 представлен насос с качающимся проходным поршнем, или крыль-
чатый насос Альвейер двойного действия. Сущность действия насоса состоит
в том, что при движении крыльев вокруг оси одни полости увеличиваются, и
происходит всасывание, другие уменьшаются, и происходит нагнетание. т]0 до-
Фиг. 137
ходит до 0,8 — 0,9; насосы эти очень просты и удобны в эксплуатации. Произво-
дительность их колеблется в пределах 20 — 320 л) мин при числе колебаний до
40 в 1 мин. Насосы Альвейер ручные, но могут быть приспособлены для привода
от трансмиссии.
ГЛАВА III
ДРУГИЕ ВИДЫ ВОДОПОДЪЕМНЫХ УСТРОЙСТВ
§ 40. Гидравлический таран
Гидравлический таран может применяться в небольших водоснабжениях в тех
случаях, когда необходимо поднять на некоторую высоту относительно неболь-
шое количество воды по сравнению с расходом источника и при возможности
использовать некоторое па-
дение потока. Для больших
количеств поднимаемой воды
и для загрязненной воды гид-
равлический таран примене-
ния не имеет.
Схема установки дана на
фиг. 138. При заполненном
водой таране в состоянии по-
коя ударный клапан I/ с гру-
зом прижат к своему седлу—
закрыт. Если клапан С/ от-
крыть (нажатием руки), то
вода из Т пойдет по трубо-
проводу и будет выходить че-
рез открытый клапан С/. Если
клапан отпустить, то он сразу
закроется потоком движущейся воды и вызовет гидравлический удар; в резуль-
тате удара возрастет давление, откроется клапан Е,и вода устремится в воздуш-
ный колпак и напорный трубопровод/?. Далее последует падение давления, кла-
паны О и V упадут. При этом клапан I/ открывается, а клапан V закрывается.
Через клапан У вода идет на вылив и явление повторяется.
Пусть д м3]сек — количество воды, перекачиваемое в резервуар В;
д{ мЧсек — количество воды, проходящее через клапан 67;
О м3)сек— расход источника.
Значения Л, (I, Ьх, А и Н ясны из фигуры.
„ д А
Общий к. п. д. гидравлического тарана определяется, как —ту
91 п
не более 9, т; принимают равным:
/г
при н
0,258 у/
И _
т) при более 9 — уменьшается протиз значения его, определяемого по
формуле, т] определяют и по другим формулам; А — обычно принимают рав-
ным от 5 до 1 1 И; к. п. д. тарана в зависимости от отношения Н:Н пред-
ставляется примерно в следующем виде:
Так как
то
откуда
(1 = н \ ЗН \ 5Н \ 7Н \ ЮН
т) = 0,9) 0,8 | 0,72 | 0,62 | 6,43
<2 = д + д1 м3/сек.
_ дН_________д А
“(О-?) Н ’
Ъ (Я—д) Н = дИ-,
г^Н = д (А + т]/7),
“П
д = !м3/сек.
~Н+^
Н в зависимости от местных условий колеблется от 0,75 м до 20 м; А — до
100 м.
§ 41. Водоструйные приборы
Струйные приборы основывают свое действие на присасывании жидкости
в пространстве с уменьшенным давлением.
Классификация струйных приборов в зависимости от используемой рабо-
чей жидкости дана в табл. 15.
Таблица 15
Движущая сила Поднимаемая жидкость Название
Пар Вода Паровой инжектор
» » Паровой эжектор
Вода Водоструйный эжектор
Паровым инжектором называют водоструйный прибор для питания парового
котла, а эжекторм — для откачки воды из колодца, котлована и т. д.
На фиг. 139 показана схема эжектора для откачки грязной воды. Пар по-
дается в трубу а и вместе с засасываемой водой выходит в трубу с. Производи-
тельность подобных эжекторов может колебаться в пределах от 1,5 до 35 м3/ч.
При незначительном всасывании или отсутствии всасывания в зависимости
от давления пара можно достигнуть примерно следующей высоты подъема:
Давление пара.......... 1 2 3 4 5 ат
Высота подъема .... 4 12 20 30 40 м
При увеличении высоты всасывания высота подъема умень"
шается до 5—12 м. Вообще подача и подъем зависят от расхода и
давления рабочей жидкости.
К. п. д. эжекторов около
0,2, редко несколько выше.
Эжекторы могут применяться
в стационарных установках, а так-
же при временном водоснабжении
для снабжения водой паровозов.
На фиг. 140 представлен водо-
струйный эжектор, который исполь-
Фиг. 140
Фиг. 139
зуется для откачки осадков,илаипр.
Струйные приборы могут приме-
няться как воздушные насосы для
создания вакуума.
§ 42. Пульзометры
В пульзометре для подъема воды или иной жидкости используется давление
пара.
Принцип действия пульзометра состоит в том, что вследствие конденсации
пара в замкнутом пространстве образуется разрежение и сюда устремляется вода
(жидкость), а затем под давлением пара эта вода (жидкость) вытесняется в
Фиг. 141
нагнетательный трубопровод. Пульзометры отличаются главным образом устрой-
ством распределительного органа и бывают простого и двойного действия. Пос-
ледние получили наибольшее распространение, в них всасывание и нагнета-
ние происходят в двух камерах.
На фиг. 141 и 141а изображен пульзометр, состоящий из двух камер 1 и 2,
над которыми помещается головка 5 с паровым вентилем 4 и шаровым клапаном 3,
перекрывающим поочередно обе камеры 1 и 2 (в некоторых конструкциях клапан
выполнен в виде качающегося язычка). Каждая камера в нижней своей части
имеет всасывающий клапан 6. В общей нагнетательной камере, к которой ведут
каналы, размещены нагнетательные клапаны 7.
Ниже всасывающих клапанов находится общий приемный клапан.
На фиг. 141 а видны всасывающий и нагнетательный трубопроводы и неболь-
шой воздушный колпак, связанный со всасывающей трубой каналом, т. е. выпол-
няющий роль всасывающего колпака. На фиг. 141 видны каналы, соединяющие
камеры 7 и 2 между собой и служащие для ускорения конденсации пара в со-
седней камере при попадании в нее холодной воды, и каналы, соединяющие
каждую из камер с общей нагнетательной камерой, что дает возможность запол-
нить пульзометр из напорного трубопровода. Заполнение пульзометра перед
первым его пуском может производиться через воронку.
Для спуска воды из пульзометра при длительной его остановке во избежа-
ние замерзания воды в нижних частях его предусмотрены пробки. Работа пульзо-
метра протекает следующим образом: по открытии парового вентиля 4 пар в за-
висимости от положения шарика 5 устремляется в одну из камер, например, 2,
и вытесняет находящуюся там воду через нагнетательный клапан 7 в напорную
трубу. К некоторому моменту часть пара конденсируется, далее конденсация его
ускоряется благодаря вбрызгиванию воды из соседней камеры (через канал),
давление пара падает, шарик перекроет камеру 2, пар устремится в камеру 7,
а в камере 2 образуется разреженное пространство, и здесь происходит всасы-
вание и т. д. Число колебаний клапана 16—50 в 1 мин.
В табл. 16 приведены ориентировочные технические данные, характери-
зующие некоторые пульзометры.
Таблица 16
Характеристика Различные пульзометры
Производительность в л}мин при высоте подачи в л< . . . 5 м 10 » 20 » 30 » 160 140 90 60 340 320 220 150 600 560 450 310 1 150 1050 850 640 1 700 1 600 1 300 950 3000 2 700 2 000 1 500
Размеры в мм Высота Ширина — 500 36Э 690 460 830 560 1 015 650 1 225 760 1 630 1035
Размеры труб в мм Паровая Напорная Всасывающая — 6 25 32 10 40 50 13 70 80 19 100 100 25 125 150 40 150 175
Примерный вес в кг — 40 85 140 225 350 750
Включение и остановка пульзометра производятся открытием и закрытием
парового вентиля; обслуживание его чрезвычайно просто, но расход пара боль-
шой—50 кг1ЛС-ч и более. Заграничные заводы строят их производительностью до
10 000 л{мин и больше; высота всасывания такая же, как и у насоса (разреже-
ние при конденсации пара способствует осуществлению вполне удовлетвори-
тельного всасывания); высота нагнетания до 40 м, а в некоторых случаях
и до 50 м.
Минимальное давление пара согласно данным практики примерно на 2—3 ат
больше высоты подачи (в ат). Излишнее давление пара приводит к более частым
переключениям клапана (шарика) и большей производительности.
Пульзометр нагревает подаваемую воду примерно в сле-
дующих пределах:
Высота подъема до 10 м увеличение температуры 1,5—2’
»> > » 10—20 м 2—3,5°
» 20—30 » »> 3,5—5°
» >> >> 30-40 »> 5—7°
» 40—50 » 7—9°
В отдельных случаях это тепло используется полезно.
При отсутствии пара достаточного давления пульзометры мо-
гут быть смонтированы один над другим. Для больших высот
подъема некоторые заводы также рекомендуют такую установ-
ку пульзометров.
Пульзометр для временного водоснабжения может приме-
няться на жел.-дор. транспорте довольно широко.
На фиг. 142 и 143 показан пульзометр, пристроенный к
небольшому котлу и подвешиваемый на цепях; на фиг. 144—
установка пульзометра для временного водоснабжения.
§ 43. Эрлифты
Принцип действия эрлифта заключается в том, что столб
воды, насыщенной подаваемым через особую трубу воздухом
(фиг. 145), имеет меньший вес, чем такой же столб воды. Раз-
ность этих весов заставляет подниматься на определенную вы-
соту смесь воды и воздуха (эмульсии)—так осуществляется
подъем. Схема устройства показана на фиг. 146; Н—расстоя-
ние от места ввода воздуха в форсунку до излива; й—расстоя-
ние от динамического уровня до излива; й0— расстояние от
статического уровня до земли; йх — расстояние от земли до
излива.
Фиг. 143
Энергия, используемая в эр-
лифте, — это энергия, заключен-
ная в объеме сжатого воздуха,
подающегося компрессором в соот-
ветствующую часть трубы, а дви-
Фиг. 144
Фиг. 142
жущая сила представляет собой разность между гидростатическим давле-
нием воды, с одной стороны, и смеси воды с пузырьками воздуха, имеющей боль-
ший объем и меньший удельный вес, — с другой. Высота подъема может быть
тем больше, чем меньше плотность смеси. Таким образом, для осуществления
подъема воды эрлифтом в скважину ниже динамического уровня опускают водо-
подъемную трубу и на некоторой глубине вдувают в нее сжатый воздух. По
выходе из трубы на поверхность земли вода освобождается от воздуха.
Эрлифты применяются для подъема воды из
скважин, в нефтескважинах, а также при подъеме дру-
гих жидкостей, действующих разъедающим образом
на части насосов. В водоснабжении на жел.-дор. тран-
спорте эрлифты имеют широкое применение. Преиму-
щества эрлифтов заключаются в простоте и надеж-
ности устройства, так как при этом нет в скважине
никаких движущихся частей. Двигатель находится на
поверхности земли; части системы, находящиеся в
скважинах, почти не приходится извлекать наружу.
Наблюдение, уход и ремонт — легкие и простые; не-
обходимо лишь наблюдение за компрессором и дви-
гателем. При подаче воды с песком (при пробной от-
качке или в некоторых случаях в начале эксплуата-
ции скважины) отдель-
ные части установки не
портятся.
Компрессорная
установка может быть
расположена в любом
удобном месте, и целый
ряд скважин связан с
одной центральной уста-
новкой, что создает из-
вестную простоту в ра-
боте.
Большим преиму-
ществом эрлифтов яв-
ляется аэрация в тех
случаях, конечно, когда
в ней есть необходи-
мость (обезжелезивание,
освобождение воды от
Форсунки
ОбсавнЬю тру Ян
Можина
Статин. уровень
вовоподмшая—
труба
воздушная труба
кинамич.уробМ,
Фиг. 146
1Л
изпива
Приемн/яй бачек-
Уровень земли •*—
СяитЬяй Иозйуг
сероводорода). При подъеме воды эрлифтом происходит перемешивание и насы-
щение воды воздухом, способствующие и облегчающие в этом случае дальнейшие
процессы обработки воды. Некоторая кривизна скважин не имеет решающего зна-
чения при подъеме воды эрлифтами.
Эрлифты широко применяются для пробных откачек, для выявления дебита
скважин и условий их работы. Изготовление их частей простое, монтаж несложен.
К. п. д. эрлифтов невысок — в среднем около 0,20 — 0,30, включая и ком-
прессорную установку, причем он часто бывает еще ниже при неправильном
устройстве, неправильной глубине погружения и неправильном соотношении
размеров труб и отдельных частей. Для удовлетворительного действия эрлифта
нужно, чтобы скважина имела глубину, примерно вдвое большую высоты подъ-
ема, считая от динамического уровня.
Основными частями оборудования являются двигатель (электрический, па-
ровой, нефтяной и т. д. в зависимости от местных условий), компрессор для на-
гнетания воздуха с ресивером для него и устройством для улавливания влаги
и пр., трубопроводы и особая нижняя часть подъемника — форсунка. Ресивер
является приемником для воздуха и служит для регулирования давления по-
следнего и выделения из воздуха части захваченной им влаги. Ресивер распо-
96
лагается рядом с компрессором; у ресивера устанавливаются приборы для улав-
ливания влаги.
Улавливание влаги из воздуха необходимо в тех случаях, когда температура
окружающего воздуха может быть ниже температуры замерзания воды, и воз-
духопроводы должны быть защищены от замерзания. Нижняя часть воздушной
трубы, место ее соединения в скважине с трубой, подающей воду, выполняется
Расположение тру5 концентрически
Расположение труб ряЗом
Фиг. 147
ОтнрЬнпЬЛ конец
трубы
конструктивно различно и является существенной частью системы; основная кон-
структивная задача заключается здесь в правильном введении воздуха и тща-
тельном смешивании его с водой.
На фиг. 147 показаны эрлифты с дырчатыми форсунками.
Система эрлифтов не имеет еще достаточного количества опытных и теоре-
тических оснований к правильному выбору размеров частей, величины погру-
7 Водоснабжение
97
жения трубы и т. д. Поэтому приводим некоторые данные практического по-
рядка, встречающиеся в ряде источников \
При установке эрлифтов в скважинах необходимо знать глубину воды в них
и в соответствии с этим проектировать и устанавливать трубы.
А. СХЕМА РАСПОЛОЖЕНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Вода, поданная эрлифтом из скважины, попадает в приемный бачок, бла-
годаря отражателю или сепаратору освобождается от воздуха и идет далее в сбор-
ный резервуар, наивысшая отметка в котором на 0,5 — 1 м ниже отметки воды
в бачке. Из резервуара вода подается в сеть. Взаимное расположение скважин,
КМ2
нт.
НН5
15,00
Профиль
низ
I г 150 м
I = 150м
2о л/се»
сЦ-гоомм
Ьг -0,45М
1)1*100м
I- 150 м
^зо л/сен
^250мм
Ь3:0,53м
а=1,ззм
' 1-150М
1^-40 л/сен
с^-зоомм
№>,22м
П--1.55М
75,00
№.55 м
1Ь^),55М
№0
Фиг. 148
резервуара, насосно-компрессорной станции, самотечных линий от скважин
к резервуару и т. д. зависит от количества скважин, их расположения, рельефа
и прочих местных условий. На фиг. 148 — 152 изображены схемы подачи воды
из скважин в различных условиях.
Водоподъемная станция схематически дана на фиг. 153.
Б. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И РАСЧЕТЕ ЭРЛИФТА
К числу основных элементов расчета эрлифта и при его проектировании
после выбора общей схемы относятся:
а) глубина погружения форсунки;
б) конструкция форсунки;
в) расход воздуха;
г) определение диаметра водоподъемной трубы;
д) определение диаметра воздушной трубы;
е) приемный бак;
ж) оборудование устья скважины.
1 В том числе и в трудах Института ВОДГЕО.
скйт
Надземная дстаноОка
МПЗ
7^К!к
Подземная установка
КолНЗ
Ур ЫЬ>_______ 0=115 1 = 10-25
Уклон-----*• 0,01
СКЙЫ4
ПолузаглуИленная
Ур ЗодО/ К75’10
Райй
75,3
75,55
Ф250
дстшЗна.
кол КЗ
Уклон -г~кгО37Г, /1=125, Ы0'25
Фиг. 149
План
75,22
а) К. я. д. эрлифта зависит в значительной степени от погружения форсунки.
Величина погружения Н — к есть расстояние от динамического уровня воды
до места ввсда воздуха. Погружение обычно выражают в процентах от Н, т. е.
от общей длины трубы, подающей воду, считая от места ввода воздуха до верх-
него ее края—до излива воды. Таким образом, погружение, выраженное в про-
Сяваяшна
----- 7- 200м -
СамотечнШ оодооод
Насосная станция
2-го подъема
ВсасЬ/оающие
трубы
Водос6орн1пй резервуар
сддумя отделениями
------- 200М
Сндаяина
Скоажина
Напорная___“
труда
Фиг. 152
центах, равно —— 100%. Так, например, если длина всей трубы Я = 100 м,
а расстояние от динамического уровня воды до верхнего края трубы над поверх-
ностью земли, т. е. высота подъема воды, й = 30 м, то процент погружения равен:
• • 100% = • 100% = 70%.
ф(2
При подъеме воды из буровых скважин, когда отметка воды в скважине до
начала работы и во время откачки меняется, имеются собственно две величины
погружения, так называемое пусковое погружение и рабочее. Пусковое погру-
жение определяет требуемое давление воздуха для пуска, а рабочее — требуе-
мое давление воздуха во время подъема воды или откачки. Давление, необхо-
димое для пуска эрлифта, больше, чем то, которое необходимо для нормальной
работы, когда уровень воды в скважине опустился и стал постоянным. Вели-
чина давления воздуха, необходимая во время подъема воды, по американским
данным равна примерно 0,091 ат, считая на столб воды высотой в 1 м; пуско-
вое давление определяется в соответствии с пусковым погружением.
Таким образом, требуемое давление зависит почти всецело от погружения,
т. е. оно приблизительно равно гидростатическому давлению столба воды, стоя-
щего над местом впуска воздуха.
В тех случаях, когда уровень воды в скважине во время откачки сильно по-
нижается и разница между требуемым пусковым давлением и рабочим велика,
могут быть установлены специальные компрессоры компаунд. Последние
состоят из обычного компрессора и приспособленного к нему вспомогатель-
ного, включаемого вместе с основным при пуске системы и выключаемого при
нормально установившемся уровне воды в скважине.
В табл. 17 приведены данные о величине погружения для различных высот
подъема, хорошо оправдавшиеся американской практикой.
Как видно из табл. 17, при уменьшении высоты подъема процент погружения
увеличивается. Встречаются следующие несколько отличные соотношения:
Для подъема до 15 м погружение 70-66%
» >> » 15—30 » » 66—55%
» » » 30-60 » 55 -50%
» » » 60-90 » 50 -43%
90—120 1> 43—40%
Некоторое уменьшение погружения иногда допускается при недостаточной
глубине скважины, при этом снижается к. п. д. установки. Излишнее увеличение
погружения не рекомендуется, так как приведет к необходимости увеличения
давления воздуха.
4’15-гоМ3/т
-----Ч
?
II 1
!
Й I
Д1>Ф 00444 >4
Д|Ф4нИН<4 *?
0
©44444[
0
>044044 4 с
4
0044041
->4 » 44 о<; 4 с
04
НГ~„23С
Труда у32ннй^\
Отверстия Привод
по дет! Зярм
Для о-№-й и
Ю1-Ым3ч(1с 4--
2Лля С--ЗЗЛ0мО/ясе
4 ( Т
1
। । I I । । ! ।
| I рттуут- +
1 • 1 1
|0-4? 0 ф 1
• 1 4-4 1
1044444!- “ф- с
| ф-ф-ч>-4- 44 €
1 40004 1 4 е С
|0 0004 4
1444ФФ ! 4 4 -к
|?Л*Л*Л 0 0 0 4 44
Г 1
Труда В 38 нм-.
Отверстия Прядь
по 6 огпВ / 5 мм
Таблица 17
Подъем й в м Допускае- мый про- цент погру- жения Наилучший процент погруже- ния
6 55—70 65—70
9 55—70 65—70
12 50-70 65-70
15 50—70 65-70
18 50—70 65—70
24 50-70 65—70
30 45—70 65—70
37,5 45—65 65
45 40-65 60—65
52,5 40-60 55—60
60 40—60 55-60
75 40—60 55—60
100 37-55 50—55
105 37—55 50—55
120 37—50 45-50
б) Конструкция форсунки, вы-
полняемой из трубы, ясна из фиг. 154.
Воздух следует вводить через мелкие
отверстия, расположенные на некото-
рой длине. Для труб малого диаметра
воздушная труба располагается ря-
дом с водоподъемной.
в) Расход воздуха. Воздух дол-
Трува
Отверстия 77рядов по (0 отверстий
жен непрерывно подаваться в сква-
жину в достаточном количестве.
Удельный расход воздуха чаще
всего определяется по принятым
формулам. Известна следующая фор-
Фиг. 154
мула:
у ______________&-------
0 „ , Н —Л-НО’
231 18 ---[И
где Ко— объем воздуха при атмосферном давлении на 1 л3 подаваемой воды;
т,— к. п. д., зависящий от величины погружения;
Н — глубина погружения форсунки, считая от уровня излива, в м;
Н — глубина динамического уровня от излива в м.
В табл. 18 приводятся некоторые значения расхода Ко
Встречается видоизмененная формула:
у —__________________
& 10
где С—23 т].
* По данным Института Водгео.
ГО2
Существуют несколько проти- Таблица 18
воречивые указания о величинах 70, получаемых из формул, по- этому данные для определения Ко следует рассматривать лишь как весьма ориентировочные. На фиг. 155 и 156 приведены графики1 для определения глубины погружения форсунки от уровня излива в связи с динамическим уровнем и удельного расхода воз- духа. г) и д). Определение размеров водоподъемной и воздушной труб. Скорости движения воды и воздуха в трубах являются важным факто- ром в расчете эрлифта. Оптимальное погру- жение Наименьшее погружение
и. Н V» н V»
5 10 15 20 30 40 50 60 70 18 34 48 63 86 108 130 150 170 1,00 1 ,34 1,72 2,00 2,68 3,33 3,95 4,57 5,20 10 19 27,8 36 53 70 87 103 118 2,48 3,24 4,00 4,87 5,55 6,54 7,60 8,60 9,65
В водоподъемной трубе имеют место потери энергии, складывающиеся из
элементов, довольно трудно учитываемых; сюда относятся: потери на трение
смеси воды с воздухом, потери вследствие проскальзывания пузырьков воздуха,
потери при сжатии струи, поступающей в подъемную трубу, и потери при вы-
ходе. С увеличением скорости увеличиваются потери на трение, с уменьшением —
увеличиваются просачивание воздуха и связанные с этим потери, трудно учи-
тываемые теоретически.
Размеры трубы должны быть выбраны с таким расчетом, чтобы обе эти по-
тери были минимальными.
Встречаются в практике следующие значения скоростей: при поступле-
нии воды в водоподъемную трубу до форсунки 1 — 1,5 м/сек, скорость движения
эмульсии вначале 2 — 3,5 м, скорость при изливе 3,5 — 7,5 м/сек. Увеличение
1 Составлены Институтом Водгео.
скорости движения смеси к выходу объясняется увеличением объема воздуха
(вначале сжатого) по мере приближения смеси к выходу и уменьшения давления.
Обычно диаметры труб выбираются на основе данных практики. При рас-
положении воздушной трубы в водоподъемной подача по ней меньше, чем при
расположении труб рядом.
Соответствующий размер труб для воздуха определяется в зависимости от
объема и давления воздуха и обычно берется по таблицам, выработанным завод-
ской практикой. Скорость в этих трубах принимается равной 9—12 м/сек
Для представления о системе приводится табл. 19 размеров и нормальных
производительностей одного из типов эрлифтов завода 1п§ег8о11-Кап(1 (США).
Таблица 19
Наименьший диаметр сква- жины в дюймах Соединения труб в дюймах Нормальные средние производительности в л/сек при погружении в %
подаю- щие воду воздуш- ные 70 60 50 40
4 2 0,5 1,3—2,15 1,2—2 1,1—1,8 0,9—1,6
4,5 2,5 0,75 2,2—3,3 1,9—3,1 1,6—2,8 1,5—2,6
5 3 1 3,3-5,4 3,3-5,4 3,1—5,1 2,8—4,9
5,5 3,5 1 6,3—8,2 5,7—7,4 5,4—7,1 5,2-6,6
6 4 1,25 7,8—10 7,1—8,9' 6,8—8,2 6,3-7,8
7 4,5 1,5 9,9—12,9 8,9—11,4 8,2—10,4 7,8-9,9
8 5 1,5 13-19 11,7-17 10,8—15,8 10,4—14,8
9 6 1,5 20,8—30 19—27,8 17—25,2 16,8—24
10 7 2 29,5—43,5 27,5—40 24,5—36 23,5—35
11 8 2 40—50 37—53 33—49 32—41,5
13 10 2,5 72—106 67—97 61—88 58—82
На фиг. 157 приведена номограмма для определения потерь давления з тру-
бопроводах сжатого воздуха. Пользование номограммой показано на примере
(см. пунктир фиг. 157): в воздухопроводе с? =80 мм, длиной 300 м, при сред-
нем давлении 6 ат и расходе 35 м?1мин потеря давления равна 0,75 ат. Если
работает несколько скважин, требующих воздуха различного давления, необ-
ходимо иметь дроссельные клапаны и вести соответствующую регулировку.
Водоподъемные трубы стальные, буровые; стыки на винтовых муфтах; необ-
ходимо покрытие снаружи и изнутри
Воздушные трубы газовые и
изготовлены без шва; стыки их
должны быть герметичны и выдер-
живать необходимое давление; сна-
ружи предусматривается покрытие
асфальтовым лаком.
е) Приемный бачок. При вы-
ходе из водоподъемной трубы смесь
воды с воздухом попадает в бачок
(фиг. 158), где встречает отража-
тель; здесь из воды выделяется
значительная часть воздуха.
ж) Устье скважины во избе-
жание загрязнений должно быть
закрыто.
В. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ
ОЦЕНКА ОБОРУДОВАНИЯ
СКВАЖИН
Останавливаясь на технико-
экономической оценке оборудова-
ния глубоких скважин, играющих
большую роль на жел.-дор. тран-
спорте, и на применении эрлиф-
тов и глубоководных центробеж-
ных насосов (штанговые насосы
устанавливаются редко), следует
еще раз отметить область примене-
ния каждого из них производство
асфальтовым лаком.
Фиг. 157
глубоководных центробежных на-
сосов пока у нас не развито).
Эрлифт имеет низкий к. п. д., тем не менее он с успехом может быть при-
менен при наличии песка в перекачиваемой воде, при скважинах, имеющих не-
которую кривизну, при скважинах, имеющих очень малый диаметр, и наконец,
тогда, когда свойства воды таковы, что ее аэрация представляется желатель
ной; эрлифты широко применяются для пробных откачек. Уход за ними чрез-
вычайно прост; изготовление эрлифта также просто.
При малых скважинах эрлифты — единственно возможная установка.
Эрлифты не применяются в тех случаях, когда вода из скважины должна по-
даваться непосредственно в распределительную сеть и когда погружение
получается недостаточным. Эрлифт не может быть хорошо и просто
приспособлен для автоматического управления, что может иметь место при
электронасосах. Большим недостатком в отдельных случаях является необхо-
димость излишнего заглубления скважины, чтобы получить нужное погружение.
Глубоководные центробежные насосы находят широкую область применения
при правильно выполненных скважинах при диаметре их не меньше 150-млц в этом
случае возможны и непосредственное нагнетание в сеть и автоматическое упра-
вление.
Пределы производительностей эрлифтов при погружении в 40—70% и глубо-
ководных центробежных насосов (в л[сек) примерно могут быть выражены табл. 20.
Таблица 20
Вид установки Диаметр скважины в мм
100 150 200 250
Эрлифты До 2 До 10—15 До 20—30 До 40-50
Центробежные насосы — 3—23 4—30 8—75
СматЬ/й воздух
от компрессора
Приемной
дачек
Ёенти ляци онная
труба для отвода
Мелившегося
воздуха
бпсрчЬД фланец
водоподъемной
труДб/
Отражатели
НрЬншка бачка
Е
Для соусы воды
из бочка после
остаьовяи
водоподъемная труба —
воздушная труба
Наибётишй
уробенр ёодЬ/
в'бачке
Хотя обычно глубоководные
насосы должны устанавливаться
в скважинах, свободных от песка,
все же некоторые американские
заводы, применяя специальные
сплавы для отдельных деталей,
выполняют конструкции насосов,
позволяющие устанавливать их в
скважинах и в тех случаях, когда
вода несет песок.
Возможные изменения и коле-
бания уровня воды в скважине,
могущие сказаться после установ-
ки насоса, должны быть по возмож-
ности учтены заранее (учет имею-
щихся данных по эксплуатируемо-
му горизонту воды, пробные откач-
ки и пр.) еще при выборе насоса
с тем, чтобы к. п. д. установки не
сильно изменился во время работы.
Изменения уровня воды в
скважине и, следовательно, измене-
ния погружения могут также вы-
звать ухудшение к. п. д. эрлифтов.
Общие расходы по содержанию
оборудования хотя и отличаются
в зависимости от различных его
систем, характера скважин, свойств
перекачиваемой воды и т. д., но,
как общее правило, у эрлифтов
меньше, чем у глубоководных цен-
тробежных насосов. На выбор типа
оборудования могут оказать влия-
ние имеющийся источ-
ник энергии и стои-
мость ее.
ЧроВеиЬ пола
Компрессор для
воздуха может приво-
диться в движение
и паром, и двигате-
Фиг-158 лем внутреннего сго-
рания , и электродви-
гателем; если, например, в распоряжении имеется получаемый для каких-либо
целей дешевый пар, то установка эрлифта может быть также предпочтительна
перед другим оборудованием.
Г. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЭРЛИФТА
Уход за эрлифтом, текущий ремонт и пр. просты, но одновременно необходим
уход за компрессорной установкой и насосами второго подъема.
Пуск эрлифта производится после того как давление в ресивере достигает
требуемой величины, соответствующей пуску — величине пускового давления.
Пусковой вентиль медленно открывается, и сжатый воздух поступает в фор-
сунку. Далее устанавливается рабочее давление, соответствующее динамическому
уровню воды в скважине.
При правильной работе эрлифта количество подаваемой воды при определен-
ном динамическом уровне постоянно.
Уменьшение подачи, неравномерная подача и изменение характера подавае-
мой смеси указывают на ненормальности в работе и неисправности; при этом не-
обходим тщательный осмотр всех устройств, как то: трубопроводов, оголовка
скважины, компрессорной установки и т. д., а иногда необходимо обследовать
скважину (падение динамического уровня, недостаточное заглубление форсунки,
неплотности в воздушной трубе, утечка воздуха и пр.)
Компрессоры, трубопроводы, приборы и пр. должны быть предохранены от
замерзания.
§ 44. Компрессоры
Компрессоры предназначаются для получения сжатого воздуха, используемого
для подъема воды из скважин, создания необходимого напора в водопроводной
сети (пневматическое водоснабжение) и т. д. В водоснабжении на жел.-дор.
транспорте наибольшее применение имеют поршневые компрессоры.
Фиг. 159
1—цилиндр компрессора; 2—поршень; 3—нагнетательный клапан; 4—всасы-
вающий клапан
Схема работы компрессоров простого действия дана на фиг. 159, двойного дей-
ствия—на фиг. 160 и двухступенчатого—на фиг. 161. Двухступенчатые компрес-
Фиг. 160
7—поршень компрессора; 2, 4—нагнета-
тельные клапаны; 3, 5—всасывающие кла-
паны; 6—трубопровод сжатого воздуха
Фиг. 161
1, 2—ступенчатый поршень; 3, 4—всасы-
вающие клапаны; 5, 6—нагнетательные
клапаны; 7—цилиндр низкого сжатия;
5—холодильник
соры применяются при давлении выше 6—7 ат. Рабочий процесс компрессора
простого действия (фиг. 162) заключается в следующем: при движении поршня
из одного крайнего положения в другое через клапан засасывается воздух с дав-
лением/^; процесс этот представляется на диаграмме прямой 1 —2. При обрат-
ном ходе поршня всасывающий клапан закрывается, и в цилиндре происходит
сжатие воздуха по кривой 2—3 до давления р2; нагнетательный клапан при этом
давлении открывается, и происходит выталкивание сжатого воздуха в трубо-
провод по линии 3—4.
Фиг. 162
При повторении первого хода оставшийся сжатый
воздух расширяется по кривой 4—1 до давления ри
затем в цилиндр всасывается воздух, и цикл повто-
ряется.
Для приведения в действие компрессора затрачи-
вается работа, эквивалентная площади диаграммы 7,
2, 3, 4.
Наименьшая площадь диаграммы получается при
изотермическом сжатии, однако, в действительном ра-
бочем процессе компрессора даже при очень большом
количестве охлаждающей воды нельзя добиться изотер-
мического сжатия. Здесь имеет место промежуточный политропический процесс.
Необходимое для работы эрлифта количество воздуха указано выше.
йсаеыбание ОозИцм! снаррт
пашинного здания
Фиг. 163
Теоретическая мощность двигателя, потребная для сжатия 6 кг]мин воздуха,
может определяться по формуле адиабатического или изотермического сжатия.
В первом случае:
Г *-<1 "1
„ 10000 к
^ад~ 75-60 'к — 1
Р1-Щ. О
= 7,77 Рх О
где рх и р2 — начальное и конечное давления в ат\
—удельный объем в м?]кг\
^=^=1,4;
Для изотермического сжатия
^М6 1п ^=2,22^6^
В указанных формулах может быть
мого в 1 мин. воздуха (в м*]мин), отнесенным
зауенено объемом засасывае-
к 0° и давлению 760 мм.
При переходе от теоретической мощности к
мощности на валу необходимо ввести изотермиче-
ский тцяз или адиабатический цаа к. п. д.:
из ______ №ад
’1“з — лП и ’Чад~’
В выполненных компрессорах эти коэфи-
циенты имеют значения:
'Низ = 0,60 — 0,75; т]ид = 0,75 — 0,90.
Выбор компрессора производится по задан-
ному количеству сжатого воздуха и по требуемому
давлению с использованием данных заводов, изго-
товляющих компрессоры.
Нормальная компрессорная установка пред-
ставлена на фиг. 163, где А — всасывающий тру-
бопровод, Б — компрессор, В — нагнетательный
трубопровод, Г — резервуар сжатого воздуха, Д—
распределительный трубопровод.
Всасывающая труба обычно выводится из машинного помещения
наружу. Во избежание попадания в нее атмосферных осадков конец трубы при-
Фиг. 165
крывают, а для защиты от грязи, пыли и пр. на конце всасывающей трубы уста-
навливают мелкую сетку и часто устраивают специальный фильтр.
Диаметр всасывающей трубы рассчитывается по скорости, принимаемой
в пределах до 12—16 м/сек.
Нагнетательная труба соединяет компрессор с резервуаром сжа-
того воздуха. Диаметр ее определяется по скорости в пределах до 15—20 м/сек.
В начале этой трубы рекомендуется установка термометра, указывающего темпе-
ратуру сжатого воздуха.
Резервуар сжатого воздуха (ресивер) служит для выделения в нем влаги,
образующейся благодаря охлаждению воздуха, и масла, уносимого из цилиндра
компрессора, а также для выравнивания периодических толчков, происходящих
па некоторой части хода поршня; последние могли служить причиной крайне не-
равномерной работы и возможных расстройств в соединениях и уплотнениях
воздушной сети.
На фиг. 164 изображен воздушный резервуар с необходимой арматурой:
1 — резервуар, 2 — предохранительный канал, 3 — запорный клапан, 4 —
спускной кран, 5 — манометр, б — труба.
Объем воздушного резервуара принимается равным примерно объему воз-
духа, засасываемого в 1 мин., или иногда 50-кратному объему цилиндра компрес-
сора.
На фиг. 165 показан двухцилиндровый вертикальный компрессор завода
км. Фрунзе. Привод в действие осуществляется электромотором или двигателем
внутреннего сгорания. Корпус компрессора обычно литой из чугуна с полостью,
охлаждаемой водой. Для значительных давлений применяются компрессоры
с двумя ступенями сжатия с промежуточным охлаждением.
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ
НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ
ГЛАВА I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАСОСНЫХ СТАНЦИЯХ
§ 1. Типы оборудования насосных станций
Многообразие условий работы насосных станций жел.-дор. водоснабжения
требует применения различных типов оборудования, наиболее целесообразных
для различных местных условий.
При выборе оборудования особое значение имеют:
а) надежность в эксплуатации;
б) возможная простота пуска и ухода;
в) экономичность установки.
Необходимость обеспечения надежности в работе приводит иногда к установке
агрегатов с использованием местного топлива (паровые котлы и локомобили, ота-
пливаемые местным топливом, и паровые насосы).
Разнообразие условий работы жел.-дор. насосных станций приводит к ис-
пользованию приводных и паровых поршневых насосов и центробежных насосов,
компрессоров, паровых котлов и машин (последние чрезвычайно редко), локо-
мобилей, двигателей внутреннего сгорания, электродвигателей.
Необходимость обеспечения бесперебойной работы станций и некоторые мест-
ные условия нередко приводят к проектированию смешанных установок.
Таким образом, типы оборудования станций сводятся к следующим:
а) паровые агрегаты основные и резервные, позволяющие использовать м ст-
ное топливо;
б) агрегаты с двигателями внутреннего сгорания (или, как их часто называют,
нефтемоторные) — основные и резервные; агрегаты эти более экономишь!, тре-
буют более квалифицированного персонала; они могут проектироваться в райо-
нах, достаточно обеспеченных жидким топливом;
в) агрегаты с электродвигателями — электронасосы основные и резерв-
ные; агрегаты эти имеют много преимуществ по сравнению с указанными в пп. «а»
и «б». Они требуют небольшой площади, быстро включаются, требуют простого
обслуживания, могут быть приспособлены для автоматической работы и т. д.
Однако проектирование их должно иметь место лишь при наличии двух независи-
мых источников электроэнергии;
г) агрегаты с электродвигателями основные и нефтемоторные — резервные;
д) агрегаты с электродвигателями основные и паровые — резервные;
е) агрегаты с двигателями внутреннего сгорания основные (более экономичны)
и паровые (обеспечены местным топливом) — резервные.
Смешанное оборудование на существующих станциях жел.-дор. водоснабже-
ния составляет более 25%. Такое оборудование предъявляет к обслуживающему
персоналу более повышенные требования и ведет к увеличению необходимого ре-
зерва запасных частей.
В тех случаях, когда можно установить и поршневой и центробежный насосы
и решается вопрос о выборе насосов, необходимо учесть все сказанное ранее о на-
сосах и тенденцию замены поршневых насосов центробежными там, где это воз-
можно и целесообразно. Поршневые насосы цел'' .ообразно устанавливать:
а) при подаче небольших количеств воды, пр,.... тьших напорах, ибо при этом
центробежные насосы неконструктивны;
б) при больших колебаниях напоров, например при различных напорных
трубопроводах и т. д.;
в) во всех тех случаях, когда это оправдывается местными условиями, напри-
мер, паровые прямодействующие насосы и т. д.
Тип насосов определяется в соответствии с местными условиями.
Типы остальных основных элементов оборудования, как то: паровых котлов,
локомобилей, двигателей внутреннего сгорания, электродвигателей и компрессо-
ров, кратко освещены при описании отдельных станций.
Окончательный выбор типа насосной станции и ее оборудования производит-
ся на основании технико-экономического сравнения вариантов с учетом не только
строительных стоимостей, но и себестоимости подъема 1 м3 воды, а равно с учетом
особенностей эксплуатации станций, предусматриваемых вариантами.
§ 2. Классификация и расположение насосных станций
По своему положению в общей схеме водоснабжения насосные станции под-
разделяются на: станции первого подъема, забирающие воду из источника водо-
снабжения и подающие ее на очистные сооружения или непосредственно в башню
и сеть, и станции второго подъема, подающие, например, в сеть, резервуары и т. д.
чистую воду, предварительно поднятую станцией первого подъема на очистные
сооружения.
По характеру выполняемой работы насосные станции могут быть подразде-
лены на перекачивающие сточные (отработанные) воды — канализационные стан-
ции, перекачивающие воду из источников водоснабжения или обработанную —
водопроводные станции. Среди последних различаются станции повышения на-
пора, станции, перекачивающие воды открытых водоемов и подземные веды. По
расположению относительно поверхности земли различаются станции, располо-
женные на поверхности земли, станции заглубленные и станции глубокие шахт-
ного типа. По расположению агрегатов: станции с горизонта; ьно расположенны-
ми насосами и двигателями и станции с вертикальным расш ложением агрегатов.
По типу оборудования насосные станции, как уже указывалось, могут быть
подразделены на станции с паровым, нефтемоторным, электромоторным и смешан-
ным оборудованием.
По характеру управления станции могут быть подразделены на станции,
управляемые вручную (неавтоматические), когда все операции по включению
и выключению агрегатов производятся обслуживающим персоналом, и станции
автоматические, когда эти операции выполняются соответствующими приборами.
Классификация не исчерпывает все разнообразие насосных станций, но отмечает
основные их типы.
Выбор места расположения и постройки насосной станции первого подъема
связан с выбором места забора воды; когда последнее определено окончательно,
расположение станции устанавливается исключительно в зависимости от местных
условий:
а) наличия свободного участка земли для станции и служб;
б) возможности дальнейшего расширения станции;
в) близости жел.-дор. путей;
г) характера грунта и уровня грунтовых вод в месте, намечаемом для по-
стройки станции;
д) рельефа и состояния берегов (при заборе из открытых водоемов);
е) условий незатопляемости станции;
ж) режима источника (реки);
з) наибольшей обеспеченности питания станции электрической энергией
в случае установки насосов с электродвигателями и т. д.
Преимущество следует отдавать тому расположению насосной станции, кото-
рое требует прокладки наиболее короткого всасывающего трубопровода и
дает уверенность в незатопляемости станции во время половодья и сохранении в
допускаемых пределах высоты всасывания при самой низкой воде. При располо-
жении станции непосредственно у источника водоснабжения всасывающий трубо-
провод будет наиболее коротким; потери в нем, а следовательно и вакуумметоиче-
ская высота всасывания, наименьшие. В тех случаях, когда по местным условиям
расположение станции непосредственно у источника невозможно, станцию рас-
полагают по возможности ближе к источнику, воду направляют к специальным
колодцам у насосной станции путем прокладки отдельных трубопроводов (обыч-
ных или сифонных), из этих колодцев вода забирается всасывающими трубо-
проводами насосов станции.
Местные условия часто позволяют выполнять станции первого и второго
подъема в виде одного сооружения с расположением в нем насосов первого
и второго подъема. Местные условия в других случаях, например при использо-
вании подземных вод из ряда скважин, вынуждают иногда возводить небольшие
водоподъемные сооружения непосредственно над каждой скважиной для подъема
воды и нагнетания ее к основной станции.
Наметив место для станции, устанавливают отметку оси насосов в зависимости
от самого низкого уровня воды в источнике (будь то открытый водоем, скважи-
на и т. д.) и допускаемую для проектируемых насосов высоту всасывания. Раз-
меры колебаний уровней низкой и высокой воды диктуют целесообразность уст-
ройства станций с горизонтально расположенными насосами и двигателями или,
наоборот, цел.сообразность расположения последних на вертикальной оси; в за-
висимости от того же решается вопрос о расположении всего сооружения относи-
тельно поверхности земли — о необходимости углубления сооружения и одно-
временной защиты его от затопления во время половодья.
§ 3. Расчетный срок действия насосной станции
Выбор числа и производительности насосов,
устанавливаемых на станции
Насосные станции и сооружения для обработки воды нецелесообразно чрез-
мерно дробить на значительное число очередей строительства. Чаще эти сооруже-
ния осуществляются в две очереди.
Расчетные сроки действия станции и число очередей устанавливаются в соот-
ветствии с Техническими условиями проектирования железных дорог нормаль-
ной колеи, согласно которым генеральная схема водоснабжения дороги проекти-
руется на десятый год, водопроводные устройства, в том числе насосная стан-
ция, — на пятый год эксплуатации.
Выбор числа насосов насосной станции связан с намечаемым режимом ее
работы и, следовательно, с выбором производительности насосов, с комплект-
ностью оборудования и т. д. При определении количества агрегатов насосной стан-
ции предусматривается установка не менее одного резервного агрегата. Чаще
всего на жел.-дор. насосной станции принимают двойное оборудование. Один
агрегат работает, другой в резерве (100%-ный резерв). При больших расходах
устанавливается и тройное оборудование, состоящее из двух работающих насосов
и третьего в резерве (50%-ный резерв). Принципиально вопрос этот не может
быть одинаково разрешен для всех насосных станций. В каждом отдельном слу-
чае в зависимости от характера работы станции, ее назначения, величины расчет-
ного периода и очередности строительства, роста водопотребления, требуемого
максимума и минимума подачи в отдельные сутки и режима суточной работы
проектируемой или имеющейся емкости водонапорных резервуаров, перспектив
расширения и дооборудования, однотипности оборудования и пр. может быть на-
мечено различное число агрегатов. Общий прием проектирования заключается
в назначении числа агрегатов (примерно два-три) той или иной производитель-
ности на основании общих соображений и проектируемых расходов (при удовлет-
ворении технических нужд производительность насоса не менее 20 м5/ч), после
чего составляется график работы насосных станций, накладываемый на график
водопотребления (обычно для станции второго подъема и для хозяйственно-пи-
тьевого или объединенного водоснабжения, так как расходы воды на тягу поездов
и некоторые другие производственные нужды на железной дороге принимаются
в течение суток равномерными). Сравнение указанных графиков дает представ-
ление о размерах потребного напорного резервуара, и если эти размеры велики,
то намечается другой режим работы насосной станции с другим числом агрегатов
или с иной их производительностью или другим характером работы агрегатов,
каковые могут осуществлять равномерную или неравномерную подачу. В прак-
тике проектирования жел.-дор. насосных станций этого часто не делают, прини-
мая минимальный объем водонапорной башни, заданный проектом технических
условий проектирования железных дорог, но и указанный объем необходимо
проверить в соответствии со сказанным. Для станции первого подъема, часто
осуществляющей равномерную работу, могут быть намечены один-два рабочих
агрегата и к ним резерв; для небольшой станции вообще намечается наименьшее
количество агрегатов (один или два и притом одинаковых, и к ним второй или
третий в качестве резерва); для крупных станций — большее количество агре-
гатов (например три-четыре) и к ним резерв; в жел.-дор. водоснабжении такие
станции могут встретиться редко. Следует иметь в виду, что насосы более крупных
производительностей почти всегда выполняются заводами с большими к. п. д.,
следовательно, с этой точки зрения излишнее дробление устанавливаемой мощ-
ности на большее количество агрегатов бесцельно.
Для станций второго подъема, обычно осуществляющих неравномерную ра-
боту, число агрегатов для малых станций часто выбирается равным двум и к ним
резерв, для средних и крупных станций — три-четыре и к ним резерв. Агрегаты
эти в одних случаях одинаковы, в других — для большей гибкости в регулиро-
вании подачи—неодинаковы. Здесь именно и накладывают график работы насос-
ной станции на график водопотребления; в этом случае часто, особенно для сред-
них и крупных станций, принимают неравномерную работу станции, предпола-
гая включение и выключение определенных агрегатов на протяжении тех или
иных часов суток.
Конечно, не все запроектированные агрегаты для всех очередей строительства
должны быть сразу установлены; обычно здание насосной станции проектируется
и строится на полную расчетную мощность, оборудование же устанавливается
постепенно для первой и второй очередей.
Не малое значение в рассматриваемом вопросе имеет однотипность оборудо-
вания. Преимущество однотипного оборудования состоит в необходимости мень-
шего количества запасных частей; однако в жел.-дор. водоснабжении разнотип-
ное оборудование в ряде случаев вызывается необходимостью (тепловой резерв).
Следует еще раз указать, что выбор количества насосов, их производитель-
ности и режима работы может оказать значительное влияние на объем ре-
зервуара и башни.
В табл. 1 приведены данные одного сравнительного подсчета емкости бака
для двух случаев.
Как следует из табл. 1, проектируя установку двух насосов производитель-
ностью каждый по 3% от суточного расхода, в данном конкретном случае удастся
снизить объем напорного бака с 12,1 до 6,6% от суточного расхода. В при-
мере предусмотрена круглосуточная работа станции. Однако расчетное число
часов работы насосов на станциях жел.-дор. водоснабжения должно приниматься
в зависимости от принятого числа смен, но не более 23 час. в сутки.
Принципиально важно следующее:
а) при наличии в схеме водоснабжения станций первого и второго подъема
время работы насосов обеих станций следует принимать близким (уменьшается
емкость запасного резервуара);
б) ступенчатая работа с выключением отдельных насосов в отдельные про-
межутки времени может привести к уменьшению емкости напорных резервуаров;
в) разнотипные насосы дают возможность наибольшего снижения емкости
регулирующих резервуаров (часто с избытком компенсирующей некоторое удо-
рожание насосной станции при разнотипном оборудовании). В случае установки
разнотипного оборудования в качестве резерва к двум различным агрегатам
с различными по производительности насосами может устанавливаться один
агрегат с более крупным насосом.
Таблица 1
Сравнительный подсчет емкости бака водонапорной башни при заданном режиме расхода
воды для удовлетворения хозяйственно-питьевых нужд при однотипных насосах двух
различных производительностей (суточная производительность станции 7 500 лг’) * * * §
О Насосы производительностью 2,5% (от суточного расхода) Насосы производительностью 3% (от суточного расхода)
Часы Расход воды в % суточного расхода число работаю- щих насосов | подача воды на- । с осами в % от суточного расхода приток в бак 1 ( + ) в % от су- точного расхода расход из бака (—) в % от су- точного расхода объем воды в баке 1 в % от суточ- ного расхода число работаю- щих насосов | подача воды насо- сами в % от су- точного расхода приток в бак ( + ) в % от су- точного расхода расход из бака (—) в % ог су- точного расхода объем воды в баке в % от су- точного расхода
24-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 .... . 6-7 7-8 8—9 9-10 .... 10-11 .... 11-12 .... К-13 .... 13-14 .... 14—15 .... 15-16 .... 16-17 .... 17—18 .... >8—19 . . . . 19—20 .... 20—21 .... 21-22 .... 22—23 .... 23—24 .... 2,3 1,6 1,6 1,9 2,2 3,7 5,4 5 7,2 3,8 5,4 5 5,2 4,9 4,9 5,4 7,1 4,9 5,3 5,6 3,8 2,9 2,6 2,3 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2,5 2,5 2,5 2,5 4,5* 4,5 4.5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 сч о о о со оо г- > с с- м О О О О М О ) 1 1 ф 1 1 1 1 1 1 1 1 1 | О —— сч 0,9 0,5 2,7 0,9 0,5 0,7 0,4 0,4 0,9 2,6 0,4 0,8 1,1 6,6 7,5 8,4 9 11,3 12,1 11,2 10,7 8 8,7 7,8 7,3 6,6 6,2 5,8 4,9 2,3 1,9 1,1 0 0,7 2,3 4,2 6,4 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 3 3 3 3 3 3 5* 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 3 3 3 3 гч| | | | | | | -- | | - | | | -’.'г 1 о — — — О ОО О ООО 1 .... 0,7 0,4 2,2 0,4 0,2 0,4 2,1 0,3 0,6 0,8 1,9 3,3 4,7 5,8 6,6 5,9 5,5 5,5 3,3 4,5 4,1 4,1 3,9 4,0 4,1 3,7 1,6 1,7 1,4 0,8 0 0,1 0,5 1,2
Итого . 100 — 100 12,8 12,8 — — 100 8,1 8,1 —
* При производительности насосов 2,5 и 3% от суточного расхода производитель
ность двух насосов при параллельной работе принята в одном случае 4,5%, в другом—
5% ет суточного расхода.
§ 4. Регулирование работы насосов и станции
Вопрос о регулировании напора и производительности насосов имеет боль-
шое значение.
На практике встречается два основных требования: изменение произво-
дительности насоса и изменение развиваемого им напора или давления. Из-
менение производительности поршневых насосов требует уменьшения числа
двойных ходов поршня или числа оборотов. Изменение напора возможно (в
определенных довольно больших пределах) независимо от числа двойных ходов.
Изменение производительности центробежного насоса, вообще говоря,
может происходить путем большего или меньшего открытия или закрытия ре-
гулирующей задвижки при постоянном числе оборотов насоса или же путем из-
менения числа оборотов насоса.
Производительность центробежного насоса прямо пропорциональна числу
оборотов насоса, напор прямо пропорционален квадрату числа оборотов.
О н
Потребная мощность, определяемая формулой Л/=при регулировании
производительности закрытием задвижки должна уменьшиться пропорционально
с уменьшением (?. Однако вследствие возрастающего влияния потерь в насосе,
особенно механических,
его производительности потребная
мощность уменьшается дале-
ко не пропорционально и при
полном закрытии регулирую-
щей задвижки составляет ча-
сто 30 — 35% полной потреб-
ной мощности.
Сравнительные опытные
данные указывают на несрав-
при
уменьшении
ненно большую экономич-
ность регулирования произво-
дительности изменением числа
оборотов.
Неэкономичность регули-
рования работы насоса при-
крытием задвижки (на напор-
ном трубопроводе) хорошо
иллюстрируется кривыми
фиг. 166. ВО{—характеристи-
ка трубопровода при открытой задвижке; прикрывая задвижку в большей и
большей степени, получаем новые характеристики трубопровода, направление
которых будет принципиально ОгВх, С\В2 и т. д. На фигуре видны дополнитель-
ные потери напора, вызываемые закрытием задвижки, — Вх Ьх, В2 Ь2 и т. д.
Регулирование за-
движкой снижает к. п. д.
насоса. Если допустить,
что снижение к. п. д. на-
соса пропорционально по-
тере на задвижке, то новые
значения к. п. п. при при-
крытии задвижки можно
было бы получить, умень-
шая отдельные к. п. д. в
соответствии с уменьше-
нием напоров, т. е. в отно-
шении Ву с1 : си В2 с2:
Ь2 с2 и т. д.
Кривая и
есть такая кривая к. п. д.,
подчеркивающая принци-
пиальную невыгодность
способа регулирования за-
движкой, имеющего, одна-
ко, применение на по-
давляющем большинстве
установок вследствие своей
простоты.
Регулирование работы насоса изменением числа оборотов является эконо-
мичным способом регулирования.
На фиг. 167 представлены кривые ЦН насоса при разных числах оборотов,
кривые одинаковых к. п. д., характеристика трубопровода и кривая к. п. д.
насоса, построенная по точкам пересечения характеристики трубопровода
с кривыми одинаковых к. п. д. Последняя кривая указывает, что при
изменении С от 8 до 20 л/сек насос работает с хорошим к. п. д Здесь же
116
нанесена кривая (л), указывающая, при каком числе оборотов следует
работать, чтобы подача необходимого ф проходила при хорошем к. п. д.
Возможность изменения числа оборотов обеспечивает большую при-
способляемость к различным условиям работы и возможность при достижении
определенного Н подойти к выполнению работы наиболее экономичным путем.
Однако при проектировании установок электронасосов следует иметь в виду, что
технические и экономические преимущества переменного тока перед постоянным
привели к тому, что практически единственными электрическими приводами
центробежных насосов являются моторы трехфазного переменного тока; послед-
ние же, как правило, за исключением специальных конструкций, регулирования
числа оборотов на допускают.
Ниже описываются принципы регулирования при трехфазном переменном токе и
некоторые другие.
Требования, предъявляемые к моторам, допускающим регулирование: регулирование
без потерь, простота устройства, простота и легкость обслуживания, надежность в ра-
боте, по возможности малая стоимость установки, хороший коэфициент мощности и
к.п.д. в пределах регулирования. Регулирование числа оборотов обыкновенного асин-
хронного мотора трехфазного тока может производиться путем включения сопротивления
в цепь ротора. Способ этот, давая возможность широкого регулирования, связан с поте-
рей мощности, идущей на нагревание ротора, с низким коэфициентом мощности (соз 9) и
низкимк.п.д. установки, уменьшающимися приблизительно пропорционально уменьшению
числа оборотов; применение такого способа регулирования весьма неэкономично.
Применение моторов с переключающимися полюсами позволяет изменять число обо-
ротов ступенями.
Как известно, '’инхронное число оборотов п3 зависит от частоты тока / (в Союзе /=50)
60/
и от числа пар полюсов мотора Р и выражается формулой п5 = -р—.
Если мотор выполнить таким образом, что часть полюсов при желании можно вы-
ключить, т. е. уменьшить Р, то будет увеличено п5 .
60-50
Гак, например, при трех парах полюсов п3 — —$—= 1 000 оборотов, при двух парах
п3 = 1 500 оборотов.
Переключение производится очень просто, но изменение числа оборотов возможно
здесь лишь большими ступенями, а поэтому регулирования в собственном смысле здесь
нет. К.п.д. этих моторов ниже, чем нормальных асинхронных.
Возможно регулирование числа оборотов путем так называемого
каскадного включения. Способ этот заключается в применения
двух асинхронных моторов таким образом, что ротор одного из них
(или главного) соединен со статором второго или вспомогатель-
ного (служащего для первого сопротивлением). Число оборотов
каскада или всего агрегата
60 /
п°= Р^Р2 ’
где Рг и Р2 числа пар полюсов одного и другого моторов.
При непосредственном соединении моторов на одном валу
можно получить две скорости: одну большую скорость, когда
работает один мотор, другую меньшую, когда работают оба
мотора вместе.
Для получения ряда скоростей второй мотор может быть
Фиг. 168
с переключающимися полюсами.
Описанные способы регулирования в практике проектирования насосных станций
не имеют места потому, что регулирование это связано с потерями, возможно лишь сту-
пенями, коэфициент мощности соз? при частичной нагрузке невысок и т. д.
За границей для регулирования числа оборотов получили некоторое распростране-
ние коллекторные моторы переменного тока (особенно в качестве приводов к вентилято-
рам малых и средних мощностей).
Коллекторные моторы установлены в СССР на водопроводе в Ростове-на-Дону. Для
довольно большой (от синхронного числа оборотов) области регулирования применяется
мотор с последовательным возбуждением. Он обладает почти теми же качествами, что и
последовательные двигатели постоянного тока. Статор мотора имеет нормальную трех-
фазную обмотку и включается непосредственно в сеть. Обмотки ротора выполнены как
для постоянного тока и при помощи коллектора и комплекта щеток последовательно
присоединены через промежуточный трансформатор к статору. Пуск и регулирование
числа оборотов выполняются путем передвижения щеток на коллекторе при поворачи-
вании маховичка; обслуживание мотора очень простое. Регулирование при желании
может быть произведено и не вручную, а с некоторого расстояния: оно происходит почти
без потерь, в больших пределах и при хорошем коэфициенте мощности, доходящем до 0,95
при синхронной скорости и несколько падающем при понижении скорости. К. п. д.
Фиг. 169
при нормальной нагрузке на 5 — 6% меньше, чем у асинхронных моторов, зато пр.
к. п. д. значительно выше,
уменьшении скорости
как у асинхронных,
как это видно из
Фиг. 170
а- мотор; € —насос; с—всасывающий штуцер; </—
шт' пер низкого давления; е—штуцер высокого
давления; /—регулирующая задвижка; § —обрат-
ный клапан; Л—всасывающий трубопровод; г —
трубопровод низкого давления; /с—трубопровод
высокого давления
чем у асинхронных; он не так падает,
фиг. 168, где изображены кривые к- п. д.
асинхронного и коллекторного моторов мощ-
ностью 40 кет. Коллекторный мотор вклю-
чает в себя наиболее дорогую часть трех-
фазного асинхронного мотора (статор) и
наиболее дорогую часть мотора постоянного
тока (якорь с коллектором) и потому
при одной и той же мощности будет стоить
примерно в два раза дороже асинхронного
мотора
На фиг. 169 показан один из коллектор-
ных моторов, приводящий в действие центро-
бежный насос. Интересная конструкция и
установка центробежных насосов, развиваю-
щих одновременно различные напоры, пока-
заны на фиг. 170. Один и тот же насос одно-
временно и независимо может перекачивать
воду в две зоны. Это обусловлено тем, что
полное давление у центробежного насоса
достигается последовательно включенными
ступенями, и если отбирать воду от насоса
после разных ступеней, то вода эта будет
отводиться с разными напорами.
Каждый из насосов имеет напорный
штуцер с напорным трубопроводом для ниж-
ней зоны (за второй ступенью), другой шту-
цер для верхней (за четвертой ступенью).
Переключения трубопроводов выполне-
ны таким образом, что один насос перекачи-
вает воду в нижнюю зону, другой — в верх-
нюю, или оба •— в нижнюю, или оба в
верхнюю, или каждый — в обе Зоны одно-
временно. Регулирования в буквальном смы-
еле здесь нет, но зато достижимы вполне определенные изменения в производительностях
и особенно в напорах Весьма интересным для регулирования работы насосов может
быть применение гидромуфт.
Иногда в условиях мало изменяющихся напоров установка нескольких на
сосов различной производительности с обыкновенными асинхронными моторами
трехфазного тока удовлетворительно разрешает вопрос регулирования произво-
дительности станции и приводит к достаточно хорошему экономическому эф-
фекту.
ГЛАВА II
ЭЛЕМЕНТЫ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ
§ 5. Здание станции
Общие соображения о выборе места расположения насосной станции, о
расположении станции относительно поверхности земли и пр. приведены выше.
Здание насосной станции служит для размещения в нем оборудования и проек-
тируется в зависимости от намечаемого оборудования: в этом смысле оно в одних
случаях представляет собой гидротехническое сооружение большей или меньшей
сложности, в других—ничем не отличается от обычных гражданских сооруже-
ний, проектируемых в соответствии с ролью станции, сроком ее службы, распо-
ложением и габаритами оборудования, необходимостью дальнейшею расширения
или замены оборудования, необходимостью расположения в ней электрических
трансформаторных или распределительных устройств, жилых помещений для
обслуживающего персонала, мастерских, необходимостью установки крана, а
также проектируемых в соответствии с конструкцией фундаментов под насосные
агрегаты, характером грунта, наличием тех или других строительных мате; иолов
и т. д. и т. п. Здания насосных станций должны предохраняться от затопления,
а шахты — от проникновения грунтовых вод.
Проект должен отражать в себе все технические условия и норм >1. предусмо-
тренные соответствующими законодательством и положениями по проектирова-
нию и выполнению строительных работ и технике безопасности.
Возможность будущего расширения должна предусматриваться с таким ра-
счетом, чтобы оно могло осуществиться без перерыва эксплуат; ц ш; в насосных
станциях второго подъема это часто проще сделать путем пристройки с торца.
В насосных станциях первого подъема, полузаглубленных или с шахтой
это значительно сложнее; в отдельных редких случаях учитывают возможность
будущего увеличения мощности за счет установки насосов на вертикальном валу.
Высота машинного зала обычно принимается не менее 4 м, высота вспомогатель-
ных помещений — не менее 3 м.
Основным вопросом при проектировании здания насосной станции является
потребная площадь. В одних случаях площадь ранее выстроенных станций во
много раз превышает действительно потребную площадь (считая и возможное
расширение), в других случаях на насосных станциях не предусмотрено долж-
ного места для электрических распределительных устройств, и их приходится
располагать в создаваемых для этой цели пристройках или специально конст-
руируемых металлических кабинах, располагаемых в выстроенном здании
станции.
Согласно числу оборотов, производительности и напору, развиваемых насо-
сами, необходимо, пользуясь данными заводов, наметить потребную площадь (ши-
рину и длину агрегата). Эти данные вместе с данными о проходах между агрега-
тами, о площади, потребной для электрических распределительных или иных
устройств при использовании других источников энергии и иного силового
оборудования позволят относительно правильно наметить всю потребную пло-
щадь здания насосной станции.
Проход между рядом стоящими агрегатами должен приниматься таким, чтобы
позволить при демонтаже разместить между этими агрегатами снятый м^тор
или насос и чтобы при этом оставался небольшой проход. Минимальное расстоя-
ние между агрегатами, точнее между краем фундаментной плиты одного агрегата
и крайней фасонной частью другого, обычно принимается не менее 1 м.
Проход между агрегатом и стеной должен приниматься не менее 1,25 м.
Намечая расположение агрегатов, при определении потребной площади стан-
ции всегда следует учитывать необходимость выемки вала с колесами или ро-
тора при демонтаже. Примерно в зависимости от мощности мотора для этой цели
необходимы следующие расстояния:
Мощность мотора в кет Расстояние, Таким образом, вокруг каждого агрегата потребное для должна предусматриваться свободная площадь свободной выемки для его обслуживания. ротора, в .и р последнее время наши заводы освоили
20 40 75 100 200 300 400 । 2 производство насосов с разъемным в горизон- 1*5 тальной плоскости корпусом. Это позво- 1,6 ляет при демонтаже вал насоса с колесами Б® при помощи подъемного приспособления под- 2’4 нимать вверх. Указанное на крупных станциях 2^6 может привести к некоторому уменьшению их площади. Потребная площадь для пусковых
и распределительных устройств с некоторым приближением может быть опре-
делена на основании данных, приведенных в главе о насосных станциях
с электрооборудованием и пр.
При установке котлов и локомобилей необходимо учитывать потребную
площадь перед ними; перед вертикальными котлами Шухова необходимо
расстояние не менее Зм и для локомобилей расстояние, достаточное для выемки
труб котла. Определяя потребную площадь насосной станции, следует также
учитывать необходимость размещения шкафов, столов и пр., иногда небольшой
ремонтной мастерской (при значительном удалении станции от жел.-дор. станции
или населенного пункта), уборной, умывальной и т. д. Проектируя насосную
станцию, следует иметь в виду необходимость и возможность перемещения
оборудования внутрь здания насосной станции. Для этой цели предусматри-
вается часть дверей или окон достаточной ширины. Насосные станции должны
быть выполнены из огнестойких или несгораемых материалов. Насосные стан-
ции с паровым оборудованием должны удовлетворять правилам, устанавливае-
мым органами по котлонадзору, и с прочим оборудованием — правилам по
технике безопасности. В необходимых местах должны быть предусмотрены ограж-
дения перилами и т. д. При насосных станциях устраивается склад топлива
емкостью не менее трехмесячного расхода топлива агрегатами. §
§ 6. Фундаменты под агрегаты
При установке дизелей и иных двигателей, имеющих большой вес и даю-
щих динамическую нагрузку, проектированию и расчету фундаментов придается
особо серьезное значение. Агрегаты (двигатели, котлы и пр.) устанавливаются
на фундаментах, устраиваемых обычно согласно чертежам заводов, изготовляю-
щих оборудование.
Вопрос о рациональном выборе размеров фундаментов для электромоторов
и центробежных насосов, стоящих раздельно или непосредственно соединен-
ных на общей фундаментной плите, несмотря на относительно небольшой вес
этих агрегатов, имеет также существенное значение. Большинство этих машин
работает при наличии некоторой неуравновешенности вращающихся масс, вызы-
вающей вибрации всей системы.
Для выполнения рационального фундамента необходимо соблюдение сле-
дующих условий:
а) вибрация системы должна быть наименьшей;
б) вибрации не должны передаваться стенам помещения и не должны ока-
зывать на них влияния;
в) явление резонанса между системой, стоящей на основании, и силами
неуравновешенных вращающихся масс не должно иметь места;
г) фундамент при соблюдении всех приведенных условий должен обладать
наименьшим весом.
При проектировании фундамента необходимо руководствоваться следующим:
1) по намеченным размерам фундамента определяется его вес, который скла-
дывается с весом машины, и по существующим методам производится проверка
фундамента. При этом давление на грунт не должно превышать допускаемого
по нормам;
2) для больших агрегатов, располагаемых вблизи стен, заглубление фунда-
мента желательно ниже глубины заложения фундаментов стен для уменьшения
передачи последним вибраций;
3) фундамент ни в коем случае не должен связываться с полом и стенами зда-
ния; между полом и фундаментом необходимо оставить щель в 10— 15 мм\
4) уровень грунтовых вод должен лежать по возможности ниже подщцвы
фундамента, в противном случае желательно, а иногда и необходимо устрой-
ство искусственного основания (уплотнение грунта, сваи и пр.), так как вода
способствует передаче вибраций;
5) непосредственное возведение фундамента на скалистом грунте не допу-
скается; необходима предварительная выемка скалы и подсыпка чистого сухого
песка слоем 400 — 500 мм с изоляцией его от увлажнения;
6) при конструировании фундамента необходимо, чтобы центр тяжести си-
стемы совпадал с центром тяжести основания. Фундаментные болты следует про-
пускать возможно глубже для захвата большей массы фундамента. Заливку
болтов доверху производить не рекомендуется, необходимо оставлять незали-
той часть их длиной от 100 до 150 мм, каковую засыпать сухим песком для
сохранения эластичности;
7) по окончании кладки фундамента часть, выступающую над полом, необ-
ходимо зажелезнить раствором цемента с земляным суриком в целях предохра-
нения разрушения бетона от минерального масла, попадающего на фундамент;
8) наиболее употребитель-
ным материалом для фундамен-
тов служит бетон или кирпичная
кладка из хорошо обожженного
кирпича на цементном раст-
воре 1:2.
§7. Расположение насосов. Тру-
бопроводы и их трассировка
Расположение насосов на
насосной станции может быть
различным. Насосные агрегаты
могут быть расположены так,
что валы их будут параллельны
друг другу или, наоборот, рас-
полагаться по одной прямой.
Схема устанавливается в зави-
симости от характера и назна-
чения станции, количества и
вида агрегатов, перспектив рас-
ширения ит. п.
Обычно на насосных стан-
Фиг. 171
циях агрегаты расположены в Фиг. 172
один ряд (фиг. 171) или в два
ряда. В принципе расположение агрегатов должно быть так осуществлено,
чтобы это соответствовало наименьшей стоимости станции и наибольшему
удобству в смысле переключений трубопроводов, обслуживания, расширения
станции и т. д. Иногда если станция представляет в плане круг—встре-
чается необычное расположение насосов (фиг. 172). Такое расположение дик-
туется необходимостью экономить в стоимэсти станции (заглубленной), вообще
очень дорогой.
Трубопроводы на насосных станциях могут быть расположены различно
в зависимости от числа и размещения агрегатов, расположения резервуаров и
всасывающих колодцев, в зависимости от количества напорных водоводов,
необходимости выделения для ремонта части станции, без нарушения при этом нор-
мальной работы станции и т. д.
Схема расположения трубопроводов должна быть такова, чтобы при наиболь-
шей простоте, наименьшем количестве задвижек и фасонных частей максимально
обеспечить нормальную работу каждого из агрегатов. Особо большое значение
имеет правильное расположение всасывающих трубопроводов и особенно при
параллельной работе нескольких центробежных насосов.
Фиг. 174
Фиг. 173
На фиг. 171 показано правильное расположение всасывающих трубопрово-
дов, а на фиг. 173 — неправильное расположение.
Расположение трубопроводов, показанное на фиг. 174, принято на целом ряде
водопроводов; расположение это при параллельной работе центробежных насосов
не рекомендуется. При установке поршневых насосов такое расположение трубо-
проводов допустимо.
В тех случаях, когда всасывающие линии имеют значительное протяжение,
следует у самой насосной станции расположить приемный колодец, воду подвести
к приемному колодцу и всасывание насосами осуществлять из последнего.
На фиг. 175 показана распро-
страненная схема расположения вса-
сывающих трубопроводов и задвижек
на них при установке трех насосов,
забирающих воду из подземных ре-
зервуаров.
Всасывающая линия проклады-
вается с постепенным подъемом к на-
сосу, крутые и частые изгибы ее не
должны иметь места.
Часто всасывающие трубопроводы
проектируют в галлереях или иных
открытых для осмотра местах, преду-
сматривая при этом удобный доступ
к трубам. В случае прокладки всасы-
вающих стальных труб со сварными
стыками это необязательно. В том
случае, когда отметка воды в резер-
вуаре, колодце, реке или другом источнике может быть выше отметки оси на-
соса, на всасывающем трубопроводе необходимо предусмотреть задвижку.
В проектировании напорных трубопроводов в пределах станции конструктор
менее ограничен. На фиг. 171 показана простейшая схема соединения напорных
трубопроводов насосов при общем напорном трубопроводе станции (задвижки
и пр. не показаны).
На фиг. 176 показана схема расположения всасывающих и напорных трубо-
проводов. Следует обращать внимание на размещение задвижек с тем, чтобы
смена или ремонт задвижки не вызывали вынужденный простой всей станции и
чтобы при ремонтах насосов, обратных клапанов, водомеров и пр. была обеспе-
чена работа части насосов станции.Устройство по схеме фиг. 177 может потребовать
остановки всей станции при ремонте любой задвижки (впредь до постановки за-
глушки); схема по фиг. 178 позволяет ремонтировать любую задвижку при одном
выключенном агрегате. В особых случаях (особенно в водоснабжении ряда за-
водов), когда перебои не
Фиг. 176
могут быть допущены и ре-
гулирующие резервуары
недостаточны или отсут-
Фиг. 178
ствуют, этому последнему обстоятельству придают исключительное значение,
поэтому в отдельных случаях устраивают в пределах станции кольцевую напор-
ную линию (фиг. 179).
На напорной линии до выхода ее из станции часто устраивается ответвле-
ние на случай выпуска воды из водовода. Расположение штуцеров насосов
должно обязательно учитываться при разработке рабочих чертежей станции;
различное расположение штуцеров требует установки различных фасонных
частей.
Напорный трубопровод в пределах станции обычно выполняется из чугун-
ных фланцевых труб. Вместо чугунных литых фасонных частей в последнее время
Фиг- 179
Фиг. 180
турные напряжения в водоводах в исключительных случаях вызывают необхо-
димость постановки компенсаторов.
Трубопроводы насосной станции диаметром до 300 мм в пределах станции
обычно укладываются в каналах. Размеры каналов должны обеспечить возмож-
ность осмотра, смены труб и пр.
Таолица 2
О труб в мм Глубина! Ширина
канала в см канала в см
100 60 60
125 65 65
150—200 70 70
250—300 80 80
При прокладке одной трубы в зависимости от диаметра последней каналы
имеют размеры, приведенные в табл. 2.
В некоторых случаях в те же каналы уклады-
вается и кабель, тогда размер канала может быть
несколько увеличен. Каналы перекрываются риф-
леным железом.
Нередко трубопроводы (диаметром выше 350 леи)
укладываются в подвалах или проходимых галле-
реях с перекрытием из съемных плит. При этом
трубы укладываются на кирпичные или бетонные
столбики.
При пропуске труб через стены в последних
предусматривается небольшой проем со сводиком,
заполняемый жирной глиной. По осадке здания
проем заделывается кирпичом. При возможности поступления в станцию грунто-
вых или иных вод указанный проем сразу заделывается наглухо. Труба может
быть уложена в чугунном патрубке — кожухе, заделываемом наглухо в стену;
просвет между кожухом и трубой проконопачивается.
На фиг. 180 показан специальный сальник, устраиваемый при пропуске
труб через стену.
§ 8. Соединения насосов с двигателями
А. СОЕДИНЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯ С НАСОСОМ НА ОБЩЕМ ВАЛУ
Возможность соединения электромотора и центробежного насоса непосред-
ственно на одном валу, простота обслуживания агрегата, незначительная площадь,
занимаемая агрегатом, и отсутствие необходимости в дополнительной пло-
щади для осуществления передачи дают большие преимущества электронасосу.
Поэтому чаще всего насос и электромотор располагаются на общей фундаментной
плите и соединяются при помощи муфт. Возможно непосредственное соедине-
ние насоса с паровой турбиной (турбонасос). Муфты употребляются и для соеди-
нения редукторов с двигателем с одной стороны и насосом — с другой.
На фиг. 181 изображена дисковая эластичная муфта, состоящая из двух по-
ловинок. Каждая половинка муфты заклинивается на валу (насоса и мотора)
наглухо. Между дисками муфты вкладываются кожаные прокладки а, притяги-
вающиеся болтами, одним концом — к одному диску, и другим — к Другому;
передача вращательного момента производится этими кожаными прокладками.
Большим распространением пользуется эластичная муфта, показанная на
фиг. 182. Муфта состоит из двух половинок, одна из которых имеет цапфы,
на которые надеваются резиновые кольца, а другая — соответствующие этим
124
цапфам цилиндрические отверстия, в которые входят цапфы. Встречаются и дру-
гие конструкции эластичных муфт.
Подвижность одной полумуфты по отношению к другой у различных муфт
различна. Осевое перемещение возможно обычно в пределах нескольких милли-
метров.
Б. ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА
Для передачи небольших мощностей при небольших числах оборотов в водо-
подъемных агрегатах применяются обыкновенные цилиндрические зубчатые
колеса.
Для передачи
больших мощностей
и при больших ско-
ростях применяются
колеса с угловинто-
выми зубцами.
Передача при по-
мощи системы зубча-
тых колес носит на-
звание редуктора, хо-
тя обычно под терми-
ном «редуктор» пони-
мают зубчатую пере-
дачу, заключенную в
коробку (фиг. 183).
В водоподъем-
Фиг. 183
ных агрегатах при-
меняются одноступенчатые редукторы, состоящие из корпуса и пары колес.
Связь редуктора с насосом и двигателем осуществляется при помощи муфт.
Для уменьшения износа зубцов колес последние работают так, что нижняя
часть их находится в масле.
Колеса исполняются из специальной хромоникелевой стали, закаливаются,
затем шлифуются на специальных станках.
К.п.д. редукторов обычно колеблется в пределах 0,95 — 0,98. Редуктор
позволяет насос и двигатель использовать при наивыгоднейшем для каждого из
них числе оборотов, что весьма существенно.
В. РЕМЕННАЯ ПЕРЕДАЧА
В водоподъемных сооружениях наиболее распространенным видом ременной
передачи является открытая (фиг. 184), когда вращение обоих валов направлено
в одну сторону; очень редко может встретиться и Полуперекрестная (фиг. 185),
Фиг. 184
применяемая в тех случаях, когда валы скрещиваются под углом, равным 90°.
Передача крутящего момента осуществляется здесь за счет силы трения, возни-
кающей между рабочей цилиндрической поверхностью шкивов и ременной лентой,
надетой на шкивы с некоторым натяжением.
Ременные передачи применяются для передачи различных мощностей —от
очень малых до больших. Работа передачи зависит-от расстояния между валами:
чем меньше это расстояние, тем спокойнее работает передача; при параллельном
расположении валов пределом служит расстояние примерно в 8 м. В горизон-
тальных и наклонных передачах ведущую ветвь располагают внизу, так как она
более натянута, а ведомую — сверху; последняя, будучи слабее натянута и про-
висая, увеличивает угол обхвата.
При малом расстоянии между валами и малом угле обхвата на меньшем шкиве
устанавливают натяжные ролики для лучшего обхвата обода шкива (фиг, 186);
это позволяет передавать значительно большие мощности. При применении на-
тяжных роликов необходимость в укорачивании вытягивающегося во время
работы ремня отпадает.
При передаточном отношении до 4 — 5 в индивидуальном приводе передача
вращательного момента от двигателя к насосу производится без натяжного ро-
лика; при большем передаточном отношении требуется применение натяжного
ролика независимо от длины ремня.
Ременные передачи бывают индивидуальные, когда шкив насоса соединен
ременной лентой непосредственно со шкивом двигателя, т. е. когда каждый насос
обслуживается двигателем самостоятельно, и групповые — при передаче от
одного двигателя одновременно к нескольким насосам через трансмиссию. При-
надлежностями каждой трансмиссии являются валы, шкивы, подшипники,
подвески или кронштейны, и дополнительные приспособления, как то: устрой-
ства для перевода ремня, муфты для соединения валов, направляющие ролики и
пр. Валы изготовляются из стали; шки-
вы — из чугуна, стали и дерева; самыми
распространенными являются чугунные.
При передачах небольших мощно-
стей, когда ширина ремня сравнительно
небольшая, его можно переводить с
одного шкива на другой; для этого на
трансмиссионном валу рядом с рабочим
шкивом, закрепленным на валу, ставит-
ся холостой шкив, свободно вращаю-
щийся на валу. Шкив на насосе в этом
ФиГф 186 случае имеет ширину обода, соответ-
ствующую- двойной ширине рабочего
шкива на валу трансмиссии. Холостой шкив может быть расположен и на валу
насоса; в таком случае на валу трансмиссии рабочий шкив должен иметь ширину
обода, соответствующую примерно двойной ширине рабочего шкива на насосе.
При приведении в действие центробежного насоса электродвигателем ремен-
ную передачу целесообразно проектировать лишь в тех случаях, когда есть не-
которая неопределенность в отношении действительных условий работы насосов.
Тогда путем изменения диаметра шкивов можно получить различные числа обо-
ротов насоса, а соответственно с этим и различные (}иН. Ременная передача тре-
бует большего места, нежели при непосредственном соединении насоса с двигате-
лем, менее компактна, а главное требует излишнего расхода энергии, к.п.д.
ременной передачи колеблется в зависимости от передаваемой мощности,
конструкции передачи и т. д. и в среднем составляет около 0,95.
Ременные передачи в водоподъемных сооружениях больших мощностей
употребляются очень редко; при средних и малых мощностях они встречаются
часто.
Применяемый ремень должен быть хорошего качества, достаточно вытяну-
тым, тонким и мягким. Встречаются прорезиненные плоские ремни, реже —
хлопчатобумажные и из верблюжьей шерсти. Ремень не следует сильно натяги-
вать, так как при этом он вызывает ненормальный износ вала и подшип-
ников.
Недопустимо применение и слабо натянутых ремней, так как это будет вести
к скольжению и, следовательно, к уменьшению производительности насосов.
Расчет передачи состоит в определении диаметра шкивов, скорости движения
ремня, усилия, передаваемого им, и размеров ремня.
Методы расчета приводятся в соответствующих пособиях.
§ 9. Приемные, обратные и предохранительные клапаны
Для заполнения насоса и всасывающего трубопровода перед пуском насоса-
трубопровод чаще всего снабжается приемным клапаном. Последний уста-
навливается на расстоянии не менее 0,5 м от дна колодца, резервуава нт. д.
и на расстоянии не менее двух-трех диаметров от стенок колодца. Мини-
мальное погружение под уро-
вень воды—полтора-два диа-
метра трубы.
Приемные и об ратные кла-
паны действуют автоматиче-
ски; они допускают движение
жидкости в одном направле-
нии и не допускают в об-
ратном.
Приемный клапан пред-
ставлен на фиг. 187, а на
фиг. 188—сварной приемный
клапан (может быть изгото-
влен на строительстве).
Во избежание излишней потери напора и частой очистки сетки общая пло-
щадь отверстий в ней должна быть в несколько (четыре-пять) раз больше площади
сечения трубы.
Представленная на фиг. 189 конструкция клапана позволяет просто осущест-
влять очистку сетки (от травы, водорослей и пр.) во время эксплуатации. Длин-
Разрез по А-5
Общий Вид сварного приемного
клапана
Фиг. 188
ным ключом, ВЫХО-
ДЯЩИМ наружу, по-
ворачиваются особые
медные щетки, очи •
щающие сетку.
При заполнении
водой (перед пуском)
насосов, развиваю-
щих большие давле-
ния, приемные кла-
паны должны рассчи-
тываться на значи-
тельное давление, ко-
торое может им пере-
даваться при откры-
тии перепускного
вентиля на обратном
клапане. Если к на-
сосу вода подается
под давлением, то приемный клапан не нужен.
Для большей сохранности частей насоса непо-
средственно за ним ставится обратный клапан,
открывающийся в направлении движения воды
под ее давлением и закрывающийся при прекра-
щении подачи под влиянием давления, имеюще-
гося за клапаном.Центробежный насос приоста-
новке его и отсутствии приемного (и обратного)
клапана или его неисправйости работал бы как
водяная турбина и электромотор — как генератор, что является недопустимым.
Как правило, обратный клапан устанавливается при напоре более 20 — 25 ж или
длине трубопровода более 20 м.
Нафиг. 190 изображен обратный клапан, устанавливаемый как на горизон-
тальном, как и на вертикальном трубопроводах. Клапан состоит из корпуса
с фланцами, тарелки клапана и крышки, закрывающей отверстие в корпусе.
Тарелка вращается относительно оси, закрепленной в теле корпуса. Для сооб-
щения напорного трубопровода с корпусом насоса, разделенных тарелкой кла-
Фиг. 189
пана (при заполнении центробежного насоса
или при опорожнении напорного трубопро-
вода), в корпусе клапана устраивается пе-
репускная трубка с вентилем, при открытии
которого вода может переходить по трубке из
одной полости клапана в другую.
На фиг. 191 показан сварной обратный
клапан диаметром 300 мм.
Фиг. 190
При внезапном закрытии клапана происходят удары, которые часто могут
быть весьма значительными; они ведут к быстрому износу рабочих частей его.
На фиг. 192 показана специальная конструкция клапана. Корпус состоит
из двух стягиваемых болтами частей, между которыми зажат диск круглого сече-
Фиг. 191
ния, имеющий ряд неболь-
ших отверстий. Каждое от-
верстие представляет собой
седло обыкновенного откид-
ного клапана; таким обра-
зом, ряд небольших клапа-
нов расположен на одном об-
щем диске. Для доступа к
отдельным клапанам корпус
в верхней своей части имеет
отверстие с крышкой. Для
сообщения полости насоса и
трубопровода имеется пере-
пускная трубка с задвижкой.
Такой клапан применяется
для трубопроводов больших
диаметров (400 — 1 000 мм).
Клапан имеет большой вес;
возможна установка его на
особом фундаменте; для этой цели корпус имеет в нижней части соответствую-
щий прилив.
Клапан, изображенный на фиг. 193, представляет собой конструкцию с от-
кидной тарелкой и с приспособлением для замедленной посадки тарелки на седло.
С осью вращения клапана связан двуплечий рычаг, один конец которого несет
груз, служащий для уравновешивания тарелки клапана, а другой — связан
с поршнем масляного тормоза. При подъеме тарелки клапана рычаг поворачи-
вается относительно оси вращения последней и концом, связанным со штоком
поршня, производит подъем поршня. При движении поршня во время закрытия
клапана в цилиндре происходит перепуск масла с одной стороны поршня на
другую. Масло при протекании по каналу или отверстию незначительного диа-
метра имеет небольшую скорость движения, и поршень в цилиндре движется с
налой скоростью; малую скорость движения имеет и конец рычага клапана,
Фиг. 192
связанного с поршнем. В силу замедленного движения рычага клапана тарелка
клапана, связанная с ним, садится на седло также с замедлением, чем и устра-
няется удар тарелки о седло.
Иногда от обратного клапана отводится труба, на которой устанавливается
предохранительный клапан, служащий для выпуска воды и уменьшения давления
в том случае, когда последнее превзойдет допускаемую величину. Как правило,
у центробежных насосов на напорном штуцере ставят обратный клапан и
задвижку.
Фиг. 193
Нафиг. 194 показан комбинированный клапан, заменяющий собой одновре-
менно и клапан и задвижку. Он состоит из корпуса и клапана грушевидной формы.
Работа клапана заключается в следующем: при помощи червячной передачи,
приводящейся в движение маховиком, поднимается винт, за ним под давлением
воды поднимается вверх клапан; через полученный таким образом кольцевой
проход вода может свободно проходить в нагнетательный трубопровод, проте-
кая между стенками корпуса клапана и самим клапаном грушевидной формы.
При остановке насоса клапан под давлением воды, устремляющейся к насосу, и
действием собственного веса садится на седло и разобщает насос от трубопровода.
• ^Водоснабжение
129
Для заполнения насоса водой в корпусе имеется приспособление, позволяющее
сообщать полости, разделяемые клапаном. Внезапные и быстрые посадки тарелок
обычных обратных клапанов, являющиеся следствием внезапных выключений
тока и остановок насоса, вызывают гидравлические удары. Здесь почти одновре-
менно имеет место прекращение работы насоса, вызывающее гидравлический
удар и аналогичное явление вследствие быстрой посадки обратного клапана.
Кривые изменения давлений в сумме дают общую кривую, характеризующую
повышение давления. В ряде случаев давления у насоса достигали при-
мерно 34 ат вместо 22 при нормальной его работе и в конце водовода око-
ло 12 ат, где это давление обычно близко к 1 ат. Частые выключения тока
и частые гидравлические удары приводят к постепенному нарушению нор-
мальной работы труб и стыков и далее к авариям. Для предотвращения
таких аварий рекомендуется установка у начала напорного водовода предохра-
нительного клапана, отрегулированного с таким расчетом, чтобы в момент
Фиг. 194
повышения давления на некоторую заранее заданную величину клапан откры-
вался (некоторое количество воды выбрасывается наружу и давление падает).
Другим мероприятием является устройство, служащее для принудительной
замедленной посадки клапана в течение определенного заданного промежутка
времени. В формуле для времени закрытия клапанов и пр., данной проф. Жуков-
ским,
где Ь в саженях, а о в футах.
Время это зависит от длины трубы, поэтому следует особо подчеркнуть значе-
ние замедления посадки клапана для длинных водоводов. Так, например, для
водовода, имеющего длину 5 км при скорости движения воды в нем около 0,6 м
(2 фута), при допущении повышения давления в 3 ат время закрытия клапана
должно выражаться величиной:
Т-р _ 5-500-2
75Р “75-3 ~
22 сек.
Итак, для устранения опасности разрушения длинных водоводов можно
применять на насосах обратные клапаны с принудительной замедленной посадкой,
достигаемой применением конструкции масляных или иных амортизаторов,
рассчитанных в каждом отдельном случае на необходимое время посадки
клапана.
Фиг. 195
Наиболее распространенные конструкции предохранительных клапанов
показаны на фиг. 195 и 196; установка их рекомендуется в тех же целях (борьба
с гидравлическими ударами) для большей надежности
в работе.
Предохранительные клапаны рекомендуется устана-
вливать одновременно с специальными конструкциями
обратных клапанов. При установке обратных клапанов
с замедленной посадкой нельзя устанавливать клапаны на
всасывающих трубопроводах во избежание передачи им
давлений из напорных трубопроводов и возможного разру-
шения их во время медленной посадки обратного клапана.
Для полузаглубленных и заглубленных станций во
избежание повреждения внутри станции при разрыве в
трубопроводах или арматуре необходимо также устанавли-
вать обратные клапаны в наружных колодцах на напор-
ных трубопроводах.
§ 10. Вакуум-насосы
Фиг. 196
Ранее были распространены конструкции поршневых
вакуум-насосов, обладающих рядом недостатков. При отса-
сывании воздуха вместе с последним из корпуса насоса мо-
гут попадать и частицы жидкости; попадание последних
в цилиндр поршневого вакуум-насоса недопустимо, поэтому
на линии, соединяющей вакуум-насос с центробежным
насосом, необходимы специальные устройства для улавли-
вания частиц жидкости. Сравнительно небольшая произ-
водительность этих вакуум-насосов требует большого
промежутка времени для создания должного вакуума и
осуществления всасывания.
Этими недостатками не обладают мокро-воздушные насосы, одна из конструк-
ций которых — насос типа «Эльмо» — получила недавно значительное распро-
странение.
Вакуум-насос типа «Эльмо» состоит в основном из цилиндрического корпуса,
вала и крыльчатого колеса, расположенного эксцентрично в корпусе.
Представим себе вращение колеса Ь с соответствующим образом расположен-
ными лопатками внутри цилиндрического корпуса а вакуум-насоса, несколько
заполненного водой (фиг. 197);
в том случае, если бы колесо
было расположено концен-
трично по отношению к кор-
пусу, вода, увлеченная ло-
патками колеса, вращалась бы
вследствие центробежной си-
лы в кольцевом пространстве
у корпуса насоса; простран-
ство между колесом и «водя-
ным кольцом» 1 — 6, разде-
ленное лопатками колеса, за-
нято воздухом. Когда колесо
расположено эксцентрично по
отношению к корпусу насоса
так, что средняя часть его
соприкасается с «водяным
кольцом», а воздух занимает
различные объемы в свобод-
ном от воды пространстве,
фиг 197 разделенном лопатками, то
при вращении колеса, напри-
мер , по часовой стрелке, объем 7, занимаемый воздухом, увеличивается до раз-
меров пространства 2 и далее до пространства 3, и затем уменьшается до
пространств 4, 5 и ф таким образом, воздух, находящийся в пространстве 7,
имеет возможность вначале расширяться, затем вновь сжиматься. Если про-
странства 7, 2, 3 соединить каналом с местом, откуда предполагается всасывать
воздух, и пространства 4, 5
и 6 соединить с местом, ку-
да воздух будет нагнетать-
ся, то при вращении коле-
са воздух будет устремлять-
ся в пространства 7, 2 и «Зи
выбрасываться после сжа-
тия через пространства 4,
3 и 6.
Достигаемый насосами
«Эльмо» вакуум может быть
очень высок. Число оборо-
тов насосов «Эльмо велико
(1500, 3 000 в 1 мин.). На-
сос, соединенный на общем
валу с электромотором,
представляет собой весьма
компактный агрегат, зани-
мающий очень мало места.
На фиг. 198 представлен
такой насос с пристроенным к нему электромотором (завод «Красный факел»).
Нафиг. 199 дана установка аналогичного насоса с электромотором 1,5 кв и
-п = 2 900 в 1 мин. производительностью 0,12 Л13/минпри вакууме 8,2 м вод. ст.
и 0,15м3/мин при вакууме 6,1 м вод. ст.
Расположенные у насоса бачки выполняют двоякую роль: отсюда насос
забирает рабочую жидкость (воду), сюда же он выбрасывает воздух и воду.
На фиг. 2€Ю показана схема одной установки вакуум-насоса описанной кон-
струкции. Как видно из схемы, иногда между насосом и вакуум-насосом пре-
дусматривается особый вакуум-бачок, откуда вакуум-насос непосредственно
отсасывает воздух.
Расход, вызванный установкой вакуум-насосов, приводится по существу к
амортизации их и незначительному ремонту. Насос перед каждым включением
работает 2 — 5 мин. и расход энергии весьма мал.
Фиг. 199
Установка вакуум-насосов целесообразна, когда число насосов и, следова-
тельно, число приемных клапанов значительно, когда производительность стан-
ции значительна и когда стоимость энергии не очень низка. На малых станциях
с небольшим количеством агре-
гатов установка вакуум-насосов
взамен приемных клапанов мо-
жет быть излишней. Установка
вакуум-насоса целесообразна
при перекачивании грязных вод,
когда не исключена возможность
попадания под приемный клапан
травы, камыша, кусочков дерева
ит. д., что препятствовало бы
нормальной посадке клапана и,
следовательно, нормальной экс-
плуатации насоса.
§ 11. Задвижки и приводы к ним
Существуют задвижки тяже-
лого или легкого типа для боль-
ших и малых давлений, с раз-
личной формой корпуса, со шпиндельной нарезкой, лежащей внутри корпуса
или вне его, задвижки Лудло, задвижки с маховичком или специальным приво-
дом и т. д.
Привод к задвижкам, будет ли то механическая передача, гидравлический
привод или электрический, позволяющий производить открытие и закрытие за-
движек также и на расстоянии, в современных насосных станциях является суще-
ственным элементом.
Ручной привод к задвижкам применяется при малых давлениях
на трубопроводах диаметром до 1 м и при больших давлениях на трубопроводах
меньшего диаметра; в насосных установках, где задвижки закрываются и откры-
Фиг. 201
ваются довольно часто, где время закрытия и открытия
должно быть относительно мало, ручной привод обычно
применяется к задвижкам диаметром до 400 мм.
Различают ручной привод с промежуточной пере-
дачей и без таковой, т. е. с маховичком, непосред-
ственно сидящим на шпинделе задвижки. Если задвижка,
Фиг. 202
Фиг. 203
находится ниже пола станции (в подвале, галлерее), то для удобства управления
шпиндель удлиняется и проходит внутри колонки, над которой устанавливается
маховичок. В тех случаях, когда место не позволяет установить колонку непо-
средственно над задвижкой, можно осуществить передачу движения от маховичка
к шпинделю задвижки при помощи рычагов, связанных шарнирами, как это по-
казано на фиг. 201. При расположении задвижки на значительном расстоянии
от пола станции при горизонтальном расположении шпинделя может применяться
Фиг. 204
Это опережение, а
привод, показанный на фиг. 202. Задвижки диаметром
больше 400 мм при средних давлениях имеют ручной при-
вод с цилиндрическими, коническими колесами или червяч-
ной передачей или состоящий из комбинаций этих пере-
дач, как это изображено на фиг. 203.
Степень открытия или закрытия задвижки с ручным
приводом со шпинделем внутри корпуса иногда не может
быть точно определена без соответствующих весьма про-
стых приспособлений.
Задвижка, изображенная на фиг. 204, имеет зубчатое
колесо, сцепляющееся с двумя зубчатыми колесами, распо-
ложенными друг над другом; число зубьев нижнего на
единицу меньше верхнего; поэтому при каждом вращении
шпинделя нижнее колесо несколько опережает верхнее,
следовательно и число оборотов шпинделя, характеризую-
щее открытие задвижки, читается на нижнем колесе через прозор, имеющимся
в верхнем.
Гидравлический привод может быть применен всюду, где
имеется давление не ниже 1 ат. Этот привод рекомендуется для задвижек боль-
шого диаметра и в особенности в тех случаях, когда открытие и закрытие задви-
жек должны происходить быстро.
Существующие гидравлические задвижки могут быть открыты и закрыты
в промежуток времени, колеблющийся между несколькими секундами и
2 — 3 мин.
Принцип действия гидравлического привода может быть уяснен из фиг. 205.
К корпусу задвижки пристроен цилиндр, в котором движется поршень, прикреп-
ленный к шпинделю задвижки. Шток поршня проходит в корпусе задвижки и
крышке цилиндра; уплотнение достигается при помощи сальников. Напорная
вода для гидравлического привода в большинстве случаев бе-
рется из трубопровода, на котором установлена задвижка;
исключения составляют случаи, когда задвижка установлена на
всасывающем трубопроводе, когда имеются аккумуляторы давле-
ния или когда для привода употребляют не воду, а, напри-
мер, масло.
Как это видно из фиг. 205, одна трубка ведет к одной сто-
роне поршня, и другая — к другой стороне, третья трубка под-
водит воду к распределительному крану, четвертая — отводит
«отработанную» в приводе воду наружу. Распределительный кран,
изображенный отдельно на фиг. 206, приводится в действие
Фиг. 205
вручную. На фиг. 206а
изображена задвижка с
гидравлическим приво-
дом с обводной задвиж-
кой, открываемой вруч-
ную (завод «Армалит»).
Фиг. 206
Фиг. 206а
Задвижки с гидравлическим приводом позволяют осуществлять закрытие и откры-
тие их и на расстоянии. В этом случае и обводная задвижка снабжается
гидравлическим приводом. Управление задвижкой на расстоянии до 100 м произ-
водится тем же гидравлическим путем, а на большем расстоянии — гидравли-
ческим с электрической передачей. Включаемый на расстоянии ток приводит
в действие электрический моторчик, сидящий у распределительного крана на
задвижке; последний при помощи червячной передачи приводит распределитель-
ный кран в действие; простейшее дистанционное управление гидравлическими
задвижками может быть осуществлено при помощи гидравлических золотников,
приводимых в движение электромагнитами.
В тех случаях, когда в напорной линии по тем или иным причинам необ-
ходимое для гидравлического привода давление может отсутствовать, на стан-
ции должен быть установлен небольшой аккумулятор давления (фиг. 207), на-
полняющийся из напорного трубопровода.
Если не исключена возможность замерзания воды в задвижках, то в рас-
пределительный кран может подаваться под давлением масло. Гидравлический
привод должен получить распространение в ряде установок на жел.-дор.
транспорте.
Электрический привод представляет большие возможности
для полнейшей автоматизации, а также в тех случаях, когда должны быть осу-
ществлены регулирование задвижкой и точная ее установка на то или иное откры-
тие, каковое может быть отмечено точными электрическими приборами.
На фиг. 208 показана электрифицированная задвижка. Мощности моторов
задвижек для давления 6 ат следующие: (1 равняется 300 — 400 мм, мощность
мотора 0,8 кв; число оборотов мотора в 1 мин. 1 000; (1 = 500 льи, мощность мотора
1,5 кв; число оборотов мотора в 1 мин. 1 500.
Выключатели автоматически выключают мотор по достижении какого-либо
из двух определенных положений (открытие, закрытие). В качестве привода слу-
жат короткозамкнутые моторы, включаемые без особых пусковых приспособ-
лений.
Фир. 207
Управление задвижками с электрическим приводом и все электрическое
устройство для означенного управления могут быть различными:
а) управление вручную без особых приспособлений, сигнализирующих о
положении задвижки, имеющее место на насосных станциях и при управлении
на коротком расстоянии;
б) управление на расстоянии с установкой приборов, извещающих о конеч-
ном положении задвижки, применяющееся реже на насосных станциях;
в) управление на расстоянии с применением устройств и приборов, указы-
вающих на любое положение задвижки, применяющееся главным образом на
сети. В последнем случае задвижка не только может открываться с значительного
расстояния на определенную величину, но и далее может устанавливаться в лю-
бом положении в зависимости от управления на центральной станции.
Электрический привод к задвижкам должен получить распространение
на жел.-дор. транспорте.
§ 12. Водомеры
Для определения расхода воды в закрытых трубопроводах служат водомеры,
показания которых основаны: 1) на измерении скоростей, когда количество
протекающей воды измеряется в зависимости от числа оборотов крыльчатого
колеса в корпусе водомера; крыльчатое колесо соединено системой зубчатых колес
со счетным механизмом (водомеры Вольтмана, типа Мейнеке и др.);
2) на использовании разницы давлений в насадках или диафрагмах (водомеры
и шайбы Вентури). Ранее имело еще место применение поршневых объемных
водомеров; в них вода, заполняя определенный объем, приводит в движение порш-
ни; это движение передается счетчику (водомеры Фраже).
Основные требования, предъявляемые к конструкциям водомеров, опреде-
ляются эксплуатационными условиями:
I) количеством учитываемой воды;
2) качеством воды;
3) давлением.
В зависимости от содержания в воде взвеси и загрязнений и возможности
засорения или повреждения движущихся частей водомеры могут быть разделены
на водомеры для грязной и чистой воды. Для учета загрязненных вод могут при-
меняться водомеры Вентури (описываемые ниже), так как в них отсутствуют дви-
жущиеся части и имеется значительное проходное сечение. На жел.-дор. транспорте
эти водомеры пока распространения не получили. Для учета чистой воды на
насосных станциях и станциях обработки воды устанавливаются главным обра-
зом скоростные водомеры Вольтмана, но могут быть установлены и водомеры
Вентури. На мелких трубопроводах распределительной сети, ответвлениях к
зданиям и т. д. устанавливаются скоростные водомеры мелких калибров различ-
ных систем, описанные в первом томе в разделе «Внутренний водопровод».
Температура перекачиваемой воды также определяет
необходимую для установки конструкцию водомеров. Водомеры в этом смысле
делятся на водомеры для холодной и горячей воды. Первые предназначаются для
воды с температурой до + 25°, последние — до температуры + 90°.
Рабочее давление в трубопроводе должно соответство-
вать указанному в пасгюрте водомера. Водомеры, устанавливаемые на станции,
обычно изготовляются на рабочее давление до 10 от и испытываются при давлении
до 15 ат. Для давления в трубопроводе свыше 10 ат должны устанавливаться
водомеры, специально выполненные заводами на требуемое давление.
Характерные условия, по которым выбирается
водомер. Для правильного выбора водомера необходимо знать качество
воды, которую предполагается учитывать, и условия работы: количество пропу-
скаемой воды, рабочее давление, температуру, степень загрязненности, продол-
жительность работы водомера в сутки.
Предварительно должны быть определены максимальный секундный, сред-
ний, наибольший и наименьший часовой и суточный расходы воды. Водомеры
обусловливают значительную потерю напора, поэтому решающим при выборе
могут являться и потери в нем. В заводских данных приводятся теорети-
ческие величины пропускной способности, обозначаю-
щие такой часовой расход, который при прохождении через водомер давал бы
потерю напора в нем, равную 10 м. Этот расход не имеет места в постоянной
эксплуатации, ибо помимо большой потери напора это повлекло бы за собой бы-
стрый износ движущихся частей водомера. Он введен как показатель, характери-
зующий водомер, и носит название характерного расхода. По-
теря напора в водомере пропорциональна квадрату расхода и выражается постоян-
ным отношением:
где Л — потери напора в м;
В — постоянная характеристика данного водомера;
— расход в л/сек.
Зная характерный расход, можно вычислить В и определить все инте-
ресующие промежуточные потери напора при любых расходах:
где — характерный расход;
к= 10 м
Формула может иметь и такой вид:
А = ДО8,
где А = 4—постоянный коэфициент.
Потеря напора в водомере колеблется в среднем в пределах от 0,25 до 1 м.
Другим ограничивающим условием при выборе водомера служит максималь-
ная суточная нагрузка. Общий суточный расход не должен превышать макси-
мально допустимой нагрузки.
В заводских данных приводятся максимальные суточные нагрузки при ра-
боте 10 час. в сутки и при рабоче 24 часа в сутки. Это — одно из основных усло-
вий при выборе водомеров для учета воды на станциях. Далее при подборе водо-
мера необходимо учитывать минимально допустимую нагрузку. Наконец,
максимальный часовой расход не должен превышать половины характерного
расхода. Лишь только в том случае,когда водомер удовлетворяет всем вышеука-
занным условиям, выбор его сделан правильно. В противном случае нарушается
точность показаний водомера.
Водомеры Вольтмана. Расход воды определяется в зависимости
от скорости ее движения в водомере. Число оборотов вертушки п прямо пропор-
ционально скорости движения воды о м/сек и обратно пропорционально шагу
лопастей вертушки I м:
п = к ,
где к— коэфициент;
где 9 — расход в м*/сек-
Р— площадь проходного сечения водомера в лР.
Тогда
или
р _ _Р1
п к *
т. е. отношение между расходом и числом оборотов вертушки водомера есть
величина постоянная.
Для уменьшения инерции вертушки и получения минимальных потерь на
трение в механизме вертушка водомера должна быть достаточно легкой. Она вы-
полняется из пластмассы для температур водыдоЗО0 и из легкого металла для тем-
ператур до 90°. Вертушка состоит из цилиндрического полого тела с прикреплен-
ными к нему лопастями. Погруженная в воду, она настолько облегчается, что
вес ее в воде практически сводится к нулю, чем достигаются полная разгрузка и
минимальное трение в подшипниках.
Вращение вертушки (фиг. 209) передается особому счетному механизму при
помощи червячной передачи от вала, помещенного в корпусе. Части водомера,
поддающиеся износу, могут легко сменяться. Водомеры Вольтмана «сухоход-
ные», в них между передаточным и счетным механизмом имеется сальник или так
называемый конус.
Водомеры Вольтмана выполняются диаметром от 50 до 1 000 мм для холодной
или горячей воды и для других жидкостей.
Для небольших диаметров трубопровода (от 50 до 300 мм) устанавливаются
водомеры закрытой конструкции ввиду меньшей стоимости и более короткой
строительной длины.
Для трубопроводов большего диаметра и осуществления более легкого
осмотра и ремонта рекомендуются водомеры с вынимающимся измеряющим ба-
рабаном (фиг. 210).
Большое значение для точности учета имеет прямолинейное движение воды
при вступлении в водомер. Водомеры некоторых заводов размерами до
300 мм выполняются всегда с струевыпрямителями, помещенными в самом
корпусе водомера.
Водомеры Вольтмана, будучи отрегулированы, обеспечивают точность по-
казаний в пределах ± 2%. В случае неправильных показаний водомер может
быть отрегулирован специальным
подъемным приспособлением, изме-
няющим положение оси вертушки.
При таком регуляторе обычно имеется
Фиг. 209
Фиг. 210
специальная шкала с делениями. Водомеры Вольтмана могут устанавливаться
горизонтально и вертикально с соблюдением указываемых далее правил.
Некоторые технические данные по водомерам приведены в табл. 3.
Таблица 3
Калибр водомера в мм Харак- терный расход в мй1ч Наибольший до- пустимый расход Наименьший допустимый расход в м?1ч Длина в мм Диаметр фланца в мм Диаметр основного трубопро- вода в мм
м3 в сутки № в час
50 70 320 13 3,5 155 160 100
80 250 1 100 46 5 205 200 100, 125, 150
100 440 1 750 73 7 482 230 125, 150, 200
150 1 000 3800 158 10 502 290 200, 250, 300
200 1 700 6500 270 20 522 350 250
250 2 600 10 000 416 36 730 400 300, 350
300 4 000 15 000 625 72 800 450 350, 400
Как указано, водомер Вольтмана часто выпускается с особым направляющим
аппаратом — струевыпрямителем, служащим для направления отдельных пото-
ков воды, вступающих в водомер, параллельно оси вертушки водомера. При от-
сутствии такого струевыпрямителя необходимо до водомера иметь прямой уча-
сток трубы длиной в 5— 10 диаметров водомера и во всяком случае не менее
1 м. Кроме того, водомер Вольтмана всегда должен быть полностью заполнен
жидкостью, должен работать полным своим сечением (затоплен); в противном
случае его показания не будут соответствовать действительному расходу.
При установке водомера могут встретиться следующие случаи:
1) водомер устанавливается на прямом вертикальном или горизонтальном
трубопроводе; в этом случае особого направляющего аппарата не требуется;
2) водомер устанавливается на ответвлении у тройника или после изгиба
у колена; в этом случае необходимо иметь направляющий аппарат—струевыпря-
митель;
3) водомер имеет меньший диаметр, чем трубопровод; в этом случае включение
производится посредством переходных патрубков;
4) вместе с водой в водомер не должен попадать воздух; в этом случае
водомер иногда следует углублять, а в наивысшей точке трубопровода до
водомера осуществлять выпуск воздуха. Водомеры желательно устанавливать
после каждого насоса.
При установке водомера Вольтмана на самотечных трубопроводах нужно
особенно иметь в виду основное условие правильного отсчета — работу с под-
пором. Скорость в водомере
желательна большей, нежели
скорость в трубопроводе, по-
этому обычно водомер выби-
рают меньшего диаметра, чем
диаметр трубы, и устанавли-
вают его посредством пере-
ходных патрубков.
Водомер Вольтмана имеет
ряд преимуществ, обеспечи-
вающих его широкое распро-
странение, он имеет неболь-
шие потери напора, даже при
значительных расходах.
Благодаря большим прозорам между корпусом и лопастями вертушки во-
домер не засоряется даже при наличии в воде сравнительно крупной взвеси. От-
счет может производиться как в прямом, так и в обратном направлениях.
Значительным недостатком этих водомеров является сравнительно неблаго-
приятный предел точности, зависящий от материала вертушки, положения во-
домера на трубопроводе и пр.
В целях сохранения точности учета и надежности работы водомеров послед-
ние должны быть предохранены от гидравлических ударов.
Водомеры Вентури. Труба Вентури находит большое применение
в водоснабжении для самых различных целей. Так как изготовление труб Вен-
тури в СССР началось недавно, то на жел.-дор. транспорте они распространения
не имели. Разность давлений в расширенном и суженном сечении трубы исполь-
зуется для работы целого ряда приборов, устанавливаемых на насосных и
фильтровальных станциях. Особое распространение труба Вентури получила
для измерения расходов воды. Водомеры Вентури обладают целым рядом пре-
имуществ: большая пропускная способность, прямой поток жидкости, открытое
сечение, позволяющее применять эти водомеры для сильно загрязненных жид-
костей, незначительная потеря напора, отсутствие вращающихся и движущихся
частей, надежность действия, возможность учета расходов в любой момент и т.д.
В водомерах Вентури расход определяется косвенным образом по разности
давлений в расширенном и суженном сечениях:
(^кР^ЦН
(зависимость основана на уравнении Бернулли),
где к — постоянное для данного водомера число;
Т7! — величина площади сечения водомера при входе жидкости;
Н — разность давлений во входном и суженном сечении.
Принципиальная схема действия трубы Вентури показана на фиг. 211.
Фиг. 212
Отношение диаметров суженной и входной части обычно составляет 0,3 —
0,7; область учета водомером Вентури тем больше, чем больше Н — разница дав-
лений во входной и суженной части (при максимальной нагрузке). Н может
быть равно 1, 2, 3 и б м. Выбор Н производится, исходя из типа присоединенного
.< водомеру регистрирующего аппарата, требуемых пределов учета и максималь-
но допустимой потери напора; последняя составляет от 20 до 10% ука-
занной разницы давлений, так как к концу трубы Вентури потерянный на-
пор почти восстанавливается.
Конструкция водомера показана на фиг. 212.
Для точности учета расходов давления измеряются не в одной точке; трубки
манометра присоединены к кольцевой камере, соединяющейся с сечением водо-
мера при помощи ряда отверстий.
Основным недостатком водомера Вентури является сравнительно небольшая
область учета (от 1: 5 до 1 : 15), поэтому применение его ограничивается местами
более или менее постоянного расхода (насосные станции).
Длина обычного водомера примерно равна пяти диаметрам трубопровода и
установка его требует наличия значительного места. Применяют укороченные
водомеры, насадки и вставки Вентури. Насадка показана на фиг. 213.
Вставки Вентури (фиг. 214 и 215) за последнее время находят за границей
широкое применение. Принцип их действия тот же, что и трубы Вентури, с той
лишь разницей, что здесь скоростной напор восстанавливается в значительно
Фиг. 214—215
меньшей степени, чем в расширяющейся трубе, и поэтому имеет место большая
потеря напора, достигающая 30 — 50% от /У; область учета также меньшая—
1 : 3 до 1:4.
Регистрирующие и передаточные приборы. Раз-
ность давлений, образующаяся в водомере при движении в нем жидкости, воспри-
нимается диференциальным манометром, ртутным или водяным. Манометр со-
единяется с самопишущим прибором или счетчиком, указывающим расход (интег-
ральная кривая) и изменение его во времени.
§ 13. Сигнализация уровня воды на насосных станциях
Определение в любой момент уровня воды в резервуаре, из которого произ-
водится всасывание, и особенно в напорном резервуаре, куда производится на-
гнетание, является в эксплуатации весьма существенным. Так как напорный ре-
зервуар часто находится на значительном расстоянии от насосной станции, то
сигнализация уровня воды на насосной станции является необходимой.
Существует несколько систем сигнализации.
В одной из систем (фиг. 216, слева) при помощи цепи, соединенной с медным
поплавком, движущимся вверх или вниз в зависимости от изменения уровня
воды, передается движение контактному механизму. Контактный механизм так
устроен, что контакт осуществляется' лишь после определенного перемещения
Коробка
С контактным
меха низмом
4
I
ДВцпяечш! оЬ/иа?
1^-Клемка.
^^рПоплавок
Клемма
-^-Противовес
/ ///////
ЩепЬ
Г
п
Фиг. 216
Трос-
цепи (поплавка), например на 5 см-, в промежуточных положениях поплавка и
цепи контакта нет. При наличии контакта от источника электричества в цепь
включается ток, причем в зависимости от движения поплавка вверх или вниз ток
идет вначале по одному проводу, затем по другому или вначале — по второму,
затем по первому, при этом действует прибор, показы-
вающий уровень воды (справа). Для показания наиболь-
шего (наполнение) и наименьшего (опорожнение) уровней
воды в резервуаре служат дополнительные контакты,
включающиеся особыми клеммами, сидящими на цепи и
действующими при определенном положении цепи (поплав-
ка) на левый или правый конец двуплечего рычага, при-
строенного на той же коробке с контактным механизмом.
При том или ином повороте этого рычага включается спе-
циальный контакт с пристроенным к нему сигнальным
приспособлением; сигнальное приспособление может быть
заменено приспособлением для автоматического включения
и выключения насосных агрегатов.
В некоторых устройствах весь контактный механизм
отсутствует, и имеются лишь два упомянутых выше кон-
такта для сигнализации наивысшего и наинизшего уров-
ней воды в резервуаре. Установку контактного механизма
производят таким образом, чтобы он был наименее под-
вержен действию влаги, иногда его выносят в специаль-
ную будку (над резервуаром). Поплавок должен быть
защищен от сильных движений воды и замерзания;
его часто помещают в особо установленной трубе.
Собственно показатель уровня воды помещен в металлическую или деревян-
ную коробку и представляет собой систему, состоящую из двух электромагнитов,
ПрапМес
Фиг. 217
расположенных друг к другу под углом в 120°. Между полюсами электромагнитов
расположен якорь, вращения которого передаются зубчатому колесу и далее
стрелке показателя.
В водоснабжении на жел.-дор. транспорте используются приборы, сигнали-
зирующие наинизший и наивысший уровни воды. К числу их относятся наиболее
распространенные сигнальные устройства Трегера,
принятые на жел.-дор. транспорте в качестве
типовых.
Сигнальное устройство системы Трегера также
состоит из контактного прибора с тросом, поплав-
ком и противовесом (фиг. 217). Внутри прибора
расположен переключатель. На оси переключа-
теля расположен двуплечий или одноплечий
рычаг. Собственно указатель уровня схема-
тично показан на фиг. 218. В зависимости от
уровня воды в баке стрелка у указателя
уровня устанавливается против надписи «качай»
или «довольно»1.
Насосная станция связывается со станцией
телефоном.
§ 14. Манометр, вакуумметр, тахометр
Манометр и вакуумметр—приборы, которыми должен быть снабжен каждый
насос.
Манометр показывает избыточное (против атмосферного) давление, разви-
ваемое насосом (точнее, манометр показывает избыточное давление на отметке
оси манометра). Манометрическое давление в месте присоединения манометра
к насосу получается сложением показания манометра с разностью отметок оси
манометра и места присоединения его к насосу.
Вакуумметр показывает разность между атмосферным давлением и абсо-
лютным давлением в месте прикрепления вакуумметра. Практически вакуум-
метр служит для определения полной (вакуумметрической) высоты всасывания
насоса (в метрах водяного столба).
Наиболее употребительные пружинные приборы представляют собой ко-
робку с пружинящей, изогнутой трубкой внутри, несколько изменяющей свою
форму в зависимости от изменения давления; изменения формы трубки, изги-
бающейся в большей или меньшей степени, передаются через систему рычагов
стрелке прибора.
Перед пуском центробежного насоса он может быть залит водой из напор-
ного трубопровода, где давление часто достигает значительной величины, по-
этому вакуумметр при помощи имеющегося при нем крана должен быть отсоеди-
нен от трубопровода. Во избежание порчи вакуумметра в этом случае целесооб-
разнее вместо него устанавливать мано-вакуумметр, — прибор, показывающий
давление выше атмосферного или ниже атмосферного (2 шкалы). Манометры
имеют шкалу, градуированную в атмосферах или килограммах на кв. сантиметр.
Вакуумметры градуируются в сантиметрах (от 0 до 76 см) и метрах водяного
столба и редко в килограммах на кв. сантиметр.
Время от времени манометры должны проверяться на станции на специаль-
ных приборах, а не реже сроков, устанавливаемых Палатой мер и весов, должны
проверяться на испытательных станциях последней.
Тахометры — приборы для определения числа оборотов агрегатов. При ре-
гулировании числа оборотов они должны устанавливаться стационарно. В про-
чих случаях в распоряжении обслуживающего персонала необходимо иметь
ручной тахометр. Для определения числа двойных ходов поршневого насоса
устанавливается счетчик ходов.
1 Подробно см. Справочник-руководство по связи и электротехнике, стр. 633 — 641;
ОГИЗ, Гострансиздат, 1932.
§ 15. Подъемные приспособления
На насосных станциях, где вес агрегата не превышает 250 — 300 кг, подъем-
ные приспособления не устанавливаются.
Для станций с более крупными агрегатами целесообразно предусматривать
устройство кошек, перемещающихся по двутавровой балке. На крупных стан-
циях могут быть запроектированы мостовые краны.
Особое значение имеют грузоподъемные устройства на станциях шахтного
типа. При диаметре шахты до 6 — 7 м грузоподъемные устройства заключаются
в установке одной или двух двутавровых балок, наглухо закрепленных над
агрегатами, со съемными талями или ручными кошками. При диаметре шахты
более 6 — 7 м устраивается минимум две балки, расположенные параллельно
или крестом, со съемными талями или ручными кошками.
Тали или блоки Людерса и кошки грузоподъемностью 1, 3, 5 т и более изготов-
ляются заводом «Красный блок» в Москве.
ГЛАВА III
КОМПОНОВКИ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ
§ 16. Насосные станции с паровым оборудованием
Описывая современные водоподъемные сооружения, можно уже не остана-
вливаться на паровых машинах как двигателях для насосов, так как паровые
машины на новых насос-
ных станциях почти уже
не встречаются, и если в
особых случаях весьма
редко устанавливаются (не
на жел.-дор. транспорте),
то только наиболее эконо-
мичные, крупных мощно-
стей, многократного рас-
ширения, когда в силу
местных условий такая
установка себя оправды-
вает или когда расширяет-
ся уже работающая стан-
ция с существующим круп-
ным паровым хозяйством,
экономически оправдываю-
щим аналогичные установ-
ки и при расширении.
В СССР паровые машины
для приведения в действие
насосов в настоящее время
I
Фиг. 219
Насосная котельная
не проектируются.
На жел.-дор. транспорте широко распространено паровое оборудование
в виде прямодействующих паровых насосов и паровых котлов.
На фиг. 219 показаны схемы компоновок насосных станций с вертикаль-
ными котлами Шухова и прямодействующими паровыми насосами Вортингтон.
Станции состоят из машинного зала (насосная) и котельной (вспомогательные
помещения на схемах не показаны). Всасывающие и напорные линии имеют со-
ответствующие переключения. Пунктиром показано возможное расширение
станции.
На фиг. 220, а, б и в показаны план и разрезы полузаглубленнойстанции,
оборудованной двумя паровыми насосами Вортингтон и двумя вертикальными
паровыми котлами Шухова.
10 Водоснабжение
145
Детали ясны из фигуры.
На фиг. 221 дана схема установки для питания инжектором вертикальных
паровых котлов. В целях повышения экономичности станции целесообразно по-
догревать питательную воду. На фиг. 222 приведена схема установки для по-
догрева питательной воды.
Для станций мощностью более 50 ЛС представляется необходимым проек-
тирование большого числа вертикальных котлов, что делает станцию менее
экономичной, увеличивает строительную стоимость сооружения и т. д.
На станциях мощностью более 50 ЛС установка локомобилей может дать
более выгодное решение. Паровые локомобили с приводными поршневыми и
центробежными насосами занимали в жел.-дор. водоснабжении небольшое место.
В настоящее время целый ряд станций оборудуется локомобилями.
УспоЪнШе обозначения §
-----Трубд/ чугунндю водопровод^
-----РрубО/ эцоелезндне газод&е |
додопроводн(ие г
-----Рру^р! уселезнйе,паропровод.
Мятая
труба ДС
ВбктпнаЯ—
тру ЯГ' _
ВсасМющая _
~""лшия
ВсаМатцая
пиния /
Нам „АлОде^ :ера^
Ми №5 для
откачки додд*.
из каналов
Фиг. 220а
На фиг. 223 изображена насосная станция (предусмотренная как временная),
оборудованная двумя локомобилями мощностью 50 ЛС, числом оборотов 160
в 1 мин., давлением пара 10 ат и двумя центробежными насосами производитель-
ностью 30 л)сек, напором 25 м, числом оборотов 1 000 в 1 мин.
На фиг. 224,а, бив показана полузаглубленная насосная станция с локо-
мобилями и приводными центробежными насосами.
Питание локомобилей производится насосом из бака, пополняемого
из сети.
Избыточная мощность локомобиля может использоваться для получения
электрической энергии, идущей для освещения или иных целей.
Насосные станции, оборудованные паровыми турбинами в качестве двига-
телей к центробежным насосам, в водопроводной практике встречаются сравни-
тельно недавно.
Совместная работа паровых турбин с центробежными насосами по сравне-
нию с паровыми поршневыми насосами оправдывает себя вследствие меньших
затрат, меньшей потребной площади, упрощения обслуживания, уменьшения
смазочных, обтирочных и прочих эксплуатационных материалов и т. д.
Фиг. 220в
Ручной
.нос ос
ВсеМеняция
линия
Спускная линия
СлиВная пиния ВсаМающая пиния I
йагнетатепоная линия
Струнного насои
ВОапопная''^ _
Фиг. 2206
Фиг. 221
1—паровой инжектор 2—ручной-насос—резервный и для испытания котлов, 3—ручной насос
Альвейер, 4—бак
------ Холодная Вода
Нагретая —
Острый пар
Отработанный пар
Выхлоп пара 6 атмосферу
Фиг. 222
Турбонасос показан на фиг. 225. Агрегат обычно состоит из турбины,
насоса, конденсатора и устройства для создания разрежения в конден-
саторе.
На жел.-дор. транспорте турбонасосы распространения не получили, так
как они незначительных мощностей почти не строились, а при работе с переры-
вами в экономическом отношении они не превосходят установок с локомоби-
лями. Вообще при сильно колеблющихся нагрузках и при работе станции в те-
чение нескольких часов в сутки, особенно с длительными перерывами, установка
турбонасосов нецелесообразна.
Некоторые насосные станции с турбонасосами служат одновременно и для
получения пара для теплофикации и являются собственно крупными комбини-
рованными насосно-отопительными станциями.
Фиг. 2246
На жел.-дор. транспорте турбонасосы могут встретиться лишь на теп-
лоцентралях, в водоснабжении они распространения не получат, так
как здесь обычно встречаются лишь небольшие мощности и прерывистая
работа.
Фиг. 224в
§ 17. Насосные станции, оборудованные двигателями внутреннего
сгорания
На жел.-дор. транспорте среди двигателей внутреннего сгорания по-
давляющее большинство двигателей низкого сжатия — нефтяные моторы,
поэтому рассматриваемые станции часто называют
станциями с нефтемоторным оборудованием. На
более крупных станциях установлены дизели.
При применении дизельмоторов в оборудо-
вании насосных станций на жел.-дор. транспорте,
в промышленности и городах встречаются: непосред-
ственное соединение дизельмотора с винтовыми
насосами, развивающими малые напоры, непо-
средственное соединение при помощи зубчатой
передачи, понижающей число оборотов, с порш-
невыми насосами или соединение при помощи
повышающей число оборотов зубчатой передачи с
центробежными насосами, соединение с насосами
при помощи ременных передач.
В смысле экономичности дизель стоит почти
наравне с крупными вертикальными паровыми ма-
шинами тройного расширения, приводящими в
действие насосные установки, с использованием
высоких давлений пара и перегрева.
При малом числе часов работы в сутки высо-
Фиг. 225
кие первоначальные затраты на дизельмотор
повышают стоимость перекачки 1 .и3 воды. То же будет и при больших мак-
симумах и пиках, которые требуют большей мощности и больших капитало-
вложений.
В тех случаях, когда режим работы станции представляется в виде равно-
мерной нагрузки на протяжении круглых суток или большого числа часов в
сутки, использование дизельмотора может быть экономически вполне целесо-
образно.
На жел.-дор. транспорте двигатели внутреннего сгорания получили боль-
шое распространение главным образом потому, что они независимы и в большей
мере обеспечивают бесперебойную работу. Типы двигателей, установленных
на жел.-дор. станциях, самые разнообразные. Для проектирования новых на-
Фиг. 226
сосных станций могут быть приняты: двигатели двухтактные бескомпрессорные
вертикальные мощностью от 25 до 100 Л С (фиг. 226); для небольших мощ-
ностей (15 Л С) — двухтактный вертикальный низкого сжатия (фиг. 227) и
Другие.
Двигатели работают на легком моторном топливе удельного веса 0,88 —
0,90 (при 15°). Некоторые из них могут работать и на тяжелом моторном
топливе сорта А. Гарантийный
Таблица 4 расход топлива в г на 1 эффек- тивную ЛС в час приведен в
табл/ 4. Колебания расхода топлива
Марка дви- Мощность Степень нагруз- Расход топлива
гателя в ЛС ки в г возможны до 4-Ю%. На фиг. 228,а, бив пред- ставлена полузаглубленная стан-
Д1Х25, Д2х25 25 и 50 200 ция производительностью от 50 до
% 210 230 190 200 150 мя/ч, оборудованная двигателя-
Д-16/27 50, 75 и 100 У: % ми внутреннего сгорания и центро- бежными насосами.
К-30 100 % 220 За границей (США) в качестве
V» 200 210 230 резервных двигателей на насосных
/4 У* станциях с электронасосами исполь-
4Д 19/32 140 /2 190 зуют автомобильные двигатели,
% 200 работающие примерно при том же
Н-15 У* 220 280 310 370 числе оборотов, что и центробеж-
111 ные насосы. Эти двигатели в водо-
74 снабжении представляют опреде ленный интерес; они могут быть
непосредственно соединены с центробежными насосами, не требуют столь доро-
гих фундаментов, как обычные двигатели, и т. д.
В установке электродвига-
тель — центробежный насос — авто-
мобильный двигатель в случае пе-
рерыва в подаче тока включается
последний.
Газогенераторные двигатели на
насосных станциях в водоснабже-
нии используются чрезвычайно
редко.
На фиг. 229 представлена в
плане насосная станция с газоге-
нераторным оборудованием (Г —
газогенераторы, С — скрубберы,
О—очистители находятся в отдель-
ном помещении); газогенераторные
двигатели Д и приводные насосы Н
расположены в машинном зале.
Мощность каждого двигателя 43 Л С;
производительность каждого из
насосов 50 м3/ч.
В машинном зале станций с
нефтемоторным оборудованием уста-
навливаются небольшие баки на
1—2-суточный запас топлива, куда
последнее перекачивается насосом
(на малых станциях обычно приме-
няется ручной насос Альвейер).
Из баков топливо поступает в
фильтры, оттуда — к двигателям.
При необходимости подогрева (тя-
Фиг. 227
Фиг- 228а
желое топливо) таковое происходит в баках для суточного расхода, внутри
которых устраиваются змеевики, по которым проходит пар. Схема располо-
жения баков для топлива, труб и пр. в случае работы с подогревом топлива
показана н?. фиг. 230.
Охлаждение двигателей происходит или со сбросом воды в канализацию или
с повторным и многократным ее использованием. Расход воды для двигателей
15—150 ЛС от 20 до 12 д/ч на 1 ЛС (при полной нагрузке).
Фиг. 228в
Для уменьшения шума при выхлопах газа устанавливаются глушители.
Глушители выполняются из чугуна и стали (а иногда из бетона и кирпича); они
устанавливаются вне помещения станции.
На фиг. 231 показана схема установки глушителя.
Объем чугунных глушителей 20—40 объемов, описываемых поршнем двига-
теля, стальных—50—60 объемов и бетонных и кирпичных — свыше 100 объемов.
Выхлопная труба выводится на 1—1,5 м выше кровли. Диаметр выхлопной трубы
принимается согласно табл. 5 в зависимости от мощности двигателя.
Фиг. 229
МДЖ
Подача мазута из араиилища
10С0С
Расходные
Расходный бак
моторного топлива
4 Котел д/исполбзодания
'Н отходящих газов •
Спуск
Спуск
у
пуск
Спуск
Выпуск-
I
I
Фильтры мотор-
ного топлива
Фил огры
для
мазута
.пуск •
,, Газоотводная гру\
ба от двигателя
' к глушителю !
Насас
Моторное топливо
Выпуск
Лар в мазутохрани-
лице
I Из мазгто-
хранилища
Из хранилища моторного
топлива
К насосам для подачи топя ибо
У
4
Фиг. 230
Таблица 5
МъЛС .
До в мм
10
80
12 15 20 25
90 115 125 140
30
150
50
175
100 150 200 300
200 200 225 250
Фиг. 231
При установке вертикальных двигате-
лей дизеля здание станции должно иметь
большую высоту (до 5—8 м). Особое вни-
мание необходимо уделить проектирова-
нию фундаментов под двигатели.
§ 18. Насосные станции, оборудованные
электродвигателями
А. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРООБОРУ-
ДОВАНИИ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ
Широкое применение электродвигате-
лей при проектировании и оборудовании
новых насосных станций на жел.-дор.
транспорте привело к необходимости по-
дробнее рассмотреть ряд элементов электрооборудования и значительное число
выполненных установок.
В оборудовании насосных станций в настоящее время применяются почти
исключительно электромоторы трехфазного переменного тока, чаще всего асин-
хронного типа.
Нормальные моторы трехфазного тока при обычной частоте тока в 50 пер/сек.
независимо от мощности и напряжения имеют при холостом ходе число оборотов
в 1 мин., близкое к 3000, 1 500, 1 000, 750, 600 и 500. При полной нагрузке число
оборотов уменьшается на 2—5%.
Тип моторов обычно принимается открытый, за исключением таких случаев,
как наличие в местах установки влаги и т. п., требующих частичного или пол-
ного закрытия мотора.
В малых помещениях, особенно в подземной части станции, при работе мо-
торов значительной мощности может возникнуть вопрос об удалении нагретого
воздуха, т. е. охлаждении помещения; в ряде случаев (некоторые заглубленные
станции) даже и при значительных размерах здания этот нагретый воздух зимой
может служить для целей отопления.
Моторы небольших и средних мощностей, примерно до 100 кв или несколько
больше, обычно выполняются для низкого напряжения до 500 в: моторы для боль-
ших мощностей обычно выполняются для высокого напряжения, чаще 3 000
и 6 000 в. Моторы напряжением в 3 000 в строятся, начиная с мощности в 60 кв.
Насосные станции на жел.-дор. транспорте обычна питаются током низкого на-
пряжения, но могут в отдельных случаях питаться и током высокого напряжения;
в случае необходимости трансформирование его до пониженного вольтажа может
происходить на самой насосной станции. Принятый вольтаж зависит от условий
питания насосной станции током. Подача энергии желательна от двух ближайших
электрических станций, если таковые имеются в районе, или от двух независимых
линий (фидеров), идущих от электростанции в различных направлениях; если
бесперебойная работа станции не может быть гарантирована, то на станции сле-
дует установить независимый тепловой резерв (или вовсе отказаться от электро-
оборудования). Обычная конструкция электромотора — с контактными кольцами
с приспособлением для подъема щеток.
Пуск и остановка моторов обычно состоят из следующих операций: включе-
ние рубильников (включение тока), выключение реостата (выключение сопро-
тивлений, введенных к моменту пуска) и приподнятие щеток на моторе (ротор
при этом замыкается накоротко, износ щеток уменьшается). При остановке то же
повторяется в обратном порядке. У некоторых моторов щетки постоянно лежат
на контактных кольцах; это представляет некоторые удобства при оборудовании
автоматических станций. У таких моторов при пуске и выключении отпадают
операции с приподнятием и опусканием щеток. Более простым типом по срав-
нению с обычным мотором с фазовым ротором является мотор с короткозамк-
нутым ротором. Недостатком этих моторов является необходимость иметь пус-
ковой ток большой силы, превышающий нормальный ток в 5—7 раз. Этот недос-
таток не чувствителен для очень малых моторов в несколько сил, но, обусловли-
вая «толчок» тока в сети, он весьма заметен при моторах большой мощности; поэто-
му применение короткозамкнутых моторов связано с дополнительной установкой
особых пусковых переключателей, уменьшающих потребный пусковой ток. Кроме
того, вращающий момент короткозамкнутого мотора мал. Таким образом, условия
работы во время пуска наиболее благоприятны у обычных моторов с фазовым ро-
тором: меньше пусковой ток, больше вращающий момент. Однако в ряде случаев
такие моторы усложняют схему устройств, как, например, при электрооборудо-
вании автоматических насосных станций: для мотора с
фазовым ротором здесь необходимы автоматические реос-
таты, щетки постоянно опущены, могут подгореть мес-
та соприкосновения их с контактными кольцами, что
недопустимо, и т. д.
Существуют еще моторы типа Бушеро, короткозамкну-
тые моторы с двойными пазами и с двумя обмотками (внеш-
ней и внутренней). В этой конструкции как бы совмещены
пусковой реостат нормального мотора и преимущества коротко-
замкнутого мотора, упрощающие обслуживание.
В последнее время на некоторых крупных станциях (не
на жел.-дор. транспорте) встречаются синхронные электро-
двигатели, отличающиеся от асинхронных высоким к. п. д. и хо-
рошим коэфициентом мощности (соз <р). Моторы эти имеют не-
сколько более сложный пуск вследствие необходимости дове-
дения их до синхронной скорости, поэтому на малых и средних
водопроводных насосных станциях они могут, иметь крайне
ограниченное применение в то время как при значительных
мощностях их большая экономичность дает выгоды в эксплуа-
тации.
Вместо установки синхронных моторов в целях улучше-
ния коэфициента мощности могут быть установлены асинхрон-
ные моторы с компенсаторами фаз.
Стремление к экономии места и удешевлению строи-
тельства насосных станций приводит в ряде случаев фиг- 232
к целесообразности установки вертикальных моторов
в соединении с вертикальными центробежными насосами. Такой мотор трех-
фазного тока мощностью 52 кв, числом оборотов 1 500 в 1 мин., закрытого типа
представлен на фиг. 232. Воздух всасывается через отверстия, имеющиеся вверху
и внизу; нагретый воздух выходит через четыре боковых отверстия, прикрытых
жалюзи. Эти моторы выполняются с постоянно прилегающими щетками, с под-
нимающимися щетками, короткозамкнутые и с двойными обмотками в роторе.
Электрические распределительные устройства требуют определенного места
в малых станциях (небольшие мощности) и специального помещения в средних
и больших станциях. Аппаратура распределительного устройства для пуска,
регулирования работы, контроля, а также для защиты моторов зависит от мощ-
ности моторов, вольтажа и пр.
Обычные выключатели — рубильники, осуществляющие включение в воз-
духе, употребляются при моторах низкого напряжения. При напряжении свы-
ше 500 в при выключении, т. е. разрыве тока, получается вольтова душ, небез-
опасная для обслуживающего персонала и поджигающая контакты рубильника.
В таких случаях применяются выключатели, погруженные в масло, — масляные
выключатели; они выключают ток и при перегрузке мотора. При большой силе
тока, небольшом объеме масла, при чрезмерном повышении давления внутри
масляного выключателя может произойти взрыв последнего, поэтому разрывная
мощность устанавливаемого масляного выключателя должна соответствовать
мощности электрической системы, к которой приключена насосная станция (счи-
тая и силу тока, могущую возникнуть при коротком замыкании в цепи).
Отдельные части электрических распределительных устройств с приборами
и пр. могут выполняться в виде отдельных установок к моторам (ящики), причем
в этом случае может быть еще необходима и общая установка для питающих фиде-
ров или трансформаторов. Электрические распределительные устройства могут
быть сгруппированы и в одну установку. Для низкого напряжения часто встре-
чается установка в виде стенных распределительных щитов с измерительными
приборами, выключателями и пр.,с соответствующими присоединениями к ниме
задней стороны щита, где предусматривается необходимый проход для монтажа и
наблюдения во время эксплуатации; управление происходит спереди. При высо-
ком напряжении распределительное устройство может состоять из ряда кабин вы-
сокого напряжения с установленными в них автоматическими масляными выклю-
чателями и прочими приборами, а иногда и кабин низкого напряжения с ря-
дом приборов и коммутацией низкого напряжения.
Все оборудование высокого напряжения должно быть хорошо защищено и за-
крыто. Кабели, ведущие ток от соответствующих элементов распределительного
устройства к моторам, должны быть уложены в каналах в полу насосной станции.
Каналы эти должны иметь возможно меньше изгибов, а в местах этих изгибов
и поворотов должны быть достаточно широкими и гладкими; они должны быть
перекрыты деревом или железом.
В тех случаях, когда на насосной станции установлены моторы более низ-
кого напряжения, чем в электрической сети, питающей станцию, в последней
в изолированном помещении устанавливаются трансформаторы; в случаях значи-
тельной мощности трансформаторы могут помещаться вне насосной станции в от-
дельном здании трансформаторной подстанции.
Трансформаторы подобно моторам высокого напряжения требуют установки
масляных выключателей.
Насосные станции могут быть расположены: а) вдали от жел.-дор. станций
и населенных мест (чаще станции первого подъема); б) вблизи жел.-дор. стан-
ций, больших населенных пунктов (чаще станции второго подъема). Кроме того,
насосные установки могут иметь подсобное и специальное назначение (пожарные
усилители, насосы для питания котлов и пр.) и располагаться на территории стан-
ции или завода и т. д. Снабжение энергией насосных установок последнего типа
обычно производится при напряжении 380 или 220 в от находящейся неподалеку
электрической станции или подстанции. В этом случае распределительное устрой-
ство носит весьма несложный характер и может быть размещено на мраморных
или железных панелях, устанавливаемых в помещении насосной установки.
Для размещения этого распределительного устройства может быть предусмот-
рена небольшая площадь вдоль стены станции длиной в зависимости от числа
моторов и шириной около 1,5 м.
Распределительные устройства насосных станций при отдаленности от
жел.-дор. станции и населенного пункта могут иметь специфический характер, и
в каждом частном случае здесь может быть то или иное решение, зависящее от
напряжения в сети и мощности насосной станции.
В целях бесперебойности электроснабжения питание насосных станций
должно предусматриваться от двух фидеров.
С этой же целью на трансформаторных подстанциях устанавливаются резерв-
ные трансформаторы (100%-ный резерв).
На фиг. 233 представлены примерный разрез и план кабин распределитель-
ного устройства насосной станции для трех-четырех агрегатов общей мощностью
около 180 кет. Число кабельных вводов высокого напряжения — 2. Количество
трансформаторов — 2 по 180 ква каждый, из них один — резервный. Питание
моторов осуществляется от распределительных щитов низкого напряжения,
установленных в торцевой части здания насосной станции и примыкающих к сте-
не трансформаторных помещений.
Распределительные устройства должны проектироваться с участием инже-
неров-электриков и удовлетворять ряду требований строительного порядка. Ка-
бины, перегородки, перекрытия должны быть безопасны в пожарном отношении,
проходы для обслуживания должны быть достаточно широкими, высокими и сво-
бодными для передвижения по ним; расстояние между частями, стоящими под
напряжением, и противолежащей стеной должно составлять при низком напря-
жении 1 м, при высоком — 1,5 м; части под током высокого напряжения, находя-
щиеся от пола на расстоянии, меньшем 2,5 м, должны быть защищены; установка
должна быть расположена симметрично и хорошо видна персоналу в момент
нахождения его у агрегатов; отдельные части установки следует обособлять с тем,
чтобы повреждения в них не переда-
вались всей установке.
Последнее требование и привело
к разделению распределительных
устройств высокого напряжения по-
средством несгораемых перегородок
на системы клеток, в которых монти-
руются отдельные аппараты высокого
напряжения; расширение распредели-
тельных устройств должно произво-
диться без затруднения и без перерыва
в работе насосной станции; помеще-
ния должны быть хорошо освещены;
кабины высокого напряжения должны
иметь запасный выход и т. д.
На фиг. 234 изображено распре-
делительное устройство в стальных
ящиках, представляющих собой ком-
плектное пусковое устройство.
Последнее может быть установле-
но для небольшой трансформаторной
подстанции и на насосной станции
для включения электродвигателей вы-
сокого напряжения. Моторные ящики
могут быть выполнены и отдельно
для каждого электродвигателя.
На насосную станцию моторные
ящики могут быть доставлены с заво-
да (завод «Электроаппарат») в готовом
собранном виде, их необходимо будет
лишь приключить к общей сети.
Масляные выключатели находят-
ся внутри ящика. Завод «Электро-
Разрзз по А-Б
-—1л
аппарат» выполняет моторные ящики Фиг. 233
типа ЯЖ-5 с масляными выключате-
лями типа ВМ-5 с силой тока до 200 и 400 а при б и 3 кв, типа ЯЖ-14 с масля-
ными выключателями типа ВМ-14 до 600 а при 3 и б кв. Заводом выпускаются
ящики и без масляных выключателей с одним или двумя трехполюсными разъ-
единителями (типы ЯЖ-Р и ЯЖ-2Р).
Габаритные размеры ящиков: типа ЯЖ-5 — ширина 904 мм, высота 2 202 мм,
глубина 1 154 мм (вес 650 кг); типа ЯЖ-14 — ширина 1 000 мм, высота 2 252 мм,
глубина 1 154 мм (вес 850 кг).
Моторные ящики безопасны в нормальной эксплуатации и дают возможность
очень быстро осуществить монтаж; они могут быть установлены непосредственно
у стены; снятие у них дверец и съемной рамы позволяет осуществить доступ к при-
борам с лицевой стороны.
Для включения моторов низкого напряжения могут также применяться от-
дельные распределительные ящики, обеспечивающие безопасность обслуживания.
Б. НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ С ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ
На фиг. 235 представлена насосная станция с двумя электронасосами произ-
водительностью 50 м3[ч, напором 75 м, числом оборотов 1 450 в 1 мин. Двигатели
трехфазного тока с контактными кольцами, напряжением 380 в, мощностью 29 кв.
Станция типичная при установке пожарных насосов (пожарный усилитель).
На фиг. 236 представлен план насосной станции, оборудованной тремя насо-
сами производительностью 137 м3/ч каждый, напором 70 м, числом оборотов
960 в 1 мин. Электродвигатели трехфазного тока напряжением 380 в, мощностью
55 кв каждый. К станции подводится ток напряжением 6 000 в.
В отдельном помещении установлен трансформатор В мощностью 180 кв,
понижающий напряжение с 6 000 до 380 в. С — масляный выключатель, Д — щи-
ток низкого напряжения, А — высокого. Резервного электрооборудования транс-
форматорной не предусмотрено в расчете на резервное снабжение жел.-дор. стан-
ции от городского водопровода.
Фиг. 234
На фиг. 237 представлена станция первого подъема, объединенная с берего-
вым колодцем, что оказалось здесь возможным благодаря соответствующим про-
филю берега и грунтам (твердая глина). Колебания уровней воды видны
из фиг. 237. Работа производилась в открытом котловане с устройством со стороны
реки перемычки.
На фиг. 238 представлена подземная станция, оборудованная электронасоса-
ми. Основание станции, стены и перекрытие выполнены из железобетона. На
фиг. 239 дан план насосно-компрессорной станции, предусматривающий уста-
новку насосов для хозяйственно-питьевого водоснабжения и отдельно для пожаро-
тушения. Компрессоры служат для подачи воздуха к эрлифтам. Переключения
трубопроводов здесь не являются типичными и обусловлены наличием и распо-
ложением нескольких резервуаров.
При значительных колебаниях уровня воды в источнике насосную станцию
первого подъема приходится нередко осуществлять в виде круглой шахты с уста-
новкой насосов у ее основания.
На фиг. 240 показана заглубленная станция для небольших расходов в виде
круглой шахты с установленными у основания ее двумя электронасосами произ-
водительностью 40 л/сек;Н—52м; п=1 450 в 1 мин. Двигатели трехфазного тока
мощностью по 55 ЛС, напряжение 220 в.
Надземная часть станции кирпичная, подземная — бетонная. Колебания
уровней воды в источнике примерно до § м.
Разрез по 1-1
I. Водоснабжение
ВсаМающиз труба из резервуара П-2
Напорная труба I ст1
ВсаМющая три!
ио резербуара н’з
11-250
~400
Напорная труба 6 сото
воздушная I Мажину л" /
Фиг. 239
всасоЛающая труба из
резербуара Н'1
воздушная б скбаЖи-
ну Н'2 /
<1-250
д-400
8
Пусковые ящики размещаются на балконе вдоль стен, на уровне земли. Вдоль
оси агрегатов вверху предусмотрены балки с кошками, необходимые для уста-
новки и демонтажа оборудования.
На фиг. 241 представлена заглубленная станция для больших расходов в виде
круглой шахты. У основания шахты размещено три электронасоса производитель-
ностью каждый 220 л)сек; /7=60 м; мощность каждого двигателя 300 ЛС; п=1 450
в 1 мин. Заглубленная часть (шахта) имеет диаметр Ими глубину 7,5 м.
Разрез
Фиг. 240
Станция работает при колебаниях уровня воды в источнике до 9,5 м. Моторы
питаются током высокого напряжения. Щиты и часть распределительного устрой-
ства входят в помещение насосной станции; в пристройке, идущей снаружи основ-
ного здания, размещена основная часть распределительного устройства: камеры
164
масляных выключателей, трансформаторы собственных нужд и пр. Управление
масляными выключателями осуществляется со стороны насосной станции.
Для монтажа оборудования установлены две балки с кошками.
Значительно меньшая площадь станции (шахты) потребовалась бы при уста-
новке вертикальных агрегатов.
На фиг. 242 показана заглубленная станция с вертикальными насосами про-
изводительностью каждый 66 л[сек; Н=55 м, Вертикальные закрытые электро-
двигатели трехфазного тока напряжением 220 в, мощностью 90 ЛС расположены
на железобетонном перекрытии примерно на отметке поверхности земли.
Для направления валов предусмотрены плоские рамные конструкции. Под-
земная часть станции (шахта) имеет диаметр 5,4 м, глубину 5,90 м; высота над-
земной (кирпичной) части 4 м; она обусловлена необходимостью поднимать ротор
Разрез по а -б
Разрез па Д-Е
мотора при демонтаже. Насосы установлены на дне шахты на бетонных фунда-
ментах.
Под потолком укрепляется двутавровая балка, по которой может пере-
мещаться кошка грузоподъемностью 1 т.
На фиг. 243 показана станция с вертикальными агрегатами с несколько не-
обычным решением. Здесь береговой колодец заменен двумя колоннами внутри
шахты. Подобная станция согласно данным проектировщиков 1 имеет меньшую
строительную стоимость по сравнению со станцией, построенной по обычной схе-
ме, т. е. с раздельным береговым колодцем.
Фиг. 2436 и в
Кроме того, колонны, заменяющие береговой колодец, сооружаются в сухом
доступном месте. Осадки из колонны предварительно взмучиваются под напо-
ром 6 ат и удаляются специальным песковым насосом. В колоннах предусмо-
трены поднимающиеся сетки для задержки плавающих предметов и пр.
1 Журнал «Водоснабжение и санитарная техника* № 5, 1938.
§ 19. Насосные станции со смешанным оборудованием
Станции эти в жел.-дор. водоснабжении встречаются часто, при проектиро-
вании новых станций — реже. Они имеют целью обеспечить бесперебойную ра-
боту. Вопросы компоновки здесь те же, что и при однородном оборудовании, но
принципиально необходимо учитывать особенности того и другого типа оборудо-
вания.
К станциям со смешанным оборудованием относятся станции с паровым и
нефтемоторным оборудованием, с электрическими двигателями и паросиловой
установкой, состоящей из паровых прямодействующих насосов и паровых котлов
Шухова и т. д.
Фиг. 244а
На фиг. 244, а и б приведена насосная станция с тремя электронасосами
и четвертым центробежным насосом, приводимым в действие от дизеля. На фигуре
видны дополнительный насос для подачи воды в бак для промывки фильтре® и
поршневой вакуум-насос. Эксплуатация смешанного оборудования должна вес-
тись таким образом, чтобы нормально использовать наиболее экономичные и
удобные в эксплуатационном отношении двигатели, а в случае нужды перейти
на менее экономичные или менее удобные в эксплуатации.
§ 20. Общие соображения к проектированию насосных станций
1. Подсобные помещения при насосных станциях (кроме автоматических)
состоят из мастерской площадью 10—15 м2 для производства мелких работ, убор-
ной с умывальником и кладовой площадью до 10 м2. По местным условиям
мастерская может отсутствовать или, наоборот, может быть необходимо по-
мещение для сторожа или охраны. Насосные станции оборудуются внутренним
водопроводом для хозяйственно-питьевых и противопожарных целей или хо-
зяйственных и противопожарных целей (техническая вода); в последнем слу-
чае питьевая вода для обслуживающего персонала должна доставляться из
другого источника.
На насосных станциях устанавливается не менее одного наружного и одного
внутреннего пожарных кранов. Насосные станции, находящиеся непосредственно
у места забора воды, должны иметь железобетонные непроницаемые выгреба,
из которых организуется вывозка
нечистот.
Вопросы отопления насосных
станций решаются в каждом слу-
чае особо. Минимальная темпера-
тура в помещении не должна быть
ниже 12°, максимальная — не вы-
ше 25°.
Вопросы отопления насосной
станции с электрооборудованием,
как уже указывалось, должны раз-
решаться с учетом тепла, выделяе-
мого электродвигателями.
В заглубленных станциях рас-
ходтепла через стены весьма мал,
поэтому и отопления здесь часто
не требуется, зато требуется вен-
тиляция. Отопление небольших
станций чаще всего осуществляет-
ся устанавливаемыми для этой
цели печами.
Освещение насосных станций
должно иметь отношение световой
площади к площади пола г/й—1/10.
На насосных станциях должна
быть обеспечена исключительная
чистота.
Фиг. 2445
2. Составлению проекта насосной станции предшествует составление проект-
ного задания, разрабатываемого в нескольких вариантах. Последнее представ-
ляет собой эскизное решение в масштабе 1 : 100 с показанием основного обору-
дования и трубопроводов. К пояснительной записке прилагаются сравнительные
данные по рассмотренным вариантам.
Технический проект насосной станции предусматривает разработку и пока-
зание в плане и разрезах основных размеров здания, фундаментов, насосных
установок, каналов и т. п., деталировку трубопроводов, всасывающих линий,
арматуры и вспомогательного механического оборудования. В пояснительной за-
писке кроме технико-экономического обоснования выбора типа станции и отдель-
ных ее элементов детально описываются механическая часть (оборудование), по-
дача топлива и пр., а также все вспомогательные приспособления (передачи и пр.),
бытовые и вспомогательные помещения и устройства (отопление, вентиляция).
В записке приводятся необходимые расчеты насосов, двигателей, трубопроводов,
передачи и пр., а также сметные соображения, касающиеся строительства, и
эксплуатационная смета, полностью учитывающая стоимость подачи 1 м2 воды
или стоимость, отнесенная к 1 000 тм перекачиваемой воды.
ГЛАВА IV
ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ1
§ 21. Общие сведения и основные понятия
Автоматизация — передача функций управления технологическим процессом
или частью технологического процесса особым аппаратам и приборам.
При достижении известной фазы технологического процесса автоматические
приборы получают некоторый импульс и соответственно направляют работу эле-
ментов оборудования, участвующих в данном технологическом процессе.
Огромные технико-экономические преимущества работы сооружений при ав-
томатизации привели к ее широкому распространению в самых различных обла-
стях транспорта и промышленности как в СССР, так и за границей.
Облегчая труд и повышая его культуру, автоматизация внедрена и в области
водоснабжения, главным образом на насосных станциях.
На жел.-дор. транспорте автоматизация занимает большое место, однако,
в водоснабжении на жел.-дор. транспорте до сих пор автоматизации не прида-
валось должного значения, хотя целый ряд станций здесь может быть пере-
веден на автоматическую работу.
Обеспечивая бесперебойность работы насосной станции, а следовательно и
бесперебойность снабжения водой, автоматизация приводит:
1) к сокращению численности обслуживающего персонала и эксплуатацион-
ных расходов;
2) к уменьшению габаритов здания насосной станции, так как с уменьшением
обслуживающего персонала сокращается или совсем устраняется необходимость
в подсобных помещениях, акомпоновка оборудования возможна в пределах мень-
шей площади помещения. Вместе с тем само здание упрощается, требуется мень-
шая освещенность и т. д.;
3) к более рациональному решению в некоторых случаях схемы водоснаб-
жения в целом (схемы многозонного водоснабжения), например одна мощная на-
сосная станция, развивающая излишне большие напоры, иногда может быть за-
менена системой из нескольких насосных станций, которые могут управляться
из одного центрального диспетчерского пункта и обслуживаться одной ремонтной
бригадой;
4) к возможности применения часто-прерывистого режима работы насосов,
иногда экономически оправдываемого и немыслимого при ручном управлении;
часто-прерывистый режим приводит при прочих равных условиях к минималь-
ным размерам водонапорных башен, что имеет экономическое и оборонное значе-
ние. Кроме того, при правильном устройстве автоматических станций работа их
не зависит от степени внимательности обслуживающего персонала и возможных
ошибок при управлении агрегатами.
Возможность аварий на таких станциях может быть значительно меньшей, ибо
вспомогательная электрическая аппаратура при появлении причины, могущей
вызвать аварию, автоматически выключает агрегаты, сигнализируя об этом на
пункт управления и наблюдения. Существовавшие ранее опасения и сомнения
в безотказной работе автоматических станций в настоящее время опровергнуты
данными их эксплуатации.
В качестве примеров можно сослаться на такие крупнейшие сооружения, как
насосные станции канала Москва—Волга производительностью в десятки кубо-
метров в 1 сек., и другие, оборудованные приборами советского производства.
§ 22. Область применения автоматических насосных станций
Отмечая преимущества автоматических насосных станций, следует указать
на следующее:
1) автоматизация дает наибольший экономический эффект при наличии
в схеме водоснабжения нескольких насосных станций. При наличии лишь одной
1 Здесь указаны лишь принципы действия автоматических станций. Подробнее
см. Тнкунов и др. Автоматические насосные станции, ОНТИ, 1934.
станции эффект этот снижается, так как все же необходимо иметь квалифициро-
ванный обслуживающий персонал (на случай аварии). При наличии нескольких
станций персонал может находиться на диспетчерском пункте (или на одной из
станций) и обслуживать всю группу насосных станций;
2) автоматизация значительно улучшает решение схемы для зонированных
водопроводов, со станциями для повышения давления в отдельных частях сети,
а также в случае водоснабжения из подземных источников при значительной уда-
ленности отдельных пунктов водозабора друг от друга;
3) в водоснабжении на жел.-дор. транспорте автоматизация должна найти
должное применение.
§ 23. Классификация автоматических насосных станций
С точки зрения автоматизации насосные станции можно подразделить на две
группы.
К первой группе относятся так называемые частично автоматизированные,
или полуавтоматические, насосные станции, управление которыми в той или иной
степени осуществляется с участием обслуживающего персонала.
На станциях, где весь процесс управления автоматизирован и лишь перво-
начальный импульс осуществляется нажатием кнопки, участие обслуживаю-
щего персонала ограничено. Однако и эти станции могут быть отнесены к частич-
но автоматизированным.
К этой же группе относятся станции с так называемым телемеханическим уп-
равлением. В этом случае управление станцией осуществляется диспетчером из
пункта, удаленного на любое расстояние от помещения, в котором установлены
насосные агрегаты. Диспетчерский пункт должен быть оборудован всеми прибо-
рами, характеризующими работу каждого насосного агрегата.
Телемеханическое управление может осуществляться и при наличии не-
скольких насосных станций в случаях группового или многозонного водоснабже-
ния. Станции эти еще носят название станций дистанционного управления.
Ко второй группе относятся так называемые полностью автоматизированные
станции. Здесь участие обслуживающего персонала в управлении станцией со-
вершенно исключено (кроме периодов осмотра и ремонта механизмов). Пуск и оста-
новка насосов производятся автоматически в зависимости от условий водопотреб-
ления; резервный агрегат включается автоматически в случае порчи рабочего
насоса.
Соответствующие приборы и сигнализация позволяют диспетчеру следить за
работой станции.
В схемах автоматизации станций последнего типа обязательно предусматри-
вается возможность переключения их на полуавтоматическую работу, например
на ручной (кнопочный) пуск и остановку агрегатов. Это необходимо для осущест-
вления пробных пусков и испытаний, а также как аварийная мера на случай по-
вреждения части автоматической аппаратуры.
§ 24. Особенности автоматических насосных станций
1. Автоматическими могут быть лишь насосные станции с электрическим
оборудованием. Насосные станции с двигателями внутреннего сгорания и паро-
выми не могут быть автоматизированы.
2. Насосы должны быть непосредственно соединены с электродвигателями.
Соединение при помощи ременной передачи в автоматических насосных станциях
исключается; поэтому единственным типом насосов для указанных станций яв-
ляется центробежный.
3. Бесперебойное снабжение электроэнергией должно быть гарантировано,
ибо в противном случае автоматизация станций теряет всякое значение (необхо-
димы тепловой резерв и обслуживающий персонал). Такой гарантией бесперебой-
ности электроснабжения может служить независимое питание от двух электро-
станций или двух трансформаторных подстанций или распределительных киосков
кольцевой электросети.
4. Автоматизация может быть предусмотрена как для насосов, подающих
воду в резервуар (насосы включаются и выключаются в зависимости от уровня
воды в резервуаре), так и для насосов, подающих воду непосредственно в сеть
(насосы включаются и выключаются в зависимости от давления).
5. Должно быть уделено должное внимание устройству сигнализации на
центральный диспетчерский пункт.
§ 25. Принципы технологического процесса управления насосной станцией
Процесс управления насосной станцией в основном заключается в пусках и
остановках насосных агрегатов. Оба процесса состоят из ряда операций, идущих
в определенной последовательности. Число этих операций и характер их зависят
от условий работы станции и ее механического оборудования. Так, например,
если отметка оси центробежного насоса выше отметки уровня воды в резервуаре,
то для пуска необходимо предварительное заполнение его водой (включение ва-
куум-насоса). Если отметка оси насоса ниже уровня воды в приемном резервуаре,
то операция эта отпадает. В соответствии с числом операций и их характером
изменяется схема автоматизации. Так, во втором случае последняя упрощается,
уменьшается количество автоматической аппаратуры.
Поэтому на автоматических станциях, где это возможно и экономически це-
лесообразно, следует проектировать ось насосов ниже отметки воды в резервуаре
(источнике). Такая возможность чаще может представиться на станциях второго
подъема, а при наличии вертикальных насосов это всегда возможно выполнить и
на станциях первого подъема.
Обычно процесс пуска насосного агрегата состоит из следующих основных
операций:
1) включение вакуум-насоса;
2) включение электропривода;
3) выключение вакуум-насоса;
4) открытие напорной задвижки.
Операции должны итти в указанной последовательности; каждая последующая
операция возможна при осуществлении предыдущей. Это предъявляет к схеме
автоматизации требование взаимной блокировки.
На фиг. 245 приведена одна из схем автоматической работы насосного аг-
регата.
Первоначальный импульс пуска и остановки дается непосредственно на па-
нель насосного агрегата, например нажатием кнопки (частичная автоматизация),
или на панель командо-аппарата (полная автоматизация). Вначале включается
вакуум-насос; когда основной насос залит, откачиваемая вода включает струйное
реле, которое включает электропривод насоса и выключает вакуум-насос.
Схема включения электропривода зависит от типа мотора и способа его пуска.
Наиболее приемлемыми для установки на автоматических станциях явля-
ются короткозамкнутые моторы, ибо применение асинхронных моторов с контакт-
ными кольцами требует установки автоматического реостата и работы при постоян-
но опущенных щетках.
По достижении нормального числа оборотов насос создает давление, включаю-
щее реле давления воды; последнее дает импульс к открытию напорной задвижки.
При выключении насоса сначала закрывается задвижка, затем выключается
электропривод. Кроме автоматических приборов, управляющих процессами пуска
и остановки насосов, насосные станции оборудуются специальными приборами —
реле защиты. Последние сигнализируют о ненормальностях в работе (понижение
давления, перегрев подшипников и т. д.), автоматически выключают неисправ-
ный агрегат и дают импульс к включению резервного агрегата.
В качестве примера приводится последовательность включения насосов на одной иэ
заграничных полуавтоматических станций.
При пуске нажимается отключающая кнопка; включается вспомогательное реле;
главный контакт последнего замыкает цепь удерживающей катушки моторного привода
масляного выключателя, вследствие чего включаются масляный выключатель и мотор
насоса. Особый контакт масляного выключателя замыкает цепь одного из реле мотора
172
задвижки; мотор вращается, открывается задвижка. После открытия задвижки как вклю-
чающее реле, так и реле задвижки выключаются конечным выключателем задвижки,
замыкается цепы сигнальной лампы, указывающей на окончание процесса пуска. Выклю-
чение производится нажатием выключающей кнопки; замыкается цепь второго реле мо-
тора задвижки, последний включается в сеть с измененной последовательностью фаз,
вращается в обратном направлении и закрывает задвижку.
В конечном положении задвижки нижний конечный выключатель выключает реле
и мотор выключается. Тот же конечный выключатель прерывает цепь удерживающей ка-
тушки масляного выключателя и отключает масляный выключатель. Включается красная
лампа, сигнализирующая об окончании процесса выключения.
Пинели
конин до-
аппарата
Напорная линия Водопровода
Дислет^
черскии
пункт
ПанелЬ
аппаратур^
аВтомати -
честго
управления
мотором
Фиг. 245
При перегрузке или коротком замыкании размыкаются особые контакты, разры-
вается цепь удерживающей катушки маслянника и мотор насоса отключается от сети.
Отдельные переключения широко блокированы, что гарантирует их правильную последо-
вательность.
Пуск мотора мощностью в 250 кв и всего агрегата происходит в течение несколь-
ких секунд, открытие задвижки—20 сек. При помощи рубильника все дистанционное
управление может быть выключено, одновременно к удерживающей катушке масляного
выключателя подводится напряжение, и отдельные агрегаты могут пускаться вручную.
Особый интерес представляет аварийное закрытие гидравлических задвижек при
отсутствии напора в напорной линии. Аварийная установка состоит из компрессора,
автоматически подающего воздух в небольшой гидроаккумулятор, где все время поддер-
живается должное давление. В случае аварии в напорной линии трехходовой кран на
пульте переключается с напорной линии на гидроаккумулятор; вода поступает к задвижке
и закрывает ее. Такое же включение гидроаккумулятора может происходить и автома-
тически (станция Ашбуртон, США).
§ 26. Приборы автоматических насосных станций
Автоматизация насосных станций вызывает необходимость применения спе-
циальной гидромеханической и электромеханической аппаратуры, не имеющей
применения на станциях неавтоматических. Эту аппаратуру можно подразделить
на три группы.
К первой группе относятся контакторы, т. е. приборы, включающие и выклю-
чающие цепь главного тока, например цепь электропривода насоса.
Контакторы производят операции включения и выключения автоматически
под влиянием аппаратов, работающих от заданных параметров давления, расхода
и уровня воды, а также силы тока, напряжения и т. п. Последние аппараты от-
носятся ко второй группе автоматической аппаратуры и называются реле.
Реле, управляющее процессом при нормальных эксплуатационных условиях,
называется реле управления (поплавковое реле, реле давления и т. д.).
Реле, следящее за соблюдением нормальных эксплуатационных условий и
нарушением таковых, дающее импульс к отключению неисправной системы и
включению резервной, называется реле защиты (реле защиты подшипников при
перегреве, реле давления, контролирующее аварийное падение давления, реле
перегрузки, реле падения напряжения, реле обрыва фаз).
Фиг. 246
Фиг. 246а
К третьей группе автоматического оборудования относятся аппараты, при-
меняемые главным образом на полностью автоматизированных насосных станциях,
это так называемые командо-аппараты. Назначение командо-аппаратов — вклю-
чение и выключение электронасосных агрегатов при получении соответствую-
щего импульса в определенной последовательности, заданной обслуживающим
персоналом.
На фиг. 246 изображен один из командо-аппаратов. При получении импуль-
сов, например, от поплавкового реле или от нажатия кнопки командо-аппарат
в зависимости от намеченной ранее очередности включает в работу насосные
агрегаты.
При завершении процесса пуска одного агрегата, т. е. при полном открытии
задвижки на напорном штуцере, командо-аппарат выполняет необходимые пе-
реключения в схеме для подготовки к пуску следующего агрегата.
На фиг. 246а показано поплавковое реле, служащее для получения первич-
ных командных импульсов пуска и остановки насосных агрегатов в зависимости
от уровня воды в резервуаре.
Реле давления применяется для управления и защиты, оно устанавли-
вается на напорных трубопроводах каждого насоса и на напорных водоводах.
Реле давления состоит из стальной или бронзовой диафрагмы и контактного уст-
ройства, помещенных в закрытой коробке. При достижении определенного дав-
ления диафрагма воздействует на контактный механизм и производит переклю-
чение контактов.
Вакуумное реле служит для контроля работы вакуум-насоса. Устрой-
ство вакуумного реле принципиально аналогично реле давления.
Струйное реле устанавливается на ответвлении трубопровода вакуум-
насоса у каждого насосного агрегата и служит для определения момента полного
заполнения насоса водой. Оно в основном представляет собой пружинный клапан
особого устройства, устанавливаемый на отсасывающей трубе вакуум-насоса.
При наличии воздуха в трубе клапан отжат пружиной, оставляя небольшой зазор.
Вакуум-насос отсасывает воздух, который свободно проходит через зазор пружин-
ного клапана. Как только вода подойдет к клапану, он захлопывается, преграж-
дая путь воде. Одновременно это передается механизму, который произво-
дит размыкание соответствующих контактов, и вакуум-насос выключается.
Для каждого мотора у задвижек обычно предусматривается два включаю-
щих реле: одно для вращения по часовой стрелке, другое в обратном направлении.
Концевой выключатель обязателен в схеме управления за-
движками с электроприводом (а также для передачи соответствующих импульсов
в общей схеме управления насосом).
Когда задвижка приходит в крайнее положение (открытие или закрытие),
шток задвижки, соединенный с концевым выключателем, воздействует на меха-
низм последнего, контакты в цепи электропривода размыкаются и мотор останав-
ливается.
Одновременно концевой выключатель замыкает контакты в цепи магнитного
пускателя, подготовляя ее для повторения операций открытия или закрытия
задвижки. Независимо от указанного открытие и закрытие задвижки должны
при желании производиться и вручную при помощи маховичка, насаженного
на конец вала.
Примером реле защиты является реле защиты подшип-
ников при перегреве.
Действие реле основано на удлинении биметаллической пластинки. Когда
температура подшипников превосходит допустимый предел, пластинка удли-
няется настолько, что приводит в действие механизм реле. Действие механизма
влечет включение контактов в электрической цепи; имеют место сигнализация об
аварийном перегреве подшипников и выключение неисправного агрегата.
Контактор состоит из магнитной системы с катушкой, включенной в цепь
малого тока, и подвижного якоря, связанного с валом, на котором находятся кон-
такты.
При прохождении тока через катушку электромагнита якорь, а вместе с ним
и вал поворачиваются, включая цепь главного тока. При отключении катушки
якорь с валом под действием силы тяжести отходит в исходное положение. Из-
вестны станции (Гильфорд, США), где пуск насосов производится автоматически
от специальных часов. При этом учитывается и падение давления ниже определен-
ной величины. Если такого падения давления нет, то реле времени включит аг-
регаты, а реле давления выключит; при значительном падении давления реле дав-
ления замыкает соответствующие контакты, прекращает ход часов и включает
станцию.
§ 27. Сигнальные устройства
Сигнализация — основной элемент автоматических насосных станций. Элект-
рические схемы сигнализации разнообразны. В одних случаях при прекращении
напряжения в сети вспомогательное реле замыкает цепь аккумуляторной батареи
и сигнального устройства, в результате в центральном диспетчерском пункте за-
жигаются сигнальные лампы и начинают гудеть гудки. В других случаях тревож-
ный звонок звонит до тех пор, пока неисправность не будет устранена или звонок не
будет выключен.
На многих станциях управление устроено таким образом, что при возникно-
вении неполадок в каком-либо агрегате последний отключается, нагрузка авто-
матически переключается на другой агрегат, и система дает сигналы о поврежде-
нии. Сигналы, снабженные зелеными стеклами, горят при нормальном напряже-
нии во всех фазах; красный сигнал загорается при неполадках на станции.
На некоторых станциях электрическая схема сигнализации позволяет при вызове
станции по телефону получить условный звук по коду (в виде точек и тире). Телефонная
сигнализация (станция Таусон, США) при неполадках в электрооборудовании дает сигнал
«станция не в порядке» и даже сигнализирует дефекты. Сигналы указывают, какой из агре-
гатов работает в настоящий момент, прибывает или убывает вода в резервуаре и каково
давление в напорной линии. Все сигналы даются в определенной последовательности и
затем повторяются.
РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ
НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕХНОЛОГИИ ВОДЫ
ГЛАВА 1
X АРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ ВОД*
§ 1. Свойства воды
Все природные воды содержат большее или меньшее количество различных
примесей. Примеси в воде могут находиться в следующих состояниях (табл. 1):
I) в виде механических (грубые дисперсоиды);
2) в коллоидальном состоянии (коллоиды);
3) в растворе (истинно растворенные вещества).
Таблица 1
Примеси в природных водах
Механические примеси (грубые дисперсоиды) Коллоидальные веще- ства Растворенные вещества "'(молеку- лярные дисперсоиды)
органичес- кие минераль- ные СОЛИ газы
1 2 3 4 5
Плавающие вещества Взвешенные вещества Осаждающиеся вещества Гуминовые вещества Масла Кремневая кислота 8Ю2 Окись же- леза Ре2О3 Глина и др. Двууглекислый кальций (бикарбонат кальция) Са (НСО3)2 Двууглекислый магний (бикарбонат магния) М§(НСО3)2. Двууглекис- лое железо (бикарбо- нат железа) Ре(НСО3)2 Сернокислый кальций (сульфат кальция) Са8О4 Кремнекислый натрий (силикат натрия) Ка281О3 Азотнокислый кальций (нитрат кальция) Са(МО3)2 и др. Углекисло- та СО2 Кислород О. Азот К2 Сероводо- род Н28
Органи- ческие Минераль- ные
Животные и расти- тельные организмы Песок, глина и др.
1. Механическими примесями являются частицы песка, глины и другие про-
дукты размыва почв, вещества растительного и животного происхождения, по-
падающие в воду со стоками.
В зависимости от удельного веса этих веществ они могут быть подразделены
на плавающие, находящиеся на поверхности воды (с удельным весом меньше
удельного веса воды), взвешенные (с удельным весом, равным удельному весу
воды) и осаждающиеся (с большим удельным весом).
К взвешенным веществам относят и трудно осаждающиеся очень мелкие ча-
стицы, удельный вес которых больше удельного веса воды.
Наличие механических примесей в больших количествах делает воду мало
пригодной для хозяйственно-бытовых и технических целей.
* Раздел третий написан доц. Е. Ф. Тебенихиным.
12. Водос набжение
2. Коллоидальные примеси1 могут быть минерального и органического про-
исхождения. К числу первых относятся соединения кремния, алюминия и железа;
к числу вторых—продукты разложения остатков растительного происхождения,
а именно гуминовые вещества, а также масла и жиры, результат местного загряз-
нения сточными водами.
Присутствие коллоидальных веществ может обусловливать наличие не оседаю-
щей при продолжительном отстаивании мути (коллоидальная глина, кремнезем)
или характерную болотную (желтоватую, коричневатую) окраску вод (гумино-
вые вещества). Наличие этих примесей значительно ухудшает качество воды.
3. К растворенным веществам относятся:
а) газы: кислород О2, углекислота СО2, сероводород Н28, метан СН4,
азот И2; б) неорганические соли: хлористые СаС12, МдС12, ИаС1, сернокислые
Са8О4, Мд8О4, двууглекислые Са(НСО3)2, Ре (НСО3)2, ИаНСО3, кремнекислые
Са8Ю3, На28Ю3, азотнокислые Са(НО3)2, НаМО3 и др.; со стоками в воду
могут попадать минеральные кислоты Н28О4 и соединения тяжелых металлов:
меди, свинца, цинка;
в) органические соединения — вещества промышленных стоков, например
фенолы, крезолы и др.
Газообразные примеси, растворенные в воде (кислород, углекислота и серо-
водород), служат причиной разрушения металла.
Влияние растворенных солей различно: некоторые из них (МдС12, КаС1,
Мд8О4) обусловливают коррозию металла, делают воду соленой (ГЧаС1), дру-
гие способствуют вспениванию котловой воды (№28О4, ПаНСО3, 1Ча2СО3),
образуют твердые отложения накипи (Са8О4, Са(НСО3)2) и т. д.
Большее или меньшее количество указанных примесей позволяет судить о
возможности применения воды для целей водоснабжения, а также о влиянии ее
на паровозные котлы в смысле образования накипи, вспенивания и коррозии.
В табл. 2 приведены главнейшие свойства примесей воды в отношении влия-
ния их на паровозные котлы и некоторые методы обработки воды для устране-
ния этих примесей.
§ 2. Характеристика источников водоснабжения на жел.-дор. транспорте
Воды источников в основном отражают геологические формации, через кото-
рые эти воды протекают, и некоторые местные условия.
Источники водоснабжения северных районов СССР, преимущественно реки
и частично озера, характеризуются низкой жесткостью (4 —10 нем. гр.), неболь-
шим содержанием солей и в зависимости от местных условий (болота, торфяники)
большим или меньшим количеством гуминовых веществ.
По мере перехода в центральные области качество воды изменяется. Жест-
кость воды чаще возрастает до 15 — 25 нем. гр. Количество гуминовых веществ
уменьшается.
К югу качество воды заметно ухудшается, что объясняется появлением в
почве гипсовых и меловых отложений, местами в очень больших количествах
(Белгород, Славянск и др.).
Растворяя гипс и мел, вода обогащается ими; при этом жесткость воды часто
повышается до 30 — 60 нем. гр., а в некоторых случаях составляет 100 нем. гр.
и выше. Количество растворенных солей возрастает до 1 000 мг)л, а в некоторых
случаях и выше.
Среди вод Северного Кавказа наряду с жесткими (17 — 30 нем. гр.) встре-
чаются мягкие воды — щелочные и сероводородные.
Источники водоснабжения в Закавказье, питающиеся в большинстве случаев
тающими с гор снегами, характеризуются незначительным содержанием раство-
римых солей и небольшой жесткостью (6 —10 нем. гр.). Речные воды здесь обычно
содержат большое количество механических примесей за счет размыва почв вслед-
ствие большой скорости течения.
1 Коллоидальные примеси—вещества с размером частиц 0,0001 —0,000001 мм.
Таблица 2
Наименование примесей Химическое обозначение Главнейшие свой- ства Метод обработки воды для удале- ния примесей
накипеоб- разование коррозия металла вспенива- ние котло- вой воды
1 2 3 4 5 6
Кислород . 0, + Дегазация
Углекислота со2 — + — »
Сероводород • . Двууглекислый кальций (бикар- Н28 — + — Аэрация
бонат кальция) Двууглекислый магний (бикарбонат Са(НСО3)2 + — — Умягчение
магния) Двууглекислое железо (бикарбонат Мё(НСО3)2 + — — »
железа) Сернокислый кальций (сульфат Ре(НСО3)2 + — — Обезжелезивание
кальция) Сернокислый магний (сульфат Са8О4 + — — Умягчение
магния) Кремнекислый магний (силикат М§804 — + — »
магния) Кремнекислый кальций (силикат М^81О3 + — — »
кальция) Хлористый кальций (хлорид каль- Са810» + — — »>
ция) Хлористый магний (хлорид маг- СаС12 — + — >>
ния) Азотнокислый кальций (нитрат каль- М§С1, — + — »
ция) Азотнокислый магний (нитрат маг- Са(Г4Оз)2 — — — »
ния) Углекислый натрий (карбонат на- Мё(ХО3)2 — — — >>
трия) Двууглекислый натрий (бикарбонат Ха2СО3 — * *Т Опреснение
натрия) Сернокислый натрий (сульфат нат- ХаНСО3 — * +
рия) Хлористый натрий (хлорид нат- Ха.,8О4 — — >>
рия) Продукты разложения растительных ХаС1 — + — ;>
и животных организмов — —— + + Коагуляция
Масла — — + + » Угольные фильтры
Минеральные кислоты — + — Нейтрализация ( Коагуляция,
Взвешенные вещества — + — < отстаивание и ( фильтрация
Юго-западная область характеризуется преимущественно водами средней
жесткости (12— 19 нем. гр.).
Источники водоснабжения юго-восточной части Союза, с одной стороны, ха-
рактеризуются сравнительно мягкими щелочными водами, с другой, — жесткими
(30 — 40 нем. гр.) и солончаковыми. Последние сосредоточены главным образом
в районе Каспийского и Аральского морей.
Воды Западной и Восточной Сибири совмещают в себе почти все свойства
вод Европейской части СССР.
* Коррозия медных частей и каустическая хрупкость при больших концентра-
циях.
§ 3. Требования, предъявляемые к воде
А. ВОДА ДЛЯ ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВЫХ НУЖД
Вода для хозяйственно-питьевых нужд должна удовлетворять санитарным
требованиям, т. е. она должна быть свободна от вредных для человеческого ор-
ганизма примесей и болезнетворных бактерий, должна быть совершенно проз-
рачной и бесцветной, без запаха и иметь хороший освежающий вкус.
Современные требования к качеству питьевых вод в основном сводятся к сле-
дующему.
Мутность не выше 0,75 мг/л (по мутномеру Бейлиса)
Цветность не выше 25° (по платиново-кобальтовой шкале)
Сухой остаток не выше 500 мг/л
Железо Ре не выше 0,3 мг/л
Сульфаты 8О3 не выше 200,0 мг)л в форме ^.,80,
Нитраты Ц2О5 » » 15,0 » (при отсутствии нитратов и аммиака)
Нитриты 1Ч2О3 О
Аммиак 1ЧН3 О
Органические вещества КМпО4 не выше 12,0 мг-л (проба на окисляемость)
Количество колоний: в 1 см3 не выше 75* (посев на мясо-пептонном
желатине Г 20 — 23°С, 48 час.). Коли-титр более 300.
Б. ВОДА ДЛЯ ПИТАНИЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ
Требования к каждой питательной воде в основном сводятся к возможно
низкому содержанию в ней солей, главным образом накипеобразователей, газов
и механических примесей.
В зависимости от типа котла и рабочего давления пара питательной воДой
может служить:
1) природная вода определенного качества;
2) умягченная вода;
3) конденсат (турбин, паровых машин и пр.) или смесь конденсата с умягчен-
ной водой.
1. Природная вода
Для мощных паровозов (ФД и ИС)согласно данным НКПС вода допускается
с общей жесткостью не выше 10 нем. гр., для паровозов СО,Э и менее мощных—
не выше 15°. Все более жесткие воды должны подвергаться умягчению.
Содержание механических примесей для мощных паровозов не выше
200 мг)л, для остальных — не выше 400 мг)Л.
2. Умягченная вода
Вода, умягченная известково-содовым способом, должна отвечать следую-
щим требованиям: общая жесткость не выше 4 нем. гр., при щелочно-
сти 6 — 7 нем. гр., при умягчении без подогрева и при умягчении с подогревом
до 80° — 1 нем. гр., при щелочности 3—4 нем. гр.; при этом вода должна быть со-
вершенно прозрачной. Вода, умягченная на цеолитовых фильтрах, не должна
иметь жесткость выше 0,1—0,15 нем. гр.
3. Конденсат
Жесткость не выше 0,1 нем. гр., плотный остаток 10— 12 мг/л.
4. Общие требования к питательной воде
Жесткость питательной воды для котлов низкого давления—до 15 ат не
выше 1—4 нем. гр. Для котлов с более высоким давлением 0,3—0,1 нем. гр.
Допустимое содержание кислорода (после дегазации)
Рабочее давление в Содержание кислорода
котле в ати в мг:л
1—15 Не выше 0,5
15—25 » » 0,1
25-50 * » 0,05
♦ Это требование несколько условно.
Вода должна быть совершенно прозрачна и свободна от масла. Содержание
органических веществ не выше 20 мг)л по перманганату.
В. ВОДА ДЛЯ ПИТАНИЯ ИСПАРИТЕЛЕЙ (ОПРЕСНИТЕЛЕЙ)
К воде для питания испарителей предъявляются те же требования, что и для
котлов низкого давления.
Г. ВОДА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
И КОНДЕНСАТОРОВ
Вода, применяемая для охлаждения, должна быть свободна от механических
примесей и иметь минимальную карбонатную жесткость.
При охлаждении конденсаторов турбин необходимо также, чтобы в воде от-
сутствовали микрофауна1 и микрофлора2, обусловливающие зарастание трубок
конденсаторов.
Применение прямоточной системы, т. е. однократное использование воды
для охлаждения, без предварительного умягчения охлаждающей воды, по данным
Штумпера, возможно лишь в том случае, когда карбонатная жесткость воды не
выше 10 нем. гр.; при большей жесткости неизбежна циркуляционная система
охлаждения с добавкой умягченной воды, восполняющей потерю.
§ 4. Исследования воды. Физико-химический анализ
А. ОТБОР ПРОБ
Проба воды, взятая для анализа, должна отражать действительный средний
состав воды, т. е. не быть случайной, например взятой у самого берега, из долго
не работавшей и предварительно не промытой трубы, из скважины без предвари-
тельной откачки и т. п. Для полной характеристики воды источника следует
взять несколько проб в наиболее характерные для него моменты года.
Для полного технического анализа берут 3—4 л воды, для сокращенного — 1 л.
Склянка для отбора проб должна быть чисто вымыта и ополоснута отбираемой
водой.
Для отбора проб с различных глубин служат специальные приборы, называемые
батометрами. В отсутствии их пользуются склянкой емкостью 3—4 л, заключенной в
металлическую оправу с тяжелым дном, залитым свинцом, с каучуковой пробкой, при-
вязанной к шнуру, которым склянка открывается на нужной глубине.
При обследовании водоема пробы воды берут в месте предполагаемого водозабора
и иных обследуемых местах. При решении различных специальных вопросов, как то:
о распределении солей в водоемах, о смешении естественных вод со стоками и пр., пробы
берут с различных мест и глубин.
При взятии пробы из водопроводных кранов воду предварительно спускают в те-
чение нескольких минут (5—10).
При отборе проб воды непосредственно из буровых скважин производят предвари-
тельную откачку (5—10 мин.).
Склянки закупоривают каучуковыми или стеклянными пробками, а при отсутствии
таковых — корковыми.
К каждой пробе прилагается сопроводительный бланк с следующими сведениями:
1) род и название источника,
2) местонахождение источника,
3) дата взятия пробы,
4) глубина и место отбора пробы,
5) способ отбора пробы,
6) температура воды в момент отбора,
7) температура воздуха в момент отбора,
8) состояние погоды за 5 дней до взятия пробы и в момент отбора,
9) фамилия лица, отобравшего пробу.
Пересылка проб зимой должна производиться в условиях, исключающих замерза-
ние воды.
Исследования газов (кислород, углекислота и сероводород) рекомендуется произ-
водить на месте. При отсутствии этой возможности в отношении некоторых из газов
поступают согласно специальным указаниям.
1 Микрофауна—микроскопические животные организмы.
’ Микрофлора—микроскопические растительные организмы.
При санитарном исследовании воды некоторые определения также целесообразнее
производить у источника, как то: определение физических свойств воды, реакции воды,
азот содержащих веществ, окисляемости и железа.
Анализ у источника обычно производится при помощи походных лабораторий.
Такие лаборатории полезны при изысканиях, при контроле работы водоумягчителей и
при внутри котловой обработке воды. Более подробный анализ воды производится в
стационарных лабораториях — в дорожных и деповских.
Б. СХЕМА И ЗАПИСЬ РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛИЗА
Результаты анализа могут быть записаны в форме ангидридов кислот, напри-
мер 8О3, И2О3, ^О5, и в виде безводных окислов металлов СаО, М§0, Ыа2О, или
в ионной форме в виде катионов(металлы)Са", М§", №' и анионов (кислотные ос-
татки) МО3, МОг, 8О4;
Количество найденных веществ выражают в миллиграммах на литр.
В последнее время получает распространение запись результатов анализов
в миллиграмм-эквивалентах соответствующих анионов и катионов (за исключе-
нием газов и коллоидных примесей).
Чтобы найти число миллиграмм-эквивалентов того или иного иона, необхо-
димо количество миллиграммов его, найденное анализом, разделить на величину
эквивалента данного иона.
Различают полный и сокращенный анализ воды. При сокращенном анализе огра-
ничиваются лишь некоторыми определениями в зависимости от назначения анализа.
Форма записи результатов полного анализа приводится ниже.
Анализ воды1
1. Общие сведения
1. Пункт водоснабжения......................................
2. Род и название источника............. ...................
3. Место отбора пробы воды..................................
4. Характеристика источника у места отбора (наличие стоков и пр.)
5. Дата отбора пробы воды...................................
6. Дата начала анализа.....................................
2. Физические свойства воды
1. Цветность в градусах платиново-кобальтовой шкалы ........
2. Прозрачность по Снеллену в см............................
3. Осадок ..................................................
4. Запах....................................................
5. Вкус ....................................................
6. Температура воды 1 2 ....................................
7. Взвешенные вещества при 110° мг)л........................
8. Взвешенные вещества после прокаливания мг[л..............
3. Химические свойства и состав воды
(данные анализа в мг}л)
1. Реакция рН...............................................
2. Сухой остаток при 110° . . ‘.............................
3. Сухой остаток после прокаливания.........................
4. Потери при прокаливании..................................
5. Окись кальция СаО........................................
6. Окись магния М§0 ......................................
7. Серный ангидрид 8О3......................................
8. Хлор С1..................................................
9. Азотный ангидрид М2О5....................................
10. Азотистый ангидрид М2О3..................................
11. Аммиак МН3...............................................
12. Сероводород Н28..........................................
13. Кислород О, .............................................
14. Углекислота свободная СО, ...............................
15. Углекислота агрессивная СО2..............................
1 При санитарном исследовании анализ дополняется данными бактериологического
анализа.
2 На месте при отборе пробы.
16. Окись железа и алюминия Ре2О3+А12О3.......................
17. Железо Ре ................................................
18. Кремнекислота 8Ю2.........................................
19. Окисляемость КМпО4................................. .
20. Щелочность в см3 0,1 ^НС1 на 100 см3......................
21. Гуматы........................................... . . . .
22. Жесткость в немецких градусах.............................
общая ' ...............................................
постоянная ............................................
устранимая ............................................
4. Заключение о пригодности воды
Аналитик
Зав. лабораторией
В. МЕТОДЫ АНАЛИЗА ВОДЫ
Физические свойства
1. Цветность обусловливается главным образом присутствием гуми-
новых веществ, придающих воде желтоватый и желто-коричневый оттенки. Оп-
ределяется сравнением цвета фильтрованной воды с окраской эталонов платино-
во-кобальтовой шкалы и выражается в градусах цветности. 1° цветности соответ-
ствует содержанию в 1 л воды 1 мг металлической платины.
Цветность большинства природных вод составляет 15 — 25°, за исключением
гуминовых, цветность которых 50 — 60°.
Качественно цветность фиксируется описательно (желтоватая, желтовато-
зеленоватая, желтая и т. д.).
2. Прозрачность служит косвенной мерой содержания в воде меха-
нических примесей (мути). Определяется в специальном цилиндре с прозрачным
дном и выражается высотой столба воды в сантиметрах, через который возможно
чтение шрифта определенной крупности (Снеллена№ 1). Иногда шрифт Снеллена
заменяют крестом, изображенным черными линиями толщиной 1 мм на белой
пластинке.
Норма прозрачности питьевой воды до последнего времени считалась по Снел-
лену выше 30 см, по кресту — 100 см.
Более точные данные могут быть получены при сравнении испытуемой воды
с американской шкалой мутности. За такой стандарт мутности принимается вода,
замутненная размешиванием в 1 л ее 100 мг кремния, измельченного настолько,
что блестящая горизонтальная платиновая игла длиной 25 мм и диаметром 1 мм,
будучи рассматриваема с высоты 1,2 м, перестает быть видной на глубине 100 мм
от поверхности воды.
Мутность такого стандарта принята равной 100 мг. Разбавляя дестиллиро-
ванной водой в два, четыре и т. д. раз, получим образцы с мутностью 50 — 25 мг.
Наоборот, увеличивая содержание кремния до 200—300 мг и т.д., получим об-
разцы мутностью в 200, 300 мг)л и т. д.
В лабораториях и на сооружениях по обработке воды применяется прибор
Бейлиса для определения, мутности.
3. Запах может зависеть от минерального состава воды, продуктов жизне-
деятельности микроорганизмов и загрязнений различного вида стоками.
При хлорировании воды избыток хлора в 0,2 — 0,3 мг]л дает себя чувство-
вать.
При одновременном присутствии в воде фенола даже в ничтожных количест-
вах (0,000001 г/л) вода приобретает очень неприятный запах хлорфепола.
Гуминовые воды могут пахнуть перегноем.
Определение запаха производят при комнатной температуре и нагревании.
Запах характеризуют следующим образом: землистый, рыбный, свободного
хлора, сероводородный, затхлый, плесени, болотный.
4. Вкус обусловливается содержанием минеральных примесей и органи-
ческих веществ.
Клют приводит данные в отношении некоторых примесей воды, которые даны в
табл. 3.
Таблица 3
Вещества Привкус Граница ощущения в мги Граница вку- совой пригод- ности воды В М21Л
КаС1 Соленый 165 660
М§С12 Горьковатый 135 535
М§804 » 250 750
Ре Вяжущий 0,15 —
5. Температура воды. Температура в градусах Цельсия измеряется
в самом источнике термометром, помещенным в склянке для отбора воды, или по-
гружением его в пробу тотчас же по отборе.
6. Взвешенные вещества могут быть минерального (глина, пе-
сок, железо) и органического (остатки растений и животных) происхождения. Ко-
личество их определяют при фильтрации 1 —0,5 л воды через фильтр.
Увеличение веса фильтра после высушивания при 110° дает общее содержа-
ние взвеси. Для определения минеральной части осадок с фильтром прокаливают.
Результаты выражают в миллиграммах на литр.
Химические свойства
1. Реакция воды характеризует щелочные, нейтральные и кислотные
свойства воды и определяется качественно и количественно. Качественно — при
помощи индикаторов, количественно — по концентрации водородных ионов
(активная реакция).
Индикаторами служат лакмус, фенолфталеин и метилоранж.
Изменения окрасок индикаторов в зависимости от реакции воды пока-
заны в табл. 4.
Таблица 4
Индикаторы Окраска |
Нейтральная реак- ция Кислая реакция Щелочная реакция
синий Синяя Розовая Синяя
красный Красная Красная Светлосиняя
Фенолфталеин Бесцветная Бесцветная Фиолетово-красная
Метилоранж Золотисто- желтая Оранжевая Желтая
Химически чистая вода в весьма незначительной степени диссоциирована на:
водородные и гидроксильные ионы Н’ и ОН".
В 1 л этой воды содержится 10-7 (0,0000001) г ионов водорода [Н’].
С увеличением количества водородных ионов и уменьшением гидроксильных
вода приобретает кислотные свойства, с уменьшением — щелочные.
По предложению Зеренсена концентрация водородных ионов выражается не
в виде цифры 10 с отрицательным показателем, а в виде показателя степени без
знака минус, который назван «водородным показателем» и обозначается рН.
Таким образом, если [Н ] = 10~7, то рН =7, и выражение активной реакции
нейтральных, кислых и щелочных растворов принимает следующий вид:
Кислая реакция—рН меньше 7
Нейтральная реакция—рН равно 7
Щелочная реакция—рН больше 7
При практической оценке воды могут быть приняты следующие значения рН:
рН больше 10,0—вода сильнощелочная
рН от 8,0 до 10,0—слабощелочная
рН от 6,5 до 8,0—нейтральная
рН от 5,5 до 6,5—слабокислая
рН ниже 5,5—сильнокислая
Согласно современному учению о растворах природная (пресная) вода пред-
ставляет слабый раствор электролитов (главным образом соней), диссоциирован-
ных на ионы, положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные
анионы.
Из положительных ионов в естественных водах встречаются: Са”, М§", Ха" ,
К’,Ре",Н’ и некоторые другие, из отрицательных: НСО'3,СГ, 8О"4, 810"3, ОН'
и др.
Реакция водных растворов солей в основном зависит от состава и свойств
этих солей. Так, хлористый магний, являющийся солью сильной хлористо-
водородной кислоты и слабого основания М§(ОН).,, обусловливает кислую
реакцию воды, углекислый натрий как составленный слабой угольной кисло-
той и сильным основанием ХаОН—щелочную.
В первом случае мы имеем избыток водородных ионов, во втором — гидро-
ксильных.
Каждая естественная вода представляет смесь растворов солей слабых кон-
центраций, обладающих разным значением рН. От преобладания той или иной
соли или группы однородных солей в воде рН приобретает соответствующее зна-
чение.
Для большинства природных вод рН составляет от 7,2 до 7,8.
Концентрация водородных ионов обусловливает направление и интенсив-
ность большинства физико-химических процессов как совершающихся в водоёмах,
так и в очистных сооружениях и паровых котлах.
Концентрация водородных ионов определяется одним из двух методов: элект-
рометрическим или калориметрическим (по методу Михаэлиса). Первый довольно
сложен и требует лабораторных условий; второй — значительно проще и может
быть выполнен в любых условиях.
2. Щелочность воды, или способность примесей ее связывать
кислоты, выражается количеством куб. сантиметров 0,1 нормальной кислоты,
которая идет на нейтрализацию находящихся в воде щелочноземельных и ще-
лочных металлов, связанных со слабыми кислотами, главным образом с уголь-
ной и гуминовой, а также и оснований (умягченные, сточные и котловые
воды).
Щелочность определяется титрованием 100 см2 исследуемой воды 0,1 нор-
мальной соляной кислотой.
При наличии окраски с индикатором фенолфталеином сначала титруют с этим
индикатором, а затем дотитровывают с метилоранжем.
3. Г у м а т ы. Соли гуминовых кислот встречаются в водах болот, рек, при-
давая воде характерную коричневато-буроватую окраску различной интенсив-
ности. Для определения гуматов пробу воды после нейтрализации соляной
кислотой с индикатором метилоранжем кипятят 3—5 мин. (для удаления угле-
кислоты), быстро охлаждают, прибавляют 2—3 капли фенолфталеина и тит-
руют 0,1 нормальным едким натром до появления слабого, но ясно выражен-
ного розового окрашивания, не исчезающего в течение 1 мин.
Расход едкого натра на 100 см3 воды дает содержание гуматов.
4. Сухой или плотный остаток характеризует общее коли-
чество растворенных в воде минеральных и органических веществ. Определяется
выпариванием 1 —0,5 л воды с последующим высушиванием полученного остатка
при 110°. Минеральная часть определяется прокаливанием до полного сожжения
органических веществ. Потеря веса при прокаливании дает количество органи-
ческих веществ.
5. Окисляемость служит для определения содержания в воде орга-
нических веществ. Определение основано на том, что кислый или щелочной ра-
створ перманганата способен отдавать кислород в присутствии окисляющихся
веществ. В кислом растворе перманганат переходит в сернокислый марганец и
обесцвечивается:
2КМпО4+ЗН2ЗО4=К2ЗО4+2МпЗО4+ЗН2О+5О
По расходу перманганата судят о содержании веществ, способных окисляться.
Окисляемость воды определяется как в фильтрованной, так и в нефильтро-
ванной пробе. В последней она характеризует общее содержание органических
веществ как в растворе, так и в взвеси.
Для выражения результатов окисляемости по перманганату расход его в куб. санти-
метрах умножают на 0,316 (1 см3 0,01 нормального раствора перманганата содержит
0,310 лг КМпО4); для выражения окисляемости по кислороду (применяется реже) —
умножают на 0,08 (1 см3 0,01 раствора перманганата соответствует 0,08 мг кислорода).
При пересчете данных с кислорода на перманганат служит коэфициент 3,95.
Анализ сильно загрязненных вод производят в объеме 10 — 25 см3, разбавленных
до 100 см3 дестиллированной водой, свободной от органических веществ.
При содержании хлора выше 300 мг/л во избежание влияния последнего на ход
процесса (вытеснение хлора серной кислотой и обесцвечивание перманганата) испыты-
ваемую воду разбавляют дестиллированной водой.
В присутствии в воде солей закиси железа и сероводорода, восстанавливающих
перманганат, отдельную пробу воды титруют перманганатом на холоду и полученную
цифру вычитают из результатов анализа. Сероводород также можно удалить осаждением
азотнокислым кальцием.
6. X л о р и д ы С1 могут быть минерального и органического проис-
хождения. Определяются в виде хлор-иона.
Качественно — с азотнокислым серебром (5%) в присутствии нескольких капель
концентрированной азотной кислоты.
Количественно—по методу Мора, титрованием 100 см3 воды раствором азотнокислого
серебра, 1 см3 которого соответствует 1 мг хлора, при индикаторе хромовокислом калии
К2С гО4. Моментом окончания реакции служит переход зеленоватой окраски жидкости
в буроватый тон. Результат выражается в миллиграммах на литр.
Определение хлора нужно производить в прозрачной и бесцветной воде. При
наличии окраски воду встряхиваютс активированным углем или гидроокисью алюминия,
фильтруют и затем подвергают анализу.
При содержании щелочей (розовая окраска с фенолфталеином) воду предварительно
нейтрализуют раствором азотной кислоты до уничтожения розовой окраски.
Воды с большим содержанием хлора (выше 100 мг/л — солончаковые, котловые)
разбавляют в 5—10 раз дестиллированной водой.
7. Сульфаты 8О3 могут быть минерального и органического проис-
хождения. Сульфаты в виде солей кальция (гипс) обусловливают постоянную,
наиболее опасную жесткость воды. Сульфат натрия (глауберова соль) в
больших количествах (выше 200 мг/л по 8О3) влияет на желудок и кишеч-
ник человека.
Значительное содержание в воде сульфатов примерно выше 300 мг]л может
обусловливать разрушение бетона (Клют).
Качественно сульфаты определяются хлористым барием (5%) в присутствии несколь-
ких капель концентрированной соляной кислоты.
8. Аммиак МН3 может быть органического и минерального происхожде-
ния. Присутствие аммиака органического происхождения (белкового) является
одним из признаков загрязнения воды разлагающимися органическими вещест-
вами, содержащими азот. Попадая в воду, органические вещества под влиянием
микроорганизмов и кислорода подвергаются минерализации, причем первой ста-
дией разложения является аммиак, затем азотистая и, наконец, азотная кислоты.
Поэтому в естественной воде только в редких случаях находится какое-нибудь
одно из указанных веществ, а если это и бывает, то обыкновенно встречается азот-
ная кислота как продукт окончательной минерализации азотосодержащих ве-
ществ.
Наличие в воде аммиака свидетельствует о свежем загрязнении, азотистой
кислоты (нитритов) о недавнем, азотной (нитратов) — о бывшем загрязнении
органическими веществами.
Наличие аммиака минерального происхождения (солевой аммиак) в водах,
свободных от органических загрязнений, может обусловливаться процессом вос-
становления азотнокислых солей при взаимодействии их с гуминовыми вещест-
вами или с сернистыми соединениями.
Воды, содержащие аммиак органического происхождения, для питьевых це-
лей без предварительного обезвреживания не пригодны. В паровозных котлах
такие воды могут обусловливать вспенивание и разъедание медных частей.
ЫН3 определяется реактивом Несслера (бурая окраска) или по посинению красной
лакмусовой бумажки, опущенной в пары нагреваемой пробы.
9. Нитриты М2О3. Присутствие соединений азотистой кислоты в значи-
тельных количествах указывает на более или менее значительный и притом на-
чальный процесс минерализации беспрерывно поступающих в воду органи-
ческих веществ.
Нитриты являются крайне нестойким соединением. Наличие их заставляет
считать воду подозрительной в санитарном отношении, но при этом необходимо
учитывать, что и совершенно безупречные воды иногда содержат следы нитритов,
каковые появляются, так же как и солевой аммиак, за счет восстановитель-
ных процессов. Поэтому вопрос об их происхождении, так же как и аммиака,
следует решать по общему состоянию исследуемой воды.
Ы2О3 определяется реактивом Грисса (розовая окраска).
10. Нитраты Н2О5 могут быть минерального и органического происхо-
ждения. Являются конечным продуктом окисления азотосодержащих веществ.
При содержании в почве селитры содержание нитратов в воде за счет выщелачи-
вания может достигать 20 — 30 мг/л.
Определяются бруцином (розовая окраска) или дифениламином (синее окрашива-
ние); второй указывает одновременно и на присутствие нитритов, вследствие чего не яв-
ляется характерным реактивом.
11. Сероводород Н28 может быть и минерального и органического
происхождения. Содержащиеся в водах болотистого происхождения гуминовые
вещества и микроорганизмы могут восстанавливать сернокислые соли до серо-
водорода. Сероводород, образовавшийся при гниении органических белковых
веществ, всегда будет сопровождаться и другими показателями загрязнения; на-
личие его в подобных случаях служит признаком сильного загрязнения воды.
Сероводород ядовит.
Большинство металлов, а также известковые растворы и бетон разрушаются
сероводородом. Вода, содержащая сероводород, без предварительной обработки
для питьевых и технических целей не пригодна.
Присутствие сероводорода может быть определено по запаху и химическим
путем. Испытание необходимо производить на месте взятия пробы, так как при
пересылке пробы сероводород быстро теряется и количество его оказывается
уменьшенным. Эта потеря основана на летучести и легкой окисляемости серо-
водорода с выделением свободной серы (сопровождается помутнением воды).
Химическое определение производится при помощи свинцовой бумажки (фильтро-
вальная бумажка, пропитанная щелочным раствором уксуснокислого свинца и смоченная
дестиллированной водой), которая зажимается в горле бутылки или вставляется в от-
верстие стеклянной трубочки в пробке колбы, в которую налито 150—200 см3 исследуе-
мой воды, подкисленной 1—2 см3 концентрированной соляной кислоты. Колбу медленно
нагревают. Признаком наличия сероводорода служит побурение бумажки.
12. Кислород О2 встречается в каждой природной воде. Источниками
кислорода в воде являются атмосферный воздух и растения, населяющие водоем.
Содержание кислорода в воде подвержено значительным колебаниям, так как
кислород непрерывно расходуется на окисление органических веществ.
Чем грязнее вода, тем меньше она содержит кислорода.
Высокое содержание кислорода является одним из факторов увеличения
агрессивности водопроводной воды по отношению к железу, что особенно опасно
при мягких водах.
Растворимость кислорода, так же как и других газов, подчиняется закону
парциального давления Генри-Дальтона и зависит от температуры; с увеличением
последней растворимость газов уменьшается.
При определении кислорода особое внимание уделяют отбору пробы. Склянку
после прибавления реактивов (хлористого марганца и щелочного раствора иодистогб ка-
лия) хорошо закупоривают, взбалтывают и переносят в лабораторию, где и производится
анализ.
13. Углекислота СО2может встречаться в воде в следующих видах:
1) свободная углекислота, растворенная в воде в виде газа
(около 99%) и отчасти в соединении с водой (Н2СО3), состоящая из агрессивной
и равновесной;
2) м о-н ок а рбонатна я, или связанная, углекислота,
входящая в состав средних солей (СаСО3, М§СО3 и др.);
3)бикарбонатная углекислота, входящая в состав двуугле-
кислых солей Са(НСОз), М§(НСО3).
Растворимость свободной углекислоты в воде при различных температурах
(760 мм давления) приведена в табл. 5.
Таблица 5
1 ° мг/л СМ31Л 1 ° мг[А см3/л
0 1,008 0,51 25 0,435 0,22
5 0,830 0,42 30 0,395 0,20
10 0,711 0,36 40 0,316 0,16
15 0,593 0,30 50 0,257 0,13
20 0,514 0,26 60 0,217 0,11
Содержание углекислого газа в природных водах обычно выше теоретичес-
кого, так как помимо углекислоты воздуха они поглощают углекислоту, образую-
щуюся при разложении органических веществ.
Определение свободной углекислоты в воде (100 см3) производят титрованием ее
раствором 0,1 нормального едкого натра в присутствии индикатора фенолфталеина до по-
лучения ясной розовой окраски (не исчезающей в течение 3 мин.), одинаковой со стандар-
том, отвечающим по фенолфталеину рН =8,4.
1 см3 0,1 нормального едкого натра №ОН равняется 44мг/лСО2.
Бикарбонатная углекислота определяется титрованием 0,1 нормальной соляной ки-
слоты в объеме 100 см3 воды при индикаторе метилоранже.
1 см3 0,1 нормальной соляной кислоты НС1 равняется 4,4 мг/л СО±
Полусвязанная углекислота составляет половину бикарбонатной.
Агрессивная углекислота определяется расчетным путем по таблице Лемана и Ре-
уссу и экспериментально.
14. Же лез о Ре в природных водах встречается главным образом в виде
закисных солей, в форме бикарбонатов Ре(НСО3)2. Последние в открытом во-
доеме вследствие выделения свободной углекислоты под влиянием изменения
температуры и давления, с одной стороны, и под влиянием биохимических про-
цессов, протекающих в водоеме, с другой, — распадаются и подвергаются гидро-
лизу с образованием гидрата закиси железа Ре(ОН)2, который в дальнейшем
иод действием растворенного в воде кислорода окисляется в гидрат окиси железа
Ее(ОН)3, выпадающий в виде осадка — водной окиси бурого цвета.
Железо также может находиться в виде сернокислого и в соединении с орга-
ническими веществами.
Ничтожное количество железа (0,2 — 0,3 мг]л Ре) уже портит вкус, обус-
ловливает помутнение воды, выделение осадков и образование отложений в во-
допроводных трубах.
Железо определяется реактивом — роданистым аммонием, который прибавляется
после окисления закисного железа в окисное бертолетовой солью в присутствии кислоты.
В зависимости от количества железа появляется окраска от слаборозовой до ярко-
красной.
15. Жесткость воды зависит от присутствия магниевых и кальцие-
вых солей. Присутствие солей жесткости в гигиеническом отношении особого
значения не имеет. При использовании воды для хозяйственно-технических це-
лей жесткость является вредным свойством, обусловливая образование накипи,
перерасход мыла и пр.
Различают жесткости: общую, постоянную, или некарбонатную, и временную
(устранимую), или карбонатную. Общая жесткость (Жо) воды выражает содержа-
ние в воде всех солей кальция и магния, как то: сернокислых, хлористых, азотно-
кислых, фосфорнокислых, кремнекислых и двууглекислых.
Временной (Же), или карбонатной, называется жесткость, обусловленная
двууглекислыми солями (бикарбонатами) кальция и магния Са(НСО3)2 и
М§(НСО3)2, выпадающими при кипячении в открытом сосуде, т. е. при атмосфер-
ном давлении.
Постоянная (Жп), или некарбонатная, жесткость обусловливается всеми
остальными солями кальция и магния, которые удерживаются в воде после ее
кипячения в тех же условиях.
Жесткость воды выражается в градусах, имеющих в различных странах раз-
ное значение.
У нас жесткость воды выражается в немецких градусах; 1 нем. гр. соответ-
ствует содержанию в 1 л воды 0,01 г (10 мг) окиси кальция или 0,00719 г
(7,19 мг) окиси магния.
При вычислении жесткости содержание окиси магния делят на 7,19* или
умножают на 1.39** (округленно 1,4) и затем делят на 103.
Пересчет содержания кальциевых и магниевых солей в немецкие градусы
жесткости производится следующим образом: окиси кальция в 1 л 150 мг, окиси
магния — 40 мг, следовательно, жесткость воды в немецких градусах:
0,1 • 150 -ф 0,14 • 40 = 20,6°.
В практике обработки воды содержание некоторых химических соединений в воде
выражают в немецких градусах, которые получают путем простого пересчета, исходя из
эквивалентных весов; например, для едкого натра №ОН расчет следующий: эквивалент-
ный вес
56,07
СаО=—= 28,035; №ОН = 40,005
М§0-40,32-10
СаО-56,07
** 1,39=
СаО-56,07
М§0-40,32
Одной весовой единице СаО будет эквивалентно весовых единиц
40,005
КаОН - 28,035 “ 1’427'
1° = 10 мг СаО; отсюда 1° «= 10-1,427 = 14,27 лгМаОН. Аналогичным расчетом получены
данные, приведенные в табл. б.
Таблица 6
Количество некоторых веществ, соответствующих 1 нем. гр.
№ по пор. Наименование Химическое обозначение мг;л
1 Кальций ... Са 7,14
2 Окись кальция СаО 10,00
3 Гидрат окиси кальция Са(ОН), 13,21
4 Карбонат кальция СаСО3 17,84
5 Бикарбонат кальция Са(НСО,)2 28,91
6 Сульфат » Са8О4 24,28
7 Магний ме 4,33
8 Окись магния М8О 7,19
9 Гидрат окиси магния М8(ОН)г 10,40
10 Карбонат » м§со„ 15,03
11 Бикарбонат » М§(НСО3)„ 26,09
12 Сульфат » М§804 21,47
13 Едкий натр ИаОН 14,27
14 Карбонат натрия На2СО2 18,90
15 ИаНСО3 29,96
16 Сульфат алюминия » водный А1(8О4)з-18Н2О 39,61
17 » безводный А1(8О4)з 20,34
18 Сернокислое железо Ее8О4-7Н.,О 49,58
19 Тринатрийфосфат На3РО4-10Н2О 40,90
Жесткость воды определяют весовым и объемным способами (методы Варта-
Пфейфера, Бляхера, Кларка).
Определение временной (карбонатной) жесткости Ж„
100 см3 прозрачной исследуемой воды отмеривают пипеткой в коническую колбу,
прибавляют 2—3 капли раствора метилоранжа и приливают 0,1 нормальной соляной ки-
слоты до изменения золотисто-желтой окраски в оранжевую. Расход 0,1 нормальной со-
ляной кислоты, умноженный на 2,8*, выразит временную жесткость воды в немецких
градусах.
Примечание. В присутствии щелочей, железа и гуминовых веществ цифры времен-
ной жесткости получаются преувеличенными и иногда даже вы1пе общей жесткости.
В таких случаях надлежит вводить поправки: вычитая из расхода кислоты на каждый
миллиграмм железа Ре в 1 л воды 0,1° и полностью содержание гуматов, определен-
ных в пробе воды после титрования соляной кислотой.
В присутствии щелочей (окраска по фенолфталеину на холоду или чаще всего после
кипячения в течение 5—10 мин. от присутствия бикарбоната натрия) воду (100 см3) кипя-
тят в течение 1 часа при постоянном уровне, т. е. пополняя убыль дестиллированной
воды, быстро фильтруют, охлаждают, дополняют до 100 см3 дестиллированной водой
и титруют 0,1 нормальной соляной кислотой.
Расход кислоты после кипячения вычитают из общего количества кислоты до ки-
пячения или 100 см3 выпаривают в фарфоровой чашке досуха, слегка прокаливают (2—
3 мин.) для более полного перехода бикарбоната натрия в карбонат, растворяют в
дестиллированной воде, фильтруют и титруют 0,1 нормальной соляной кислотой с инди-
катором фенолфталеином. Количество куб. сантиметров кислоты удваивают и вычитают
из общего расхода кислоты до выпаривания.
Определение общей жесткости (Ж) по методу
Варт а-П р е й ф е р а
Принцип этого способа заключается в том, что щелочноземельные соли (каль-
ция и магния), обусловливающие жесткость воды, выделяются щелочной смесью, состоя-
* 1 см3 0,1 норм. НС1 эквивалентен 0,0028 г СаО или 2,8 мг; 1 нем. гр. в объеме
100 см3 соответствует 1 мг СаО. Отсюда 1 см3 норм. НС1 = 2,8 нем. гр.
Предполагаемая общая жесткость воды в нем. гр. Прибавка 0,1 нормальной щелочной смеси в см3
До 10 10
11-20 20
21—30 25
31—40 35
щей из едкого натра углекислого натрия, и прибавляемой в избытке к предварительно
нейтрализованной воде. По количеству вошедшей в реакцию щелочной смеси судят об
общей жесткости воды. 100 см3 нейтрализованной воды обычно после определения
карбонатной жесткости кипятят в течение 3 мин. и приливают в нее в соответствии с
предполагаемой жесткостью1 от 10 до 35 см3 щелочной смеси Прейфера (смесь равных
объемов 0,1 нормального
раствора едкого натра и
0,1 нормального раствора
углекислого натрия), после
чего жидкость вновь кипя-
тят в течение 3 — 5 мин.,
быстро охлаждают и сли-
вают в мерную колбу ем-
костью 200 см3. Колбу,
в которой производилось
кипячение, споласкивают
2—3 раза дестиллирован-
иой водой в ту же мер-
ную колбу, которую за-
тем дополняют до метки
дестиллированной водой. После этого содержимое колбы несколько раз энергично взбал-
тывают и фильтруют через сухой складчатый фильтр, отбрасывая первые порции филь-
трата (20—30 см3).
К 100 см3 фильтрата прибавляют 2—3 капли метилоранжа и приливают 0,1 нор-
мальной соляной кислоты до изменения золотисто-желтой окраски в оранжевую.
Обозначая количество прибавленной щелочной смеси через а и расход 0,1 нормаль-
ной кислоты при титровании фильтрата через Ь, вычисляют общую жесткость воды:
Жо = (а— 261) 2,8 нем. гр.
Воды с жесткостью, превышающей 40°, разбавляют дестиллированной водой.
§ 5. Бактериологический анализ
При оценке воды для хозяйственных и питьевых целей кроме физико-хими-
ческого анализа необходимы и данные бактериологического и биологического
исследований ее.
Целью бактериологического исследования являются:
1) определение числа находящихся вводе бактерий — количественный
анализ;
2) обнаружение присутствия болезнетворных бактерий (возбудителей
брюшного тифа, дезинтерии и пр.)—качественный анализ.
Первый заключается в определении общего количества бактерий, находя-
щихся в 1 см3, способных вырасти (размножиться) в колонии на определенной
питательной среде (желатине или агар-агаре) при определенной температуре (на
желатине при 20 — 23°, агаре — 37°) в течение определенного времени (на же-
латине 48 час., на агаре — 24 часа). Полученный результат может служить от-
носительным показателем развития бактериальной флоры в воде и, выходя из
обычного для данного источника количества, явится сигналом загрязнения по-
следнего.
Второй сводится к определению вида бактерий, находящихся в данной воде.
Ввиду затруднений, связанных с определением каждого вида бактерий в отдель-
ности, в обычном бактериологическом анализе ограничиваются определением
(условно) только одного вида кишечной палочки Ьас1епит соИ соттипе как
постоянного обитателя кишечника человека и животных, считая, что присут-
ствие в воде кишечной палочки может служить признаком недавнего загрязне-
ния фекальными отбросами, с которыми могли попасть в воду и болезнетвор-
ные бактерии.
При анализе на кишечную палочку определяют титр ее,, т. е. наименьшее
количество воды, в котором обнаружено присутствие кишечной палочки.
Обычно определения ведут в объеме 100; 10; 1; 0,1 см3 воды, причем чем
выше титр, т. е. чем больший объем воды, в котором находят кишечную палочку,
1 В зависимости от емкости мерной колбы, т. е. от производимого разбавления,
величину Ь уможают на соответствующее число; так, при работе с колбой емкостью 250 см3
на 2,5; 300 см3— на 3 и т. д.
тем чище вода. Титр кишечной палочки является решающим в санитарной
оценке качества воды.
В последнее время определяют также коли-индекс, т. е. число кишечных
палочек, заключенных в 1 л воды.
Отбор проб для бактериологического анализа должен быть произведен особо тща-
тельно и проинструктированным лицом.
Пробы воды отбирают в стерилизованную посуду с соблюдением всех предосторож-
ностей, требуемых техникой бактериологического анализа. Выемка проб с глубины про-
изводится специальными приборами, из которых наиболее простым является стерилизо-
ванная запаянная пробирка с оттянутым концом, внутри которой находится разрежен-
ный воздух. Если опустить пробирку в водоем на шесте и при помощи бечевки сломать
тонкий оттянутый конец, то пробирка моментально наполнится водой.
По извлечении пробирки из водоема сломанный конец запаивают на спиртовке, по-
мещают в стерилизованную банку и немедленно отправляют в бактериологическую лабо-
раторию Количество воды, заключающееся в пробирке, обычно достаточно для опреде-
ления числа колоний.
При определении титра кишечной палочки (коли-титр) и патогенных бактерий тре-
буется значительно большее количество воды. В первом случае нужно иметь не менее
250 см3, во втором — до 5 л.
В качестве посуды для взятия пробы применяют склянки с хорошо пригнанными
каучуковыми или стеклянными пробками. Предварительно до отбора пробы склянки
тщательно вымывают, закупоривают, перевязывают сверх пробки чистой белой бумагой
и стерилизуют нагреванием в течение 1—2 часов при температуре 150°. Пробки открывают
только перед наполнением водой и затем тотчас же закрывают, не касаясь руками горла
склянки.
Если стерилизация посуды производилась в индивидуальных пакетах, то склянки
хранятся в них до момента отбора проб.
При взятии проб воды из кранов, труб и т. п. концы их предварительно обжи-
гают пламенем паяльной лампы или спиртовой горелки после выпуска воды в тече-
ние 10—15 мин.
Отбор проб родниковых или поверхностных вод производится путем простого по-
гружения склянки, привязанной на веревке.
Промежуток времени от отбора до начала анализа должен быть возможно кратко-
временным, причем пробы следует сохранять во льду.
ГЛАВА II
НАКИПЕОБРАЗОВАНИЕ И КОРРОЗИЯ
§ 6. Накипь и ее свойства
Накипью, или котельным камнем, называют более или менее твердые
отложения, образующиеся при нагревании или кипячении воды в различных
условиях (при атмосферном и более высоких давлениях) (фиг. 247).
Подобные же отложения получаются при охлаждении нагреваемых по-
верхностей водой в холодильниках, конденсаторах и т. п.
Накипь обычно состоит из сульфата кальция (Са8О4— гипс), карбоната каль-
ция (СаСО3 — мел), гидрата окиси магния М§(ОН)2, основных магниевых солей
(пМ§(ОН),-гпМЗСОз, силикатов кальция и магния Са8Ю3, М§8103, окислов железа
Ее,О3, глинозема А12О3 и механических примесей органического и минерального проис-
хождения.
В зависимости от качества воды в накипи преобладают те или иные составляю-
щие, придающие ей различные свойства.
Явление накипеобразования представляет сложный физико-химический про-
цесс, сводящийся в основном к выделению солей из пересыщенных1 растворов
в твердом состоянии.
Все соли по их отношению к температуре могут быть разделены на две груп-
пы—на соли с положительным коэфициентом растворимости, т. е. растворимость
которых повышается с увеличением температуры воды (к этой группе относится
1 Пересыщенный раствор — раствор с большим содержанием вещества, нежели на-
сыщенный при той же температуре. При достижении такого состояния обычно происходит
выделение солей в осадок.
большая часть солей), и соли с отрицательным коэфициентом, т. е. растворимость
которых уменьшается с возрастанием температуры воды.
К первой группе относятся СаС12, М§С12, Са(МО3)2, М§(МО3)2
Ко второй » » Са8О4, Са8Ю3, М§8Ю3, СаСО3
Пересыщенный раствор каждой соли может быть достигнут или увеличением
концентрации (например в паровом котле при испарении воды) или изменением
температуры, причем для солей с отрицательной растворимостью с повышением
температуры, для солей с положительной растворимостью, наоборот, с пониже-
нием температуры.
Фиг. 247
Основные причины, обусловливающие выделение твердой фазы, следующие
1) термический распад хорошо растворимых бикарбонатов кальция и магния
с переходом их в малорастворимые соединения — карбонаты и гидраты:
Са (НСО3)2 = СаСО3* 4- СО2 + Н2О;
(НСО3)2 = М§СО3 4- СО2 4- Н2О;
М§СО3 + Н2О = М§(ОН)2 4-СО2;
2) реакция между отдельными солями в котле:
Са8О4-{- №28Ю3 = №28О4 4- Са8Ю3;
3) увеличение концентрации растворенных солей. При непрерывном испа-
рении воды концентрация солей будет постепенно увеличиваться и может достиг-
нуть предела растворимости при данной температуре, после чего соли будут вы-
деляться в осадок. Соли с большим коэфициентом растворимости в осадок не вы-
падают, так как соответствующие высокие концентрации в котлах практически
не достигаются;
4) изменение температуры. Соли с положительным коэфициентом раствори-
мости, как уже указано, выделяются в осадок при понижении температуры, с от-
рицательным, наоборот,—при повышении. Особый интерес при этом представляет
сульфат кальция, который в котле при температуре около 170° и выше и соответ-
ствующем давлении переходит в ангидрит, весьма мало растворимый в воде и
выпадающий в осадок.
* Подчеркнутое — осадок.
13 Водоснабжение
Выделяющиеся частицы накипеобразователей механически увлекают раз-
личные примеси, находящиеся в воде (например взвесь), осаждаются на горячей
металлической поверхности и одновременно прикипают к стенкам котла, образуя
слой накипи.
§ 7. Разновидности накипи
Различают следующие основные виды накипи:
1. Гипсовая (сульфатная) накипь с содержанием сернокислого кальция бо-
лее 50%. Накипь имеет вид твердого плотного камня, с трудом отделяемого от
металлической поверхности. Отлагается преимущественно на наиболее нагретых
местах.
Образование гипсовой накипи1 может происходить:
а) в результате непосредственного выделения кристаллов гипса в связи с от-
рицательным и к тому же незначительным коэфициентом растворимости гипса
(первичная форма);
б) в результате происходящего при некоторых условиях процесса схватыва-
ния гипса, содержащегося в шламе, состоящего в поглощении воды полугид-
ратной или ангидритной формой с выделением дигидрата (вторичная форма);
Фиг. 248
в) вследствие взаимодействия между сульфатами (например №,80.,), со-
держащимися в котловой воде, и шламом, состоящим из карбоната кальция, или
с кальциевыми солями остаточной жесткости котловой воды (третичная форма).
2. Силикатная (кремнекислая) накипь с содержанием кремнекислоты выше
20%. В состав этой накипи может входить и кремнекислое железо. Кремнекислая
накипь представляет твердые отложения, образующиеся на наиболее нагретых
местах вследствие малой теплопроводности, очень опасные для паровых котлов.
Работами Штумпера установлено, что кремнекислота в природных водах на-
ходится большей частью в молекулярном состоянии и, вступая в реакции с со-
лями кальция и магния, выпадает в котле в форме кальциевых и магниевых си-
ликатов. В некоторых случаях кремнекислота может также выделиться в форме
геля (студнеобразного осадка), который приводит к еще большим местным пере-
гревам, чем силикаты кальция и магния, и поэтому является более опасным.
3. Карбонатная накипь—характеризуется содержанием преимущественно
углекислого кальция не ниже 90%. Физическая структура этой накипи
весьма разнообразна, начиная от сравнительно рыхлых отложений и кончая
твердым котельным камнем (фиг. 248).
1 Сульфат кальция известен в трех различных модификациях, из которых каждая
является устойчивой лишь в определенных границах
Температура °С Модификация гипса
До 107° Дигидрат Са8О,-2Н„О
От 107° до 170- Полугидрат Са§Ог7'2Н.2О
Выше 170° Ангидрит СаЗО4
Форма осадка углекислого кальция определяется целым рядом различ-
ных факторов, как например, скоростью циркуляции воды в котле, интенсивно-
стью испарения и пр. Медленное испарение приводит к выделению углекис-
лого кальция в виде плотно осаждающегося котельного камня; наоборот,
интенсивный процесс обусловливает выделение рыхлых осадков.
4. Смешанная накипь — смесь карбонатов кальция и магния, гипса и сили-
катов; в зависимости от преобладания той или иной составной части может быть
тверже или мягче. Так, накипь с преобладанием гипса или силикатов очень
твердая, плотная; с преобладанием карбонатов — менее твердая, пористая.
5. Шлам — илообразные мягкие отложения накипеобразователей. Боль-
шей частью характеризуются высоким содержанием карбоната кальция и меха-
нических примесей. Образованию шлама способствует наличие в воде коллоидов
(например гуминовых веществ), щелочей, механических примесей, а также интен-
сивный процесс кипения.
Некоторое преимущество шламовидных отложений перед твердыми заклю-
чается в том, что они могут быть сравнительно легко удалены в процессе работы
котла при его продувках.
Однако в ряде случаев шлам является не менее опасным, нежели твердая
накипь, особенно тогда, когда он остается в котле на сильно нагретых металли-
ческих поверхностях.
Структура накипи в значительной степени зависит от условий, при которых
происходит рост отложений; так, быстрый рост благоприятствует образованию
крупных кристаллов; медленный рост большей частью обусловливает мелко-
кристаллическую структуру.
§ 8.
Влияние накипи на теплопередачу и металл котла
Наличие накипи вызывает следующие изменения в режиме парового котла:
а) уменьшение теплопередачи, что в свою очередь вызывает перерасход топ-
лива и перегрев металла со всеми вытекающими последствиями (образование вы-
пучин, прогары, пережог металла, трещины
топки, течь связей и труб);
б) нарушение нормальной циркуляции
воды вследствие местных скоплений накипи
или завалов.
На диаграмме фиг. 249 приведен пере-
расход топлива в зависимости от толщины
слоя накипи (по данным проф. Штумпера);
в литературе встречается и целый ряд дру-
гих данных.
Наибольшую опасность представляет на-
кипь, пропитанная маслом, а также сили-
катная.
Неравномерные отложения накипи обу- фнг- 249
словливают различную температуру сосед-
них участков, что в свою очередь вызывает разное напряжение металла и де-
формацию его с образованием трещин, прозоров и пр.
При температуре выше 500° составные части накипи могут подвергаться дис-
социации, продукты которой вызывают разрушение металла.
Наличие в накипи механических примесей минерального и органического
происхождения вследствие их низкой теплопроводности также обусловливает
перегрев и разрушение металла.
Таким образом, загрязнение котлов накипью и шламом обусловливает сни-
жение паропроизводительности котла и вызывает расстройство его; паровозы
чаще выходят из строя и дольше простаивают на промывках и ремонтах, межпро-
мывочный пробег сокращается, а это в свою очередь вызывает увеличение паро-
возного парка и эксплуатационных расходов.
§ 9. Коррозия металла
Коррозией называется разъедание металла вследствие химических или элект-
рохимических процессов.
Коррозии в большей или меньшей степени подвергаются паровозные котлы
и металлические части элементов водоснабжения.
Факторы, обусловливающие коррозию, весьма многочисленны. Главнейшие
из них следующие:
а) газы—кислород, углекислый газ, сероводород;
б) растворимые соли, из которых наиболее опасными являются хлориды;
в) минеральные и органические кислоты;
г) контакт разнородных металлов, например железа и меди;
д) совместное действие высокой температуры, паров воды и продуктов раз-
ложения накипи;
е) блуждающие электротоки.
А. ТЕОРИЯ КОРРОЗИИ
В основе современной теории коррозии лежит электрохимическая теория,
дополненная фильмовой теорией.
Согласно фильмовой теории поверхность железа в атмосферных условиях
покрыта слоем его окислов оксидной пленкой — фильмой.
Коррозия железа начинается в местах, где какие-либо
ОгопО
Фиг. 250
условия (физические или химические) нарушили целость
этой пленки.
В дальнейшем доминирующее значение приобретают
гальванические процессы, возникающие между незащищен-
ными и защищенными участками металла, приводящие к разру-
шению металла на анодах местных гальванических элементов.
Процессы эти могут возникать на поверхности металла так-
же благодаря его химической или физической неоднородности.
Неоднородность металла, вызванная такими явлениями,
как изгиб, удар, наклеп, обусловливает образование микроэле-
ментов и разрушение более деформированного участка (анода).
Явления гальванокоррозии помимо того проявляются во
всех случаях контакта разнородных металлов, находящихся
в водной среде, — в паровых котлах и пр. Так, например, при контакте мед-
ной топки со стальной связью в результате гальванопроцесса разрушается
Железо (фиг, 250).
Б. ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ В ВОДЕ НА ПРОЦЕССЫ КОРРОЗИИ
Даже в совершенно нейтральной воде с рН = 7 железо переходит в незначи-
тельном количестве в раствор, вытесняя ионы водорода, с образованием гидрата
закиси железа и водорода.
Реакция протекает по уравнению:
Ре-ф 2 (Н- + ОНО = Ре" + 2 (ОН)’ + 2Н = Ре (ОРГ)2 ф Н2.
С увеличением же количества водородных ионов за счет минеральных и ор-
ганических кислот (например гуминовых) коррозия металлов, как правило, уси-
ливается.
Кислород является одним из активнейших факторов, способствующих кор-
розии. Он окисляет образующийся при гальванопроцессе гидрат закиси железа
в не растворимый в воде гидрат окиси, обусловливая переход в раствор все новых
и новых порций железа, и этим способствует непрерывному течению процесса.
Кроме того, кислород служит деполяризатором, окисляя водород, выделяющийся
при коррозии на катоде, в воду, облегчая тем самым процесс дальнейшего выде-
ления водорода и увеличивая интенсивность коррозии.
Неравномерный доступ воздуха (кислорода) к металлу, по данным Астона и
Эванса, может обусловливать возникновение электрохимического процесса.
Кроме того, не исключена возможность самостоятельного окисления металла без
участия электрохимических сил.
Пузырьки воздуха, содержащие кислород, скопляются преимущественно
в местах ввода питательной воды в паровые котлы и охлаждающие системы или
в местах с наименьшей циркуляцией воды и наиболее прочно удерживаются на
шереховатой поверхности металла, обусловливая протравления различной ве-
личины. Кислород дает преимущественно очаги «точечной» коррозии в форме ра-
ковин, оспин, нередко приводящей к сквозным протравлениям металла.
Таким образом, все условия, способствующие притоку воздуха и влаги к ме-
таллу, тем самым способствуют его коррозии.
Углекислый газ, всегда сопутствующий кислороду, рассматривался большей
частью лишь как катализатор (ускоритель) процессов окисления; однако в по-
следнее время установлено, что
значительное количество углекис-
лоты в паровых котлах может обу-
словливать разъедание металла
даже в отсутствии кислорода, осо-
бенно при наличии в воде хлорис-
того натрия.
Кроме кислорода и углекис-
лоты в воде иногда присутствует
сероводород, который также раз-
рушает металл с образованием
сернистого железа.
Содержащиеся в воде раство-
ренные соли, обусловливая повы-
шение электропроводности воды,
способствуют в большей или мень-
шей степени протеканию электро-
химического процесса коррозии ме-
талла. Наиболее активными вслед-
ствие их специфической способ-
Фиг. 251
ности разрушать защитный слой — фильм являются хлористые соли и осо-
бенно хлористый магний, который в условиях работы парового котла сравни-
тельно легко подвергается гидролизу с образованием гидрата окиси магния и
соляной кислоты, разрушающе действующей на металл.
В. КАУСТИЧЕСКАЯ (ЩЕЛОЧНАЯ) ХРУПКОСТЬ МЕТАЛЛА
Под названием каустической хрупкости понимают такое перерождение ко-
тельного металла, которое происходит под влиянием высоких концентраций ед-
ких щелочей (примерно 350 г/л). Явление это может иметь место в заклепочных
швах, в соединениях листов и капиллярных пространствах. В результате обра-
зуются трещины1, разрывы по линиям заклепочных швов и пр. (фиг. 251).
Присутствие только одних щелочей не всегда обусловливает хрупкость ме-
талла: для этого необходимо некоторое перенапряжение металла. Высокое со-
держание щелочи может обусловливать также разъедание арматуры (бронзовые
части).
Г. ПОДЗЕМНАЯ КОРРОЗИЯ
Подземная коррозия происходит в основном вследствие наличия в почве раз-
личных примесей и действия блуждающих электротоков.
1 По данным американских исследователей, полученным в последнее время,
явления образования трещин обусловливаются главным образом наличием в воде сили-
катов в присутствии щелочей.
Влияние примесей в почве
Металлические трубы, зарытые в почву, приходят в соприкосновение с раст-
воренными солями, органическими и иными веществами, находящимися всегда
в большем или меньшем ко-
личестве в почве в зависи-
мости от характера почвы,
местного загрязнения (сточные
воды) и т. д.
Действие этих примесей1
различно, но большинство из
них в влажной среде обусловли-
вает образование в металле ме-
стных гальванических токов, а
следовательно и его разрушение.
Солончаковые почвы, содер-
жащие значительное количество
солей и особенно хлоридов,
очень вредны для металла вслед-
ствие высокой активности хло-
ридов и хорошей электропро-
водности. На фиг. 252 показана
коррозия труб в солончаковой
почве.
Наименее опасными с точки зрения коррозии являются песчаные почвы.
Д. КОРРОЗИЯ БЛУЖДАЮЩИМИ ТОКАМИ
Электрические железные дороги получают постоянный ток с центральной
станции через надземный провод; обратно же ток возвращается по рельсам. Так
как рельсы недостаточно изолированы от земли, то часть тока возвра-
щается к электростанции не по рельсам, а через землю. Такие токи назы-
ваются блуждающими. Плохая изоляция рельсов, большое сопротивление в
стыках и высокая электропроводность почвы способствуют увеличению блуж-
дающих токов.
Если вблизи рельсов расположены металлические подземные сооружения
(трубы), то блуждающие токи, выходя из рельсов, могут входить в эти металли-
ческие сооружения и, пройдя по ним некоторый отрезок пути, возвращаются в
рельсы. Так как металл, находящийся в почве, можно рассматривать как элек-
трод в некотором растворе электролита, то в том месте, где ток выходит из металли-
ческого проводника в землю, положительно заряженные ионы металла переходят
в электролит — землю, т. е. в этом месте происходит коррозия.
Коррозия этого типа преимущественно носит локальный (местный) характер
и проявляется в форме сквозных протравлений и язвин.
Явления, подобные описанному, могут иметь место и независимо от электри-
ческих железных дорог в районах с рудами. Последние, состоя преимущест-
венно из окислов и сульфидов металлов, благодаря целому ряду условий (окисли-
тельные процессы и пр.) могут образовывать природные гальванические элементы,
порождающие электротоки различной силы, которые могут быть столь же опас-
ными для металла, находящегося в почве, как и указанные блуждающие токи.
§ 10. Защита металла от коррозии
А. БОРЬБА С КОРРОЗИЕЙ ПАРОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК
Для борьбы с коррозией паросиловых установок применяют следующие меро-
приятия:
а) дегазацию питательной воды:
1 По данным Клута, наиболее неблагоприятна сырая суглинистая почва, содержа-
щая гипс. Не менее вредна болотная почва, содержащая гуминовые вещества и большое
количество свободной углекислоты. Почвы, содержащие шлак доменных печей, золу,
также вредны для металла вследствие наличия в них сернистых соединений.
6) пассивирование металла;
в) умягчение воды;
г) повышение коррозийной стойкости металла;
д) защиту протекторами.
Дегазация питательной воды
Дегазация, или освобождение, питательной воды от растворенных в ней
вредно действующих на металл газов осуществляется термическим, химическим
и механическим методами.
Термическая дегазация основана на уменьшении растворимости
газов с повышением температуры воды; заключается в нагревании воды в
специальных приборах, называемых дегазерами, деаэраторами, до температуры
98 — 99°, при которой удаляется значительная часть газов. Аналогичный эффект
может быть получен и при более низких температурах в вакууме.
В современных тепло-силовых установках у нас применяется преимуще-
ственно термическая дегазация.
Химическая дегазация основана на свойствах газов, содержа-
щихся в воде, вступать в химические реакции с некоторыми химическими веще-
ствами, в результате чего образуются безвредные соединения. Так, углекислый
газ удаляется (связывается) при помощи извести СО2 Д СаО = СаСО3. Для
удаления кислорода воду подвергают, например, обработке сульфитом №28О3.
Реакция протекает по уравнению:
2Ха28О3^ О2 = 2№28О4.
Этот метод применяют самостоятельно или после термической дегазации.
Сероводород удаляется при помощи аэрации.
Пассивирование металла
Пассивирование, т. е. утрата способности поверхности металла вступать
в химические реакции с солями воды и газами, достигается присадкой к котловой
воде веществ, способствующих повышению стойкости поверхностной оксидной
пленки (щелочи в определенной концентрации), или содействующих ее образо-
ванию (хроматы, фосфаты).
Для предотвращения каустической хрупкости служит добавка в котлы суль-
фата натрия №28О4.
Умягчение воды
Умягченная вода, содержащая некоторый избыток щелочи, может в изве-
стной мере служить защитой от коррозии.
Повышение коррозийной стойкости металла
Стойкость металла может быть увеличена присадкой других более коррозийно-
стойких металлов. Например, широкое применение в промышленности имеют
сплавы стали с хромом и никелем, известные под названием нержавеющих сталей.
Эти сплавы обладают высокой стойкостью не только против атмосферной корро-
зии, но даже и против коррозии от морской воды.
Защита протекторами
Этот вид защиты состоит в том, что к защищаемому агрегату прикрепляют
пластинки с более низким потенциалом в данной среде, нежели защищаемый ме-
талл, называемые протекторами. При этом протектор разрушается, а защищаемый
металл остается без изменения.
Способ этот применялся для защиты от коррозии, а также и от накипи паро-
вых котлов, причем в качестве протектора служили цинковые пластинки; в на-
стоящее время находит применение для защиты от коррозии конденсаторов и в су-
достроении.
Б. ЗАЩИТА ТРУБ ОТ КОРРОЗИИ
Защита труб от коррозии состоит обычно в нанесении на поверхности металла
изолирующего слоя.
Для трубопроводов, укладываемых в почву, наиболее действительным меро-
приятием могут служить покрытия нефтяным асфальтом и каменноугольным
пеком, наносимым в горячем состоянии, причем последний как более водоустой-
чивый рекомендуется для влажных почв, болот и т. п.
В США защита водопроводных труб от коррозии осуществляется следующим обра-
зом: тщательно очищенная поверхность сначала грунтуется раствором асфальта в газо-
лине (при нагревании), после чего на застывший слой наносится в расплавленном виде
асфальт последовательно двумя слоями (второй слой после застывания первого).
Вместо асфальта применяют также каменноугольный пек; в некоторых случаях
для защиты труб применяют цемент, асбестовый картон.
Коррозия блуждающими токами может быть значительно уменьшена при
улучшении контакта между рельсами.
§ И. Вспенивание и бурное вскипание (бросание) котловой воды
Под вспениванием воды в паровых котлах подразумевают свойство воды обра-
зовывать при парообразовании стойкую пену; под бросанием—неспокойное паро-
образование, кипение толчками и внезапное увлечение воды с паром.
Оба явления могут иметь место незави-
симо друг от друга, но могут происходить
и одновременно. Следствием того и другого
являются увеличение влажности пара и за-
грязнение его различными примесями, унос
воды с паром в паропроводы, в элементы
пароперегревателя, а в некоторых случаях
и заброс воды с шламом в цилиндры па-
ровой машины.
Частицы воды, попадающие в эле-
менты пароперегревателя, испаряются,
оставляя на их стенках выделяющиеся из
воды соли и механические примеси. Под
действием высокой температуры эти отло-
жения цементируются в весьма плотную
массу, нередко забивающую элементы
пароперегревателей. Отложения эти зна-
чительно ухудшают теплопередачу через стенки элементов, вследствие чего
понижается температура перегрева пара, а следовательно, и снижается мощность
котла и значительно перегревается металл, особенно быстро сгорают колпачки.
На фиг. 253 показаны перегоревшие элементы пароперегревателей. Помимо этого,
когда котловая вода пенится, уровень ее поднимается выше нормального, и пока-
зания водомерного стекла становятся неправильными. При закрытии регулятора
уровень ее быстро падает, что может в некоторых случаях вызвать оголение по-
толка топки и поджог его.
В паровых турбинах явление уноса может обусловливать отложения солей на
лопатках и даже разрушение их.
Анализ солевых отложений показывает, что в состав их входят преимуще-
ственно легко растворимые соли, как то: хлористый натрий, хлористый кальций,
углекислый натрий, едкий натр и сернокислый натрий.
Явления вспенивания и бросания воды объясняют наличием двух основных
факторов: физических и физико-химических.
К физическим факторам, обусловливающим главным образом бросание воды,
относятся недостаточное паровое пространство, сложность его устройства, нали-
чие большого количества связей и т. д. Явления эти усиливаются при передвиже-
нии масс воды вследствие изменения положения самого котла, как, например,
в паровозах и пароходах. Внезапное попадание механических примесей с пита-
тельной водой, изменение нагрузки котла, неосторожное открытие регулятора,
высокая концентрация солей в воде и наличие масла — все это также может слу-
жить причиной бросания воды.
К физико-химическим факторам, обусловливающим преимущественно вспе-
нивание, следует отнести наличие определенной концентрации различных раство-
ренныхсолей Г4аС1, Йа28О4, Ма^Од и оснований ИаОН при одновременном присут-
ствии мелко раздробленных частиц (шлам, коллоиды). Согласно данным Штумпера
и Нейхауза, наиболее опасным размером частиц как органических, так и мине-
ральных является 0,1 —0,3 микрона.
Опыт показывает, что в процессе пенообразования существенное значение
имеют поверхностное натяжение и вязкость жидкости: чем меньше поверхностное
натяжение и чем больше вязкость, тем пена более стабильна.
Всякая котловая вода представляет более или менее концентрированный
раствор минеральных солей, оснований и органических примесей, что создает не-
обходимые условия для вспенивания. При этом наибольшее значение имеют орга-
нические вещества потому, что они преимущественно сосредоточиваются у зер-
кала испарения и уменьшают поверхностное натяжение, а также потому, что они
главным образом встречаются в коллоидальном состоянии, обеспечивающем пене
наибольшую стабильность. Аналогичный эффект могут оказывать и минеральные
примеси, например коллоидальная глинистая известь, шлам и пр., встречающиеся
в каждой котловой воде.
Если котел вначале питать жесткой водой до тех пор, пока образуется накипь,
азатем химически умягченной, то вследствие отставания и разрушения образовав-
шейся накипи вода начнет сильно пениться.
Некоторые масла и жиры являются наиболее опасными пенообразователями,
так как, уменьшая величину поверхностного натяжения, они являются хоро-
шими стабилизаторами пены вследствие своей вязкости.
Активная роль едких щелочей в пенообразовании, по данным Штумпера,
объясняется, с одной стороны, тем, что они задерживают рост выделяющихся ча-
стиц накипеобразователей в котле в фазе, наиболее опасной для вспенивания,
а с другой, переводят (разлагают) грубые органические примеси в коллоидаль-
ные продукты расщепления.
Явления вспенивания и уноса котловых вод на жел.-дор. транспорте довольно
распространены и обычно имеют место в районах с естественными щелочными во-
дами, при смене питания с жесткой воды на мягкую—щелочную, при чрезмерно
высоких добавках антинакипина и при неудовлетворительных продувках котлов.
Вспенивание наблюдается также при питании котлов недостаточно осветленной
умягченной водой.
Основные мероприятия борьбы с вспениванием и бурным вскипанием должны
быть в первую очередь направлены к улучшению качества питательных (отсут-
ствие взвеси и органических веществ) и котловых вод, к устранению конструк-
тивных недостатков котлов и к их правильной эксплуатации.
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ
ОБРАБОТКА И СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
ГЛАВА I
КОАГУЛЯЦИЯ, СМЕШИВАНИЕ И ХЛОПЬЕОБРАЗОВАНИЕ
§ 1. Схема технологического процесса обработки воды
Схема движения воды по сооружениям
Правильное решение вопросов, связанных с обработкой воды, и выбор схемы
обработки требуют предварительного изучения свойств сырой воды и уточнения
требований к качеству обработанной воды.
Процессы обработки питьевой воды, наиболее часто встречающиеся:
1) отстаивание (удаление грубой взвеси);
2) отстаивание с коагуляцией (удаление взвеси, частичное освобождение от
бактерий, обесцвечивание);
3) фильтрация (удаление мельчайшей взвеси, задержка значительного коли-
чества бактерий);
4) дезинфекция (окончательное устранение бактерий).
Процессы, встречающиеся реже:
1) устранение привкусов и запахов;
2) умягчение;
3) опреснение;
4) дегазация (устранение СО2 и др.);
5) обезжелезивание;
6) аэрация (насыщение кислородом);
7) карбонизация (насыщение углекислотой).
Процессы обработки технической воды, наиболее часто встречающиеся:
1) задержка крупных фракций (камыш, трава и пр.);
2) отстаивание;
3) отстаивание с коагуляцией;
4) фильтрация;
5) умягчение (удаление солей жесткости).
Процессы, встречающиеся реже;
1) обезжелезивание;
2) дегазация;
3) опреснение (удаление всех солей);
4) карбонизация (при умягчении с избытком извести)1.
Нагревание и охлаждение воды также являются процессами ее обработки.
Тип и характер сооружений для обработки зависят от. намеченной схемы
процессов обработки воды в данных местных условиях, обычно представляю-
щей собой комбинацию из перечисленных выше процессов. Способ обработки
воды, предназначенной для хозяйственно-питьевых нужд, должен быть согласо-
ван с органами санитарного надзора.
Вопросы, излагаемые далее, касаются обработки питьевых вод и за некото-
рым исключением обработки воды для технических нужд. Вода, предназначен-
ная для питания паровозов, не должна содержать в себе веществ, вредно влияю-
1 Термин «карбонизация» нам кажется здесь более приемлемым, чем часто приме-
няемый в этих случаях «рекарбонизация».
щих на котлы и арматуру. В этом смысле вода, идущая для питания паровозов
серий СО, Э и менее мощных, при длительном содержании взвешенных веществ
в количестве 400 мг/л и выше должна подвергаться отстаиванию. Для паровозов
серии ФД и более мощных вода должна подвер-
гаться отстаиванию при содержании в ней 200 мг/л
взвешенных веществ. К воде, предназначенной для
охлаждения ртутных выпрямителей, предъявляется
более повышенное требование—длительное содержа-
ние взвешенных веществ не свыше 100 мг/л, в про-
тивном случае необходимо отстаивание.
Приведенные нормативные данные указаны
в проекте Технических условий проектирования
железных дорог нормальной колеи 1938 г. Эти дан-
ные следует рассматривать лишь как ориентировоч-
ные, так как в целом ряде случаев отстаивание необ-
ходимо и при меньшем содержании взвешенных ве-
ществ.
Под длительным содержанием взвешенных ве-
ществ надо понимать содержание определенного ко-
личества их по крайней мере в течение нескольких
дней.
В ряде случаев при повышенном содержании
взвешенных веществ и при наличии трудно осаждае-
мой взвеси может быть целесообразным отстаива-
ние и фильтрация воды.
Конструкции отдельных сооружений станции
обработки воды проектируются в соответствии с при-
нятой схемой технологического процесса, существую-
щими типами этих сооружений и с учетом местных
условий. Взаимная увязка сооружений дается в вы-
сотной схеме. На фиг. 254 представлена высотная схе-
ма одной из станций обработки воды с указанием
отметок сооружений и отметок воды в отдельных
сооружениях.
Отметки уточняются в результате составления
проекта и проведения соответствующих расчетов, но
они должны и могут быть примерно показаны пред-
варительно до составления проекта на основании
следующих соображений: отметка наивысшего уровня
воды в резервуаре 'принимается близкой к отметке
земли в месте его расположения. Эта отметка может
быть принята и несколько большей, если этого тре-
буют местные условия.
Обычно потери напора от фильтров до резервуа-
ра выражаются величиной 0,5 — 0,6 м, в самих
фильтрах (загрязненных) — примерно 3—3,25 м, на
пути из отстойников на фильтры — до 0, 2 м, смеси-
теле (в зависимости от его конструкции) и на пути
к камере реакции — 0,5 — 0,6 шив камере реакции
(в зависимости от конструкции ее) — 0,2 —- 0,4 м.
Наметив состав и вид сооружений и некоторые
характерные отметки воды, определяют отметки дна
резервуара, фильтров и др. сооружений, отметки
заложения спускных труб, канализации, определяют величину заглубления
сооружений, необходимость подсыпки и т. д. Таким образом, высотная схема,
или схема движения воды по сооружениям, является крайне важным началь-
ным элементом проектирования. Одновременно необходима и увязка сооруже-
ний в плане, как это показано на фиг. 255.
Фиг. 255
§ 2. Коагуляция
Осаждение взвешенных вводе частиц зависит от ряда факторов и главным об-
разом от крупности этих частиц. Табл. 1 характеризует примерные скорости осаж-
дения шарообразных частиц различной величины в воде, находящейся в покое.
Таблица 1
Диаметр зерен в мм Название и характер взвеси Скорость осаж- дения в мм 1 сек Время, не- обходимое для осаж- дения на 0,3 м Примечания
10 1 Гравий . . Крупный песок 1 000 100 0,3 сек. 3,0 » По опытам Газе-
0,1 Мелкий песок 8 38,0 » на
0,01 0,001 0,0001 0,00001 Ил, глина Бактерии, глина . . . . Самые мелкие частицы глины Коллоидные частицы . . 0,154 0,00154 0,0000154 0,000000154 33,0 мин. 55 час. 230 дней 63 года По формуле Уай- лея
Из табл. 1 следует, что очень мелкие частицы (особенно гуминовые вещества,
находящиеся в воде в коллоидальном состоянии) в обычных отстойниках с незна-
чительной скоростью движения в них воды не осядут, если не будет применена
специальная обработка воды.
Когда естественное осаждение мелких частиц и коллоидов, обусловливающих
мутность, а иногда и цвет воды, не может дать удовлетворительных результатов,
для ускорения осаждения применяются химические вещества—коагулянты, даю-
щие в воде хлопьевидные образования.
Отстаивание (без химической обработки) и медленная фильтрация, при кото-
рой задержка очень мелкой взвеси и коллоидов происходит на поверхности
фильтров, уступили свое место отстаиванию с химической обработкой отстаивае-
мой воды с предварительной коагуляцией и скорой фильтрации.
Коагуляцией называется процесс свертывания вещества, находящегося
в коллоидальном состоянии.
Содержащиеся в природных водах коллоидальные частицы глины, кремне-
кислоты, гуминовых веществ и др. несут на себе одноименные заряды электриче-
ства и поэтому, взаимно отталкиваясь, держатся во взвешенном состоянии. В ча-
стности частицы глины и кремнекислоты заряжены отрицательно. Осаждение их
возможно после уничтожения их зарядов, что достигается практически при взаимо-
действии противоположно заряженными коллоидными частицами коагулянта.
Образующиеся хлопья коагулянта захватывают мельчайшую муть, органиче-
ские вещества и бактерии и адсорбируют вещества, придающие воде окраску.
Лучшими коагулянтами являются соли многовалентных металлов алю-
миния и железа, сульфат алюминия А12(8О4)3-18Н2О, называемый сернокис-
лым глиноземом, и сульфат железа Ре8О4-7Н2О (сернокислая закись железа),
называемый железным купоросом.
Сульфат алюминия обыкновенно можно употреблять в качестве коагулянта
без добавки других химических веществ (исключение составляет коагуляция
очень мягких вод, когда необходимо введение извести); сульфат железа требует
обязательного употребления извести с тем, чтобы в обрабатываемой воде не оста-
валось растворимого железа.
Принципиально реакция распада глинозема могла бы быть представлена
следующим образом:
А12 (8О4)з + 6Н2О -> 2А1 (ОН)3 + ЗН28О4.
Но коагулянт при введении в воду вступает в реакцию с бикарбонатами
кальция и магния, постоянно находящимися в воде в большем или меньшем
количестве. Реакция может быть представлена в следующем виде:
А12 (8О4)з + ЗСа (НСО3)2 = ЗСа8О4 + А12 (ОН)6 + 6СО2
А12 (8О4)3 + ЗМд (НСО3)2 = ЗМд8О4 + А12 (ОН)6 + 6СО2
(бикарбонаты кальция и магния нейтрализуют серную кислоту, при этом
выделяется углекислота).
Коллоидальная гидроокись алюминия переходит в водную окись
А12(ОН)в = А12О3-ЗН2О,
выпадающую в виде хлопьев. Коллоидные частицы гидрата окиси алюминия, за-
ряженные положительно, нейтрализуют отрицательные заряды гуминовых ве-
ществ и пр., обусловливая тем самым выделение их в осадок. При движении хлопья
объединяются и механически увлекают за собой частицы взвеси и бактерии.
При недостаточной щелочности воды реакция образования гидроокиси не идет
полностью. При избыточной щелочности возможно образование растворимых
алюминатов, т. е. часть необходимой гидроокиси алюминия не будет исполь-
зована.
При использовании в качестве коагулянта Ре8О4 идет реакция с образо-
ванием Ре2(ОН)6; последнее переходит в хлопья водной окиси железа слабо-
коричневого цвета
Ре^ОН^ = Ре2О3-ЗН2О.
Как это следует из реакции, коагуляция ведет к некоторому увеличению по-
стоянной жесткости.
В СССР до сих пор применяется почти исключительно сернокислый глинозем,
в последнее время в отдельных случаях рекомендуется и совместное с ним приме-
нение извести.
На подавляющем большинстве станций США применяется сернокислый гли-
нозем и лишь на небольшом количестве станций — железный купорос, оказав-
шийся более дешевым.
Железный купорос требует добавления и дозирования извести и мало
применим к болотным водам с гуминовыми веществами. Железо с гуминовыми
веществами дает сложные соединения (часто темнобурого цвета). Гуминовые
соединения образуют с гидратом глинозема нерастворимые выпадающие в
осадок лаки; при наличии в мягких водах гуминовых веществ явления коагу-
ляции могут иметь место и при недостаточной щелочности.
1 г продажного сернокислого глинозема А1,(8О,)3 + 18Н,О:
а) образует при коагулировании 0,234 г гидроокиси алюминия А1„(ОН)е, содержащей
0,153 г безводной окиси алюминия, занимающей объем вместе с коллоидально удержи-
ваемой водой свыше 5 см2 (по опытным данным Рублевской станции за 1932 г. 1 г коа-
гулянта приводил к образованию около 30 см2 осадков);
б) переводит в 1 м3 воды 0,025 нем. гр. жесткости из временной в постоянную;
в) увеличивает на 0,36 мг содержание серного ангидрида. Неочищенный глинозем
приводит к несколько иным результатам.
За границей как коагулянт применяют еще алюминат натрия и известь.
Сернокислый глинозем обычно получается на заводах обработкой серной
кислотой бокситов, каолина и белых глин, обжигаемых при высоких температу-
рах, размельчаемых и смешиваемых с серной кислотой.
Различают глинозем неочищенный, очищенный или рафинированный, и мут-
товский (изготовляется по особому способу Мутта).
Примерный состав глинозема:
Окись алюминия А1,О3 около 15%
Серный ангидрид 8О3 » 35'о
Окись железа и другие примеси » 1%
Вода » 49%
Свободная кислота не выше 0,1%
Удельный вес около 1,6
Очищенный продажный глинозем светлый, серовато-зеленоватый и имеет со-
став, несколько отличающийся от приведенного, а неочищенный отличается более
значительно вследствие большого содержания нерастворимых примесей; послед-
ний имеет вид ноздреватых кусков серого цвета.
Муттовский глинозем содержит в среднем А12(8О4)3 лишь 33 — 35%.
Нормальное отношение А12О3 к 8О3 равно примерно 0,42. Увеличение в глиноземе
8О3 и уменьшение А13О3 (глинозем более кислый) нежелательно, так как это ухуд-
шает хлопьаэбразование. Особенно вреден такой кислый глинозем во время па-
водков при мягкой воде и воде, имеющей малую вр.менную жесткость,так как
нейтрализация требует большего количества двууглекислых солей; последних
может нехватить для реакции с А12(8О4)3, и коагулирование окажется неудовлет-
ворительным.
В США в последнее время в некоторых случаях к коагулянту добавляют силикат
«атрия, в’ результате чего имели место ускорение процесса коагуляции и увеличение
оазмеров и прочности хлопьев коагулянта. Имеются указания об экономии в этих слу-
чаях коагулянта, о возможности использования более крупного фильтрующего материала
и получения при этом вполне удовлетворительного фильтрата, даже при повышенных
скоростях фильтрации.
Процесс коагуляции должен протекать в таких условиях, чтобы обеспечить
минимальную затрату коагулянта и быстрое и хорошее хлопьеобразование с тем,
чтобы основная масса хлопьев успела выпасть в отстойнике и не выносилась на
фильтр.
Условия коагулироания воды не могут быть одинаковыми для всех вод и для
всех периодов года. Оптимальные условия коагулирования в каждом отдельном
случае устанавливаются в результате специальных исследований. Мягкие воды,
содержащие гуминовые вещества, могут представить в этом смысле особые труд-
ности. Вообще же на процесс коагуляции влияет: а) температура воды, б) солевой
состав, в) содержание органических веществ, г) рН воды, д) содержание и ха-
рактер взвешенных веществ в воде, е) характер и продолжительность перемеши-
вания, ж) доза коагулянта.
Влияние температуры воды на процесс коагу-
ляции и некоторые дополнительные процессы при
низких температурах. Низкая температура обусловливает медлен-
ное и плохое хлопьеобразование, особенно при мало минерализованных водах;
образующиеся хлопья часто очень мелки, в незначительной степени задержи-
ваются в отстойнике, попадают в фильтры, ухудшают их работу и в мелкоколлои-
дальном состоянии попадают даже в резервуары с обработанной водой.
При искусственном замутнении воды время образования хлопьев коагулянта
и крупность хлопьев могут иногда резко изменяться и весь процесс значительно
улучщаться. При низкой температуре в отдельных случаях эго может привести
к лучшему осаждению. Искусственное замутнение воды создает, невидимому,
большее количество центров образования хлопьев.
Улучшение процесса коагуляции при низких температурах имеет место при
введении вводу СаО. В этомслучае процесс может итти лучше, чем при замутнен-
ной воде, но при этом вследствие увеличения щелочности может увеличиться по-
требная доза коагулянта.
К искусственному замутнению, воды прибегают редко, к прибавлению изве-
сти — чаще, однако, как указано, первый способ может дать эффект при меньших
дозах коагулянта.
Влияние солевого состава воды и п о д щ е л а ч и в а-
п и е. Реакция коагулирования обычно требует определенного содержания бикар-
бонатов, т. е. временной жесткости в воде. При мягких водах для получения
удовлетворительных хлопьев к воде часто прибавляют известь или соду, в про-
тивном случае хлопья коагулянта плохо образуются.
Процесс прибавления извести или соды носит название подщелачи-
вания.
А13 (8О4)3 + ЗСа (ОН)2 = А13 (ОН)в + ЗСа8О4;
А1, (8О4)з + 3№а3СО3 + ЗН2О = А12 (ОН)5 + 3№,8О4 + ЗСО2.
Помимо дефицитности соды прибавление извести более желательно,
потому что не приводит к образованию в воде СО,, удаление которой может
еще усложнить схему обработки воды. Однако растворение соды проще,
поэтому проще и обслуживание. На 1 мг!л сухого безводного А13(8О4)3 не-
обходима щелочность в 0,05°. Если максимальная доза безводного коагулянта,
вводимая например при обработке речной воды в начале весны (при наиболее
мягкой воде), равна а мг)л, то количество градусов временной жесткости, необ-
ходимых для реакции, равно 0,05 а, если же считать необходимым для обеспе-
чения реакции избыточную жесткость порядка 2°, то количество градусов вре-
менной жесткости должно быть равно 0,05л ф- Т.
Если временная жесткость равна//{,; °, то подщелачивание необходимо на
(0,05л ф 2° — Ж, °).
Подщелачивание дает возможность несколько увеличить действующую доз}7
коагулянта и получить дополнительную гидроокись. В тех случаях, когда коагу-
ляция более жестких вод при низких температурах идет вяло, применяют также
подщелачивание воды.
В профильтрованной воде обычно не должно уже содержаться гидроокиси
алюминия, которая в состоянии высокой дисперсности могла бы пройти через
фильтр; при нормальной работе фильтра опалесце ция не должна появляться.
При обработке мягких вод болотистого происхо кдения и притом с незначительным
содержанием взвешенных веществ некоторое содержание гидроокиси алюминия
в профильтрованной воде почти все! да имеет место, но при обработке более же-
стких вод и при наличии в этих водах достаточных количеств бикарбонатной ще-
лочности, содержания гидроокиси алюминия в профильтрованной воде при пра-
вильной постановке процесса не должно быть. В этом смысле дополнительные опре-
деления в фильтрованной воде алюминия позволяют окончательно судить и о ка-
честве воды и о работе сооружений.
Органические вещества в воде, характеризуемые окисля-
емостью, влияют на процессы коагуляции и увеличивают потребную дозу
коагулянта.
Концентрация ионов водорода рН, как уже указы-
валось, является показателем степени щелочности или кислотности воды.
Имеются частные значения рН, так называемые наилучшие или оптимальные
для разных вод, примерно указывающие, когда осаждение определенного коагу-
лянта в воде происходит наилучшим образом; для некоторых вод наилучшее рН
для коагуляции отличается от рН необработанной воды, что имеет большое значе-
ние для правильности коагулирования. При коагуляции необходимо вести опре-
деления рН и хотя бы частично на этих определениях базироваться в увязке
с опытным коагулированием.
Подщелачивание приводит часто к наиболее благоприятному для данного
случая рН, это приводит в свою очередь к лучшему хлопьеобразованию. Обычно
доза извести, при которой имеют место хорошее хлопьеобразование и осаждение,
должна быть указана лабораторией в результате соответствующих исследований.
Для воды р. Невы процесс коагуляции протекает наиболее эффективно при
рН = б,б. При этом происходит почти полное выделение гидроокиси алюминия
(остаточный алюминий — сотые доли миллиграмма на литр).
При применении сульфата железа получается осадок водной окиси железа,
очень похожий на осадок, получаемый при применении сульфата алюминия. При
применении сульфата железа необходимо, чтобы щелочность воды соответствовала
величине рНвыше чем 8,5; в этом случае получается достаточно быстрое осажде-
ние хлопьев, так что, грубо говоря, почти во всех случаях при употреблении суль-
фата алюминия можно получить при обработке воды хорошее осаждение, если вели-
чина рН колеблется от б до 8, то же при применении сульфата железа, если рН
колеблется от 8,5 до 10,5.
Опыт обесцвечивания сильно окрашенных вод показал, что наилучшая коа-
гуляция при употреблении глинозема имеет место при величине рН несколько
ниже б.
Содержание взвешенных веществ в воде. Воды с боль-
шой мутностью требуют больших доз коагулянта; коагуляция затруднена при сла-
бой минерализованное™ воды и относительно высокой ее прозрачное™. В США
в таких случаях искусственно замутняют воду, обычно глиной, а в некоторых
случаях осадками из отстойника. Повидимому, такое искусственное замутнение
приводит к созданию в воде центров образования хлопьев, что способствует улуч-
шению процесса хлопьеобразования.
Влияние на процесс коагуляции характера и
продолжительности перемешивания. При перемешивани воды
после введения в нее коагулянта, хлопьеобразование идет лучше и значительно бы-
стрее, важно лишь, чтобы при этом хлопья не разрушались. Отдельные исследо-
ватели указывают, что при достаточном перемешивании имеет место и экономия
коагулянта. Причину положительного влияния перемешивания на эффект осаж-
дения следует искать в том, что при перемешивании облегчается объединение
и укрупнение хлопьев, а следовательно растет и скорость осаждения.
Промежуток времени для перемешивания не может быть указан для всех вод
и различных температур, но в каждом отдельном случае существует свой оптимум
времени перемешивания. Здесь понимается не только пребывание воды в смеси-
телях, но и в камерах образования хлопьев.
Опыты с водой р. Невы показали достаточность перемешивания в течение
3 мин. при высокой температуре воды (летом) и примерно 10 — 15 мин. при низ-
208
кой температуре (зима, начало весны). Теми же опытами установлено, что при под-
щелачивании воды при высокой температуре длительность перемешивания почти
не оказывает влияния на хлопьеобразовапие и процесс осаждения, а при низкой—
наоборот. Таким образом, длительность перемешивания зависит от температуры
воды и ее свойств.
Время, необходимое для перемешивания, должно устанавливаться в каждом
отдельном случае соответствующими исследованиями.
Доза коагулянта. Величина хлопьев коагулянта должна быть
достаточной, примерно 0,5 — 0,6 мм. Нормальные укрупненные хлопья хо-
рошо адсорбируют взвесь и гуматы, придающие воде окраску, осаждаются с боль-
шей скоростью и почти не выносятся на фильтры.
Доза коагулянта должна быть такой, чтобы при данных условиях было обес-
печено образование относительно крупных хлопьев. Эта доза может быть найдена
лабораторным путем.
Для ориентировки в табл. 2 и 3 приводятся дозы из практики московского
водопровода в зависимости от прозрачности воды, и некоторых водопроводов США
в зависимости от мутности воды, характеризующей содержание в ней взвешенных
веществ.
Таблица 2
Прозрачность воды р. Мос- ква в см Сульфата алюминия (продажно1о) в мг;л Примечание
Меньше 10 150 Доза безводного гли-
10—15 120 нозема примерно вдвое
15—25 100 меньше
25—50 80
50-75 60
75 -100 40
Больше 100 20 Таблица 3
Мутность воды в мг л Сульфата алюминия (продажного) в мг>л Примеча ние
10 5 Доза безводного гли-
25 20 нозема примерно вдвое
50 30 меньше
75 35
100 40
125 45
150 50
175 55
200 65
300 80
400 100
Между прозрачностью, дающей лишь относительное представление о возмож-
ном содержании в воде взвешенных веществ, и мутностью, определяемой по аме-
риканской шкале путем сравнения данного образца воды с образцами воды, замут-
ненной тончайшим порошком кремнезема 8Ю2 (мутность в этих образцах указы-
вает количество 8Ю2 в миллиграммах на литр воды), есть связь.
Сравнение ряда данных приводит к выводу о необходимости снижения доз
коагулянта на наших установках; в США средний расход коагулянта на 1 м3 обра-
14 Водоснабжение
209
батываемой воды обычно меньше; возможно, что здесь имеет значение качество
коагулянта.
В результате прибавления в ряд цилиндров с водой различных доз коагулянта,
тщательного перемешивания и дальнейшего наблюдения за хлопьеобразованием
определяется оптимальная или приемлемая доза коагулянта (получение хороших
хлопьев в течение 40 — 50 мин.).
Для средней полосы Союза (севернее Ростова — Астрахани — Семипалатин-
ска) максимальную дозу (продажного глинозема) ориентировочно можно прини-
мать в 150 мг/л, для северной полосы (севернее Ярославля—Казани—Свердлов-
ска) — около 120 мг/л и для южной — около 180 мг/л. При расчете по безводному
реагенту принимаются дозы вдвое меньшие.
На величину дозы оказывает влияние и качество глинозема. Обычно в послед-
нем свободной Н28О4 бывает гораздо более 0,1%. Это ведет к снижению рН и ино-
гда к ухудшению процессов хлопьеобразования. При наличии кислого глино-
зема целесообразно к воде прибавить известь (коагулирование с подщелачи-
ванием), нейтрализующую свободную Н28О4. Как это следует из изложенного,
известь является весьма важным фактором при коагуляции сернокислым глино-
земом, в ряде случаев улучшающим процесс коагуляции.
§ 3. Сооружения для коагулирования воды. Дозирование коагулянта
К сооружениям и устройствам для коагулирования воды и дозирования коа-
гулянта относятся:
а) здание коагуляции;
б) баки для приготовления растворов сернокислого глинозема и известкового
молока;
в) бачки для дозирования;
г) различные дозирующие устройства;
д) трубопроводы, насосы и пр.
Сюда же относятся и склады для хранения коагулянта и извести.
Проектированию утройств для коагулирования и известкования предше-
ствует решение следующих вопросов.
1. Способ дозирования. Существует два способа дозирования:
мокрый, при котором приготовляются растворы коагулянта и далее они же и до-
зируются, и сухой, при котором коагулянт соответственным образом измельчается
и далее дозируется. Ниже описываются оба способа.
2. Место ввода растворов (или сухого) коагулянта.
Как правило, растворы коагулянта вводятся в смеситель или в трубу перед от-
стойником, если она заменяет смеситель. В периоды, когда вода прозрачна, коа-
гулянт может вводиться в воду, выходящую из отстойника, для образования на
фильтре пленки. Иногда при большом количестве крупной взвеси и при достаточ-
ной емкости отстойника целесообразно коагулянт вводить во вторую половину от-
стойника (I оризонтальнсго). Хотя это и усложняет оборудование, но зато может
дать экономию коагулянта. В некоторых случаях в схеме обработки воды от-
сутствует отстойник, тогда коагулянт вводится в воду перед поступлением ее на
фильтр. Сухой коагулянт вводится в смеситель.
3. Расположение устройств для дозирования. Схемы
установок представляются в виде следующих вариантов:
а) б а к и для растворения и для рабочих растворов находятся
в одном из верхних этажей станции обработки воды, куда коагулянт
подается подъемником в твердом виде; здесь идет растворение и отсюда же рабо-
чие растворы идут самотеком к смесителю. Такая схема обычно применяется для
станций производительностью до 10 000 — 15 000 м3 воды в сутки;
б) баки для крепких растворов находятся в пер-
вом этаже или в отдельном здании. Здесь идет растворение и отсюда ра-
створы подаются периодически в один из верхних этажей, откуда уже в виде ра-
бочих растворов идут к смесителю. Такая схема обычно применяется для станций
свыше 10 000 — 15 000 м3 воды в сутки;
в) то же, что и вариант «б», но на верхние этажи идет лишь подача дозирован-
ного рабочего раствора.
Первый вариант наиболее надежный, но для средних и больших станций мо-
жет потребовать усиления некоторых частей здания, так как емкость баков, а сле-
довательно и нагрузка от них, могут быть значительными. Поэтому первый
вариант обычно применяется для малых станций и реже — для средних.
Второй вариант предусматривает периодическую перекачку растворов на
верх к дозирующим устройствам специальными насосами из кислотоупорных ма-
териалов по кислотоупорным трубам. К числу последних могут быть отнесены эбо-
нитовые и особые гумированные. Применение чугунных труб в качестве времен-
ных допускается при покрытии их внутри противокислотной изоляцией.
В отдельных случаях применяются эбонитовые эжекторы. На фиг, 256 по-
казан такой эжектор для иодачи раствора в количестве (?2 = 3 л/сек при
Н2 -=10 м. Для подачи указанного количества раствора к эжектору подводится
вода в количестве = 3 л/сек.
При наличии сжа-
того воздуха подъем
растворов на верх мо-
жет осуществляться
с использованием по-
следнего.
Третий вариант
в обычных схемах об-
работки воды исполь-
зуется редко. Он при-
меним при нагнетании
определенныхдоз коа-
гулянта непосредст-
венно в напорную тру-
бу; последнее дости-
гается установкой на-
соса или эжектора.
Здание коа-
гуляции. Назва-
ние это перешло к
нам из США и при-
Фиг. 256
меняется независимо
от того, что отдель-
ные здания коагуляции часто и не проектируются. На ряде средних и
особенно на больших станциях обработки воды в США многоэтажное
здание коагуляции включает в себя устройства для механизированной
выгрузки коагулянта, извести и других химических материалов, идущих
для обработки воды, склады и бункеры для хранения их, дробилки для
измельчения, конвейеры и элеваторы или иные подъемники для перемещения,
автоматические весы, баки для гашения извести, устройства для нагнетания, до-
зирующие приспособления, вентиляционные устройства и т. д. Конечно, на не-
больших станциях, где особого здания не предусматривается, нет необходимости
в таком сложном комплексе оборудования, но все (даже простые) устройства
должны быть так размещены, чтобы вместе с необходимыми мероприятиями по
механизации процесса обеспечить надежность работы и удовлетворительные усло-
вия труда обслуживающего персонала.
Для средних станций обработки воды здание коагуляции проектируется
совместно с зданием, в котором расположены фильтры, а для малых — соответ-
ствующие устройства для коагуляции располагаются в верхних этажах зданий
фильтров.
На станциях для обработки питьевой воды предусматриваются уста
новки:
а) для коагулирования;
б) для известкования;
в) для хлорирования хлорной известью и хлорным газом;
г) (для дехлорирования.
Кроме того, предусматриваются склады и помещения для хранения материа-
лов в соответствии с, текущим расходом.
Во многих случаях известкование и дехлорирование не проектировались,
несмотря на то, что в соответствии с качеством воды и правильной схемой обра-
ботки они должны были предусматриваться.
Как это видно из плана одной из станций (фиг. 255), заготовка растворов
реагентов запроектирована рядом со складами в небольшом отдельном здании
(небольшие баки для рабочих растворов запроектированы во втором этаже здания
фильтров). На фиг. 257 показаны план и разрезы этого здания. Здесь предусмат-
риваются склад для коагулянта и хлорной извести, два бака для приготовления
крепких растворов, один — для перепуска в него крепких растворов.
В случае необходимости раствор хлорной извести может быть приготовлен
в одном из баков для коагулянта. Вообще же хлорирование предусмотрено хлор-
ным газом. Насосы установлены кислотоупорные. При ином решении схемы здесь
же можно было предусмотреть приготовление известкового молока. На фиг. 258
показано расположение баков с рабочими растворами и дозирующих бачков на
втором этаже станции.
На фиг. 259 показано расположение баков для коагулянта и хлорной извести
и дозирующих бачков на одной из станций.
Баки для приготовления крепких растворов расположены здесь выше
каждого из двух баков рабочих растворов. Баки для коагулянта оборудованы
мешалками.
Приготовлению растворов хлорной извести, применяемых лишь во время пере-
боев в работе хлораторов, и особенно приготовлению растворов извести, приме-
няемых часто в течение нескольких дней или недель во время паводка, здесь не
уделено должного внимания, почему процесс обработки воды в этот небольшой
период времени может быть тяжелым для эксплуатации.
Приготовление известкового молока независимо от расположения баков для
растворения коагулянта лучше вести внизу, особенно в тех случаях, когда из-
весткование в процессе коагуляции может играть существенную роль.
На фиг. 260 представлена установка для приготовления и дозирования из-
весткового молока для средней станции обработки питьевой воды. Установка со-
стоит из верхнего бака, куда загружается известковое тесто, и двух баков с ме-
шалками, при работе которых получается хорошо перемешанное относительно
однородное известковое молоко. Каждый из нижних баков работает поочередно
и рассчитан примерно на 4-часовую работу.
Известковое молоко подается насосом в количестве, несколько превышающем
потребность, в небольшой бачок с переливом, расположенный на соответствующей
высоте. Переливающееся известковое молоко вновь поступает в нижний бак,
а постоянные дозы извести, обусловленные истечением под одинаковым напором,
поступают в смеситель.
Мешалки в нижних баках приводятся в действие поочередно от тран-
смиссии (на фиг. 260 показано схематично).
Известковое тесто может заготовляться в специальной яме и доставляться в
нижний этаж в необходимом количестве. При приготовлении известкового моло-
ка наверху известковое тесто может туда подаваться подъемником; молоко из
бака с рабочим раствором попадает в распределительный бачок, сюда же его
можно подавать сифоном.
Коагулянт вводится в воду в небольших сооружениях обычно в виде 5%-ного
и редко более слабого раствора; для больших сооружений крепость раствора,
считая на безводный глинозем, может быть принята большая и лишь в отдельных
случаях доходит до 10%.
В табл. 4 показаны крепость раствора и процентное содержание глинозема
в растворе при температуре раствора 15°.
На станциях малой производительности для приготовления крепкого рас-
Разрез пвЖ-М-Л-к-и-З
СВинцоВМ пробки по мм
Фиг. 258
твора установка для коагулирования обычно выполняется в виде одного бака,
расположенного над двумя баками для рабочих растворов (фиг. 261); из этих ба-
ков один работает, а в другом подготовляется раствор и отстаиваются взвесь и
имеющиеся в глиноземе нерастворимые примеси.
Приготовление рабочего раствора состоит в том, что крепкий раствор перепу-
скается в нижний бак и разбавляется водой до принятой крепости рабочего рас-
твора.
На фиг. 262 показан бак с дырчатым ящиком для растворения глинозема.
Н и Д принимаются в зависимости от расчетной емкости. На фиг. 263 показана
установка такого бака с дозирующим бачком; в последнем имеется шаровой по-
плавковый кран, регулирующий уровень раствора, идущего через дозирующий
кран в воронку и далее к месту введения его в воду. Таким образом, обеспечивается
Таблица 4
Процентное содержание глинозема (безводного) в растворе Крепость раствора в ° Боме
1 1,9
2 3.5
3 4,8
4 5,4
5 6,1
подача постоянного количества раствора независимо от
уровня его в баке. При наличии пара или горячей воды,
используемой при растворении коагулянта, последнее
происходит быстрее, чем при растворении холодной
водой.
Для перемешивания раствора устраиваются мешал-
ки, а при возможности использования сжатого воздуха
растворение в холодной воде и размешивание хорошо
осуществляются дутьем его в дренаж бака для раство-
рения; дренаж представляет коллектор и ряд дыр-
чатых свинцовых труб, уложенных параллельно дну
бака, ниже деревянной решетки, на которую уклады-
ваются куски коагулянта.
При подаче воздуха вода сильно бурлит, хорошо
омывает коагулянт и очень быстро его растворяет.
На фиг. 264 показана схема растворения коагулянта сжатым воздухом. Сжа-
тый воздух используется также и для подъема растворов в расположенный выше
Фиг. 264
Фиг. 262
Фиг. 263
0.В-0.7М
бак. Глинозем в кусках или предварительно раздробленный яри помощи подъем-
ного приспособления разгружается в бак на деревянную решетку; в дыр-
чатую и распределительную сеть подается воздух давлением около 2 ат;
вообще давление может быть и меньше. Полученный раствор по свинцовым
трубам спускают в герметически закрытый резервуар «Монжю» (может быть вы-
полнен в виде фланцевой трубы соответствующих размеров, покрытой внутри
свинцом), откуда давлением воздуха вытесняется наверх. Здесь крепкие ра-
створы (10%) разбавляются водой до получения рабочих растворов (4— 5%).
Размешивание также может производиться с использованием сжатого воздуха.
В этом случае воздух нагнетается в ресивер, откуда через редукционный кла-
пан поступает к бакам. Система кранов позволяет осуществлять соответствую-
щие пеоеключения.
Коагулянт
Описанные выше баки для
растворов могут быть деревян-
ными, чаще деревянными ошту-
катуренными внутри цементом
по железной сетке. Большие ба-
ки для станций обработки во-
ды производительностью свыше
10000—15000 м3 в сутки выпол-
няются железобетонными. Из
баков должен предусматриваться
спуск осадков.
На фиг. 265 представлен
дозирующий бачок для раство-
ра глинозема, а на фиг. 266 —
Воздух от компрессора
2000
МонрЮю
В смеситело
Фиг. 264
сток
Выпуск
1 Воздуха
упрощенный кран для дозирующего бачка, который в зависимости от уровня
зажимает в большей или меньшей степени резиновую трубку. Кран у бачка
может забиваться него периодически нужно прочищать. На некоторых водопро-
водах вместо крана устанавливается эбонитовая доска с рядом различных отвер-
стий, закрытых деревянными пробочками. Открывая то или иное отверстие (опре-
деляемое предварительным расчетом в соответствии с крепостью раствора и
расходом), устанавливают определенную дозу.
Расчет баков для приготовления растворов
коагулянта
Данные для расчета: производительность станции обработки воды—у .м3/ч.
а доза коагулянта в мг)л, Ь — крепость раствора в процентах, считая на без-
водный продукт, с — содержание безводного коагулянта в продажном продукте
в процентах, п — число заготовок в сутки. Насыпной вес, т. е. вес 1 м3 коагу-
лянта, равен примерно 1 000 кг (в зависимости от крупности кусков).
Сначала определяют объем верхнего бака для первоначального растворения:
_ <7-я-24-100
к “ ГоОО-ЮОО-п-с''
Полученную емкость несколько увеличивают в зависимости от того, слу-
жит ли верхний бак только для первоначального растворения или для при-
готовления крепких растворов и их хранения. Число заготовок можно принять
от 1 для малых станций до 3 и даже до б (один-два раза в смену) для средних и
больших станций; ^принимают равным от 45 до 50 для очищенного и около 35 для
неочищенного глинозема.
Затем определяют объем
бака для приготовления ра-
бочих растворов:
„. _ д • а•24•100
~ ТШАШ-п-Ь '
Крепость раствора Ь
обычно принимают равной
5%, для очень малых стан-
ций меньше. Увеличение Ь
ведет к усилению разъ-
едающей способности рас-
твора.
Объем баков для рас-
творения соды при подще-
лачивании воды (обычно
5%-ный раствор) или для
приготовления известково-
го молока определяется
так же.
Дозирующий бачок не
рассчитывается.
Тип дозирующего бач-
ка для известкового мо-
лока можно рекомендо-
вать согласно фиг. 267.
В этом случае для поддержания извести во взвешенном состоянии пред-
усмотрена небольшая пропеллерная мешалка. На фиг. 268 показано простое
устройство для дозирования известкового молока; подача известкового молока
идет непрерывно; постоянный уровень обеспечивается переливной трубой.
Для дозирования коагулянта в случае возможного изменения режима подачи
воды на станцию обработки в отличие от описанного дозирования, предусматри-
вающего постоянную дозу (изменяемую в случае надобности лишь персоналом
станции), можно применить вытеснитель типа содового, широко применяемого
Фиг. 267
при умягчении. Дозирование в
этом случае может также впол-
не удовлетворительно осущест-
вляться дозатором, описывае-
мым в разделе «Умягчение воды».
Особое место занимают на-
порные дозаторы, служащие
для дозирования растворов коа-
гулянта (или иных растворов) и введения их под
давлением в трубопровод, подающий воду для
обработки. Напорные дозаторы производят дози-
рование пропорционально расходу подаваемой
воды.
На фиг. 269 представлен напорный шайбо-
вый дозатор. Он состоит из цилиндрического
корпуса с привареннььм нижним днищем и при-
варенным фланцем, с которым верхнее днище
соединяется болтами, трубки для подвода воды
вверху, трубки для отвода растворов реагента
внизу, указателя уровня раствора реагента, воз-
душного краника вверху, опор и т. д. Уровень
раствора реагента в дозаторе указывается стек-
лянным или эбонитовым поплавком, подобран-
ным так, что он тонет в воде и плавает в рас-
творе, т. е. плавает в плоскости раздела внутри
водомерного стекла. Шайба или диафрагма уста-
навливается между фланцами трубопровода,
подводящего воду на станцию. Принцип ра-
боты дозатора виден из схемы фиг. 270. По
обе стороны шайбы при движении воды в
трубопроводе создается перепад давления, ис-
пользуемый для вытеснения раствора из доза-
тора в тот же трубопровод. В дозатор из трубо-
провода отводится некоторое количество воды
от места с большим давлением (перед шайбой),
а в трубопровод (за шайбой) поступает из доза-
тора такое же количество раствора к месту с
меньшим давлением. Количество раствора, вы-
тесняемого в трубу, изменяется пропорциональ-
но расходу в трубопроводе. Достаточного опыта
работы этих дозаторов у нас нет. (Самое вытес-
Фиг. 269
нение растворов коагулянта водой вызывает необходимость некоторого уточнения
этого вопроса.)
Наполнение дозатора раствором производится из бака, расположенного выше;
Правая перепада давления В шайбе
Нг напор В трубе
В- остатоон. потеря давлен
Н2-перепад давлен. 6 шайбе
Фиг. 270
в это время воздушный кран открывается, и вода выпускается из дозатора. Во
время зарядки одного дозатора работает другой; таким образом, для непрерыв-
ного дозирования схема предусматривает установку двух дозаторов. Изменение
дозы может производиться изме-
нением крепости раствора или
регулированием крана на ответ-
влении, подводящем воду к до-
заторам.
Дозаторы изготовляются для
работы под давлением в Р/г» 4
и б ат.
На фиг. 271 показано вклю-
чение дроссельной шайбы в тру-
бопровод с давлением не выше
б ат с камерами для давления
плюс и минус (до и после шай-
бы). Шайбы могут устанавли-
ваться в горизонтальных, верти-
кальных и наклонных трубо-
проводах за небольшим прямым
участком.
Напорные шайбовые дозато-
ры могут служить для введения
растворов коагулянта в трубопровод непосредственно перед напорными филь-
трами.
Сухое дозирование коагулянта. Имеющее место на неко-
торых станциях обработки воды забрасывание кусков коагулянта в смеситель не
может дать удовлетворительных результатов, так как вследствие разной круп-
ности кусков, присутствия мелких кусков и пр. имеет место различная их раство-
ряемость, т. е. колебание дозы коагулянта (нередко выше необходимой, а иногда
ниже). Указанный способ может привести к увеличению расхода коагулянта и
неудовлетворительному коагулированию.
В последнее время в США достаточно усовершенствованы и находят все более
широкое применение способы сухого питания коагулянтом при помощи особых
несложных устройств. Способы сухого питания имеют то преимущество, что
устраняют необходимость подготовки, хранения и транспортировки растворов и
требуют, следовательно, меньших площадей и объемов, сокращая тем самым
стоимость всего сооружения; кроме того, здесь отсутствует разъедание коагу-
лянтом трубопроводов и арматуры, часто наблюдаемое и вносящее перебои в ра-
боте.
Сухое дозирование постепенно внедряется и в нашей практике. При сухом до-
зировании муттовский глинозем раздробляется между двумя вращающимися
Фиг. 272
валиками и далее измельчается в мельничном аппарате в мелкие крупинки одина-
кового диаметра, примерно около 1 мм. Нафиг. 272 показана схема устройства для
сухого дозирования.
Измельченный глинозем подается в бункер, из него — в питатель; с диска
последнего крупинки глинозема отводятся и ссыпаются в смеситель в месте входа
воды, т. е. в месте бурного перемешивания ее или, как это показано на схеме, кру-
пинки глинозема попадают в особый эжектор и далее в смеситель. На дробилку
глинозем подается периодически после предварительного взвешивания в соответ-
ствии с принятой дозировкой; относительно точная дозировка достигается регули-
рованием работы питателя.
Следует обратить внимание не необходимость бурного перемешивания кру-
пинок коагулянта с водой в начале смесителя, в особенности при отсутствии
эжектора. Если конструкция смесителя этого не обеспечит, то не исключена воз-
можность накопления крупинок глинозема в отдельных местах смесителя, что
опять-таки приведет к колебаниям дозы коагулянта в обрабатываемой воде.
Сухое питание, как уже сказано, не требует баков для приготовления раство-
ров, на средних и больших станциях обработки воды даетэкономию помещения,
трубопроводов, насосов для перекачки и т. д. В случае значительных расходов
коагулянта сухое дозирование может быть внедрено и в практику водоснабжения
на жел.-дор. транспорте. Химмаштрестом освоено производство питателей различ-
ного типа и для различных материалов. На фиг. 273 изображен тарелчатый пи-
татель, который может быть приспособлен для сухого дозирования коагулянта.
Тарелчатый питатель состоит из горизонтального вращающегося диска 1 (тарел-
ки), приводимого в движение червячным редуктором 2, расположенным под
ним. Измельченный коагулянт ссыпается из небольшого бункера на тарелку
через отверстие 3 и с тарелки расположенным под углом неподвижным скребком 4
сбрасывается в отверстие 5. Регулирование производительности питателя осущест-
вляется подъемом стакана при помощи рычага, т. е. увеличением щели между
стаканом и тарелкой или пе-
ремещениемскребка 4, сбрасы-
вающего коагулянт в боль-
шем или меньшем количестве
в зависимости от своего поло-
жения; перемещение это до-
стигается при помощи винто-
вой тяги и маховичка 6. (В не-
которых устройствах при по-
мощи зубчатки изменяется
скорость вращения стола.)
На фиг. 274 изображен ап-
паратоднойиз заграничных фирм
с питающим винтом, приводимым
в действие водяной турбинкой
Пельтона, вода из которой на-
чинает растворять коагулянт в
небольшом смесителе, составляю-
щем с аппаратом одно целое. В
небольшом бункере в верхней ча-
сти аппарата вращаются зубья
для' того, чтобы дозируемый реа-
гент не слеживался (аппарат изго-
товляется для различных сыпу-
чих материалов). Регулирование
производится изменением скоро-
сти вращения колеса турбинки.
В США известны случаи
употребления особого вида коа-
гулянта, который получается при-
бавлением к сернокислому гли-
нозему 2% активного угля.
«Черный коагулянт* испы-
тывался на одном из водопрово-
дов. Здесь речная вода до по-
следнего времени обрабатывалась
так: предварительно хлорирова-
лась (0,5—0,6 мг хлора на 1 л),
затем коагулировалась сернокис-
лым глиноземом (30 мг/л), далее
фильтровалась на скорых филь-
трах и, фильтрованная, опять
подвергалась хлорированию (доза
хлора 0,12—0,14 мг/л).
При применении «черного коагулянта» доза последнего, достаточная для коагули-
рования, определилась в 24 мг на 1 л, т. е. в атом случае получалась экономия на
коагулянте около 20%.
§ 4. Смешивание реагентов с водой. Смесители
Хорошее смешивание растворов реагентов с водой и притом в течение корот-
кого времени ускоряет действие реагента и приводит к более полному его исполь-
зованию.
Принципиально допускаются следующие решения при выборе места ввода
раствора реагента в обрабатываемую воду:
1) реагент вводится во всасывающий трубопровод насоса;
2) реагент вводится в напорный трубопровод;
3) реагент вводится в специальные сооружения — смесители, предусматри-
ваемые в схеме очистных сооружений.
Первое решение применяется сравнительно редко и хотя гарантирует очень
хорошее смешивание (в этом смысле например рабочее колесо центробежного на-
соса — прекрасная мешалка), но обладает существенными недостатками:
а) при недосмотре не исключена возможность попадания воздуха во всасы-
вающий трубопровод насоса;
б) дозирование затрудняется при наличии нескольких насосов, работающих
не в один общий напорный трубопровод;
в) процесс обработки воды расчленяется (насосная установка, очистные со-
оружения). Последнее обстоятельство делает возможным введение реагентов во
Фиг. 274
всасывающий трубопровод лишь на небольших установках. В частности на
жел.-дор. транспорте эта схема может быть использована при хлорировании
воды, если этим и ограничивается весь процесс ее обработки. При этом установка
для хлорирования располагается в помещении насосной станции.
Второе решение требует, чтобы реагент подавался в трубопровод под давле-
нием, превышающим давление в трубопроводе. Это может достигаться установкой
специального насоса или соответственно высоким расположением дозирующих
устройств над местом ввода реагента.
Указанные обстоятельства приводят к сравнительно редкому использованию
названной схемы. Смешивание в напорном трубопроводе при достаточно больших
скоростях может быть вполне удовлетворительным.
К числу специальных сооружений — смесителей относятся:
1) труба типа Вентури;
2) смеситель стаканчатого типа;
3) жолоб-смеситель;
4) ершовый смеситель;
5) дырчатый смеситель;
6) смеситель типа «гидравлический прыжок»;
7) пропеллерный смеситель.
При использовании трубы Вентури в качестве смесителя реагент
подается в суженную часть ее, где скорость движения воды значительна — 2,5—
3 м/сек; это и приводит к смешиванию реагента с водой. Для обычных неболь-
ших станций жел.-дор. водоснабжения указанный смеситель может быть запро-
ектирован.
Смеситель стаканчатого типа, изображенный на фиг. 275,
представляет собой ряд вставленных друг в друга цилиндров, вызывающих вслед-
ствие своего расположения сильные вихревые движения воды; проектируется
редко и притом для небольших установок.
Ж о л о б-с м е с и т е л ь, представленный на фиг. 276, принят для умягчи-
тельной установки «Струя горизонтальная». Скорость движения
Груба подающая
- / Оу'/Ы ПШ/иа/ьс
глрую (пЛу
ьмесител0н01в.
стаканО/
Труба для подачи
раствора коагулянта
централОная труба
воды в жолобе не менее 0,6 —
0,7 м/сек; смешивание удовлетво-
рительное. В последнее время вся
установка в целом не проекти-
руется.
Ершовый смеситель
представляет лоток, в котором по-
м.щено несколько перегородок,
расположенных под углом 45° к
продольным его стенкам (фиг. 277).
Перегородки эти не доходят до про-
Фиг. 276
Фиг. 275
тивоположной стенки лотка и образуют здесь вертикальную щель. Указанное
расположение перегородок вызывает в потоке воды у щелей ряд вихрей.
Расчет. Скорость движения воды в лотке за перегородками 0,5—0,6 м/сек;
скорость движения воды в щели 0,8 — ! ,0 м/сек. Расчет сводится к опреде-
лению размеров лотка, ширины щелей и к проверке отметок воды в лотке перед
каждой щелью.
При определении местных сопротивлений в щели коэфициент сопротивления
принимается равным 2 — 2,5 для движения воды в направлении перегородок
и 3 — 3,5 —для движения в противоположном направлении.
Целесообразнее проектировать ершовый смеситель с движением воды в на-
правлении, противоположном расположению перегородок, так как в этом случае
имеют место более сильные вихревые движения и лучшее смешивание.
Пусть количество воды и растворов, попадающих в смеситель, мъ/сек,
тогда площадь живого сечения лотка
где ^ = 0,5—0,6 м/сек.
Принимаем ширину лотка равной а м, тогда
Потери на местные сопротивления в каждой щели равны
V?
А = I м,
где ? — коэфициент сопротивления;
— скорость движения воды в щели, равная 0,8 — 1 м]сек.
Площадь живого сечения щели
+ 2А “ Ъ Д’;
ширина последней щели равна
“в "г *
ширина предпоследней щели й4 равна -г-
"в
ширина первой щели равна > где п —число щелей или пере-
городок;
высота воды в лотке перед последней щелью А- равна Ав + А;
высота воды в лотке перед предпоследней щелью А4 равна Ав + 2А;
высота воды в лотке перед первой щелью Аг равна к6-\-пк.
Ершовый смеситель дает вполне удовлетворительное смешивание и поэтому
весьма распространен. Для небольших расходов смеситель выполняется из стали,
для больших расходов — из стали или железобетона.
В табл. 5 приводятся основные данные и размеры одного из типовых ер-
шовых смесителей1.
Дырчатый смеситель (фиг. 278) представляет лоток, в котором по-
мещено несколько поперечных перегородок с отверстиями. Движение струи воды
через отверстия способствует образованию вихрей и смешиванию воды с реаген-
тами, поступающими в смеситель.
1 Госпроектстрой НКЛП.
15 Водоснабжение
?• ее 1 ц мсек Л труб при м 1 сек а ь. *3 Н Л1 й2 й3 й4 й«
100 27,76 200 450 68 80 100 130 188 650 513 431 348 267 185!103 60 80
150 41,64 250 550 98 115 140 181 247 650 533 451 369 287 205 123 60 100
200 55,52 250 550 120 139 167 207 275 700 581 499 417 335 253 171 60 100
250 69,40 300 600 145 167 199 245 316 750 602 520 438 356 274 192 60 100
300 83,28 300 600 162 187 220 265 335 750 640 558 476 394 312 230 60 100
350 97,16 350 650 185 210 250 295 370 800 662 580 498 416 334 252 80 100
400 111,04 350 700 205 230 268 320 392 800 680 598 516 434 352 270 80 100
450 124,92 400 800 233 265 308 368 455 800 670 588 506 424 342 260 80 100
500 138,80 400 900 260 297 340 410 510 800 666 584 502 420 338 256 80 120
600 180,44 500 1000 300 344 400 470 580 850 688 606 524 442 360 278 80 120
Расчет. Скорость движения воды в лотке 0,5 — 0,6 м]сек-, скорость движе-
ния воды в отверстиях 1 — 1,5 м!сек. Расчет сводится к определению размеров
План
Фиг. 278
лотка, размеров и числа отверстий в перегородках и к проверке отметок воды
в лотке перед каждой перегородкой.
Количество воды и растворов, попадающих в смеситель, м3/сек. Пло-
щадь живого сечения лотка
Р = ^ м2,
V
где V = 0,5 — 0,6 м]сек.
Принимаем ширину лотка равной а м, тогда
Р
Потери напора в отверстиях в каждой дырчатой перегородке равны
2
И2 -2%
где г4—скорость движения воды в отверстии, равная 1 —1,5 м!сек',
р.— коэфициент расхода, равный 0,62 или несколько более, если толщина
стенки значительна по сравнению с диаметром отверстия.
Площадь всех отверстий в каждой перегородке
П = ^'-м2.
VI
Принимаем число отверстий равным п.
Имеем
т(Р о
л • — И,
4
откуда определяется (1 — диаметр отверстия.
Высота 113 воды в лотке
высота Л2 воды в лотке
перед предпоследней пере-
городкой равна /?4-|-2/2;
высота Л4 воды в лотке
перед первой перегород-
кой равна /?4 + Зй.
Число перегородок ;
3-4.
Расположение отвер-
стий и отметки воды в лот-
ке должны быть такими,
чтобы все отверстия по-
следней перегородки были
затоплены. Для достиже-
ния этого за последней пе-
регородкой следует устраи- ‘
вать водослив необходимой
высоты.
На фиг. 279 показаны
примерные схемы располо-
жения отверстий в перего-
родках дырчатого смеси-
теля.
Дырчатый смеситель
может обеспечить достаточно
вании воды его применять не
перед последней перегородкой равна й4 + /?
1 количество отверстий 7 шт
Стенка 1иШ
Стенка О
ч«а , ’биу'Д
/ 'Лз'та та'
г.5^
ф ф О Ф
-О Об
12.511
\ 2.50.
'/за' 'та Чиа Чиа Чеа
I количество
Стенка 1иШ
‘Ча 'На 'та 'та 'та
^а'Аа'Ла 'На
отверстий и шт.
Стенка П
'/4д 74а 'На 'Ла
2.511
Фиг. 279
удовлетворительное смешивание. При известко-
следует.
а
%
О ' 0;
1
Табл. 6 характеризует основные размеры и данные по ряду смесителей
рассматриваемого типа1 для станций с часовым расходом от 100 до 600 ж8.
Таблица 6
Рас- I ход в м31ч Расход в в л)сек Диаметр трубы в мм при м/сек Диа- метр отвер- стия в мм Число отвер- стий 11 Ло Л5 Л4 л3 л» Л1 Н а 51 З3
ц Ч а п
100 27,76 200 58 7 273 95 250 345 618 891 1164 1300 500 55
150 41,64 250 71 7 273 112 300 412 685 958 1231 1400 600 80 О й О
200 55,52 250 82 7 273 122 350 472 745 1018 1291 1400 650 80 я я 5
250 69,40 300 92 7 273 131 400 531 804 1077 1350 1500 750 80 5 О
300 83,28 300 100 7 273 145 400 545 818 1091 1364 1500 800 100 о в; 4) « В*
350 97,16 350 86 11 273 162 400 562 835 1008 1381 1500 800 100 К ° 4)
400 111,04 350 92 11 273 178 400 578 851 1124 1397 1500 800 100 А а
450 124,92 400 98 11 273 178 400 578 851 1124 1397 1500 900 100 й 3 ©
500 138,80 400 102 11 273 188 400 588 861 1134 1407 1550 900 100 4> и
600 180,44 500 113 11 273 210 450 660 933 1206Д 479 1550 900 100 8
Указанные смесители для небольших расходов выполняются из стали, для
больших — из железобетона.
Смеситель типа «гидравлический прыжок». В прак-
тике обработки воды применяется также смешение реагента с водой, подаваемой
на очистные сооружения, основанное на принципе «гидравлического прыжка».
При выходе воды из-под щита под некоторым напором создаются большие
скорости и большая турбулентность, что способствует перемешиванию вводимого
сюда реагента, а самый прыжок «валек» завершает это перемешивание.
Как представлено на фиг. 280, вода из бака А изливается из-под щита непо-
средственно в лоток нормального уклона. Такое истечение из-под щита пред-
ставляет необходимое условие для стремительного движения, создающего
прыжок. Реагент подается или одной струей или дырчатой трубой, распределя-
ющей его по ширине лотка.
Глубина воды й0 в лотке за прыжком несколько меньше й2. В расчете
обычно принимается
й0 = й2 — (0,03— 0,05) м.
Расчет. Если —расход воды в ж3,сек, Ь — ширина лотка в ж, то
расход на единицу ширины щита будет
д'. =-*- м31сек.
о
1 Госпроектстрой НКЛП.
Для обеспечения лучшего смешивания обычно задаются таким напором
Н перед щитом, чтобы скорость непосредственно за ним была в пределах
2,5—4,5 м!сек.
Расход из-под щита
?! = р Ьа
и а
И---
или расход на единицу ширины
?1 = р-а
где а—высота открытия щита или высота щели;
ц — коэфициент расхода.
По значению а, учитывая коэфи-
циент вертикального сжатия, равный
примерно 0,7, можно определить Л/.
й1 = 0,7а=/(у;).
Пользуясь формулой сопряженных
глубин (до и после прыжка), определяют1
Фиг. 280
так как
41 = —
где ф—коэфициент скорости, принимаемый около 0,9,
1 4- 8а^2^2^(/7—^)
Фиг. 282
что при подстановке значений коэфициента а = 1,1 и ф =0,9 дает
Л
2
1 Проф. Б. О. Боту к. Журнал «Санитарная техника» № 8, 1934.
или
П2 = ОЛр
На основании расчетов прыжка в гидравлике можно принять длину
участка ^==2^, длину /, «отгон прыжка»—в пределах 1 — 1,5 м; длину
/3 приближенно принимают равной 5 (й0 — /?,).
По величине /10 = Л2— (0,03 — 0,05) м и ширине канала Ь определяется
2
модуль расхода К и уклон канала I = ,
' А2
Для облегчения расчета на фиг. 281, 282 и 283 приводятся графики
^г1 = = и К в зависимости от й0 и Ь.
Пример. <2 = 200 м31ч. Требуется рассчитать прыжок смесителя. Принимаем
Н = 500 мм.
Учитывая величину диаметра тру-
бы, подводящей воду к гидравличе-
скому прыжку, равную 250 мм, прини-
маем Ь = 550 мм, тогда
?1 — 3 600 — 0,056 л3,пн,,
Фиг. 283
Л, равно (по графику фиг. 281) 0,04 м;
к, равно (по графику фиг. 282) 0,23 м-,
Ло = Л., — 0,03 = 0,2 м;
К равно (по графику фиг. 283)2,2 м3/сек;
0,056‘
I =-уо2- = 0,0007.
Ь = I, + I, +/, = 2Л, + 1 + 5(Л„ — Л,) = 0,08+ 1 + 5-0,16 = 1,88 м.
Скорость перед прыжком
На фиг. 284 приведена одна из схем смесителя типа «гидравлический
прыжок»1.
В табл. 7 даны ориентировочные данные по смесителям для расходов от
100 до 600 л/з/ч.
Пропеллерный смеситель. На фиг. 285 изображен пропеллер-
ный смеситель, имеющий небольшое распространение. При очень малом времени
Госпроектстрой НК.ТН
Я в м’ч Я в мсек (1 труб в мм & в мм н в мм Л» В мм в мм а в мм ь в мм Нг в мм б в мм
100 27,76 200 450 500 130 23 33 2 070 800 80
150 41 ,64 250 550 500 160 30 43 2 260 800 80
200 55,52 250 550 500 180 38 54 2 290 800 80
250 69,40 300 600 500 190 40 57 2 330 800 100
300 83,28 300 600 500 230 55 80 2 490 800 100
350 97,16 350 650 500 240 58 83 2 560 800 100
400 111,04 350 650 500 250 60 86 2 520 800 100
450 124,92 400 800 500 250 65 94 2 550 800 100
500 138,80 400 800 500 250 70 100 2 540 800 100
600 166,67 500 900 500 260 73 102 2 600 800 100
Разрез по А-В
План
пребывания в нем воды (порядка десятков секунд) его можно рассматривать как
смеситель, но известны случаи, когда такой смеситель проектируется для времени
пребывания в нем 3 мин. и более, и тогда это уже собственно не смеситель, так как
он занимает среднее место между смесителем и камерой образования хлопьев
(для опорожнения смесителя должна быть предусмотрена спускная труба).
На фиг. 286 показан смеситель напорного типа с вращающимися лопастями.
Пропеллерные смесители могут быть расположены последовательно (при вве-
дении двух реагентов).
Смесители размещаются так, чтобы к ним возможен был свободный доступ.
§ 5. Камеры образования хлопьев
(камеры реакции)
А. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Медленное образование хлопьев в отстойниках может привести к выносу зна-
чительного числа хлопьев коагулянта на фильтр, к быстрому загрязнению фильт-
ра, к прохождению через него части коагуляционного вещества, к ухудшению
физических свойств воды и т. д.
Назначение камер образования хлопьев (камер реакции) — дать закончен-
ное хлопьеобразование до поступления воды в отстойник.
В табл. 8 представлены результаты одного лабораторного исследования при
отстаивании воды мутностью 75 мг/л при температуре 16°.
Фиг. 286
Таблица 8
Время сме- шивания и образования хлопьев в мин. Мутность в мг/л после от- стаивания в течение
30 мин. 1 часа 3 час.
0 75,0 74,0 54,0
5 47,0 33,0 24,0
10 11,5 7,5 4,5
15 4,0 3,2 2,4
20 1,7 1,7 1,2
30 0,7 0,7 0,6
40 0,6 0,5 0,5
Как видно из табл. 8, при времени пребывания воды в камере образования
хлопьев, равном 10 мин., мутность воды равна 4,5 мг/л лишь после 3-часового от-
стаивания, в то время как при 15 мин. пребывания воды в камере мутность
в 4 мг/л получается уже при получасовом отстаивании.
Применяемый термин «камера реакции» смешивают часто с термином «смеси-
тель». Назначение камеры реакции создать условия для образования крупных
хлопьев и потому правильнее ее назвать «камерой образования хлопьев». В смеси-
телях же происходит бурное перемешивание растворов реагентов с водой, после
чего вскоре образуются очень мелкие хлопья; более крупные наблюдаются при-
мерно через 20 мин.
Б. ТИПЫ КАМЕР ОБРАЗОВАНИЯ ХЛОПЬЕВ
1. Камеры с перегородками
Камеры с перегородками делятся на камеры с горизонтальным и камеры с вер-
тикальным (основным) движением воды.
На фиг. 287 представлена схема камеры с горизонтальным движением вокруг
перегородок, установленных вертикально. Скорость движения воды в такой камере
находится в пределах 0,2 — 0,3 м/сек.
Так как при значительных колебаниях расхода имеют место значительные
колебания скоростей, то камеры с горизонтальным движением воды проектируются
лишь для больших станций обработки воды, где в этих случаях скорость может
регулироваться включением или выключением отдельных секций. Камеры эти
рекомендуются лишь для больших расходов воды, на жел.-дор. транспорте они
поэтому не могут найти применения.
На фиг. 288 представлена схема камеры образования хлопьев с вертикаль-
ным движением воды. Глубина камеры принимается чаще в пределах 4 — 5 м.
Эти камеры могут проектироваться для станций обработки воды с расходом
примерно не ниже б ООО я3 в сутки. Ско-
рости здесь такие же, как и в камерах с
горизонтальным движением воды. Конст-
руктивное оформление таких камер слож-
нее,— это одна из причин их малого рас-
пространения.
Время образования хлопьев или вре-
мя пребывания воды в камерах 20 —
40 мин. Камеры с достаточным временем
пребывания в них воды должны дать эко-
номию коагулянта и, кроме того, облегчая работу отстойников, они позв©-
ляют уменьшить время пребывания в них воды.
К сожалению, зависимость между указанными столь важными факторами
пока не установлена. Спуск осадков производится в камерах с горизонтальным
движением воды через боковые выпуски, а в камерах с вертикальным движением
воды — через донные клапаны, общие для нескольких ячеек.
Очистка камер с вертикальным движением воды представляет некоторые
трудности и в этом — другая причина их малого распространения.
На фиг. 289 представлена камера образования хлопьев с вертикальным дви-
жением воды. На фиг. 290 показана площадка управления камеры, позволяющая
осуществлять уход и контроль за ее работой.
Расчет. Основными элементами в расчете камер с перегородками яв-
ляются:
<3—расход станции обработки воды в м3/ч;
I — время пребывания воды в камере в часах;
Рубероид 2 слоя.
Настил из досок толщиной 2.50 а
ЗалоонОш:
522,50
95=*± -
510,8
Изоляция толем
- -5. 521,80‘-
родшиОка из досок толщ.
529,00,
И
плита 5 см
.525,50
7
\со
ДереОянн!)1
шиОераш
2,5 см
ЛО
оалкамло
00—*(
522,50
«.Л Е-"-у
к!лак : •'•'
; .'ПрдсОтка--
то~
^516.00 ~6,В',В
5,Ма'‘^Железн1не ас!рал111пированн1)1е тру/Ян 0=200мм
Разрез по Е-Г
V — скорость движения воды в м}сек;
й —глубина камеры в м;
а — расстояние между перегородками в м (ширина коридора);
/—длина коридора.
а) Камера образования хлопьев с горизонтальным
движением воды
Объем камеры XV = м3,
В увязке с высотной схемой намечается й.
Площадь всей камеры
К
Здание фильтров
Фиг. 290
Принимая скорость движения воды в камере г м1сек, получим ширину
коридоров
а 3 600 г/г М-
Тогда ширина всей камеры будет равна па,
где п— принимаемое число коридоров, длина коридора
. Р
Ь - - - м.
па
б) Камера образования хлопьев с вертикальным
движением воды
Объем камеры
= м3.
В увязке с высотной схемой намечается Л,
Площадь всей камеры в плане
Р =,м*.
п
Площадь ячейки
1 у-3600
Число ячеек
Р
п = —.
/
Варьируя длиной и шириной ячейки, обычно одинаковыми и принимае-
мыми не менее 0,6 м, а также скоростью, принимаем п близким к полученному,
но кратным восьми, и окончательно определяем упомянутые ранее величины.
Потеря напора в обоих случаях
= й2 4- Л3,
где п — число поворотов, или число ячеек или коридоров;
$ — рекомендуется * равным 2,6;
Л3 определяется для всего пути, считая движения по выпрямленному ка-
налу. При большом числе поворотов, при длительном времени пребывания воды
в камере потери напора могут достигать значительных величин. Так, например,
при скорости около 0,4 м/сек и при 23 поворотах потери достигали около 1,15 м.
Это является недостатком этих камер.
2 . Тангенциальные камеры
Камеры этого типа в настоящее время проектируются на ряде сооружений
для обработки воды при суточной производительности до 20 000 — 30 000 .и3;
они могут проектироваться и для малых расходов и должны получить распро-
странение на жел.-дор. транспорте, а потому требуют более детального рассмо-
трения; они могут быть выполнены пли в виде самостоятельного сооружения
или совмещенными с центральной трубой отстойника. В камерах первого типа,
представляющих собой цилиндрический резервуар, вода, поступающая танген-
циально вверху у стенки со скоростью от 2 — 2,5 до 3,5 м/сек и выходящая
внизу в центре, находится во вращательном движении, обусловленном энергией
поступающей струи воды.
Вообще возможны различные комбинации впуска и выпуска:
а) впуск вверху у стенки — выпуск внизу в центре;
б) впуск снизу у стенки, выпуск сверху в центре;
в) впуск снизу у стенки, выпуск сверху у стенки.
Для оценки работы камеры существенными являются:
а) время пребывания воды в камере;
б) скорость в насадке у впуска, обусловливающая движение воды в самой
камере;
* Проф. Т урчинович, Улучшение качества воды, ОНТИ, 1935.
в) скорости движения воды в камере и их распределение;
г) условия хлопьеобразования;
д) потеря напора в камере;
е) наличие осадков на дне камеры.
Время пребывания воды в тангенциальной камере зависит от мутности воды
и принимается равным около 20 мин., иногда — несколько меньше. Скорости
Фиг. 292
в насадке у впуска принимаются от 2 до 3,5 м/сек в зависимости от принятого
времени смешивания.
Исследования камеры с впуском вверху у стенки и выпуском внизу (фиг. 291)
показали \ что струи имеют спиральное движение по направлению к выпуску
и что скорости распределяются неравномерно; будучи сравнительно большими
у впуска, они далее снижаются и у
центра камеры вновь сильно возра-
стают; в центре появляется воронка,
как это у одной из камер показано на
фиг. 292; благодаря значительным ско-
ростям, достигающим здесь 2 м/сек, часть
хлопьев разрушается; распределение
хлопьев в самой камере довольно рав-
номерное; хлопьеобразование удовле-
творительное; имели место значитель-
ные потери напора.
При установке в центре над вы-
пуском гасителя с окнами, рассчитан-
ными для создания здесь скорости дви-
жения 0,40 — 0,45 м/сек, характер дви-
жения в камере изменился. Скорости
движения у борта равны примерно
О.б м/сек и далее к центру снизились
до 0,05 м/сек. Хлопьеобразование удо-
влетворительное.
На фиг. 293 показаны кривые, характеризующие примерное распределение
скоростей в небольшой камере — модели в одном и другом случаях.
1 Ростовский научно-исследовательский институт коммунального хозяйства (инж.
П. Е. Богомазов).
Потери напора в последнем случае оказались весьма малыми. Осадков на
дне камеры выпадало мало.
При впуске снизу и выпуске сверху в центре результаты работы камеры
были удовлетворительными, но на дне камеры оказалось значительное количе-
ство осадков.
При впуске воды снизу и выпуске вверху у стенки камеры в средней части
последней имеет место весьма слабое движение струй, что также приводит к отло-
жению осадков на дне камеры. Таким
образом, первая схема (с устройством
гасителя) является наиболее правиль-
ной. В этом случае камера вследствие
простоты ее эксплуатации, надежно-
сти работы и весьма незначительных
потерь напора рекомендуется к ши-
рокому внедрению в водоснабжении
на жел.-дор. транспорте.
Расчет.
№ = (?/,
В случае принятия п камер пло-
р
щадь каждой будет / — —.
Потери в камере незначительны,
их можно не учитывать.
Площадь окон в гасителе и вы-
ходное отверстие намечаются так,
чтобы скорости у выхода не превы-
шали 0,5 м(сек. Уклон дна камеры
принимается в 1 : 10.
Тангенциальные камеры, совме-
щенные с центральной трубой отстой-
ника, вследствие экономии средств
при их осуществлении (тонкие стенки камеры) могут иметь в водоснабжении на
жел.-дор. транспорте самое широкое распространение. За исключением выпуска
иных принципиальных отличий они не имеют.
Инж. А. Ф. Шабалин, рассматривая тангенциальную камеру как трубу боль-
шого диаметра, пользуясь теорией винтового движения жидкости в цилиндрической
трубе, в результате соответствующих исследований рекомендует скорости в на-
садке, приведенные в табл. 9.
Таблица 9
Диаметр камеры В, в м 1 2 3 4
Скорость в насадке V м!сек Потребный напор в м 0,5 0,03 0,75 0,05 1,05 0,09 1,35 0,23
На фиг. 294 представлен отстойник с центральной трубой — камерой образо-
вания хлопьев.
Впуск в камеру осуществляется при помощи неподвижного сегнерова колеса.
Оно должно быть расположено под уровнем воды, иначе будет иметь место заса-
сывание воздуха, вредное для работы отстойника. Так как вращательное движение
воды в камере ни в каком случае не должно передаваться в отстойник, то в нижней
238
части камеры должен быть устроен гаситель. Он может быть выполнен в виде ряда
пересекающихся деревянных вертикальных щитов. Отстойники в этом случае ре-
комендуется выполнять с радиальными желобами.
Тангенц альные ка- еры не могут быть включены последовательно. Зависи-
мость скорости движения ымы в отдельных местах камеры от скорости при входе
воды в камеру пока изу-
чена недостаточно.
Камеры с мешал-
ками
Камеры с мешалка-
ми (обычно квадратные
в плане) дают ничто-
жные потери напора.
Скорость щижения соз-
дается при помощи ло-
пастей мешалки, укреп-
ленной на вертикаль-
ном валу. Величина
скорости перемешива-
ния зависит от скорости
движения лопастей ме-
шалки. Вал приводится
в движение от элек-
трического (редко ГИ- Фиг. 296
дравлического) двига-
теля. Вода обычно поступает внизу и выпускается из камеры вверху. При
наличии нескольких камер скорость движения может меняться, — у первой
мешалки она будет наибольшей и далее будет уменьшаться. Скорость у окруж-
ности (края) лопастей около 0,3 м]сек. В камерах круглых в плане скорость дол-
жна приниматься несколько большей, чем в камерах квадратных в плане.
Система зубчатых колес может позволить изменять число оборотов мешалки.
На фиг. 295 показана мешалка, которая может быть приспособлена в
камере (трубопроводы на фигуре не показаны).
Преимущества камер с мешалками заключаются в ничтожной потере напора,
возможности регулирования их работы, относительной простоте устройства (от-
сутствие перегородок, установка и крепление которых усложняют конструкцию).
Однако недостатком их является необходимость установки и обслуживания не-
большого двигателя. На фиг. 296 показаны мешалки с лопастями на горизон-
тальных валах, установленные в передней части отстойника. Этот новый тип,
недавно примененный в США, дал хорошие результаты.
ГЛАВА II
ОТСТАИВАНИЕ ВОДЫ (ОСАЖДЕНИЕ ВЗВЕСИ)
§ 6. Общие сведения и некоторые теоретические соображения, общие
для всех отстойников
Отстойники устраиваются для:
1) выделения из воды естественной взвеси или взвеси с коагулированными
частицами;
2) завершения реакции коагулирования (хлопьеобразование при отсутствии
специальной камеры) или реакции при известково-содовом методе умягчения
(с задержкой здесь выпадающего осадка);
3) освобождения фильтров от значительной части работы по осветлению воды
(70 — 75% взвешенных веществ может быть задержано до фильтров). Отстойники
в водоснабжении на жел.-дор. транспорте при обработке воды для технических
и хозяйственно-питьевых нужд имеют исключительное значение.
Осветление воды в большинстве случаев происходит на отстойниках и далее
на фильтрах, иногда только на отстойниках (некоторые случаи осветления воды
для снабжения паровозов) и лишь в очень незначительных случаях только на
фильтрах (некоторые случаи с использованием конструкции напорных фильтров).
По занимаемому в схеме водоснабжения месту могут встретиться обычные,
предварительные и вторичные отстойники; в зависимости от отсутствия или нали-
чия в схеме обработки воды коагуляции осаждение может быть естественным или
с коагуляцией.
Предварительное отстаивание (за ним следует дальнейшее отстаивание)
является важнейшим мероприятием при обработке очень мутных вод, содержа-
щих большое количество взвешенных веществ (3 000 — 5 000 мг[л и более).
Предварительное отстаивание в периоды высокой мутности воды приводит
к экономии коагулянта в процессе дальнейшего отстаивания.
К числу предварительных отстойников относятся ковши-отстойники, осуще-
ствляющие п^ием воды из реки.
На фиг. 297 представлен один из типов ковшей-отстойников; форма ковша,
сопряжение входной части ковша с рекой, угол между каналом и осью реки
приняты были на основании специальных исследований. Работа ковша как
предварительного отстойника заключается в осаждении в нем наиболее крупной
части взвешенных веществ, а вместе с ними и некоторого количества бактерий.
Работа указанного на фиг. 297 ковша-отстойника происходила при следую-
щих условиях: при низкой воде время пребывания воды в ковше, обусловленное
его емкостью, около 50 мин.; скорость движения воды около 26 мм!сек; для
большей части года время пребывания воды около I ч. 10 м.; скорость дви-
жения около 17 мм/сек.
Время пребывания воды в канале колеблется от 17 до 25 мин. Задерживается
главным образом неорганическая часть взвеси (сюда входит и песок); органиче-
ская взвесь, а также окислы железа и алюминия (мелкая глинистая взвесь и пр.)
задерживаются в незначительной степени.
После предварительного отстаивания без коагуляции и удаления из воды наи-
более тяжелой взвеси вода далее отстаивается в обычных отстойниках для осво-
бождения ее от более легкой взвеси и коллоидальных частиц. Что касается вто-
ричных отстойников, следующих за обычными, то они встречаются редко (из-
редка встречается два отстойника, работающих последовательно, второй из них
носит название вторичного).
Естественное отстаивание, непосредственно предшествующее фильтрации,
встречается на станциях обработки воды с медленными фильтрами; отстаивание
с коагуляцией, при которой можно удалить и сравнительно высокую мутность,
непосредственно предшествует работе скорых фильтров. Обычно под отстойниками
понимают искусственные сооружения, но отстойниками можно назвать также и не-
которые естественные водоемы, если при нахождении в них воды в течение значи-
тельного времени происходят удаление мутности, обесцвечивание и уменьшение
количества бактерий.
Ранее встречались отстойники периодического действия, в которых поступаю-
щая вода находилась в течение определенного периода в состоянии покоя и из
которых вода выпускалась лишь по прошествии этого периода времени. Вследствие
неудобств, создаваемых эксплуатацией таких отстойников, в настоящее время
проектируются и строятся исключительно отстойники непрерывного действия.
Фиг. 297
Из сущности работы и назначения отстойников следует, что для получения
удовлетворительного эффекта осаждения необходимо пребывание в отстойниках
воды определенного качества в течение определенного времени; последнее за-
висит от характера взвеси, температуры воды, степени требуемого удаления мут-
ности и характера последующих процессов обработки.
Каждая частица, взвешенная в потоке, находится под влиянием ряда сил
и в частности под влиянием силы тяжести, вследствие чего стремится двигаться
вниз со скоростью, зависящей от величины, удельного веса и формы ее; ско-
рость эта также зависит от вязкости и сопротивления воды.
Сферические частицы осаждаются быстрее, чем частицы неправильной формы;
коллоидальные частицы так малы, что влияние их сил тяжести ничтожно, если
они не собраны в группы (коагуляция). Песок осаждается быстро; частицы мел-
кой глины и коллоиды осаждаются с трудом и требуют для осаждения не только
коагуляции, но и достаточного времени пребывания их в отстойнике.
Поскольку отстойник проектируется для задержкивзвеси, необходимо знать
не только максимальное количество взвешенных веществ вводе(в миллиграммах’на
литр), но и характеристику взвеси, т. е. насколько она однородна, быстро или мед-
ленно выпадает, скорость, с которой выпадает определенный процент взвеси,
16 Водоснабжение
и т. д. Последнее дает лишь относительное представление о взвеси, так как зависит
не только от состава взвеси, но в значительной мере и от температуры воды.
Данные табл. 10 до некоторой степени характеризуют взвесь, встречающуюся
в воде.
Таблица 10
Диаметр Гидрав- лич. ве-
Название частиц взвеси частиц личина частиц Примечания
в мм при 10° (в мм'сек)
Крупный песок Средний песок Ил Мелкий ил ' Глина Очень мелкая глина . . . . 1,0000 0,8000 0,6000 0,5000 0,4000 0,3000 0,2000 0,1500 0,1000 0,0800 0,0600 0,0500 0,0400 0,0300 0,0200 0,0150 0,0100 0,0080 0,0060 0,0050 0,0040 0,0030 0,0020 0,0015 0,0010 0,0001 100,0 83,0 63,0 53,0 42,0 32,0 21,0 15,0 8,0 6,0 3,8 2,9 2,1 1,3 0,62 0,35 0,154 0,098 0,055 0,0385 0,0247 0,0138 0,0062 0,0035 0,00154 0,0000154 Крупный песок взвесью может быть назван лишь условно Данные согласно опытам Газена Данные, полученные интерполя- цией По формуле Уайлея и др.
Указанное в табл. 10 разграничение является условным; собственно строгого
разграничения между фракциями нет.
Гидравлическая величина — скорость выпадения частиц в миллиметрах
в секунду при температуре 10° — для более крупных частиц может быть найдена
опытом; что касается диаметра частиц, то определение их затруднительно, и при-
веденные данные, полученные главным образом теоретическим путем, следует
рассматривать только как иллюстрацию к вопросу, тем более, что данные таблицы
относятся к отдельным частицам, выпадающим изолированно друг от друга.
Для отдельных частиц при диаметре их меньше 0,1 мм скорость выпадения
пропорциональна квадрату диаметра и подчиняется формуле Стокса, а при диа-
метре большем 0,1 мм—скорость выпадения пропорциональна диаметру частицы.
Условия выпадения коагулированной взвеси не изучены вследствие труд-
ности определения диаметра коллоидальных частиц, увеличения размера частиц по
мере их движения (хлопья по мере движения увеличиваются) и отсутствия дан-
ных о характере этого увеличения вследствие изменения плотности частиц (хлопья
коагулянта при движении сорбируют взвешенные вещества, имеющие большую
плотность, чем сами хлопья) и отсутствия данных, выражающих характер такого
изменения вследствие увеличения скорости движения, и т. д.
Укрупнение хлопьев коагулянта играет исключительную роль в процессах
осаждения в отстойниках в системах водоснабжения, но установление здесь опре-
деленной закономерности встречает пока значительные трудности.
На процесс осаждения оказывает большое влияние вязкость воды, особенно
для частиц диаметром до 0,1 мм. Влияние вязкости подтверждается и формулой
24?
Стокса; скорость осаждения резко увеличивается при повышении температуры
воды (уменьшается вязкость). Так, например, при изменении температуры от О
до 30° скорость осаждения благодаря изменению вязкости увеличивается в
2,3 раза.
Характер взвеси и удельный вес отдельных частиц имеют влияние на скорость
и, следовательно, на эффект осаждения (при увеличении удельного веса вдвое
скорость осаждения возрастает в 12 раз).
Большая часть минеральных частиц, взвешенных в воде, имеет удельный
вес от 1,1 до 2,9; удельный вес кварцевого песка 2,65. Определенное влияние на
скорость осаждения имеет и концентрация частиц взвеси.
Таким образом, хотя теоретические сведения о самой взвеси необходимы, но
они, особенно при коагуляции, не дают достаточных данных для проектирования
отстойника, в котором явления движения взвеси осложняются еще вихревым дви-
жением отдельных потоков и струй воды, в особенности при впуске ее в отстой-
ник, конвекционными токами, вызываемыми различием в температурах и т. д.
Для выпадения взвеси в отстойнике требуются определенное время отстоя
и определенные скорости движения воды. Обычно в отстойниках вода движется
с очень малыми скоростями, и здесь движущийся поток имеет тенденцию прохо-
дить наикратчайшим путем от впуска к выпуску, оставляя более или менее зна-
чительную часть отстойника по существу неиспользованной. Многочисленные
опыты и наблюдения подтвердили, что время фактического пребывания воды в от-
стойниках значительно меньше расчетного времени и действительные скорости
движения воды в сечении отстойника сильно отличаются от расчетных или тео-
ретических скоростей. Из этого следует, что сооружаемые отстойники исполь-
зуются неполностью, а это ведет к непроизводительным затратам средств и строи-
тельных материалов; сильное же увеличение скоростей движения воды, связанное
с тем, что отстойник работает неполным сечением, ухудшает условия выпадения
взвеси.
Конструкция отстойника для определенного времени отстоя при наименьшей
строительной стоимости не всегда является наиболее целесообразной и наиболее
экономически выгодной. Естественно, что со строительной стоимостью необхо-
димо считаться, однако, весьма существенным здесь должен быть и результат
работы сооружения — эффект осаждения.
Улучшая теми или иными путями эффект осаждения взвеси в отстойнике,
мы в ряде случаев в то же самое время могли бы уменьшить время отстоя и увели-
чить пропускную способность системы.
Основное при изучении отстойников — это уточнение вида конструкции и от-
дельных элементов отстойников с тем, чтобы эти сооружения при возможно мень-
шем объеме давали возможно лучший эффект работы.
Так как фактическое время отстоя меньше расчетного, а действительные ско-
рости движения воды соответственно больше расчетных, то техническая мысль
направлена к изысканию таких конструкций отстойников, при которых действи-
тельные скорости возможно меньше отличались бы от теоретических или расчет-
ных и действительное время пребывания воды в отстойнике возможно меньше от-
личалось бы от теоретического или расчетного. Результаты целого ряда исследова-
ний, используемые уже в расчетах и при проектировании отстойников, позволяют
уяснить влияние отдельных элементов отстойников и их величин, а также отдель-
ных явлений движения воды в отстойниках на эффект работы последних. Так как
эффект работы отстойника является результатом совокупности происходящих
в нем процессов, то необходимо каждое из явлений изучить в отдельности в опре-
деленной последовательности и, найдя соответствующие им закономерности или
зависимости, дать для создания рациональной конструкции отстойника синтез
всего явления в целом.
§ 7. Коэфициент использования отстойника
Время отстоя, принимаемое при проектировании отстойников, является лишь
теоретическим или, точнее, условным термином, дающим известный подход к опре-
делению емкости отстойников. При различных условиях эта теоретическая вели-
чина соответствует действительному или фактическому времени пребывания воды
в отстойнике лишь в меньшей или большей степени. Целесообразность конструк-
ции отстойника, а также и эффект работы его при определенных условиях
взаимно связаны с отношением фактического времени прохождения в нем
струй воды к теоретическому времени, ибо увеличение фактического времени
пребывания воды в каждом отстойнике может быть результатом лишь более
полного использования емкости и сечения отстойника.
Последнее связано с фактическим уменьшением действительных скоростей
движения воды, т. е. созданием более благоприятных условий для выпадения
взвеси.
Обозначив фактическое время прохождения струй воды через отстойник Вф,
В
теоретическое—Вт , условимся называть отношение коэфициентом исполь-
зования отстойника (объемным).
Если бы можно было допустить, что емкость отстойника при некоторых усло-
виях используется правильно движущимися по его сечению струями полностью,
то коэфициент использования его в этих
условиях был бы равен единице и, следо-
0 вательно, действительная скорость движе-
ния воды в отстойнике не отличалась бы от
теоретической или расчетной.
Практически коэфициент использова-
ния отстойника бывает часто достаточно
фиг. 298 фиг. 299
низким. Максимальное значение его в выстроенных сооружениях в зависимости
от вида сооружения доходит до 0,5 и лишь для отдельных конструкций — выше
при наличии для этого специальных условий. Процент задержки взвеси нормально
должен быть в пределах 75 — 80%, но он, конечно, зависит от местных условий и
от абсолютного количества взвеси в воде.
§ 8. Скорости движения воды в вертикальном и горизонтальном
отстойниках
На фиг. 298 изображена схема вертикального отстойника обычной конструк-
ции: а — отстойник, б — центральная труба, в — труба, подающая воду в цен-
тральную трубу, г — круговой переливной жолоб, из которого осветленная вода
поступает на фильтр, ж — труба для выпуска осадков.
На фиг. 299 изображена схема горизонтального отстойника обычной
конструкции: а — отстойник, б — впуск, в — выпуск, г — труба для выпуска
ос адков.
В вертикальных отстойниках осветляемая вода движется снизу вверх, а в го-
ризонтальных — от впуска к выпуску или, грубо говоря, в горизонтальном на-
правлении.
Иногда цилиндрические отстойники большого диаметра (например со скреб-
ками Дорра) называют вертикальными, хотя по существу они часто обусловли-
вают движение, более близкое к горизонтальному; поэтому отстойники, у которых
вода от входа к выходу движется в основной своей массе под углом к горизонту
меньше 45°, следует скорее отнести к горизонтальным типам.
Уточнение величины скорости восходящего движения воды в вертикальных
отстойниках имеет большее значение, чем то же для скорости поступательного
движения в горизонтальных отстойниках.
В горизонтальных отстойниках скорость движения воды имеет весьма широ-
кие пределы, колеблясь от малых величин в 2 — 3 мм/сек до 35 — 40 мм/сек
(редко); скорость движения воды в выполненных вертикальных отстойниках ко-
леблется в очень узких пределах, примерно около 0,5 — 0,75 мм/сек. Величина
скорости должна быть такой, чтобы эта скорость обеспечивала выпадение хлопьев
коагулянта с увлекаемыми взвешенными веществами. Рассматривая движение
отдельных хлопьев коагулянта с увлекаемыми взвешенными частицами, следует
заметить, что движение это в горизонтальных и вертикальных отстойниках про-
текает в разных условиях. Элементарно это может быть представлено так: отдель-
ные хлопья в горизонтальных отстойниках движутся в горизонтальном направле-
нии с составляющей скоростью (движения воды в отстойнике) и в вертикальном
направлении с составляющей скоростью г2 (фиг. 300); последняя обусловлена ве-
личиной, удельным весом и формой рассматриваемых хлопьев, величиной, формой,
удельным весом и характером частиц, находящихся во взвешенном состоянии
и увлекаемых хлопьями коагулянта, удельным весом, вязкостью и сопротивле-
нием воды (ведущими к уменьшению щ). Силы, действующие на частицу при ее
движении в неподвижной жидкости с неизменной скоростью, характе-
ризуются уравнением:
где й — диаметр частицы,
рх — плотность частицы,
р2 — плотность ВОДЫ,
ф— коэфициент сопротив-
ления.
Левая часть уравнения
представляет собой силу веса
и давление жидкости, а пра- Фиг 300 фиг 301
вая — сопротивление шарооб-
разной частицы, двигающейся в жидкости с постоянной скоростью г2. Сила
веса направлена вниз, а давление жидкости и сопротивление вверх. Для
очень малых скоростей и размеров частиц взвеси уравнение им.еет вид
4 ( а \3
ТТС\Т/ = (по Стоксу),
где и. — абсолютная вязкость.
Как отдельные хлопья, так и отдельные увлекаемые ими частицы могут быть
настолько малы, что не смогут осесть до тех пор, пока не будут в процессе отстаи-
вания собраны в более крупные группы.
При элементарном представлении явления выпадения взвеси в движущейся
жидкости оседание частиц происходит с равнодействующей скоростью г, причем
хлопья с увлекаемыми ими взвешенными частицами, перемещаясь ко дну отстой-
ника, осядут на нем тем скорее, чем г2 больше и меньше. Фактически же вслед-
ствие вихревых движений, особенно вблизи стенок, перегородок и пр., и темпера-
турных влияний движение отдельных хлопьев будет искажено, но все же при до-
статочно малых значениях (пределы зависят от крупности и характера взвеси)
осаждение сможет иметь место при отстойнике соответственно большой длины.
Отдельные хлопья в вертикальных цилиндрических отстойниках движутся
вертикально по направлению снизу вверх с вертикальной составляющей скоро-
стью щ (фиг. 301) движения воды в отстойнике и вертикально по направлению
сверху вниз с составляющей скоростью у2. Последняя обусловлена, как и в пер-
вом случае, величиной, весом и формой рассматриваемых хлопьев, величиной,
формой, удельным весом и характером увлекаемых взвешенных частиц и удель-
ным весом, вязкостью и сопротивлением воды. И в этом случае отдельные хлопья
и отдельные увлекаемые ими частицы могут быть настолько малы, что они не смо-
гут осесть, пока не будут в процессе отстаивания собраны в более крупные груп-
пы. Движение хлопьев в этом случае совершается с равнодействующей ско-
ростью V, имеющей вертикальное направление и равной п2 —
Для выяснения величины скорости движения определенных частиц в неподвижной
жидкости существует ряд данных, полученных в результате специальных исследований.
Однако ' пользоваться этими данными оказалось затруднительным, ибо размеры
хлопьев коагулянта (диаметр соответственного шарика) трудно установить, а при выпа-
дении эти хлопья, обладая сорбирующей способностью, движутся не с постоянной ско-
ростью, а с увеличивающейся и, кроме того, захватывают на пути своего движения мел-
кую взвесь и, следовательно, увеличивают свой удельный вес; далее имеет место движе-
ние самой жидкости и т. п.
При движении взвеси в вертикальном отстойнике для подавляющего боль-
шинства хлопьев может быть три случая:
VI > Г2; = у2 и < у2.
При 1\ > у2 хлопья коагулянта будут уноситься с отстойника на фильтры
и должного эффекта отстаивания в смысле задержки взвешенных веществ в ре-
зультате работы отстойников получено не будет (осядет лишь такая крупная
взвесь, как песок и т. п.).
Случая, когда гх = г2, для всех хлопьев в практике встретиться не может,
так как образование хлопьев по природе своей таково, что одни из них будут бо-
лее крупными, другие—менее крупными, в таком случае часть хлопьев будет осе-
дать, а часть уноситься с отстойника на фильтр, во всяком случае эффект работы
отстойника будет неудовлетворительным.
При < у2 хлопья будут оседать в самом отстойнике, и эффект работы по-
следнего будет наиболее удовлетворительным.
Таким образом, для получения удовлетворительной
работы вертикального отстойника скорости восхо-
дящего движения воды в нем (действительная вели-
чина) должны быть меньше действительной скорости
выпадения нормальных хлопьев (предполагается, естественно,
правильное ведение процессов коагулирования и правильное хлопьеобразование).
Определения допустимой скорости движения воды производились на основе наблюде-
ний за движением нормальных хлопьев в стеклянных цилиндрах, наполненных водой, с
применением нормальных доз коагулянта, соответствующих содержанию в воде взвешен-
ных веществ.
Результаты наблюдений за движением хлопьев приведены в табл. 11.
Т а б л и ц а 11 •
Температура воды 4—6° 11° 15°
Прозрачность в си 5 6 6
Взвешенные вещества в мг/л 224 193 191,5
Доза коагулянта в мг',л 50 50 50
Скорость движения крупных хлопьев в мм1сек 1,6 1,75 1,77
Скорость движения мелких хлопьев в мм-се;: 0,63 — 0,56
Так как процессы коагулирования и отстоя должны протекать в условиях нормаль-
ного и хорошего хлоиьеоЗразования, то в основу дальнейших выводов положена скорость
движения именно крупных нормальных хлопьев.
Скорость движения крупных хлопьев оказалась равной в среднем!,7 мм!сек.
Следовательно, для осаждения частиц необходимо, чтобы действительная
скорость движения воды в вертикальном отстойнике была меньше 1,7 мм)сек.
Термин «действительная скорость движения воды» в практике расчетов не
принят; принимаемая в расчетах скорость движения не есть действительная ско-
рость, — в результате неполного использования отстойника она лшого меньше
действительной, поэтому было бы правильно скорость, положенную в основу
расчета, называть «условной расчетной скоростью движения воды в отстой-
нике».
Вертикальный отстойник обычной конструкции в условиях практической
работы имеет коэфициент использования около 0,50. Это значит, что действитель-
ная скорость движения воды может быть с некоторой погрешностью принята рав-
ной удвоенной условной расчетной скорости. Так как согласно проведенным иссле-
дованиям действительная скорость должна быть меньше 1,7 мм/сек, то условную
расчетную скорость движения воды в вертикальном отстойнике не следует прини-
мать больше 0,65 — 0,75 мм/сек.
Также можно наметить приемлемые скорости для расчета отстойников, ра-
ботающих в других условиях, так как рассмотренные принципиальные положе-
ния остаются справедливыми и независимо от коагуляции, например для отстой-
ников в системах умягчения и т. д.
С изменением характера взвеси изменяются значения скоростей, время отстоя
и т. д. В дальнейшем с увеличением коэфициента использования отстойников
можно будет увеличить и скорости движения в них воды.
Возвращаясь к элементарному представлению о движении взвеси в горизон-
тальных отстойниках, можно допустить, что при отсутствии вихрей частица взвеси
будет перемещаться по направлению равнодействующей скорости V.
Здесь также может быть рассмотрено несколько случаев: а) если направление
равнодействующей скорости пересекает дно, частица осаждается; б) если не пере-
секает — частица может быть вынесена. Частицы, достигшие дна отстойника в са-
мом конце его, являются наименьшими по величине частицами, которые должны
быть задержаны отстойником. Для таких частиц скорости могут быть опреде-
лены из отношения
У8 = й
Г1 “ / '
Предельная скорость выпадения этих частиц
В вертикальных отстойниках г2 должно было быть больше 1\. Так как в
горизонтальных отстойниках величина Н колеблется от 3,5 до 6 м, а I в 10
и более раз превышает эту величину, то ясно, что величина г2 в горизон-
тальных отстойниках во много раз меньше или иначе в горизонтальных
отстойниках во много раз больше, чем в вертикальных.
В горизонтальном отстойнике струй ность движения, или нарушение
равномерности движения по всему сечению, обусловленное влиянием впуска или
выпуска воды, наличием или отсутствием перегородок, различием температур
воды, находящейся в отстойнике и поступающей в него, наличием «застойных»
пространств и т. д., имеет место в большей степени, чем в вертикальном.
При осаждении коагулированной взвеси считают, что при отношении
около 10 скорость
порядка 20 скорость
шем 20, — 12 мм!сек.
не должна превышать 5 мм/сек, при том же отношении
не должна превышать 10 мм/сек и при , боль-
При осаждении взвеси без коагуляции для упомяну-
тых отношенийта же скорость рекомендуется в пределах 0,5, 1 и 1,5 мм/сек.
В зависимости от величины скорости, но существу не горизонтальной, может
возникать вертикальная ее составляющая, тормозящая выпадение взвеси. Обычно
скорости движения воды в горизонтальных отстойниках принимаются не выше
10 — 12 мм)сек, хотя известны отстойники, работающие со значительно большими
скоростями.
Следует иметь в виду, что неравномерность движения и струйность приводят
к увеличенным действительным скоростям по сравнению с принятыми при
проектировании, с другой стороны, мероприятия, улучшающие характер распре-
деления струй по сечению отстойника в смысле выравнивания их по всему
сечению, создают условия для лучшего эффекта осаждения взвеси.
§ 9. Вертикальные отстойники
Вертикальные отстойники имеют большое распространение в водоснабжении
на жел.-дор. транспорте, а так как стоимость отстойников составляет значитель-
ную часть стоимости сооружений для обработки воды, то на вертикальных отстой-
никах необходимо остановиться подробнее. Для суждения о степени равномерно-
сти распределения струй по горизонтальному сечению отстойника служит коэфи-
циент использования отстойника. Последний взаимно связан с эффектом работы
отстойника, поэтому зависимость его от ряда факторов чрезвычайно важна.
Влияние распределения плотностей воды. Коэфи-
циент использования отстойника зависит от распределения плотностей воды в нем,
или иначе — температур воды, поступающей и находящейся в нем, коэфициент
использования зависит от величины разности этих плотностей.
Вода, находящаяся в вертикальном отстойнике в системе для обработки питье-
вой воды, обычно имеет температуру, близкую к температуре воды, вступающей
в отстойник. При умягчении воды с подогревом и поступлении в отстойник
(реакционный резервуар) подогретой воды гидравлический режим его ухуд-
шается. Следует стремиться к тому, чтобы поступающая в отстойник вода не
засасывала на своем пути воздуха, так как это приводит к уменьшению плотности
воды, поступающей в отстойник, и к уменьшению коэфициента использования его.
Хотя теоретически предполагается, что вода движется снизу вверх сплошь
по всему сечению вертикального отстойника с некоторой достаточно малой рас-
четной скоростью, но фактически это не имеет места. В одних местах отстойника
вода движется со скоростью значительно большей, в других значительно мень-
шей. Условия движения потоков различны при различном распределении темпе-
ратур воды, поступающей и находящейся в отстойнике.
При поступлении в отстойник менее плотной воды по сравнению с водой,
находящейся в нем, потоки поступающей воды (более легкой) при выходе из цен-
тральной трубы будут устремляться к выпуску. Последнее может иметь место
в отстойниках на станциях умягчения с предварительным подогревом. В этом слу-
чае вследствие некоторого охлаждения вода в отстойнике может иметь меньшую
температуру, чем подогретая вода, поступающая в него.
Более удаленное от центральной трубы пространство в нижней части отстойника и
кольцевое пространство у стенок отстойника представляют собой при указанном распре-
делении температур ^застойное» пространство.
Потоки поступающей в отстойник воды, имеющей плотность, равную плот-
ности воды, находящейся в отстойнике, по выходе из центральной трубы движутся
в основной массе в кольцевом пространстве между центральной трубой и стен-
ками цилиндра, не достигая последних. Рассматриваемый характер движения
имеет место обычно в отстойниках в системах для обработки питьевой воды.
Неработающим местом в этом случае является некоторый объем у самого дна, зна-
чительно меньший, чем в первом случае, объем кольцевого пространства у самых стенок
цилиндра, и некоторый незначительный объем кольцевого пространства у центральной
трубы.
Если бы на отстойник поступала вода, имеющая большую плотность, чем
плотность воды в отстойнике, то потоки поступающей воды по выходе из централь-
ной трубы устремлялись бы в самую нижнюю часть отстойника и, будучи затем
вытесняемы из занятого пространства следующими потоками, более или менее
равномерно двигались бы по направлению снизу вверх со скоростями, примерно
одинаковыми в одном и том же горизонтальном сечении. Это не имеет места в вы-
полненных установках, но имеет большое принципиальное значение. Для послед-
него случая коэфициент использования приближался бы к единице.
В существующих конструкциях вертикальных отстойников наиболее высокий
Фиг. 302
коэфициент использования их получается в том случае, если поступающая вода
имеет плотность, равную плотности воды, находящейся в отстойнике, при этом
скорости движения у центральной трубы большие, чем скорости движения у стен
отстойника; в отдельном концентрическом слое воды скорости примерно одина-
ковы и по мере приближения к поверхности воды в отстойнике они уменьшаются.
Температура воды, обусловливающая ту или иную вязкость, отражается на
коэфициенте использования, с уменьшением вязкости облегчается струйность
протока. Правильно сконструированный вертикальный отстойник (фиг. 298) дол-
жен на основании опытов иметь коэфициент использования около 0,5.
Влияние осадков на работу отстойника. В эксплуа-
тации отстойников обычно считают бесспорным, что чем меньше имеется на дне
отстойника грязевых отложений, тем лучший
результат его работы будет получен. Однако
установлено, что накопление грязевых отло-
жений в отстойниках при определенных
условиях приводит к резкому улучшению их
работы.
При задержке в отстойниках коагулиро-
ванной взвеси грязевые отложения, состоя-
щие частично из окислов железа (осаждение
глинистых частиц и пр.) и главным обра-
зом из окислов алюминия, при определенном
их накоплении в нижней части отстойника
(выше конца центральной трубы), допуская
прохождение через себя воды, могут задер-
живать хлопья коагулянта и взвешенные ве-
щества, т. е. здесь может иметь место филь-
трация воды, поступающей на отстойник че-
рез образовавшийся в нижней его части взве-
шенный фильтр из хлопьев с большой поверх-
ностью.
Некоторое значение имеет здесь то обстоя-
тельство, что струи воды, проходя через слой
грязевых отложений при значительных дозах
коагулянта (и извести), приподнимают и
увлекают с собой отдельные частицы осадка;
последние, поднявшись на некоторую высоту,
начинают опускаться; таким образом, осуще-
ствляется тесный контакт между частицами
воды и выпавшими в осадок хлопьями; имеют
ция, дополнительное укрупнение частиц и дальнейшее образование осадка,
обладающего определенной сорбирующей способностью.
При определенном накоплении грязевых отложений в нижней части верти-
кального отстойника, при определенном распределении частиц воды, выходящих
из центральной трубы отстойника, по отношению к этим грязевым отложениям
и определенном составе и характере последних может быть достигнута чрезвы-
чайно высокая прозрачность выходящей из отстойника воды. Указанное обстоя-
тельство сможет привести к разгрузке фильтров, а в ряде случаев и к исключе-
нию их из схемы обработки воды, а также к возможному уменьшению объема от-
стойников.
В настоящее время намечаются отдельные элементы конструкции для накоп-
ления и постепенного выпуска осадков. На фиг. 302 изображена одна из таких
конструкций, предложенная инж. Тетеркиным. Подвод воды в отстойник осуще-
ствляется снизу в расширяющуюся часть дополнительного устройства, назван-
ного автором диффузором; накопляющийся в последнем осадок и выполняет роль
взвешенного фильтра.
Влияние скорости движения воды в централь-
ной трубе вертикального отстойника на его работу.
место дополнительная
При очень больших скоростях движения воды в центральной трубе выходящий
из нее поток ударяется о дно отстойника, приобретает отраженное движение и, не
заполняя всей нижней части, стремительно движется главным образом в средней
части отстойника по направлению снизу вверх, достигая переливных желобов от-
стойника через очень короткие промежутки времени.
С уменьшением скорости движения воды в центральной трубе указанный
выше «удар» потока воды, выходящего из центральной трубы, становится все ме-
нее и менее сильным и, наконец, при скоростях примерно в 75 — 100 м/ч уже во-
все не имеет места.
При дальнейшем значительном уменьшении скорости выходящий из централь-
ной трубы поток уже не представляет собой сплошного столба воды, а при-
обретенная частицами воды по выходе из центральной трубы скорость недоста-
точна для образования таких горизонтальных потоков, которые, распределяясь
в нижней части отстойника, достигали бы его стенок.
Таким образом, скорость движения воды в центральной трубе вертикального
отстойника влияет на его работу. С уменьшением диаметра отстойника запас ки-
нетической энергии в частицах воды при выходе их из центральной трубы, необхо-
димый для достижения частицами стенок отстойника, должен быть меньшим. При
большей высоте отстойника влияние скорости движения воды уменьшается, ибо
самый факт увеличения высоты отстойника создает лучшие условия для распре-
деления струй воды по его сечению.
Впредь до дальнейшего уточнения скорость движения воды в центральной
трубе вертикального отстойника может быть рекомендована в пределах 100 —
150 м[ч; меньшая скорость — для отстойников меньшего диаметра и большая —
для отстойников большего диаметра.
Наличие всякого рода успокоителей в нижней части отстойника уменьшает
влияние скорости движения воды в центральной трубе отстойника.
Влияние длины центральной трубы в вертикаль-
ном отстойнике на его работу. Величина расстояния от нижнего
края центральной трубы вертикального отстойника до его дна отражается на
коэфициенте использования отстойника. Расстояние это рекомендуется принимать
равным примерно х/4 высоты отстойника.
Влияние скорости движения в трубопроводе, под-
водящем воду к центральной трубе. Скорость движения воды
в трубопроводе, подводящем воду к центральной трубе вертикального цилиндри-
ческого отстойника, не влияет на коэфициент использования последнего.
В тех случаях, когда вода будет поступать на отстойник из камеры реакции
с образовавшимися уже хлопьями коагулянта, скорость в подводящей трубе во
избежание разрушения хлопьев не должна превышать 0,6 м)сек.
При больших скоростях движения воды в рассматриваемой трубе близ места
присоединения ее к центральной трубе образуются сильные вихревые движения,
ведущие к засасыванию частицами воды воздуха и уменьшению, таким образом,
плотности поступающей на отстойник воды.
Присоединение трубы, подающей воду, к центральной трубе, необходимо осу-
ществлять ниже уровня воды в отстойнике, причем расстояние от уровня воды
в отстойнике до этой трубы должно быть тем большим, чем больше скорость дви-
жения воды в последней.
Можно рекомендовать принимать это расстояние равным 0,5 — 0,75 м при
скоростях в трубе, подающей воду, близких к 1 м/сек, и равным 1 м при
больших скоростях.
Влияние отдельных элементов конструкции вер-
тикального отстойника на его работу. Изменение распре-
деления потоков воды по выходе из центральной трубы в вертикальном отстой-
нике приводит к изменению коэфициента использования отстойника. Наличие
опор, балок и тому подобных устройств внутри вертикального отстойника
приведет к изменению распределения потоков, вызывающему ухудшение коэфи-
циента использования отстойника.
Изменение движения потоков воды по выходе из центральной трубы в верти-
калькой отстойнике, направленное к возможно полному распределению этих пото-
ков в горизонтальных сечениях отстойника, приводит к улучшению коэфициента
ипользования последнего. Кромка переливного жолоба должна быть строго гори-
зонтальна, чтобы перелив был одинаков по всей окружности жолоба. Нижняя
кромка центральной трубы также должна быть горизонтальна.
Влияние условий поступления воды на верти-
кальные отстойники (и с отстойников на фильтры)
на их р а б от у. Конструкция тех элементов сооружения (например лотка),
откуда берут начало трубопроводы, подводящие воду на каждый из отстойников,
должна быть такова, чтобы была исключена возможность попадания в отстойник
воздуха вместе с водой.
Попадание воздуха с водой, поступающей с отстойника на фильтр, крайне
вредно отзывается на работе последних. В отдельных местах распределительной
сети, подводящей воду с отстойников на фильтры, могут образоваться воздушные
мешки, и питание фильтров водой будет протекать в ненормальных условиях.
Кроме того, воздух, будучи частично растворен в воде и попадая в песок
фильтра, в некоторой своей части пройдет с водой через дренаж фильтра, в другой
же части в зависимости от температурных условий и давления может выделяться
в песке и именно в верхних его слоях, в этом случае он увеличивает сопротивле-
ния движению воды, увеличивает Потерю напора в фильтре и иногда в такой силь-
ной степени, что производительность последнего или продолжительность одного
периода работы чрезмерно уменьшается.
Также имеет большое значение и конструкция выпуска воды с отстойника или
конструкция сопряжения этого выпуска с трубопроводом, ведущим воду на
фильтры. Часто отстойники попарно соединены между собой, так, что вода, пере-
ливаясь в круговые желоба, попадает из последних в общий (для каждого из двух
отстойников) «карман». Дно последнего имеет отверстие, служащее началом тру-
бопровода распределительной сети, направляющей воду на фильтры. Высота
слоя воды в таком «кармане» от дна его (фиг. 303) должна составлять не менее
0,5 — 0,75 м с тем, чтобы в этом месте была исключена возможность засасывания
воздуха.
Влияние величины диаметра вертикального (ци-
линдрического) отстойника на его работу. Коэфициенты
использования вертикальных цилиндрических отстойников различных диаметров
при всех одинаковых условиях не равны между собой: они уменьшаются с увели-
чением диаметра отстойников и увеличиваются с уменьшением диаметра их.
Лишь в отстойниках малых диаметров может наблюдаться движение, близкое
к равномерному движению, распространенному по всему сечению отстойника;
с увеличением диаметра отстойника при той же высоте движение становится все
более и более неравномерным; чем больше диаметр отстойника, тем меньшая часть
его используется.
На фиг. 304, достаточно наглядно (но не совсем точно) воспроизводящей ха-
рактер движения воды в отстойнике, видно, что с увеличением диаметра верти-
кального цилиндрического отстойника увеличивается объем неиспользованной
его части. Несомненно, и в этой части имеет место движение отдельных струй воды,
но эти струи отстают в своем движении от всей массы воды, и указанный об ьем
отстойника практически используется мало.
Влияние формы вертикального отстойника (ци-
линдр, прямоугольный параллелепипед) на его ра-
боту. Опытами установлено, что коэфициенты использования вертикального
цилиндрического отстойника и вертикального отстойника квадратного попереч-
ного сечения при одинаковой высоте отстойников и равных площадях попереч-
ного сечения одинаковы; характер движения струй в обоих отстойниках оди-
наков.
Влияние высоты вертикального отстойника на
его работу. Высота отстойника оказывает огромное влияние на его работу;
с увеличением высоты вертикального отстойника увеличивается и коэфициент его
использования.
Наблюдения за характером движения струй показали, что по выходе из цен-
тральной трубы они движутся в нижней части отстойника и распределяются здесь
примерно одинаково независимо от того, какова высота отстойника (при неизмен-
ных прочих условиях); некоторая определенная часть отстойника внизу мало ис-
пользуется.
Деталь латнв
Фиг. 303
Фиг. 304
На некоторой высоте от дна, одинаковой для отстойников с различными вы-
сотами, движение распространяется на большей площади поперечного сечения
отстойника, увеличивающейся по мере удаления от нижней части отстойника.
Таким образом, по мере удаления от нижней части отстойника движение струй
воды все более и более приближается к равномерному, сечения отстойника, рас-
положенные выше, используются все более и более и на некоторой высоте от дна
движение происходит почти по всему
сечению отстойника; при приближе-
нии к желобам струи устремляются
к ним.
Влияние конструкции впуска воды (система цен-
тральных т р у б)в вертикальном отстойнике на его
р а б о т у. На работу вертикального отстойника оказывает влияние конструкция
впуска воды. Измененная против обычной конструкция впуска изображена на
фиг. 305. Вода, подлежащая отстаиванию, поступает в среднюю трубу, закрытую
снизу. Из средней трубы вода попадает в три трубы, выполняющие роль централь-
ных труб отстойника. Скорости в этих трубах равны 75 — 120 м/ч.
Движение струй в отстойнике группируется вокруг каждой из центральных
труб, что в совокупности приводит к сильному увеличению коэфициента исполь-
зования, лучшему использованию емкости отстойника и, следовательно, к луч-
шему эффекту его работы. Число труб может быть запроектировано в зависимости
от диаметра отстойника.
Влияние конструкции выпуска воды (система
переливных желобов) в вертикальном отстойнике на
его работу. Обычной конструкцией, осуществляющей прием воды с верти-
кального цилиндрического отстойника, является круговой переливной жолоб,
расположенный в верхней части отстойника по его внешней окружности.
При установке дополнительных переливных (радиальных) желобов, идущих
от центральной трубы к стенкам отстойника (фиг. 305а), слив воды с последнего
осуществляется не только по внешней окружности, но и с поверхности воды, с ко-
торой совпадают кромки радиальных переливных желобов.
Сравнение результатов работы отстойника с обычной конструкцией выпуска
и названной конструкцией показало резкое увеличение коэфициента использо-
вания (например с 43 до 72% и с 42 до 63%).
Сильное увеличение коэфициента использования отстойника с системой ра-
диальных желобов для выпуска воды является результатом изменения движения
струй в отстойнике, вследствие чего уже на небольшом расстоянии от дна отстой-
ника большая часть струй движется по направлению снизу вверх, распростра-
няясь почти по всему поперечному сечению отстойника.
§ 10. Принципы конструирования и проектирования вертикальных отстойников
Проектирование отстойников необходимо вести на основе технико-экономи-
ческих расчетов с учетом местных условий. Эти условия приводят к проектирова-
нию одного или нескольких отстойников (горизонтальных или вертикальных)
большей или меньшей емкости, большей или меньшей высоты, увязываемой с про-
филем местности и взаимным расположением сооружений, открытых или перекры-
тых, стоящих особо или находящихся в одном здании с фильтрами, и т. д. Поэтому
рекомендовать единый тип отстойников для всех случаев является невозможным.
К числу рациональных конструкций следует отнести:
1. Вертикальный отстойник обычной конструкции с малым отношением
н
не превышающим 1,5. Указанное отношение, как это следует из ряда опытов, ре-
зультаты которых приведены в табл. 12, гарантирует достаточно хороший коэфи-
циент использования.
Таблица 12
Отноше- ние О н Коэфициент использова- ния отстойников, полу- ченный в ряде опытов, в °/о
при скорос- ти движения воды 0,25 мм!сек при скорос- ти движения воды 0,40 мм(сек
1,5 65,4 62,5
2,0 55,7 51,6
2,5 50,6 49,0
2,75 43,8 42,0
3,50 30,0 19,9
Фиг. 3056
Принимая во внимание обычную среднюю высоту вертикального отстойника
около 5 — 6 м, при обычной конструкции впуска и выпуска воды можно рекомен-
довать диаметр отстойника около 7,5 — 9 м или несколько более.
2. Вертикальный отстойник квадратного поперечного сечения. Эти отстой-
В _
ники можно рекомендовать с отношением равным примерно 1,5. Представ-
н
ленные на фиг. 3056 кривые показывают изменения коэфициента использования
в зависимости от отношения В* к Н и В к Н.
3. Вертикальный отстойник секционного типа. Может представиться весьма
целесообразным проектирование одного прямоугольного вертикального отстой-
ника, состоящего из отдельных секций, из которых каждая представляет собой
вертикальный отстойник с квадратным поперечным сечением с малым отноше-
В ,<
нием — и с самостоятельным впуском и выпуском воды, каждая секция такого
н
отстойника будет работать с большим коэфициентом использования, и таким об-
разом, весь отстойник секционного типа будет работать с большим коэфициентом
использования. Впуск воды в каждый из отстойников может производиться из
общего жолоба или распределительного устройства и выпуск — в общую трубу,
соединенную с периливными желобами каждого из отстойников.
4. Вертикальный отстойник с впуском воды при помощи нескольких труб.
Эту конструкцию следует рекомендовать в тех случаях, когда при проектирова-
О -
нии отношение принимается оольшим 1,5; такую же конструкцию впуска реко-
мендуется применить и там, где уже выстроенные отстойники, имеющие большой
диаметр, работают неудовлетворительно.
5. Вертикальный отстойник с выпуском воды в систему переливных жело-
бов, равномерно распределенных у поверхности воды в отстойнике. Эту конструк-
цию рекомендуется применять в тех же случаях, как и конструкцию, указанную
в п. 4. Устройство радиальных желобов улучшает работу каждого отстойника не-
зависимо от его размеров. Стоимость желобов относительно мала, эффект же их
устройства значителен.
6. Вертикальный отстойник смешанной конструкции, где одновременно могут
быть применены и использованы преимущества отдельных названных конструкций.
В отдельных случаях может представиться целесообразным применить одно-
временно отстойник квадратного сечения с системой переливных желобов, отстой-
ник с несколькими центральными трубами и системой переливных желобов и т. д.
В каждом из проектируемых вертикальных отстойников скорости движения
воды в них, а равно и в центральных трубах, длины центральных труб, элементы
впуска воды в центральную трубу и отдельные элементы конструкции должны
соответствовать наилучФему гидравлическому режиму, ибо последний в значи-
тельной степени определяет и технологический эффект работы отстойников.
Выбор той или иной конструкции, как это было указано, должен осущест-
вляться в каждом отдельном случае на основе тщательного изучения местных
условий и экономики вопроса.
§11. Некоторые основания к технико-экономическому сравнению вертикальных
отстойников
Одним из основных измерителей при решении вопроса о целесообразности по-
стройки того или иного типа отстойников обычно является их стоимость, отнесен-
ная к 1 м3 часовой (суточной) производительности:
где 55 —стоимость, отнесенная к 1 л/3;
5—полная стоимость;
С) — расход.
Это положение может иметь исключение, например при сравнении стоимости
отстойников железобетонных и из бутового камня; последние даже при более низ-
кой стоимости нами не рекомендуются.
При проектировании могут сравниваться следующие варианты:
а) отстойники круглые в плане, расположенные в здании фильтров;
б) отстойники круглые в плане, расположенные вне здания фильтров;
в) отстойники квадратные, расположенные в здании фильтров;
г) отстойники горизонтальные прямоугольные, расположенные вне здания
фильтров.
На фиг. 306 представлены в разрезе вертикальные отстойники одной из стан-
ций обработки воды.
Вода подводится лотком из распределительного колодца в центральные трубы
отстойников. Отстоявшаяся вода из переливных желобов поступает в центральный
колодец и далее идет на фильтры.
Фиг. 306
Дно в рассматриваемой конструкции имеет малый уклон (в особых случаях
уклон принимают до 30 — 40°), из отстойников идут трубы для спуска осадков.
На фиг. 305а показано перекрытие отстойников, расположенных вне здания
фильтров.
На фиг. 307 и 307а показаны вертикальные отстойники с камерами образо-
вания хлопьев.
Фиг. 306а
В стоимость отстойников должны быть включены:
а) стоимость железобетонной конструкции отстойников;
б) стоимость центральных труб, трубопроводов и каналов, арматуры и про-
чего оборудования;
в) стоимость здания в соответствующей части (если отстойники расположены
внутри здания).
Круглые в плане отстойники, расположенные вне здания, необходимо пере-
крывать и утеплять. Перекрытие (чаще всего купол с фонарем) может быть до-
вольно сложным и требовать некоторого увеличения строительной высоты соору-
жения, ибо необходим доступ к желобам, трубам и т. д. для их монтажа и ремонта
и для наблюдения за работой отстойников. Указанные отстойники вне здания не-
сколько усложняют планировку всей станции обработки воды.
Фиг. 307
Фиг. 307а
Отстойники квадратные в плане обычно располагаются в здании, ибо они
позволяют осуществлять хорошую планировку внутри здания.
Сравнение отстойников с учетом результатов статического расчета,
учетом потребной площади и кубатуры здания для отстойников и для про-
кладки трубопроводов показало, что круглые отстойники обычно несколько
дешевле квадратных при объеме до 800 м3 и имеют примерно одинаковую
стоимость при несколько большем объеме, при объемах же свыше 1 000 м3
отстойники круглые в плане дороже квадратных.
Наименьшую стоимость в ряде случаев имели цилиндрические круглые
в плане отстойники, расположенные вне здания, несколько дороже такие же
отстойники, расположенные в здании, и еще несколько дороже отстойники
квадратные в плане, расположенные в здании.
Следует, однако, иметь в виду, что приведенные соотношения стоимостей не
являются совершенно обязательными для всех случаев. Планировка таких слож-
ных сооружений, как станции обработки воды, в особенности станции умягчения
воды, играет весьма существенную роль, могущую отразиться на экономике. По-
этому в настоящее время довольно часто встречаются стан-
ции с квадратными отстойниками. Окончательное решение
вопроса в каждом отдельном случае должно быть дано
в результате тщательного технико-экономического анализа.
§ 12. Расчет вертикальных отстойников
Если — расход, 5 — площадь поперечного сечения
отстойника или площадь в плане, у2 — вертикальная ско-
рость движения взвеси или хлопьев коагулянта, ух — вер-
тикальная скорость движения воды (расчетная) и — коэ-
фициент использования отстойника, то
~ — ух или -^= — .
Г ГТ] 7]
Для осаждения взвеси в отстойнике во избежание вы-
носа ее из него необходимо, чтобы
откуда
Истинное движение воды и взвеси в отстойнике происходит в отдельных ме-
стах по довольно сложным траекториям, что лишь в грубо осредненном виде учи-
тывается введением в формулу коэфициента использования отстойника. Опреде-
ление г2 после решения вопроса о том, какие взвешенные вещества и до каких
предельных их величин отстойник должен будет задержать, может быть проведено
лишь в лабораторных условиях и возможно в редких случаях (некоагулированная
взвесь) теоретическим путем.
В последнее время разрабатывался метод исследования взвеси прибором «интегра-
тор взвеси»1.
Прибор (фиг. 308) состоит из цилиндра 7 с исследуемой водой, чашечки 2, в которую
осаждается взвесь, и поплавка 3 с указателем — тонким стержнем 4; чашечка подве-
шена к поплавку на нити 5. Поплавок так подобран, что вместе с чашечкой находится
в равновесии. При осаждении взвеси последняя на глубине погружения чашечки (около
1,5 м) садится в ней, вследствие чего чашечка постепенно опускается. Глубина погружения
зависит от количества осадка, осевшего в чашечке, и отсчитывается по шкале 6. Резуль-
таты опытов выпадения взвеси изображаются в виде кривой (фиг. 309), строящейся на
основании наблюдений за движением чашечки.
Институт Водгео (инж. Б. Яснов).
17 Водоснабжение
257
Первый участок кривой (начало) — хлопьеобразование, второй (подъем кривой) —
процесс осаждения, третий — конечная стадия процесса осаждения. Участки кривых отра-
жают изменение скорости выпадения взвеси. Автором излагаемого метода определялись
и величины максимальных скоростей выпадения отдельных фракций или групп взвеси.
Дальнейшее углубление вопроса позволило автору дать начертание кривой осадка
(теоретической).
Возможно, что по освоении метода и прибора он, будучи использован в отстойнике
на некоторой глубине /г, позволит определять средние скорости, с которыми будут вы-
падать определенные фракции взвеси, с учетом реальных условий движения здесь воды
и взвеси.
Так как данные для отдельных видов взвеси и хлопьев коагулянта отсут-
ствуют или не систематизированы, то принимают теоретическое время пребы-
вания воды в отстойнике (для обычных условий при обработке питьевой воды
при наличии камеры образования хлопьев —2 часа, в редких случаях при на-
личии большого количества мелкой взвеси — больше), задаются на основе
высотной схемы возможным Н отстойника и определяют величину
®г3 600 Вт „ И .
—ТббсГ^-" или = мм1сек-
Последняя должна быть в пределах 0,5 — 0,75 мм)сек.
Если () в м3/ч, Р в м2, то
Фиг. 309
(?-1000 _ (]
”гг3 600 3,6 г.
м2.
Площадь центральных труб
7 3,6
где —скорость в центральной
трубе (в указанных вы-
ше пределах) в мм!сек.
Общая площадь сечения от-
стойников равна Р + /.
Далее намечается число от-
стойников и определяется диа-
метр О каждого из них и диа-
метр центральной трубы. От-
О
ношение должно соответство-
п
зать указанному выше: если это
не имеет места, то изменяют О
или осуществляют указанные
мероприятия по улучшению ко-
эфициента использования (ра-
диальные желоба и пр.).
§ 13. Горизонтальные отстойники
Горизонтальные отстойники на жел.-дор. транспорте могут найти более огра-
ниченное применение по сравнению с вертикальными.
Как уже указывалось, неравномерность движения здесь сказывается в боль-
шей степени, чем в вертикальных. Коэфициент использования в существующих
конструкциях колеблется в пределах от 0,20 до 0,50 (последний — в редких слу-
чаях).
Влияние температур воды здесь также имеет место; большое влияние на коэ-
фициент использования отстойника и на эффект его работы оказывают конструк-
258
ции впуска и выпуска. Для предупреждения струйгого течения воды, стремя-
щейся пройти от впуска к выпуску кратчайшим путем, минуя значительные объемы
отстойника, внутри последнего устраиваются перегородки.
На фиг. 310 показан ха-
рактер движения воды в
горизонтальном отстойнике.
Вверху изображено движение
струй при поступлении в от-
стойник более плотной воды,
внизу—менее плотной.
На фиг. 311 показан ха-
рактер движения воды в не-
большом отстойнике. На
фиг. 312 показан отстойник,
перегородки которого создают
несколько лучший характер
движения воды; здесь неза-
метно струй воды, стремящихся к впуску, как это имеет место в некоторых
из рассмотренных отстойников.
Отстойник водоумягчителя «Струя горизонтальная» (фиг. 276) в настоящее
время не проектируется, но встречается в ряде жел.-дор. водоснабжении.
Фиг. 311
Следует отметить, что инерция массы воды, поступающей в горизонтальный
отстойник со значительной скоростью, резко снижает эффект работы части от-
стойника вблизи впуска: осаждение здесь взвеси (за исключением крупной) вслед-
ствие больших скоростей движения воды затруднено. Эта часть отстойника дол-
жна быть сведена к возможному минимуму путем устройства наиболее рацио-
нального впуска.
а) Влияние верти-
кальных перегоро-
док в горизонталь-
ных отстойниках
Установлено, что коэфи-
циент использования гори-
зонтального отстойника без
Фиг. 312
вертикальных поперечных перегородок незначителен и что вертикальные попереч-
ные перегородки у горизонтальных отстойников способствуют более равномерному
распределению движущихся струй по сечению отстойника, способствуют созданию
более нормальных скоростей движения, ведут к улучшению коэфициента исполь-
зования отстойника, к улучшению эффекта осаждения взвеси.
Нужно думать, что в отдельных случаях при незначительном числе попереч-
ных перегородок, служащих для направления и распределения струй по всему се-
чению отстойника, эффект осаждения настолько улучшится, что процесс осажде-
ния сможет закончиться раньше, т. е. в этих случаях самый отстойник можно
будет выполнить более коротким. Естественно, что у отстойников большей длины
значение перегородок меньше, чем у отстойников меньшей длины. Влияние каж-
дой последующей перегородки меньше влияния предыдущей.
Количество перегородок может быть рекомендовано две-три, из них одна
в непосредственной близости от выпуска и одна-две у впуска и далее за ним. Коэ-
фициент использования горизонтальных отстойников с поперечными перегород-
ками и вертикальными щелями в них несколько выше, чем с горизонтальными ще-
лями, и лишь незначительно отличается от коэфициента использования отстойни-
ков с дырчатыми перегородками. Осуществление перегородок с вертикальными
щелями простое и устройство их в тех случаях, когда проектируются горизон-
тальные отстойники, может иметь место наравне с дырчатыми перегородками. Ско-
рости в щелях и отверстиях принимают в пределах 0,3 м/сек. В качестве конструк-
ции впуска и выпуска в горизонтальных отстойниках могут быть применены и
дырчатые желоба с отверстиями в дне. Эти отверстия могут быть выполнены и в бо-
ковой стенке жолоба. Скорости, значительно превышающие указанную, прини-
мать не следует, так как хлопья коагулянта будут разрушаться; в этом смысле
желательны более крупные отверстия, несколько расходящиеся в направле-
нии движения воды.
По мере удаления от впуска идет нарастание коэфициента использования (по
отдельным секциям) и лишь непосредственно у выпуска вследствие влияния по-
следнего — некоторое уменьшение его.
В практике проектирования горизонтальных отстойников встречаются от-
стойники с перегородками, не доходящими до низа и верха (фиг. 312).
Коэфициент использования секции, находящейся непосредственно за перего-
родкой, не доходящей до верха, значительно ниже остальных секций (не считая,
конечно, первой) вследствие большего движения струй в этой секции по верху.
Коэфициент использования всего отстойника сравнительно большой
(около 50%) и несколько больше коэфициента использования отстойника с верти-
кальными перегородками и вертикальными щелями в них.
Струи движутся вниз, вверх, снова вниз и снова вверх. Движение хлопьев
и взвеси, происходящее под влиянием равнодействующей ряда сил и ряда скоро-
стей, протекает поэтому в каждой секции в различных условиях — благоприят-
ствующих движению и неблагоприятствующих.
Эти различные условия, отличающиеся от аналогичных условий в прочих
горизонтальных отстойниках, тем меньше будут влиять на процесс и эффект осаж-
дения, чем тяжелее будет сама взвесь. Поэтому отстойники с чередующимися пе-
регородками, не доходящими до низа и верха, ведущими к созданию противопо-
ложных движений воды, можно допускать лишь при наличии тяжелой взвеси или
очень большого количества взвешенных веществ, когда вода, не освобожденная от
них, может иметь удельный вес несколько больший, чем вода осветленная.
В ряде случаев рекомендовался открытый горизонтальный отстойник с ок-
нами в поперечных перегородках. Такой отстойник запроектирован и построен
на ряде водопроводов, в частности в Донбассе, и показал плохую работу вслед-
ствие неблагоприятного гидравлического режима.
Кроме того, конструкция открытого отстойника способствует еще ухудше-
нию его работы. Отсутствие перекрытия ведет к нагреванию верхних слоев воды
летом и промерзанию их зимой, т. е. к изменению плотности воды в отстойнике
в верхних его слоях.
Отсутствие перекрытия может привести к развитию летом на поверхности от-
стойника (в застойной части) водорослей, к загрязнению верхних слоев воды в от-
стойнике и, как указано, к образованию зимой в отстойнике льда.
б) В лия н ие длины горизонтального отстойника
на его работу
Первая секция отстойников у впуска значительной роли в непосредственном
процессе отстаивания играть не может, так как имеющиеся здесь сильные вихре-
вые движения приводят к очень низкому коэфициенту использования этой части
отстойника. Далее, по мере удаления от конструкции впуска струи воды движутся
все в большей и большей части сечения отстойника и далее по всему сечению.
С увеличением длины горизонтальных отстойников увеличивается и коэфи-
циент их использования.
В каждом отдельном случае, зависящем от конструкции отстойника, от ско-
рости движения струй, от характера взвеси, условий хлопьеобразования и усло-
вий выпадения взвеси, по длине отстойника может быть намечен некоторый оп-
тимум, далее которого увеличивать длину практически нет нужды, так как это
нарушит основную установку о возможном уменьшении объема отстойника и
одновременном получении хорошего эффекта осаждения.
В ряде случаев для уменьшения неравномерности движения отстойники вы-
полняют с продольными перегородками, направляющими движение, а в послед-
нее время довольно широко применяют перегородки, обусловливающие движение
«вокруг концов» (фиг. 313 и 314).
в) Влияние глубины горизонтального отстойника
на его работу
Вопросу глубины отстойника в большинстве случаев проектирования не при-
дают должного значения, между тем
В = ^
т »2 ’
где Н — высота отстойника;
г2 — скорость выпадения взвеси; поэтому с уменьшением Н должно умень-
шиться и Вт, т. е. время отстоя. Вообще говоря, из трех измерений отстойника,
оказывающих влияние на его работу, глубина может иметь большое значение.
Условная схема распределения скоростей в горизонтальном отстойнике по-
казывает, что взвесь задерживается в том случае, если равнодействующая ско-
рость движения взвеси пересекает основание отстойника. Это и подтверждает це-
лесообразность принятия в ряде отстойников меньшего Н, так как при меньшей
глубине указанное пересечение осуществимо скорее.
Целый ряд наблюдений за осаждением взвеси в отстойниках убедил в том,что
при коагулировании могут встретиться случаи, когда в верхней части отстойника
движутся хлопья очень мелкие, а в нижней части — более крупные, и в этих слу-
чаях, естественно, может представиться целесообразным выполнить отстойник
большей глубины, т. е. здесь имеет существенное значение вопрос, связанный с ме-
стом, временем и вообще динамикой образования хлопьев.
Иначе происходит при осаждении взвеси без коагуляции или при коагу-
ляции, но при обязательном постоянном наличии в воде совершенно сформировав-
шихся хлопьев еще до поступления в отстойник. В этом случае достаточный эф-
фект осаждения может быть получен и при уменьшении глубины отстойника.
Естественно поэтому, что с устройством хорошо действующей камеры образо-
вания хлопьев отстойник может быть принят несколько меньшей глубины, чем
в том случае, когда такая камера отсутствует.
Глубина отстойников чаще всего встречается в пределах 3,5 — 6 м; при этом
следует принять во внимание, что определенная глубина отстойника предназна-
чается и для накопления осадка, в особенности в тех случаях, где количество взве-
шенных веществ в воде велико и где дозы коагулянта значительны.
Следует еще заметить, что в некоторых частях горизонтальных отстойников иногда
имеет место движение взвеси не в том направлении, в каком его себе представляют, а
в противоположном. Это является результатом весьма сложных явлений движения воды
в некоторых частях отстойника. Здесь может сказаться влияние сильно возросших скоро-
стей движения соседних струй, также несущих взвесь; здесь могут оказывать влияние
отдельные элементы конструкции отстойника, распределение температур воды в отстой-
нике, обратные токи воды, наблюдаемые в ряде случаев, и т. д.
§ 14. Практика строительства горизонтальных отстойников
На фиг. 313 представлена схема, дающая одно из принятых решений плани-
ровки отстойников и станции для обработки питьевой воды. Передняя часть от-
стойников непосредственно входит в здание фильтров, что упрощает обслужива-
ние и контроль и, кроме того, достаточно экономично в отношении потребной ку-
батуры здания станции.
На фиг. 314 показаны горизонтальный отстойник и фильтровальная станция.
Отстойник разделен на три самостоятельные секции с продольной перегородкой
Фиг. 313
в каждой из них, удлиняющей
путь и способствующей более
равномерному движению воды.
Конструкция впуска — дырча-
тая перегородка, конструкция
выпуска — дырчатый жолоб.
На фиг. 315 изображен же-
лезобетонный отстойник, разде-
ленный на три этажа горизон-
тальными перегородками, что
удлиняет путь, проходимый во-
дой. При соответствующем рель-
ефе местности и необходимости
иметь достаточно высокую от-
метку воды в отстойнике, вызы-
ваемую расположением филь-
тров, такой отстойник вполне
приемлем. Гидравлический ре-
жим его работы благоприятен,
очистка от осадков сложнее,
чем у обычных отстойников.
фиг. 314
Горизонтальные отстойники, если исходить только из их строительной
стоимости, экономичней вертикальных. Исключение могут составить лишь от-
стойники таких малых емкостей, как 100— 150 м3.
Перекрытие отстойников чаще всего делается железобетонное, ребристое,
отепленное слоем земли в 0,2 м, нередко укладываемой поверх небольшого слоя
асфальта (2,5 см); для стока воды делается уклон порядка 0,01; в перекрытии
оставляются лазы: вокруг наружных стен отстойника необходима отмостка. Под
всем днищем отстойника иногда может быть устроена дренажная сеть, чтобы от-
Продо/юпий разрез отстойника
Фиг. 315
водить случайно проникшую туда воду и воспрепятствовать деформации грунта.
Одновременно этот дренаж может служить и для контроля водонепроницаемости
отстойника.
§ 15. Расчет горизонтальных отстойников
Пусть С} — расход в м3/ч;
Н — средняя высота отстойника, принимаемая на основании вы-
сотной схемы в пределах 3,5—6 м;
Вт — время пребывания воды в отстойнике (теоретическое) в часах;
—скорость движения воды в отстойнике в мм!сек;
г2 — скорость выпадения взвеси в мм[сек.
Теоретическое время пребывания воды в отстойнике:
„ Н-1 000 н
Вт — ~ час.
1>2-3 600 3,0-г’а
Принимаем Вт в пределах 2 — 2,5 час. (редко больше). Тогда
’• “ з
= — мм/сек.
л
Следует помнить, что в определенных пределах не оказывает основного
влияния на работу отстойника, будучи расположенной нормально к скорости
но для этой скорости имеется предел, далее которого она оказывает тормозящее
о /
влияние на выпадение взвеси. Значения в зависимости от уже указывались.
Выбираем отношение , принимаемое примерно в пределах 10—40 (для ма-
лых отстойников меньше 10, для очень больших — больше 40). Тогда, зная Н,
определяем I и полную ширину отстойника:
Л_ 9
3,6 -г^Н'
Ширина А может быть составлена из п частей, т. е. отстойник разделен на п
отделений; при этом следует иметь в виду и соображения конструктивного по-
рядка (величина пролетов для перекрытия). Если при этом I окажется очень боль-
д
шим по сравнению с —, то длина также может быть составлена из двух частей,
т. е. можно осуществить движение воды вокруг перегородки, что может дать
возможность лучшей планировки сооружения. Далее остается запроектировать
и рассчитать конструкцию впуска и выпуска.
Принимая дырчатые перегородки или перегородки с вертикальными щелями,
намечают количество и величину отверстий или щелей, исходя из допускаемой ско-
рости в них, примерно 0,3 — 0,35 м{сек.
§ 16. Эксплуатация. Выпуск и использование осадка из отстойников
Эксплуатация отстойников заключается в надзоре за их работой и периодиче-
ском удалении осадка.
Наиболее удобны в обслуживании вертикальные отстойники, расположенные
в здании; достаточно удобны горизонтальные отстойникисогласносхеме фиг. 313,
так как в них возможен доступ к трубопроводам, задвижкам и т. д. Кроме того,
можно видеть поступающую в отстойник и осветленную воду. Станции об-
работки воды с вертикальными отстойниками, выстроенными вне здания
фильтров, иногда работают в худших условиях, так как для контроля ра-
боты отстойников рабочим и техническому персоналу необходимо оставлять
здание фильтров, что часто неудобно.
Удаление осадка является серьезной задачей в эксплуатации. Лишь вер-
тикальные отстойники относительно небольших размеров (О не более б—6,5 м)
при наличии дна с большим уклоном позволяют без труда удалить осадок
в канализацию давлением столба воды. Для этого периодически спускают
небольшой столб воды (до 1 м), вместе с которой уходит и осадок. Устрой-
ство дна отстойника значительных размеров с большим уклоном затрудни-
тельно, дорого или для больших отстойников почти невозможно и не может
быть оправдано экономически.
При большом количестве взвешенных веществ (например 3 000 мг)л и более)
или при больших количествах осадка, вызываемых процессами обработки воды
(некоторые случаи умягчения известью или известью и содой), могут быть исполь-
зованы механические приспособления.
На фиг. 316 показана станция обработки питьевой воды с отстойниками
со скребками Дорра; на фиг. 317 — отдельно эти скребки в одном отстойнике.
При небольших количествах взвеси устройство таких приспособлений неце-
лесообразно; однако аналогичные приспособления становятся совершенно не-
обходимыми при очень больших количествах взвеси, в частности в ряде слу-
чаев при умягчении воды известью. К сожалению, вопросам механизации уда-
ления осадков мы пока еще не уделяли должного внимания.
Фиг. 316
Осадок из горизонтальных отстойников удаляется вручную струей из бранд-
спойта и смывается к лоткам и углублениям, устраиваемым в дне отстойника.
Поперечный уклон дна к лоткам около 0,05, продольный уклон дна и лотков
около 0,02.
Случаи применения механических приспособлений или отсасывания осадка
специальными приборами или насосами очень редки. За границей применяется
ряд устройств, и по этому пути необходимо пойти и нам, в особенности при
проектировании станций умягчения воды.
На фиг. 318 представлена одна из схем механизации удаления осадка из го-
ризонтального отстойника.
Для малых сооружений и при наличии водоема для спуска осадков выпуск
их в указанный водоем не представляет сложной задачи. Для больших станций
обработки питьевой воды при устройстве выпуска осадков из отстойников нужно
» :|
Фиг. 317
учитывать, что: а) осадки могут загрязнять водоем и б) осадок содержит в боль-
шом количестве гидроокись алюминия, представляющую определенную ценность.
Были попытки регенерировать осадок'обработкой его серной кислотой с целью даль-
нейшего использования регенерированного осадка в качестве коагулянта для очистки
питьевой воды. Удовлетворительных результатов не получено, хотя есть указания о воз-
можности использования регенерированного осадка, обладающего хорошей коагули-
рующей способностью, но ухудшающего качество воды, для коагуляции сточных вод.
Имеются некоторые данные о возможности использования осадка в качестве коагулирую-
щего вещества при регенерации его известью.
Возможно подсушивание регенерированного жидкого осадка на иловых площадках.
В течение года можно ориентироваться на 90—100 дней ( в зависимости от климати-
ческих условий), годных для подсушивания такого осадка при 10—15 последовательных
поливах. Есть указания, что подсушенный осадок при запахивании может служить в
качестве удобрения (это естественно должно быть проверено). Осадок может выпускаться
в иловые пруды или отстойники, из которых далее может производиться полив иловых
площадок. Для ориентировки следует иметь в виду, что на затрачиваемую 1 т коагулянта
в отдельных случаях может приходиться объем осадка до 10 м3 и более.
§ 17. Выбор типа отстойников
Если бы выбор типа отстойника производился только по стоимости 1 м3 его
емкости, то такой выбор осуществлялся бы на основании сравнительных данных
о стоимости. Но так как различные отстойники при одинаковом объеме дают раз-
266
личный эффект обработки воды, т. е. имеют различный к. п. д., то выбор типа
отстойника только на основании данных о стоимости 1 м3 его емкости был бы не-
правилен.
К сожалению, к. п. д. рассмотренных типов отстойников и зависимость его
от различных элементов, размеров и условий работы нам неизвестны; сле-
дует полагать, что к. п. д. отстойников, имеющих одинаковую высоту и
объем, зависит от фактического времени пребывания воды в отстойнике.
Если Вф—время фактического пребывания воды в отстойнике, Вт — тео-
ретическое время, -г; — коэфициент использования и Е— емкость одного от-
стойника, а Вф, Вт, т;' и Е'— то же для другого отстойника, то для полу-
чения при одной и той же высоте отстойника и иных равных условиях (рас-
пределение температур и пр.) одинакового эффекта работы следует полагать:
Вф - Вф,
но
Вф = т] Вт, а Вф = т] Вт,
т. е.
^Вт = ’П’Вт,
или
^ = 711
Вт
Таким образом, для получения одинакового эффекта необходимы отстойники
с расчетным временем пребывания в них воды, обратно пропорциональным коэфи-
циентам использования их, или так как
для получения одинакового эффекта необходимо, чтобы отношение объемов
отстойников было обратно пропорционально коэфициентам использования.
В соответствии с изложенным, дающим определенный подход для дальней-
шего сопоставления отстойников и выбора их типа, нельзя ограничиться только
сравнением стоимости, отнесенной к 1 л<3, а необходимо в этом сравнении учесть
еще, что Е, = Е -4.
"П
Что касается коэфициента использования отстойников, то для правильно за-
проектированного горизонтального отстойника его следует считать в среднем не
выше 0,40, для вертикального отстойника — 0,50, а с радиальными желоба-
ми —0,60.
Таким образом, есть основание предполагать, что впредь до улучшения гид-
равлического режима горизонтальный отстойник даст тот же эффект, что и вер-
тикальный лишь при емкости его, превышающей в 1,25—1,5 раза емкость вер-
тикального.
Из некоторых расчетов стоимости различных отстойников с учетом всего
сказанного выявилось, что вертикальные отстойники выгоднее горизонтальных
при суточной производительности до 20 000 — 30 000 м3 или несколько более.
Из изложенного ясно, что в практике жел.-дор. водоснабжения при суще-
ствующих значениях коэфициента использования вертикальные отстойники дол-
жны иметь большое применение, а горизонтальные — более ограниченное.
ГЛАВА III
ФИЛЬТРАЦИЯ
§ 18. Общие соображения
Вода подвергается фильтрации для окончательной задержки взвеси, остав-
шейся после отстаивания. Одновременно на фильтрах вода освобождается и от
значительной части бактерий.
Как правило, вода фильтруется после отстаивания, но в отдельных слу-
чаях возможна фильтрация без предварительного отстаивания. К числу этих
случаев относятся фильтрация воды из водохранилищ или озер, служащих
естественными отстойниками, и фильтрация воды с процессами коагуляции,
проходящими в самом фильтре.
Фильтрующим материалом является кварцевый песок, за исключением
специальных случаев обработки воды, когда для фильтрации используются мра-
морная крошка, пермутиты, глауконитовый песок, активированный уголь,
антрацитовая загрузка, древесные стружки и др.
Проходя через песок, т. е. через промежутки между его зернами, вода оста-
вляет здесь тем меньшие частицы взвеси, чем меньше эти промежутки. Таким
образом, степень осветления воды зависит от пористости фильтрующей среды
или крупности песка.
Для удаления более крупной взвеси применяют крупный песок; в тех слу-
чаях, когда требуется удаление мельчайшей взвеси и бактерий, песок должен
быть более мелким. Бактерии (величина — тысячные доли миллиметра) и кол-
лоидные частицы (десятитысячные и стотысячные доли миллиметра) могли бы
свободно пройти через промежутки между зернами используемого в фильтрах
песка, однако промежутки эти в одних случаях через некоторое время запол-
няются задержанной взвесью, органической мутью и бактериями (созревание
фильтра), после чего задержка столь мельчайших частиц легко осуществляется;
в других случаях даже при несколько более крупном песке взвесь, бактерии
и пр. задерживаются в промежутках между зернами благодаря тому, что пред-
варительно были собраны в более крупные частицы (коагуляция).
И в том и в другом случаях вначале задерживаются более крупные частицы»
а затем более мелкие. Таким образом, промежутки между зернами песка с ча-
стицами мути становятся все меньше и через некоторый промежуток времени,
различный для фильтрации в одном и другом случаях (медленная и скорая филь-
трация, с отстаиванием и без такового и т. д.), сопротивление и потеря напора
в фильтре сильно увеличатся и фильтрация прекратится.
Основная работа по освобождению воды от мельчайшей взвеси и бактерий
выполняется небольшим слоем песка, расположенным у поверхности, особенно
при фильтрации с предварительным отстаиванием; большая часть работы вы-
полняется вообще верхним слоем песка и значительно меньшая — остальной его
толщей. При коагуляции, идущей в самом фильтре (при отсутствии отстаи-
вания), вся толща песка используется более равномерно. Песок имеет
зерна разной крупности, маленькие песчинки размещаются среди больших и
объем промежутков между зернами вследствие этого уменьшается.
Способность песка пропускать воду и скорость фильтрации (высота столба
воды, проходящей через фильтр в единицу времени) определяются размерами
зерен песка меньших, чем средние зерна; согласно опытам Газена пропускная
способность песка может определяться названным им «эффективным» размером
песка, так называется калибр сита, через которое проходит 10% данного песка.
Формула, предложенная Газеном, (1 = позволяет усвоить сущность
действия различных фильтров и классифицировать их по принципу действия.
В этой формуле (I — диаметр наименьших частиц, которые могут быть задер-
жаны данной фильтрующей средой; е — эффективный размер песка и V — ско-
рость фильтрации.
Действительно, чем (1 больше, тем больше может быть е и V, иначе задержка
крупной взвеси может быть осуществлена более крупной фильтрующей средой
при больших скоростях фильтрации и, наоборот, задержка мелкой взвеси тре-
бует более мелкой фильтрующей среды и меньших скоростей фильтрации. Мел-
кий песок, представляя большие сопротивления, может быть использован для
фильтрации только при резком уменьшении скорости фильтрации.
Таким образом, возможны медленная, или естественная, фильтрация мелкой
(естественной) взвеси и скорая фильтрация крупной взвеси (укрупненной бла-
годаря коагуляции).
§ 19. Медленные (англиьскке) фильтры
Медленные фильтры на жел.-дор. транспорте применения иметь не могут, однако
краткие сведения о них необходимы. Общий вид сооружения с медленными фильтрами
дан на фиг. 319. Вода осветляется, проходя через песок со скоростью, равной 0,1 —
0,2 ,и/ч. Песок здесь загружен в огромный резервуар (в зависимости от климата могут
быть и открытые бассейны), выполненный из кирпича, камня или бетона; у основания
резервуара расположен дренаж, назначение которого собирать прошедшую через песок
профильтрованную воду. Обычноэто канал, уложенный ниже дна резервуара с ответвляю-
щимися меньшими каналами.
Дренажные каналы делаются из специального кирпича, специальных дырчатых
черепичных, бетонных плиток, дырчатых гончарных труб; они обсыпаются крупным щебнем
или гравием, на который укладываются более мелкий щебень, гравий и далее песок.
Фиг. 319. Английские фильтры
с—водоприемные сооружения; Ь — насосная станция 1 -го подъема: й—отстойники; фильтры; Л—песок;
г—гравий; /—дренажные трубы; к—коллектор; / — вход в камеры отдельных секций фильтра; п—камера;
о—задвижка, р—сигнализация; 5—к резервуару чистой воды; (—эжектор для подачи пзска при про-
мывке; и, IV, х—устройства для промывки грязного песка и выпуска грязной воды в водосток
Таким образом, загрузка фильтра помимо песка состоит из нескольких слоев щебня
или гравия общей высотой 250 — 500 мм с постепенно уменьшающейся крупностью
Каждый слой служит для поддержания вышележащего и подобран так, чтобы отдельные
его составные части не проваливались в нижннй; верхний слой служит для поддержания
песка; толщина слоя последнего 1 — 1,25 м и эффективная величина 0,25 —0,35 мм.
Медленные фильтры, построенные позже, имеют дренаж из железобетонных плит,
уложенных на бетонные столбики так, что образуется двойное дно (фиг. 320).
Скорость фильтрации в указанных выше пределах 0,1—0,2 м[ч устанавливается при
помощи особых регуляторов. На фиг. 321 представлен английский фильтр производитель-
ностью 250 — 300 м3)ч с дренажем из дырчатых плиток. Основную роль в фильтрации воды
здесь играют пленка на поверхности песка и верхний слой песка. «Созревание» пленки,
называемой «биологической пленкой», так как в ней, а в некоторой степени и в толще
песка имеют место биологические процессы, идет в течение 1—2 суток, и в это время
вода, проходящая через фильтр, спускается в канализацию. После созревания пленки
фильтр дает хороший эффект как в смысле задержки мельчайших частиц взвеси, так
и в смысле задержки бактерий. В процессе работы фильтра пленка становится более плот-
ной, песок загрязняется, потеря напора возрастает, и через некоторый промежуток вре-
мени, переднем 1—2 месяца (весной чаще, зимой много реже), верхний грязный слой
песка толщиной около 100 мм приходится удалять. Увеличение скорости фильтрации вы-
зывает необходимость более частой очистки фильтра.
Операция по очистке фильтра требует от 1 до 2 дней (в зависимости от площади
фильтра и условий самой очистки); в это время должен работать резервный фильтр.
Очистка фильтров производится или вручную или с применением механизации.
Основное преимущество медленных фильтров — лучший и более устойчивый бакте-
риальный эффект их работы — в настоящее время при широком и повсеместном внедрении
процессов хлорирования уже не имеет того значения, какое он имел 25 — 30 лет назад.
Огромным недостатком этих фильтров являются потребная большая площадь филь-
трации, превышающая таковую при скорых фильтрах в 40 — 50 раз, и большая первона-
чальная стоимость их.
Условия очистки фильтров требуют устройства резервных фильтров, а самая очистка
часто неприемлема с гигиенической точки зрения. Все это привело к тому, что медлен-
ные фильтры более не проектируются, эксплуатация их
Загрцзка имеет место лишь в нескольких городах СССР.
§ 20. Скорые (американские) фильтры
Песок
Гравий ’
разм2 -Ь мы к
Гравий
разы I*-8 мм
Гравий
разы 8-15мы
Рассматривая установки скорых фильтров, труд-
но отделить от последних прочие элементы станции
обработки воды, к каковым относятся: смесители,
камеры образования хлопьев, устройства для приго-
товления растворов химических реагентов и дози-
рования их, устройства для подвода промывной
воды и отвода грязной воды, приборы, оборудо-
вание фильтров трубами и каналами, требующими
специальных галлерей, и т. д. Кроме того, совре-
менные станции фильтрации воды для питьевых нужд
требуют размещения здесь же хлораторов, устройств
для дехлорирования или иной дополнительной обра-
ботки воды и т. п.
Все это часто размещается в одном здании, хотя
на больших сооружениях приготовление растворов
реагентов, смесители и камеры образования хлопьев
нередко выносятся из здания фильтров.
Скорые фильтры дают удовлетворительный эф-
фект очистки при значительно меньшей площади пе-
ска, чем у медленных. Скорость фильтрации дости-
гает здесь 6 щ/ч, а в отдельных случаях и более.
Фильтрующий слой скорых фильтров принципиально
мало отличается от описанного в медленных филь-
трах, но самая конструкция скорого фильтра резко
отличается от конструкции медленного фильтра.
Основные отличия скорого фильтра — это боль-
ФИГ. эго шая скорость фильтрации и способ промывки песка.
На фильтр поступает вода, предварительно коагули-
рованная и чаще всего освобожденная от наиболее крупной взвеси. Собственно
фильтры занимают небольшую площадь, а устройства для коагуляции вместе
с соответствующими устройствами для приготовления растворов реагентов,
смешивания их и т. д. являются значительной частью всей установки; промывка
песка, загрязняющегося в 40—50 раз быстрее, чем это имеет место у медленных
фильтров, требует специальных конструкций дренажа устройств для подвода
промывной воды и устройств для отведения с фильтра грязной воды. Промывка
песка скорых фильтров должна быть технически более совершенной, чем это
имеет место у медленных фильтров, и выполняться в короткий промежуток
времени. Промывка эта производится обратным током воды, подаваемой в дре-
наж с определенным давлением и скоростями. В некоторых конструкциях филь-
тров при промывке используется еще сжатый воздух или механические грабли
для перемешивания песка и его разрыхления и для освобождения отдельных
зерен песка от приставших к ним загрязнений.
Основное отличие скорых фильтров между собой состоит главным образом
в различном конструктивном оформлении деталей фильтра, связанных с про-
мывкой, ранее запатентованных (США) и изготовлявшихся на заводах, почему
скорые фильтры назывались механическими (фильтр Джуэлль).
В настоящее время фильтры в основном выполняются из железобетона с уста-
к-
Ппан
Разрез поВ Г
1= 0.003 — 1--0.003
[ = 0003
70(1
Фиг. 321
т
новкой специальных элементов оборудования для обеспечения лучшей промывки
и более правильной эксплуатации.
Эффект работы станции обработки воды, оборудованной современными филь-
трами, весьма е-ысокий. Процент задержки бактерий доходит до 98,5 — 99 (по
отношению к количеству бактерий в сырой воде); взвесь удаляется вполне удо-
влетворительно, так как фильтрация здесь сочетается с коагуляцией; в значи-
тельной мере устраняется и цветность воды (торфяные воды и пр.).
Л
Фиг. 322. Схема расположения сооружений с открытыми фильтрами
Л—водозабор; В—насосная станция; С—приготовление реагентов; И—отстойник; Е—фильтры; Р—резер-
вуар чистой воды; О—башня; Н—подземный резервуар; У—потребители
Фильтры являются только частью всей установки, часто самой дорогой.
Для получения высокого эффекта обработки фильтры должны находиться в
правильном соотношении с прочими элементами (смесители, камеры образова-
ния хлопьев, отстойники и пр.).
Для достижения хороших результатов необходимы тщательная эксплуа-
тация, точная дозировка коагулянта, особенно при слабощелочных водах,
контроль за периодом действия фильтров, контроль за процессом промывки
и состоянием песка, регулярный химический и бактериологический контроль
м г. д.
Фиг. 323. Схема расположения сооружений с напорными фильтрами
А —водозабор; В—насосные станции; С—приготовление реагентов; В—отстойник, В—напорные филь-
тры; С—башня; 7—потребители
Конструкции фильтров различаются в зависимости от харак-
тера движения воды и характера промывки их. На фиг. 322 представлена
схема расположения сооружений с обычными открытыми фильтрами, в кото-
рых вода движется самотеком под влиянием разнести отметок над фильтром
и в резервуаре чистой воды. В современных крупных станциях обработки
питьевой воды фильтры из железобетона достигают 120 м2 и более; они вполне
доступны для контроля. На станциях обработки воды в системах жел.-дор. во-
доснабжения наибольшая площадь одного фильтра не превышает 20 — 25 м2.
В схеме обязательны резервуар чистой воды и станция второго подъема (за ред-
ким исключением, когда вода из резервуара в сеть идет самотеком). Решение
высотной схемы часто приводит к необходимости располагать фильтры на вы-
соте 3 — 4 м от поверхности земли.
На фиг. 323 представлена схема расположения сооружений с напорными
фильтрами, в которых вода движется под давлением, развиваемым насосами;
это — закрытые фильтры, выполненные из стали; диаметр обычно доходит до
3 м. Схема фиг. 323 приведена для случая предварительной обработки воды
перед поступлением ее на напорные фильтры. Вообще схема может быть и иной.
При умягчении воды цеолитами такие фильтры почти обязательны в схеме, так
как в этом случае открытые фильтры потребовались бы большой высоты. Ос-
новным недостатком напорных фильтров является затруднительность непос-
272
родственного наблюдения за состоянием песка. Применение напорных фильт-
ров для осветления воды при очень больших расходах не может иметь места.
В практике водоснабжения на жел.-дор. транспорте напорные фильтры могут
найти значительное применение.
Характер промывки фильтра влияет на его конструкцию. В этом
смысле фильтры можно разделить на:
1) фильтры с мешалками, промываемые водой;
2) фильтры без мешалок, промываемые водой и сжатым воздухом;
3) фильтры без мешалок, промываемые только водой.
В первом случае при промывке фильтра воде принадлежит значительная
роль — частичное разрыхление песка и отмывка его от грязевых отложений;
в последнем — исключительная, так как разрыхление слоя песка и отмывка его
зерен от грязевых отложений полностью осуществляются водой. Естественно,
что скорость движения воды и интенсивность промывки в последнем случае (при
отсутствии мешалок) принимаются большими. В этом смысле фильтры в зависи-
мости от условий промывки делятся еще на:
1) фильтры с малой интенсивностью промывки (сюда относятся фильтры
с мешалками);
2) фильтры с большой интенсивностью промывки (безмешалочные фильтры).
Фильтры, промываемые водой с использованием сжатого воздуха, услож-
няют конструкцию и эксплуатацию и в СССР не проектируются.
Интенсивностью промывки называют количество воды, рас-
ходуемой на промывку фильтра, выражаемое в литрах на 1 м2 площади фильтра
в 1 сек. Фильтры с мешалками относятся к фильтрам с малой интенсивностью
_ _ л!м2 , ,
промывки в пределах 5 — 6 —— ; фильтры безмешалочные — к фильтрам с
сск
с , /Л , - л]м2 „
большой интенсивностью промывки в пределах 10—15 -—. Естественно, что
сск
характер и интенсивность промывки коренным образом влияют на конструкцию
фильтра.
Фильтры с мешалками. Фильтр Джуэлль (фиг. 324) предста-
вляет собой круглый металлический или железобетонный резервуар (дерево приме-
няется редко) диаметром до 5—6 м и высотой до 3—3,5 м, загруженный слоем песка,
поддерживаемого небольшим слоем гравия. Последний расположен непосред-
ственно на дренажной системе, состоящей из центрального коллектора с ответ-
влениями из горизонтально расположенных труб диаметром 30 — 38 мм
(фиг. 325). Трубы дренажной системы имеют отверстия, в которых на резьбе
поставлены сосунки — бронзовые коробочки с боковыми стенками из сетки
(фиг. 326). Все пространство в нижней части фильтра под сосунками забетони-
ровано. Напуск воды из отстойника производится в круговой жолоб-карман,
откуда она переливается на фильтр. Профильтрованная вода собирается дре-
нажной системой, коллектором и далее отводится через регулятор в резервуар
чистой воды.
Промывка фильтра обычно производится насосом, подающим воду из ре-
зервуара чистой воды в коллектор и в дренажную систему, назначение которой
не только собирать профильтрованную воду, но и равномерно распределять про-
, .. , _ л/м2
мывную воду по всей площади фильтра. Интенсивность промывки 5 — 6
Грабли во время промывки приводятся в действие двигателем (или от транс-
миссии), вращаются со скоростью 10—12 об/мин. и благодаря небольшому
расстоянию между зубцами (около 20 см) бороздят, перемешивают и перетирают
песок. Промывка длится 8 — 10 мин. Грязная вода после промывки песка по-
ступает в круговой карман и далее отводится в канализацию. Расход промывной
воды составляет 4 — 8% от количества профильтрованной. Перед промывкой
все задвижки закрываются, открыты только задвижки на промывной линии (от
насоса) и на спускной в канализацию. Во время работы фильтра открыты за-
движки на трубопроводе из отстойника и к регулятору. Кроме регулятора ско-
18 Водоснабжение
Регулятор к .< 5
ЁеоЛопа. ,1 | |
Фиг. 324
Регулятор
Скорости
! регулятор
Первый фило
трат после
лрамй1вки
" промснвка
от насоси
Из отстойника
1*е*на филЬтр
д Поптйковый
клапан
Спуск в канализации
Фиг. 325
роста фильтрации фильтр снабжен поплавковым дроссельным клапаном для
поддержания постоянного уровня воды.
Существует еще ряд аналогичных фильтров (Говатсон, Шретер и Др.)? боль-
ших принципиальных отличий в конструкции их нет; отличаются они главным
ооразом в деталях дренажа.
На фиг. 327 дан общий вид станции
обработки воды с установленными на ней
фильтрами с мешалками; на фиг. 328а,
3286 показана станция обработки воды
с такими же фильтрами общей производи-
тельностью 10 000 — 12 000 м3 воды в сут-
ки. Площадь станции обработки воды
используется далеко не полностью, потеря
площади выражается в 20 — 25%.
Способ подвода воды и отведения гряз-
ной воды после промывки не позволяет
увеличивать диаметр фильтра более 5 —
6 м; с увеличением последнего путь, ко-
торый должны пройти грязевые отложе-
ния вместе с промывной водой, значи-
телен, и часть грязевых отложений ося-
Фиг. 326
дет, не дойдя до переливного жолоба.
Для большого расхода число фильтров поэтому получается значительным. Боль-
шое количество фильтров требует такого же количества комплектов оборудова-
Фиг. 327
ния, усложняет эксплуатацию, а это вместе с недостаточно удовлетворительным
использованием площади здания привело к тому, что фильтры с мешалками
уступили свое место безмешалочным фильтрам.
Следует заметить, что фильтры с мешалками дают удовлетворительный эф-
фект промывки и фильтрации, работа их надежна и устойчива, изготовление их
легко индустриализировать, а потому в жел.-дор. водоснабжениях при произ-
водительности порядка 6 000 — 7 000 м3 воды в сутки они могут быть приме-
нимы.
Безмешалочные фильтры. Современ-
ные фильтры для станций обработки воды средней и
большой производительности выполняются из железо-
бетона и имеют прямоугольную форму; механическое
перемешивание песка во время промывки здесь не
применяется; фильтр промывается водой; интенсив-
,Л л/м2 „
ность промывки в пределах 10— 15 -—.Период
сяк
действия фильтра зависит от качества обрабатывае-
мой воды, условий коагулирования, эффекта пред-
варительного осаждения взвеси, результатов предше-
ствующих промывок (чистота песка) и скорости филь-
трации. Обычно этот период бывает не менее суток,
реже (во время паводков) бывает меньшим и иногда
Фиг. 328а
значительно большим. Продолжительность промывки
до 5 мин., а со всеми операциями по открытию и за-
крытию задвижек в зависимости от характера при-
вода у задвижек (электрический, гидравлический,
ручной) доходит до 10— 15 мин., в редких случаях
больше. Средний расход воды на промывку за год
4 — 5% от количества профильтрованной воды.
На фиг. 329 представлены безмешалочные филь-
тры, расположенные весьма компактно.
Прямоугольные фильтры, разделенные рядом
общих стенок с галлереей трубопроводов, идущей
вдоль фильтров, дают хорошее использование пло-
щади, упрощают устройство и обслуживание; наруж-
ные стены фильтров часто являются основанием для
стен здания станции обработки воды. Для малых
станций на жел.-дор. транспорте могут быть за-
проектированы фильтры без мешалок, круглые в плане (ниже о них сказано
подробнее).
Взаимное расположение сооружений может быть различным; оно диктуется
размерами сооружений, местными условиями и т. д. Расположение прямоуголь-
ных фильтров в плане осуществляется так, как указано на фиг. 330, в зависи-
мости от размеров станции. Галлерея должна иметь размеры, позволяющие сво-
бодно разместить в ней трубы, каналы, задвижки, приборы, регуляторы ско-
рости фильтрации.
Отметка подошвы фильтров по отношению к поверхности земли зависит от
решения высотной схемы.
В отличие от вышеуказанного в некоторых случаях при плотном грунте и
соответствующих профиле площадки и компоновке фильтры согласно принятой
высотной схеме несколько углубляются в грунт, что может позволить уменьшить
толщину стен, рассчитываемых с
учетом давления воды. В зависи-
мости от размеров станции обра-
ботки воды и местных условий
здание фильтров выполняется кир-
пичным, железобетонным и редко
деревянным (на севере).
Важнейшие детали конструк-
ции фильтров следующие:
а) корпус фильтра;
б) дренаж;
Фиг. 329. Станция фильтрации, оборудованная
безмешалочными фильтрами
а—фильтры; б—дренаж; в—гравий; г—песок; д—желоба;
е—вода с отстойника; ж—вода с фильтра; з—вода на
фильтр; и—промывная вода; к—резервуар чистой, вода;
л—гидравлическая задвижка; м—фильтрованная вода;
и—резервуар чистой вода; о—проход над фильтрами;
п— центральный проход; р—площадка
в) загрузочные (поддерживаю-
щие) слои;
г) песок;
д) желоба, подводящие воду
на фильтр и отводящие грязную
воду с фильтра;
е) регуляторы скорости фильтрации;
ж) трубы, каналы и задвижки;
з) приборы управления;
и) устройства для подачи промывной воды.
§ 21. Фальтр
Фи ЛЬ т рЬг
Галл грея
Фильтры современных крупных и средних станций обработки воды вы-
полняются почти исключительно из железобетона. Металлические фильтры,
загруженные кварцевым песком, встречаются в небольших установках или в
качестве вспомогательного оборудования для осветления воды при умягче-
нии. Число фильтров зависит от суточ-
ной производительности и размеров
каждого фильтра. Железобетонные пря-
моугольные фильтры для средних стан-
ций обработки воды вообще не следует
принимать площадью большей 60—80 м2;
максимальная площадь фшв>тра не дол-
жна превышать 100— 120 м2. Железо-
бетонные прямоугольные безмешалочные фильтры площадью меньшей 15 м2
можно принимать лишь после тщательного сравнения их с другими конструк-
циями (фильтры с мешалками или открытые и закрытые металлические), а филь-
тры площадью до 10 м2 необходимо принимать круглыми в плане. Для водоснаб-
жения на жел.-дор. транспорте (в соответствии с имеющимися суточными рас-
ходами) могут быть приняты железобетонные безмешалочные фильтры площадью
до 25 — 30 ,м2 или несколько более; металлические — площадью до 22,4 м2
(наибольший стандартный фильтр Главэнергопрома).
Большое количество фильтров увеличивает стоимость промежуточных стен
и оборудования, с другой стороны, большие фильтры усложняют выполнение
дренажа, затрудняют промывку, в меньшей мере гарантируют ее равномерность
и удовлетворительный отвод грязной воды и требуют больших размеров баков
и насосов для промывки, подводящих и отводящих лотков и труб и канализа-
ционных устройств.
Имеется стремление стандартизировать фильтры; это в значительной мере
упростит проектирование, постройку и монтаж их.
На фиг. 331 представлен открытый металлический фильтр (проект стан-
дарт Главэнергопрома), описываемый далее подробнее, загруженный кварцевым
песком для окончатель-
Фиг. 331
ного осветления воды,
прошедшей через отстой-
ники.
Особое место зани-
мают напорные филь-
тры, которые также рас-
сматриваются ниже.
§ 22. Дренаж
В работе скорого
фильтра большое значе-
ние имеет дренаж, под-
держивающий гравий и
песок и служащий для:
1) сбора профильтрован-
ной воды и 2) равномер-
ного распределения в
песке воды, подаваемой
на промывку фильтра.
Скорость движения во-
ды через дренаж при
промывке фильтра в 7—
10 раз превышает тако-
вую при фильтрации;
потери напора в дрена-
же и поддерживающих
слоях фильтра в этом
случае большие; движе-
ние воды по направле-
нию снизу вверх должно
быть равномерным по
всей площади фильтра,
что возможно лишь при
хорошо распределенных
достаточно многочислен-
ных отверстиях дрена-
жа с одинаковым давле-
нием у этих отверстий
в частицах воды, пода-
ваемой для промывки
фильтра. На протяжении
многих лет были извест-
ны различные конструк-
ции дренажа.
К простейшим конструкциям дренажа относились латунные просверленные листы или
сетки из латунной проволоки с уложенной на них фильтрующей средой. Эти устройства
забивались песком, не осуществляли равномерной промывки и с увеличением площади
фильтров оказывались дорогими. Вслед за ними появились системы дренажй в виде боль-
шого количества труб, уложенных по дну фильтра, с ввинченными в них колпачками
с отверстиями и непосредственной загрузкой на них песка, и в этом случае засорение
278
также имело место. Позже на дренаж стали укладывать гравий, а отверстия в колпач-
ках или сосунках делать большими. Вместо употребления большого числа боковых труб
применялось двойное дно с установкой сосунков (фильтры с мешалками).
На фиг. 332 показан дренаж с так называемыми гайками Говатсона, имею-
щими восьми- или шестигранную форму с отверстиями в каждой грани. Гайки
эти заделываются в плиты, обычно железобетонные, размерами около 1 х 1 м;
последние укладываются на специальные железобетонные столбики и служат
для образования междудонного пространства.
Дренаж с сосунками и гайками Говатсона достаточно прост и требует не-
большого слоя гравия. При осмотре фильтров после некоторого периода их дей-
ствия иногда обнаружива-
лось, что некоторые сосунки
или гайки не находились на
месте (неправильная установ-
ка, негодная резьба, неакку-
ратная загрузка гравия и
т. д.), а это, естественно, на-
рушало правильность про-
мывки.
В дальнейшем для безмеша-
лочных фильтров применялся
дренаж, состоящий из просвер-
ленных латунных листов, идущих
параллельными рядами вдоль
фильтра. На дне фильтра устраи-
вались бетонные призмы, обра-
зующие бетонные каналы с же-
лобообразными углублениями, по
которым вода отводилась к общей
трубе, так что дно фильтра пред-
ставляло собой целый ряд греб-
ней, почему этот дренаж иногда
называют гребенчатым.
Для большинства строя-
щихся в последнее время без-
мешалочных фильтров при-
меняется дренаж из дырча-
тых труб, являющийся обще-
признанным вследствие про-
стоты устройства и достаточ-
но удовлетворительных ре-
зультатов промывки, полу-
чаемых при правильном его
Фиг. 332
проектировании.
На фиг. 333 показана одна из выполненных конструкций дренажа, имею-
щего большое распространение. Дренаж состоит из центральной чугунной
трубы (коллектора) и боковых чугунных дырчатых труб диаметром обычно от
50 до 100 мм, расположенных друг от друга на одинаковых расстояниях (150 —
300 мм); эти трубы имеют одинаковые отверстия в 6— 12 мм, просверленные
в нижней части трубы на равных расстояниях порядка 150— 200 мм.
Система располагается у самого дна и покрыта гравием. Длина боковых
труб не должна быть значительной, чтобы не влиять на величину давления в ча-
стицах воды при промывке в наиболее удаленных местах фильтра, что весьма
существенно в смысле достижения равномерности промывки.
Коллектор (центральная труба) должен быть достаточных размеров, чтобы
обеспечить одинаковое давление у боковых труб. Скорость движения воды
в коллекторе (у начала) принимается равной 1,5 —1,6 м/сек.
Иногда избегают ставить центральную трубу большого сечения для фильтра
площадью 35 — 40 м2 (диаметр центральной трубы в зависимости от интенсив-
ности промывки может быть равен 600—700 мм), мотивируя это нежеланием
загромождать фильтр. Такое ошибочное решение приводит к неравномерной
промывке. Для того чтобы избежать накопления воздуха в самом дренаже, бо-
ковые трубы прокладываются с небольшим уклоном от центральной трубы;
последняя не имеет отверстий для воды, идущей на промывку песка, что заста-
вляет опасаться образования над ней плохо промываемого пространства. По-
пытка улучшить промывку песка над центральной трубой прокладкой сверх нее
и соединенных с ней дополнительных труб с отверстиями не дала удовлетвори-
тельных результатов, потому что из указанных дополнительных труб, зани-
мающих самое высокое положение в дренаже, во время промывки вырывается
накопляющийся в дренаже воздух. Это часто способствует некоторому смещению
гравия и образованию воронок в песке и подчеркивает целесообразность воз-
можного заглубления центральной трубы в дно фильтра. Большой слой круп-
ного гравия, находящийся в этом случае над трубой, способствует лучшему рас-
пределению промывной воды.
Правильной может быть признана конструкция, изображенная на фиг. 334.
В верхней части центральной трубы делаются отверстия и устанавливаются
тройники, от которых идут боковые
ответвления. Центральная труба
помещается в углублении дна, за-
полняемом после укладки трубы
тощим цементным раствором, а
ответвления лежат на дне филь-
Фиг. 334
Фиг. 335
ЙИ, ЙЙ1И [ВI2.33 йВГВгВ
ЙИ |ЙЯИ 13 '0® [3 (ЙЙЙ1Й
'И®' 1 ЙЙИЗЙ'И}И
Е21Й|И®!Й10'ЦЙ®В1И!ЙИ1®)И|И|13
ЙИЙНИ|И|ИЙЙ1И'0ЙЕ]Й|К13|Й
|ЗТй;Ё]Й1а!3118Й|И|И1ИЙ|13|ВГЗ|ЙЙ
Фиг. 336
тра; при этом, естественно, непромытых мест над центральной трубой не
будет.
Для фильтров площадью более 40 — 50 м2 центральная труба может быть
заменена бетонным каналом, от которого идут ответвления из чугунных труб.
Над этим каналом может быть выполнен канал для воды, идущей с отстойника,
и для грязной воды. Последний канал делит фильтр на две части; над каналом
песка не имеется, и потому непромытых мест нет. На фиг. 335 показан фильтр
с подобным каналом (с несколько иной конструкцией дренажа).
Шаровой дренаж (фиг. 336 и 337), предложенный Уилером (США), состоит из выпол-
ненных в дне фильтра бетонных перевернутых усеченных пирамид. Оси пирамид отстоят
друг от друга на расстоянии около 300 мм, так что дно фильтра как бы разделено на
квадраты со стороной около 300 мм. Каждая
зовой втулки диаметром 19 мм, соединяющим
лещен шар из портланд-цемента диаметром
пирамида снабжена выходом в виде брон-
ее с каналом. Над каждым выходом по-
75 мм, а над ним—ряд из четырех таких же
шаров. Над последними помещены восемь
Шариков диаметром около 31,5 мм и де-
вятый в центре диаметром около 40 мм.
Над шариками расположен слой гра-
вия толщиной около 450 мм, крупностью
До 25 мм, т. е. толщиной значительно
меньшей, чем в других конструкциях дре-
нажей. Шаровой дренаж применен на не-
скольких водопроводах в СССР; конструк-
ция его достаточно проста, смещение ша-
ров не имеет места и результаты работы,
т. е. качество промывки, удовлетворитель-
ны; широкого распространения он у нас
не получил. К числу его недостатков сле-
дует отнести имеющее место разрушение
шаров (в СССР применялись цементные
шары; фарфоровые щары этим недостат-
ком возможно не обладали бы).
На фиг. 337а показан тип «гребенча-
того» дренажа.
Все перечисленные дренажи ока-
зывают большое сопротивление при
прохождении в них воды, идущей на
промывку фильтра, и потому называ-
ются дренажами большого
сопротивления. В отличие
от них устраивается дренаж, оказы-
вающий малое сопротивление при
прохождении воды, или так называе-
мый дренаж малого сопро-
Фиг. 337
досок толщиной 25 мм, поставленных на
стояние между поставленными на ребро
тивления.
На фиг. 338 представлен такой
дренаж в виде деревянной решетки для
поддержания гравия, состоящей из
ребро, опирающихся на балки. Рас-
досками равно толщине доски. Таким
образом, площадь отверстий равна 50% площади фильтров. Между досками на
определенных расстояниях положены деревянные прокладки. Ниже дренажа
оставляется так называемое междудонное пространство высотой до 0,8 м,
играющее большую роль
в том смысле, что здесь
в образующейся «водя-
ной подушке» гасится
скорость воды, посту-
пающей на промывку.
Таким образом, под дре-
нажем разности давле-
ния не должно быть.Слой
гравия над дренажем не
менее 600 льи; при малой
толщине слоя гравий мо-
жет быть смещен; боль-
шая толщина гаранти-
рует более равномерную
Фиг. 337а
промывку. Потеря напора в описываемом дренаже вместе с загрузкой при
л!м? ,
интенсивности 10 -— менее 1 м. В пространстве между досками потери
ничтожны. Рассматриваемый дренаж при имевшемся ранее дефиците в металле
имел достаточное распространение.
В настоящее время соображения, связанные с дефицитностью металла, при
конструировании дренажа не имеют уже значения, и описанный дренаж малого
сопротивления не может быть широко рекомендован. Некоторое промежуточ-
ное место между дренажами большого и малого сопротивлений занимают кон-
струкция, изображенная на фиг. 339, выполненная на московском водопроводе,
и конструкция, изображенная на фиг. 340. Здесь имеет место сочетание прин-
Песок '0.5-1/) мм
о
' °а° ПеВ5еро)сибан)шие слои
4°
У
г.\ХХ Х'ччХХчХХХ ХХХХХХХч
1560 -------— ЧВО ——1
Фиг. 339
Фиг. 338
\оски на ребро толщиною И5 мм
ципа работы дренажей большого и малого сопротивлений. Действительно, в
одном и другом случаях дренаж состоит из дырчатых труб, подводящих воду в
междудонное пространство. Дренаж согласно фиг. 340 представляет коллектор,
уложенный под фильтром (необходим специальный подвал), с рядом ответвлений
и стояков на них с отверстиями диаметром 50 мм. Над стояками имеются ре-
шетка из досок, поставленных на ребро, и достаточно большой слой гравия.
В этой системе та или
иная возможность недоста-
точно равномерной подачи
воды, осуществляемой дрена-
жем, компенсируется возмож-
ностью перемещения частиц
воды по выходе из отверстий
в горизонтальном направле-
нии. Такой дренаж получил
в СССР некоторое распро-
странение. Следует иметь в
виду, что все конструкции
дренажа с деревянной решет-
кой требуют большого слоя
гравия.
Основания к рас-
чету дренажа. Расчет
Фиг. 340
дренажа, состоящего из цен-
тральной трубы и боковых дырчатых труб, основан на опытных данных, позво-
ляющих приближенно определить потерю напора в отверстиях дренажа, а
также дающих ряд соотношений, используемых в этом расчете.
Опытами проф. Н. Г. Малишевского установлено, что при движении воды
в дырчатых трубах вследствие уменьшения скорости движения воды, вызван-
ного все уменьшающимся расходом по длине, имеется аналогия с движением
в конической постепенно расширяющейся трубе, в которой при уменьшении
скорости повышается давление.
В дырчатой трубе имеют место уменьшение скорости движения и восстано-
V2
вление скоростного напора ; потери на трение незначительны.
На фиг. 341 приведены данные опытов; АВ — труба диаметром 50 мм; ме-
жду Си В расположено 40 отверстий диаметром 5,5 мм; конец трубы у В закрыт;
расход равен 3,333 л) сек. Показания пьезометров в точках А, С, О, В подтвер-
дили увеличение напора к концу дырчатой трубы, близкое к скоростному напору,
«освободившемуся от уменьшения скорости между С и В». Означенные опыты при-
вели к тому, что основанием для расчета дренажных (дырчатых) труб стали при-
нимать не потерю напора на трение, а восстановление скоростного напора, имею-
щее место в дренаже к концу центральной трубы и далее к концу ответвлений.
Наибольшую разность напоров в дренажной сети
точно определить затруднительно,так как степень восстановления скоростного
восстановлен, описанными опытами не
уточнена (проф. Н. Г. Малишевский
предлагает здесь учитывать разницу
в 15%). Максимальная же разница
напоров (теоретическая) у начала ма-
гистрали и в конце последнего от-
ветвления равна:
напора, или величина, на которую он
_______“
Фиг; 341 ~ 2&’
где —скорость движения воды в
«2 — скорость движения воды в
Действительно, если давление
в конце магистрали приближается
начале магистрали;
начале ответвления.
у входа в магистраль — Л, то давление
к Л + уЦна самом деле давление будет
^ё
несколько меньше, так как скоростной напор восстанавливается неполностью).
Наконец, в конце последнего ответвления на основе сказанного давление будет
«2 2
равно к 4- +“2^(п0 т°й же причине действительное давление будет не-
сколько меньше).
Наибольшая возможная разность давлений в начале магистрали и в конце
последнего ответвления равна:
Ь 1 л! , «2
+ 2^ + 2%
й 4- "2
Так как максимально возможная разность давлений дает наибольшую не-
равномерность промывки, то она и принята при дальнейшем расчете.
Если количество воды, вытекающее в первом отверстии первого ответвле-
ния, обозначить через де, имеющийся здесь напор, расходуемый на преодоление
сопротивлений в отверстии,—через й, количество воды, вытекающее в последнем
отверстии последнего ответвления, через дв и величину отверстий через ш,
то
дс _________цш^2&__________
9В ^1/2ё(к ф- Д +
* \ * 2^ 2§)
или
Отношение между дс и дв, определяемое с некоторым приближением из на-
писанного уравнения, можно регулировать в определенных пределах, изменяя,
как это далее показано, площадь всех отверстий в боковых ответвлениях или
напор, теряемый в отверстиях.
Предполагая, что разность между наименьшим и наибольшим расходами
в отверстиях в 4 — 5% даст еще относительно равномерную промывку, т. е.
допуская, что
= 1 —0,04 = 0,96
или 0,962 =
получим: 2 2 к = 0,92 И + 0,92 —Ц±_^2_ • 2Я
2 2 0,08 к = 0,92 ^ё
или 2 , 2 А-11,5 2ё
Под Л мы понимаем напор, имеющийся в частицах воды у определенных от-
верстий, расходуемый на преодоление сопротивлений в этих отверстиях; так
как при этом предполагалось, что истечение из отверстий происходит в атмо-
сферу, то выведенная зависимость не является точной; это подчеркивается еще
следующими обстоятельствами.
1. Необходима некоторая часть напора для преодоления сопротивлений,
особенно в песке; последний при промывке с большой интенсивностью находится
в приподнятом, как бы взвешенном состоянии, однако, сопротивления в нем
имеются. Согласно опытам Эльмса при толщине слоя гравия 457 мм, толщине
слоя песка 760 мм (эффективная величина 0,3 — 0,4 мм, коэфициент однородно-
. ... л/м2
сти 1,4э) и интенсивности промывки 10 потери напора в гравии оказа-
лись равными 0,097 м и в песке — 0,712 м. Возможная разница сопротивлений
в песке над рассматриваемыми отверстиями при разрыхленном и приподнятом
песке, повидимому, незначительна.
2. Не учтены потери на образование скорости при входе в ответвления и на
сжатие здесь струи, а это приводит к тому, что в расчете мы основываемся на
большей разности давлений в рассматриваемых точках С и В или на большей
неравномерности движения в них воды, чем это может иметь место в действи-
тельности.
Выведенная зависимость, не будучи достаточно точной на данном этапе
развития вопроса большой сложности, принимается в качестве основания для
расчета дренажа.
Обозначим:
площадь фильтра—Р л<2;
размеры фильтра в плане — а и Ь м;
... л/м2
интенсивность промывки IV ——
сек;
общее число отверстий во всем дренаже — п;
общую площадь всех отверстий дренажа — / м2;
расстояние между ответвлениями — 50 м;
диаметр отверстия — (/ мм;
площадь отверстия — ш мм2;
расстояние между отверстиями — м;
число отверстий, приходящихся на ответвление, — л0;
имеем расход через отверстие:
^“ТожУ2^11-5 "У*'
Умножая левую и правую части равенства на п, получим:
п(1в = 1 0002 / 11.5 (V? + «!)-
Здесь пдв — расход через все отверстия, равный
ри/
™ л]сек = -^о~мЧсек,
а
1 ООО2'
Подставляя эти значения в полученное уравнение, получим:
1 000 Iх/ К 1 1,5 ( VI + 1)2)’
или
/ ]У _______________1
р >11,5 (»?+»!)'
Отношение т. е. отношение общей площади отверстий дренажной
Г
системы к площади фильтра, согласно данным практики (Дженкс, Эльмс
в США) рекомендуется в пределах 0,002 и 0,2%.
Обозначая -^г, выраженное в процентах, через к и приняв у. = 0,62, по-
лучим:
IV-100 1 IV 1
1000.0,62 /(г? + ^) /о’
Рекомендуя к в малых пределах, сильно увеличивают напор, теряемый в от-
верстиях дренажа, принимаемых одинаковыми, уменьшают влияние разности
напоров у отверстий, уменьшают относительное значение неравенства сопроти-
„ , _ Ос
влении в песке фильтра или, приближая тем самым отношение к единице,
обеспечивают более равномерную промывку.
Скорости и о2 можно рекомендовать в пределах: V, до 1,6 м{сек, г2 не
выше 2,6 м/сек.
Восстановление напора имеет место и в центральной трубе и в ответвлении;
при выборе диаметра той и другой трубы и скоростей в них следует считаться
с тем, что если боковая труба имеет большую длину и здесь восстановленный
напор может иметь большее значение, то восстановленный напор в центральной
трубе должен быть меньше, т. е. скорость в ней должна быть выбрана меньшей.
Приняв диаметр и скорость в центральной трубе, задавшись расстоянием
между боковыми трубами 50, принимаемым обычно в пределах 0,15 — 0,3 м,
и установив диаметр боковой трубы и скорость в ней, определяют по выведенной
выше формуле / в кв. метрах или к. Задавшись диаметром отверстия с? мм, обычно
принимаемым в пределах 6—12 мм, определяют п — общее число отверстий
286
во всем дренаже и далее л0 — число отверстий, приходящихся на ответвление,
затем определяют расстояние между отверстиями:
/ 1 0002 кР 1 0002.
п~ ш “ 100ю ’
число отверстий, приходящихся на ответвление:
2 Ъ кР • 50 • 1 0002
Л° ~ : " ~Л00иГТ6~ ’
расстояние между отверстиями:
а
51 ~ т •' п° ’
_ й-100ш.2й _ ш
51 “ 2кРз0 1 0002 ” 10000 (ЦТ М'
Когда в плоскостях сечения трубы располагается по одному отверстию,
для определения остается выведенная формула; когда в плоскостях сече-
ния трубы располагается по два отверстия (см. фиг. 333),
51 = Л0000 Ь7 = 50001^ М‘
Данные опытов. Опыты, проведенные Дженксом, проверенные и
дополненные Эльмсом, указывают на определенные границы в принимаемых раз-
мерах при проектировании дренажа из дырчатых труб, поэтому данные этих
опытов следует рекомендовать для проверки величин, принимаемых и получае-
мых при расчете дренажа.
Правильно сконструированный дренаж на основании выводов из вышеука-
занных опытов должен удовлетворять следующим условиям:
1) отношение длины боковой трубы к ее диаметру не должно превышать 60;
2) диаметр отверстий в боковых трубах должен быть от 6 до 12 мм;
3) промежутки между отверстиями в боковой трубе могут колебаться от
75 м ч при диаметре отверстий в 6 мм до 200 мм при диаметре отверстий в 12 мм;
4) расстояния между боковыми трубами могут доходить до 300 мм:
5_) отношение общей площади отверстий дренажной системы к общей пло-
щади поперечного сечения боковых труб не должно превышать 0,5 при диа-
метре отверстий в 12 мм и должно быть уменьшено до 0,25 при диаметре отвер-
стий в 6 мм или (согласно позднейшим опытам Эльмса) сумма площадей попереч-
ного сечения боковых труб должна быть по меньшей мере в 2 раза больше суммы
площадей сечения отверстий в боковых трубах;
6) отношение общей площади отверстий дренажной системы к площади
фильтра должно быть достаточно мало (около 0,002);
7) главные распределительные трубы, питающие боковые трубы, должны
иметь сумму площадей поперечного сечения в 1,75 — 2 раза больше суммы пло-
щадей поперечного сечения боковых труб.
Последнее правило, по нашему мнению, требует дополнительной проверки
для средних фильтров с одной главной распределительной трубой, наиболее
часто проектируемых в наших условиях. Соблюдение этого правила требует
меньших скоростей в центральной трубе и увеличения ее диаметра и больших
скоростей в ответвлениях, поэтому впредь до накопления данных нашей практики
некоторое отступление от этого правила можно считать вполне допустимым.
Пример 1. Требуется рассчитать дренаж из дырчатых труб для фильтра (фиг. 342)
площадью Р — 16,6 м2.
Размеры фильтра: а =4,6 м, Ь = 3,6 м.
Интенсивность промывки V/ = 12
Расход воды на промывку равен IV/7 = 12-16,6^200 л/сея.
Намечаем диаметр центральной трубы с тем, чтобы скорость у входа в трубу соот-
ветствовала указанным выше пределам.
Принимаем О— 400 мм; = 1,6 м/сек.
Расстояние между осями боковых труб принимаем равным «0 = 0,3 м. Число боковых
труб с каждой стороны центральной трубы равно:
Расход воды в боковой трубе равел 200 : (2 х 12) = 8,33 л/сек.
Намечаем диаметр боковой трубы (ответвления) с тем, чтобы скорость у входа
в трубу соответствовала указанным выше пределам. Принимаем диаметр ответвления
= 75 мм; г2=л: 1,9 м/сек. Отношение общей площади отверстий дренажной системы
к площади фильтра:
1
/=— _ 1
° 21 |/1,62+1,92
% =5:0,23%.
Диаметр отверстия <1 принимаем равным 9 мм.
Расстояние между отверстиями
Разрез филЪтра по 1-1
Фиг. 342
« ~92-100-10 л
51 ~ 5000/и0 — 4-5 000-23-3 ~ 0,184 м ~ 184 мм’
Проверка расчета.
Отношение длины боковой трубы к ее диаметру
равно:
2,3 : 0,075 = 31,
т. е. менее 60; следовательно, 1-е условие выполнено.
Принятые диаметры отверстий в боковых трубах, рас-
стояние между отверстиями, расстояние между боковыми
трубами удовлетворяют условиям 2-му, 3-му и 4-му.
Сумма площадей поперечного сечения боковых труб
равна:
2-12 - • 0.0752
4
0,106 м2.
Сумма площадей сечения отверстий в боковых тру-
бах равна:
к 0,23
юн ? = юн '16,6 — 0,038 м-.
Отношение суммы площадей поперечного сечения
боковых труб к сумме площадей отверстий в них равно:
0,106
0,038
т. е. более 2; следовательно, условия 5-е и 6-е выпол-
нены.
равна:
& 0,126 л’.
боковых труб 'равна 0,106 м2;
Площадь сечения центральной трубы
я-0,48
4
Сумма площадей поперечного сечения
0,106 -
т. е. меньше 1,75; следовательно, последнее условие не выполнено.
Таким образом, или можно оставить запроектированный дренаж, рассчитывая на
то, что большая неравномерность при получении указанного соотношения, равного 1,2
вместо 1,75, не будет иметь места, или необходимо пересчитать дренаж. В последнем
случае можно или увеличить диаметр центральной трубы или уменьшить диаметр боко-
вых ответвлений. Первое во избежание загромождения фильтра менее желательно за исключе-
нием случаев, когда ответвления присоединены в верхней части трубы, а сама труба заложена
“ 21
в бетонное основание; второе возможно, если скорость в ответвлениях не будет слишком
большой, так как это даст большой восстановленный напор, также неблагоприятно отра-
жающийся на равномерности промывки.
Намечаем диаметр ответвления Ро = 63 мм, тогда г2 = 2,68л<;
12______________1
21 '/Тб2 + 2,68*
% = 0,183%.
<1 намечаем равным 9 мм; тогда
51 = 5ООО-^о
л • 92-1 000-10
4-5 000-183-3 ==23° мм’
т. е. расстояние между отверстиями в боковой трубе оказалось большим рекомендуемого.
Примем й равным 8 мм; тогда = 182 мм.
Окончательная проверка показывает, что принятый дренаж удовлетворяет всем усло-
виям (при проверке 7-го условия отношение площади сечения центральной трубы к сумме
площадей сечения боковых труб оказалось равным около 1,7, что также приемлемо).
Пример 2. Требуется рассчитать дренаж с гайками Говатсона.
Площадь фильтра Р = 12,4 м*.
л,1м*
Интенсивность промывки XV = 12 ~
Расход воды на промывку равен IV/7 = 149 л)сек.
Назначаем В трубы, подводящей воду в междудонное пространство, равным 300 ллп
скорость движения воды при выходе из нее в междудонное пространство, равной
2,10 .м/сек. Расчет практически проводится аналогично предыдущему с использованием
тех же формул; однако по существу аналогия с приведенным выше расчетом здесь не
обоснована. Боковых труб нет, поэтому может быть принята равной нулю. Скорости
поступления воды в междудонное пространство ух придают то же значение, что и скоро-
сти поступления в центральную трубу, в то время как явления здесь разные и распре-
деления скоростей не аналогичны. Считая необходимым указать на обязательность
дальнейшего обоснования расчета, мы вынуждены все же его привести в существующем
виде:
V? + ^2
Л = 11,5 -2^ = И>5 ~2§ ~ 2,58 м.
Отношение общей площади отверстий дренажа к площади фильтра:
IV 1 IV 1
к = -туг-- —г----- = -тгг • - , = 0,27%.
21 21 /2,1»
Площадь отверстий дренажа, приходящаяся иа 1 мг площади фильтра, равна:
Л-1 0,27
100 — 100 — 0,0027 ж8.
Гайка имеет б отверстий диаметром 4—б мм.
При диаметре отверстий 5 мм суммарная их площадь в одной гайке равна:
я • 58 „
6—= 118 мм*.
Следовательно, на 1 мг площади фильтра устанавливается 0,0027 : 0,000118 = 24 гайки,
а на всей площади фильтра — 12,4 • 24 = 296 = 300 гаек.
Последние, как видно из фиг. 332, заделываются в железобетонные плиты размерами
около 1 м2, в свою очередь укрепляемые на столбиках.
Аналогично рассчитывается дренаж с дырчатыми трубами, подводящими воду под
решетку из досок на ребро. Намечается диаметр трубы В; скорость в ней ух; опреде-
ляются к, /, й и п.
Оценивая дренажи различных типов, можно притти к следующему выводу:
а) теория дренажа разработана весьма слабо;
б) расчет дренажа ведется не на основе его теории, а главным образом на
основе результатов некоторых экспериментальных исследований, а в отдельных
случаях — по аналогии без достаточных к тому обоснований;
в) потребный напор для дренажа большого сопротивления значительно
превышает таковой для дренажа малого сопротивления;
г) во многих случаях может иметь место неравномерное загрязнение песка,
зависящее от различных факторов (ненормальная работа желобов, ненормальная
19 Водоснабжение 239
эксплуатация и пр.); дренаж должен обеспечивать удовлетворительную про-
мывку и в этих менее благоприятных условиях;
д) неравномерное загрязнение песка вызывает различную потерю напора.
Чем меньшую часть эта потеря напора в песке при промывке составляет от общей
потери напора, тем более равномерная промывка может быть достигнута; чем
больше сопротивление в дренаже, тем меньше влияние возможной разницы в со-
противлениях в песке;
е) потери напора в песке фильтров с дренажем большого сопротивления
(дренажем, у которого потери напора в отверстиях значительны) составляют
небольшую часть общей потери напора в них, а потому дренаж большого сопро-
тивления при совершенно одинаковых и равномерно распределенных отверстиях
может обеспечить более равномерную промывку даже и при недостаточно равно-
мерном загрязнении песка;
ж) шаровой дренаж и дренаж из дырчатых труб требуют меньшей строи-
тельной высоты фильтра, дренаж с деревянной решеткой — большей высоты;
дренажи, имеющие большое количество мелких металлических частей, вообще
нежелательны.
§ 23. Загрузочные (поддерживающие) слои и песок
Роль кварцевого песка как фильтрующего материала чаще наиболее значи-
тельна в верхнем его слое, но и в самой толще песка, загруженного в фильтр,
благодаря проходящим сюда частицам коагулянта также происходит задержка
взвеси и бактерий.
В английских фильтрах пленка, образующаяся на поверхности песка из
минеральной и органической взвеси в период созревания фильтра, оказывает
основное фильтрующее действие. В американских фильтрах пленка, образую-
щаяся в очень короткие промежутки времени и состоящая главным образом
из гидроокиси алюминия (с размещенными в ней песчинками), играет значитель-
но меньшую роль, чем в английских. Установлено, что гидроокись алюминия
проникает и в глубь песка, размещаясь между песчинками и обволакивая их,
а также установлено то или иное участие всей толщи песка в процессе филь-
трации.
Кварцевый песок обладает следующими достоинствами:
1) недорог, получение его не представляет трудностей;
2) обладает достаточной механической прочностью (в фильтре измельчается
в слабой степени);
3) не влияет в заметной степени на химический состав воды;
4) хорошо и просто очищается от грязевых отложений (промывка); после
промывки обладает первоначальной фильтрующей способностью.
Удельный вес кварцевого песка не должен быть ниже 2,6.
Некварцевые пески, как то: ракушечный, сланцевый, известняковый, как
не обладающие всеми перечисленными свойствами, для целей фильтрации не
пригодны.
Для загрузки фильтров можно использовать речной песок (он наиболее
чистый, зерна его окатаны) или горный песок (он обычно крупнее, зерна непра-
вильной формы); последний пригоден лишь при отсутствии в нем железа, глины
и пр. Известны также случаи применения дробленого кварца.
Перед загрузкой фильтра песок должен быть просеян на специальных си-
тах, отсортирован и промыт. Промывка песка часто производится после его за-
грузки в самих фильтрах (обратным током воды).
Характеристика песка имеет решающее значение для работы фильтра. Круп-
ность зерен песка и их однородность влияют на фильтрующую способность
фильтра. Оценка пригодности и выбор песка проводятся на основании механи-
ческого анализа. Последний производится в лабораториях просеиванием просу-
шенного образца песка через ряд калиброванных сит с отверстиями разной
величины.
Газен (США) установил, что пропускная способность песка при фильтрации
в наибольшей степени зависит от мелких зерен, поэтому условились пропускную
способность всякого песка оценивать по размеру (калибру) того сита, которое
пропускает 10% всего песка. Диаметр отверстия сита, или калибр сита, через
которое проходит 10% (по весу) данного образца песка, назван эффектив-
ным размером песка. Однородность содержания зерен определенной
крупности в образце песка оценивается коэфициентом однород-
ности, который выражает отношение величины зерен средней крупности
к эффективной величине зерен. Полагая, что средняя крупность зерен песка мо-
жет характеризоваться калибром сита, через которое при просеивании пройдет
60% (по весу) данного образца песка, считают, что коэфициент одно-
родности представляет отношение калибра сита, через которое проходит
60% образца, к калибру сита, через которое проходит 10% образца (отношение
среднего размера зерна к эффективному).
Для загрузки фильтров (скорых, открытых) рекомендуется кварцевый пе-
сок, имеющий эффективный размер 0,35 — 0,45 мм и коэфициент однородности
1,6— 1,8.
Для загрузки медленных фильтров применялся песок (Эльмс), имевший
эффективный размер от 0,17 до 0,5. Характеристика песка для загрузки специаль-
ных фильтров приводится в описании этих фильтров.
Высота слоя песка в открытых фильтрах принимается равной
0,7 — 0,75 м; для особых конструкций фильтров толщина слоя песка приведена
при описании этих конструкций.
Химический состав песка имеет особенное значение в кварцевых фильтрах,
устанавливаемых на станциях умягчения воды. Проект стандарт Главэнерго-
прома предъявляет здесь следующие требования:
1) содержание кремнекислоты должно быть не менее 96%; общее содержа-
ние полуторных окислов, окиси кальция и окиси магния не должно превы-
шать 4%;
2) суммарное содержание окиси кальция и окиси магния должно быть
ниже 1%;
3) кварц должен быть устойчивым по отношению к щелочной воде. Следует
иметь в виду, что в горячем состоянии щелочная вода действует на всякий песок
(только мрамор не обогащает воду кремнеземом).
Крупность зерен кварцевого песка напорных фильтров на станциях умяг-
чения воды в соответствии с конструкцией фильтров (конструкция дренажа и
поддерживающие слои) рекомендуется в пределах 0,5 — 1,0 мм. Из природного
такой песок получить довольно трудно.
Охарактеризовав песок с различных точек зрения, следует еще указать
на одну из характеристик — грязеемкость песка, которой в практике фильтра-
ции пока еще не уделяют должного внимания. Грязеемкость характеризует со-
стояние песка к концу периода действия фильтра и может быть выражена в со-
ответствии с количеством взвешенных веществ, задержанных определенным
слоем песка, загруженного в фильтре на площади в 1 м2.
Песок поддерживается слоем гравия (кварцевая галька). Правильно подо-
бранный гравий как в смысле высоты слоя, так и в смысле крупности является
важным фактором в осуществлении равномерной промывки. Высота слоя в зна-
чительной степени зависит от конструкции дренажа и способа промывки фильтра.
Для открытых скорых фильтров слой гравия обычно рекомендуется высотой до
600 мм. Весь слой гравия разделяется на ряд слоев, имеющих примерно следую-
щую градацию размеров:
От 64 мм до 32 мм............150 мм
» 32 » » 16 » 150 »
» 16 » » 8 >> 100 >>
» 8 » >> 4 » 100 »
>> 4 о » 2 л ...........50 »
л 2 » >> 1 1> ........ 50 »
Здесь крупность, например, в 1 — 2 мм показывает, что весь указанный
гравий должен проходить при просеивании через сито с ячейками размером
2 мм и задерживаться на сите с ячейками размером 1 мм; то же и по отношению
к слоям иной крупности.
Рекомендуемые размеры подобраны так, что вышележащий слой не будет
просыпаться в расположенный ниже.
Гравий должен быть чистым и однообразно подобранным, в противном слу-
чае после промывок с большой интенсивностью он будет лежать в беспорядке.
Первый слой в зависимости от интенсивности промывки, конструкции дренажа
и пр. в редких случаях может быть большей толщины и более крупным; он в зна-
чительной мере содействует равномерному распределению воды во время про-
мывки и сдвиг его с места может нарушить эту равномерность.
Общая высота слоя гравия должна быть наибольшей (примерно 600 мм и выше)
для простейшего дренажа из досок, поставленных на ребро; несколько меньшей
(450 — 500 мм) она может быть для весьма распространенного дренажа из дыр-
чатых труб, а при меньших интенсивностях (фильтры с мешалками) общая вы-
сота слоя гравия может быть вдвое меньшей; наиболее крупный гравий здесь
вовсе отсутствует.
Слой гравия превращает отдельные струи, выходящие из дренажа, в сплош-
ной поток и распределяет этот поток по всей площади фильтра. При скоростях
подъема воды до 1 м/мин, что соответствует интенсивности промывки
л/м2 ......
16 — 17 -!— , правильно подобранный гравии еще остается неподвижным. Сдвиг
гравия может иметь место при прорывах воздуха, накопляющегося в дренаже.
На такой сдвиг часто указывают воронки, обнаруживаемые на поверхности
песка при спуске воды. Иногда из-за этого промывку начинают с меньшей интен-
сивностью, отчего воздух удаляется постепенно, а далее интенсивность увели-
чивается до принятой величины. Во время промывки фильтра гравий с песком
не должен перемешиваться. Такое перемешивание может иметь место только
при сдвиге гравия или при ненормально малой толщине его слоя. В этом случае
песок проходит в дренажную систему.
В описываемых далее напорных фильтрах, устанавливаемых на станциях
умягчения в соответствии с конструкцией дренажа, рекомендуется следующая
крупность фракций поддерживающих слоев: 1 —2,5; 2,5 — 5; 5 — 10 и 10 —
20 мм.
ния
что
или
Гравий в отношении прочности, удельного веса, а также возможного влия-
его на химический состав воды должен удовлетворять тем же требованиям,
и песок.
В тех случаях, когда гравий должен работать при высоких температурах
при сильных изменениях температур, он обязательно проверяется на тер-
Таблица 13
№ сита или число про- волок на дециметр Диаметр прово- локи в мм Соответствует ячейке в мм
ячейк по сто задрат;
о. к к “ га •_ 5 н <ь Ч " = = СС у о
й. и с.а
17 33 4,982 2,515 0,9 0,5 5 2,5
74 122 1,071 0,599 0,28 0,22 1 0,5
600 в следующей последовательности: сито
териал набрасывается на сито небольшими
мическую устойчивость (25-кратное по-
переменное погружение образца в ки-
пящую воду на 10 — 15 мин. и в воду
с температурой 10 — 20° на 5— 6 мин.).
До утверждения стандарта на прово-
лочные сита для просева и сортировки квар-
цевого песка и гравия Главэнергопром реко-
мендует применение изготовляемых проволоч-
ных сит согласно данным табл. 13.
Проволочные сита для просева с ячейкой
10 мм изготовляются из проволоки 1 мм,
с ячейкой 20 мм-из проволоки 1,2—1,5 мм.
Кварцевый песок и гравий перед просе-
вом просушиваются, а если они загрязнены,
то предварительно промываются.
Просеивание крупных фракций идет че-
рез рамочные сита, поставленные под углом
с ячейкой 20 мм, далее в 10 мм и 5 мм. Ма-
количествами. Просев более мелких фракций
и песка производится на горизонтальных ситах путем их встряхивания.
Материал, не прошедший через первое сито, отбрасывается или дробится; прошедший
через последнее сито отбрасывается; не прошедший через одно из сит составляет соответ-
ствующую фракцию соразмерно величине ячейки. Например, кварц, прошедший через
сито с ячейкой 10 мм, но оставшийся на сите с ячейкой 5 мм, составляет соответствую-
щую фракцию крупностью 5—10 мм.
Для нейтрализации воды после коагулирования в отдельных случаях для
фильтрации воды, обработанной известью или известью и содой, для фильтрации
воды с высокой щелочностью и температурой рекомендуют для загрузки фильт-
ров применять мраморную крошку крупностью зерен 0,8 — 1 мм.
§ 24. Желоба. Отвод промывной (отработанной) воды
Для сбора и удаления грязной воды при промывке фильтра устраиваются
специальные желоба, правильность работы которых оказывает определенное
влияние на работу фильтра.
Желоба должны иметь достаточное сечение, не загромождать фильтра, обес-
печивать равномерную промывку и легкое попадание в них мути со всей площади
фильтра и препятствовать попаданию в них песка.
Желоба имеют еще и другое назначение — равномерный напуск воды на
фильтр. Так как расход в желобах при промывке в несколько раз превышает
расход в период фильтрации, то для расчета жолоба необходимо принимать рас-
ход воды как на промывку.
Фиг. 343
У фильтров Джуэлль (и некоторых иных) круговой переливной жолоб
образуется стенками резервуара (в который загружен песок) и наружной стен-
кой. Жолоб, «карман», или лоток, служит для приема и отвода грязной воды,
переливающейся через кромку внутренней стенки, и для приема и распреде-
ления но фильтру воды, поступающей с отстойника.
Напорные фильтры (описание их приведено ниже) имеют вместо желобов
воронки, расположенные по центральной оси фильтра на определенном расстоя-
нии от поверхности песка.
В открытых прямоугольных фильтрах на определенном расстоянии от по-
верхности песка устраиваются навесные желоба, укрепляемые на консолях,
заделанных в стены фильтра.
Н а фиг. 343 схематично показан путь, проходимый струями промывной
воды.
При проектировании и расчете желобов необходимо наметить:
1) схему расположения желобов (в плане);
2) расстояние между отдельными желобами и количество желобов;
3) высоту желобов — расстояние от кромки переливного жолоба до поверх-
ности песка;
4) форму желобов (в сечении);
5) величину сечения желобов.
1. Схема расположения желобов у открытого безмешалочного фильтра зави-
сит главным образом от величины площади фильтра. Для очень малых фильтров
(площадью 10— 12 л<2) может быть запроектирован один жолоб по средней оси
фильтра, для средних фильтров (площадью до 30 — 40 м2) может быть преду-
смотрено, например, три жолоба, переходящих в общий сборный жолоб
(см. фиг. 333) с отводом грязной воды в общую трубу. Размер трубы и располо-
жение ее должны обеспечивать быстрое удаление грязной воды. Вместо общего
сборного жолоба в фильтре чаще устраивается общий лоток перед фильтром со
сбросом воды из него в канализацию.
Для больших фильтров отвод всей воды к одной стороне фильтра предста-
вляется трудно выполнимым; в этих случаях сборный жолоб устраивается в виде
канала посреди фильтра (он делит фильтр на две части), а к нему с обеих сторон
примыкают желоба (см. фиг. 335).
2. Расстояние между желобами, расположенными параллельно, не может
быть принято очень большим по той причине, что при длинном горизонтальном
пути воды до желобов из нее начнут выпадать грязевые частицы, поэтому рас-
стояние между кромками желобов не должно превышать 2 — 2,2 м (практика
США); во избежание загромождения фильтра это расстояние не следует делать
меньше 1,4 — 1,5 м.
3. Расстояние от кромки переливного жолоба до поверхности песка зависит
от величины подъема песка, выражаемой в процентах от толщины его слоя.
Подъем загруженного в фильтр песка зависит, как об этом далее подробно ска-
зано, от свойств песка, интенсивности промывки и температуры воды. Если
величину подъема песка определить для наибольшей возможной для проекти-
руемого фильтра интенсивности промывки при наинизшей температуре, то это
и будет для данного песка основанием для определения положения жолоба.
Так как струи промывной воды имеют у желобов вследствие стеснения ими
площади фильтра повышенную скорость и, следовательно, подъем песка здесь
может быть несколько большим, то высоту кромки жолоба над поверхностью
песка следует принимать на 30 — 35% больше высоты наибольшего подъема
песка п)эи данных условиях (интенсивность промывки, температура).
Примерные величины подъема песка указаны далее при описании промывки
фильтров.
Условия работы, температура и подъем песка посезонно меняются, однако, изменение
высоты кромки жолоба или слоя песка на фильтре в связи с этим реально мало осуще-
ствимо. В соответствии е изменениями температуры воды может лишь изменяться
интенсивность промывки.
Величине расстояния от кромки переливного жолоба до поверхности песка
следует уделять серьезное внимание, так как при более высоком расположении
желобов не вся грязь будет уноситься промывной водой, а при более низком
неизбежна потеря песка, тем более, что после ряда промывок наиболее мелкий
песок займет в фильтре и наиболее высокое положение и сравнительно легко
будет выноситься промывной водой. Чемкоэфициент однородности песка больше,
тем это явление сказывается сильнее (таким расслоением песка пользуются для
сортировки и отмывки песка, свежезагруженного в фильтр). Неравномерная про-
мывка и загрязнение песка также способствуют его выносу с фильтра.
Кромка жолоба должна быть строго горизонтальной и перелив должен осу-
ществляться по всей длине кромки. В этом отношении удобны деревянные же-
лоба. При выполнении желобов из железобетона в верхние края их целесообразно
заделывать деревянные рейки, которые легко можно прострогать по уровню
воды (в пусковой период).
4. Форма сечения желобов должна быть удобообтекаемой. В этом отноше-
нии наилучшей формой является полукруглая (фиг. 344). Однако при примене-
нии для желобов дерева и железобетона (сталь применяется редко) эта форма
мало пригодна. Прямоугольная форма, наиболее просто выполнимая, непри-
годна как плохо обтекаемая и создающая более сильное загромождение фильтра.
Наиболее приемлема пятиугольная форма (фиг. 345).
5. Сечение жолоба по мере удаления от сборного жолоба может быть умень-
шено (переменный расход) за счет глубины при постоянной ширине. Глубина
294
у начала жолоба может быть принята равной примерно половине глубины в
конце его.
Соотношение размеров желобов следует выбирать так, чтобы высота их была
не менее чем на 15 — 20 см меньше принимаемого расстояния от кромки до по-
верхности песка, в противном случае жолоб создает препятствие для подъема
песка; с другой стороны, нецелесообразно проектировать слишком широкие
желоба, чтобы не загромождать поверхности фильтра и не < 2а >
стеснять сильно движения промывной воды вверх. Обычно .----. -----
величина сечения жолоба не более 0,20— 0,25 м2; для I I н 01,5а
небольших фильтров сечение желобов следует принимать ) «к Л
меньшим (до 0,1 —0,15 м2). а
Задавая проверенную практикой скорость движения Фиг. 344 Фиг. 345
воды в конце жолоба в пределах 0,6 м/сек, намечают со-
гласно пп. 1 и 2 количество желобов п; площадь сечения жолоба определяют
по формуле:
Р]М
1 000-0,6п ’
где Р— площадь фильтра в л/2;
... л/м2
— интенсивность промывки в ——.
сек
Для жолоба, имеющего площадь сечения согласно фиг. 345 равную / — 4а2,
определяется а.
Для желобов с иным сечением определение линейных размеров профиля
после определения / также не представляет затруднений.
Обычно каждый жолоб при длине его, принимаемой не более 5 — 6 м, в со-
стоянии обслужить площадь порядка 10 м2, а отводоспособность жолоба (в конце)
при указанной выше предельной площади сечения около 0,25 л/2 не должна пре-
вышать 0,6x0,25=0,15 м3/сек.
Пример. Площадь фильтра Е = 30 .и2. Интенсивность промывки IV = 12,5 -~г
Принимаем число желобов п = 3 (из желобов вода поступает в сборный лоток перед
фильтром). Тогда
30-12,5 „ „ „ .
- 1 000-0,6-3 — 0,208 м '
Если сечение жолоба принять по фиг. 345, то
4а2 = 0,208 м\
откуда
а = 0,228 м.
Ширина жолоба в свету 2а = 0,456 м. Ширина жолоба с учетом толщины стенок
(дерево) равна 0,556 м. Следует еще проверить, позволяет ли ширина жолоба при допу-
стимых расстояниях между кромками желобов расположить три жолоба по ширине
фильтра. Ширина фильтра при трех желобах будет равна:
3- 0,556 + 3-1,4 = 1,67 + 4,2 = 5,87 м.
Длина жолоба (длина фильтра) будет равна 5,1 м.
Следует также проверить расположение жолоба и в высотном отношении.
§ 25. Потеря напора. Вакуум в фильтре. Регуляторы скорости фильтрации
Потеря напора в фильтре обусловлена конструкцией фильтра (характери-
стика и толщина слоя песка) и технологическим процессом (скорость фильтра-
ции, условия коагулирования воды и пр.).
При неизменной скорости фильтрации потеря напора в фильтре по мере его
действия увеличивается вследствие возрастающего загрязнения песка. Постоян-
ная скорость фильтрации в одном и том же фильтре при неизменной отметке
воды над фильтром сама по себе не может иметь места. В начале действия фильтра
эта скорость будет наибольшей, а по мере загрязнения фильтра она уменьшается.
Принципиальные изменения скорости фильтрации для такого случая (т. е. без
регулирования) показаны на фиг. 346. Качество фильтрата зависит от скорости
фильтрации и поэтому не может быть гарантировано при больших скоростях,
имеющих место после промывки фильтра, и при переменных скоростях фильтра-
ции. Необходимо, чтобы весь период действия от промывки до промывки фильтр
работал с постоянной скоростью и производительностью. На фиг. 347 показана
характеристика работы фильтра в этом случае. Скорость фильтрации здесь ре-
гулируется и остается постоянной за весь период действия фильтра. Это дости-
гается включением в трубопровод, отводящий с фильтра осветленную воду, осо-
Фиг. 346
вреня действуя филЬтра 8 часа*
Фиг. 347
бого регулятора, уменьшающего проходное сечение в начале работы фильтра
и открывающего проходное сечение в большей и большей степени по мере за-
грязнения фильтра.
Конечная потеря напора в фильтре, показанная на фиг. 347,соответствует
полностью открытому регулятору. Далее фильтр должен быть промыт, так как
регулятор не в состоянии более компенсировать увеличивающуюся потерю на-
пора, и скорость фильтрации уменьшится. Таким образом, наибольшая потеря
напора в фильтре является основным показателем необходимости его промывки.
На графике фиг. 348 показаны изменения потери напора в фильтре одного
из водопроводов. Потеря напора после промывки, или так называемая перво-
начальная потеря напора, на фиг. 348 несколько увеличена;
она должна быть значительно меньшей (до 0,5 — 0,6 л<). Это объясняется здесь
частичной загрязненностью песка, являющейся следствием недостаточно удо-
влетворительной промывки. Первоначальная потеря напора зависит от конструк-
ции фильтра, включая дренаж и поддерживающие слои, толщины слоя песка
и его характеристики.
Наибольшая потеря напора в фильтре зависит, кроме того, от характера
взвеси в воде, условий коагулирования и пр. и достигает 2,5 м или несколько
более.
На фиг. 349 представлены в виде графиков результаты исследования работы без-
мешалочного фильтра (Научно-исследовательский институт коммунального хозяйства в
Ленинграде), загруженного песком эффективной крупности 0,3 мм и с коэфициентом од-
нородности 2,6; фильтр оборудован ртутными вакуумметрами, дающими показания в ряде
точек загрузки, пьезометрами и показателями потери напора.
Вся потеря напора определялась как разность отметок воды на фильтре и в пьезо-
метре перед регулятором, а потери напора в каждом слое загрузки —как разность пока-
заний приборов у границ этого слоя.
На фиг. 349 также показаны кривая изменения уровня воды на фильтре, кривая
действующего напора, то же остаточного напора (т. е. разности между действующим
и потерянным напором), кривая суммарной потери напора в фильтре, то же потерь
иапора только в пленке и во всей загрузке.
Как видно, наибольшая потеря напора имеет место в пленке, точнее в верхнем слое
песка толщиной около 1 см с отлагающимся здесь большим количеством хлопьев коагу-
лянта и мелкой взвеси. В начале работы фильтра сопротивление в пленке незначительно,
но далее оно становится все боль-
шим и большим, а к концу периода
действия фильтра достигает величи-
ны порядка 1,5 м при общей поте-
ре напора в фильтре 2,2 м. Потеря
иапора во всем слое песка, не счи-
тая незначительный верхний слой,
колеблется примерно от 20 до 40—
50 см к концу периода действия.
В зависимости от условий коагу-
лирования и возможности проник-
новения мелких частиц коагулянта
внутрь слоя песка потеря напора
в нем может быть большей (пример-
но до 1 м).
Можно считать, что потеря
напора при фильтрации в поддер-
живающих слоях незначительна и
составляет до 3% от общей потерн
напора, в песке—15—25%, в плен-
ке—60—70% (к концу периода дей-
ствия), в дренаже — в зависимости
от его конструкции.
Названные величины приведе-
ны лишь для ориентировки и зави-
сят от конструкции и условий ра-
боты фильтров.
Вакуум в фильтре.
Осветленная вода от фильтра
отводится трубопроводом в ре-
зервуар. При отсутствии досту-
па воздуха в нижнюю часть
фильтра в нем мшет образо-
Нпетр
ваться вакуум в случаях, когда фнг 349
потеря напора в отдельных ме-
стах больше, чем высота столба
воды над этими местами. Образованию вакуума способствует значительное на-
растание потери напора в пленке фильтра, верхнем слое песка, где в пределах
незначительной толщины этого слоя получается более половины всей потери
напора.
Законы движения воды в фильтре в этом случае, естественно, усложняются.
Кривая потери напора в фильтре, приближающаяся к наклонной прямой
(фиг. 348), указывает на определенную закономерность в приросте потери на-
пора. Такая закономерность может иметь место лишь при нормальной работе
фильтра. При ненормальной работе характер кривой меняется, как это показано
на фиг. 350 для одного фильтра Джуэлль. Здесь при наличии вакуума в фильтре
кривая потери напора более или менее резко идет вверх, так как при вакууме
из воды выделяется растворенный в ней воздух (и иные газы). Выделившиеся
из воды пузырьки воздуха, располагаясь между песчинками, «загрязняют» фильтр,
увеличивают сопротивление в нем и резко увеличивают потерю напора. При обра-
зующемся в фильтре вакууме нарастание потери напора идет быстро, и период
действия фильтра уменьшается. С увеличением высоты слоя воды над песком
фильтра возможность появления вакуума в песке уменьшается. Таким образом,
для нормальной работы фильтра уровень воды над песком должен быть постоян-
ным и значительным (1 — 1,3 м). Деталь конструкции отстойника в том месте,
где вода из него отводится на фильтр, должна быть так запроектирована, чтобы
исключить возможность засасывания здесь воздуха с водой.
Температура воды также оказывает влияние на работу фильтра. Так, при
более высокой температуре нарастание потери напора может итти значительно
быстрее за счет более легкого выделения пузырьков воздуха. Это может приве-
сти к уменьшению периода действия фильтра, к увеличению общего расхода воды,
идущей на промывку, и т. д. Гидравлический режим работы фильтра должен быть
по возможности постоянным; уровень воды на фильтре также должен быть по-
стоянным. Регулирование подачи воды в сеть должно выполняться резервуаром
чистой воды. Отрицательное влияние вакуума требует внимательного отношения
к этому явлению и предупреждения его образования.
В некоторых (весьма редких) случаях газы в воде могут образоваться в результате
химических и биохимических процессов (определенные микроорганизмы способствуют
перенасыщению некоторых вод растворенным кислородом).
Следует еще заметить, что при на-
личии воздуха в фильтрах при промыв-
ке их может иметь место потеря песка,
так как пена, собирающаяся в таких
случаях на поверхности, содержит
песок.
Регулирование скоро-
сти фильтрации1 возможно
вручную и автоматически.
Регулирование вручную
можно осуществить при помощи за-
движки на трубопроводе-, отводящем воду с фильтра, ориентируясь при этом на
показаниях водомера.
Трудно допустить, чтобы обслуживающий персонал удовлетворительно ре-
гулировал скорость фильтрации. Падение скорости фильтрации может быть за-
мечено не сразу: фильтр будет работать с переменными скоростями, изменяю-
щимися в определенных пределах от некоторого максимума тотчас после откры-
тия задвижки до некоторого минимума, предшествующего дальнейшему уве-
личению этого открытия.
Колебания скорости фильтрации не могут не отразиться на качестве работы
фильтра. Таким образом, регулирование вручную, как правило, не должно иметь
места.
1 Вопрос рассматривается независимо от конструкции фильтра.
Фиг. 351
Простейшая схема автоматического регулирования
(см. фиг. 350а) заключается в том, что на трубопроводе, отводящем воду
с фильтра, устанавливается поплавковый регулятор закрытого типа. С увели-
чением загрязнения фильтра и потери напора в нем производительность фильтра
должна снизиться, а уровень воды над песком повыситься, вследствие этого про-
ходное сечение регулятора, связанное с поплавком, увеличивается, и скорость
фильтрации остается примерно .одинаковой. Недостатком указанной схемы
регулирования является
необходимость подачи
достоянного количества
воды на каждый фильтр.
Если уровень воды на
фильтре будет колебать-
ся независимо от за-
грязнения фильтра, то
сохранение постоянной
скорости при указанном
регуляторе неосущест-
вимо. Схема применима в
случае работы одного
фильтра при постоянной
подаче на него воды и
принципиально могла бы
быть допущена для не-
скольких фильтров при
неизменной подаче и рав-
номерном распределе-
нии воды на каждый
из них.
Большое распростра-
нение имел регулятор Ве-
стона (фиг. 351). Он со-
стоит из поплавковой ка-
меры А с воронкой В, в
которой перемещается диск,
сидящий на штоке, прохо-
дящем через поплавок О.
Шток связан с поплав-
ком О.
Профильтрованная во-
да попадает в простран-
ство Е, оттуда через дрос-
сельные клапаны Р в верх-
нюю часть камеры и далее
в воронку В. Диск переме-
щается вместе с поплавком,
поэтому уровень воды над
ним постоянен, и количе-
ство воды, пропускаемое
регулятором, не меняется.
Дроссельные клапаны
ваются при большем притоке
количества воды, поступающей в регулятор. Для установки фильтра на другую произво-
дительность необходимо изменение проходного сечения (кольцевой щели), образуемого
диском и цилиндрическим отверстием. Для этой цели диск меняется на другой большего
или меньшего диаметра. Это не требует продолжительного промежутка времени, но
требует перерыва в работе фильтра и нежелательно с гигиенической точки зрения. Регу-
ляторы Вестона для современных установок уже не проектируются, но они установлены
на большинстве фильтров Джуэлль.
На фиг. 352 показаны дроссельный клапан и его установка. Клапан исполь-
зуется для регулирования скорости фильтрации. Поплавок расположен здесь
не непосредственно над фильтром, а в особом кармане. Поплавковые регуляторы
для напорных фильтров неприменимы.
при помощи рычагов связаны с поплавком В, они прикры-
воды в регулятор и, наоборот, открываются при уменьшении
За границей исключительным распространением пользуются регуляторы,
основанные на действии трубы Вентури, часто поэтому называемые регуляторами
Разрез по а В
Фиг. 352. Сх'ма установки дрос-
сельного клапана в качестве ре-
гулятора скорости фильтрации
7—поплавок; 2—рычаг; 5—тяга; 4—
дроссельный клапан; 5— груз
Вентури. Эти регуляторы в настоящее время
осваиваются в СССР. Они в различных моди-
фикациях устанавливаются на водопроводах
США и Европы, так как обладают достаточной
чувствительностью, хорошо работают и удовле-
творительны в гигиеническом отношении.
На фиг. 353 представлен разрез одного из
таких регуляторов; последний устанавливается
на трубопроводе, отводящем профильтрованную
воду; он состоит из трубы Вентури и двухсе-
дельного (разгруженного) клапана, корпус ко-
торого соединен с трубой Вентури.
Двухседельный клапан может перемещать-
ся вместе с вертикальной осью, при этом про-
ходное сечение увеличивается или уменьшает-
ся. На той же оси в нижней части регулятора
помещается особая шайба с прикрепленной к
ней гибкой мембраной, закрепленной в корпу-
се регулятора.
Таким образом, в нижней части регулятора
образуется замкнутое пространство. Последнее
соединяется трубкой с суженным сечением тру-
бы Вентури и, следовательно, находится под
меньшим давлением. Выше мембраны в регуля-
торе давление такое же, как и в расширенной
части трубы Вентури. Имеющаяся разность
давлений стремится перемещать мембрану вниз.
Ось клапанов связана с коротким плечом ры-
чага, на длинном плече которого имеется пе-
редвижной груз; положение груза можно изме-
нять в связи с устанавливаемой скоростью
фильтрации, так как определенное положение
груза во время работы регулятора дает опре-
деленное открытие клапанов. На рычаге имеется соответствующая шкала.
При выключении фильтра клапаны находятся только под действием груза
Фиг. 353
на большом плече и потому полностью открываются. При включении филь-
тра и регулятора в работу клапаны находятся под воздействием двух сил: вес
груза стремится приподнять клапаны вверх, а разность давлений на диафрагму
сверху и снизу стремится опустить клапаны вниз. Устанавливается равновесие—
регулятор открыт в соответствии с определенной скоростью фильтрации. Груз
на шкале установлен для за-
данной скорости. Если фильтр
работает с большей скоростью,
то давление в суженной части
трубы Вентури и под диафраг-
мой уменьшается, клапаны опу-
скаются, проходное сечение
уменьшается и сопротивление
возрастает.
По мере загрязнения филь-
тра скорость фильтрации умень-
шается, давление под диафраг-
мой возрастает, клапаны под-
нимаются, проходное сечение
увеличивается и уменьшается
сопротивление. Так осущест-
вляется автоматическое регули-
рование скорости фильтрации.
На фиг. 351 даны схема
установки регулятора скорости
фильтрации и кривые давлений.
Потери напора в одном из
типов описанных регуляторов
Фиг. 354
характеризуются кривыми, изображенными на фиг. 355. Регуляторы типа
Вентури достаточно надежны и точны и могут работать в известных пределах
Фиг. 355
изменения скорости. Регуляторы эти закрыты, что очень важно в гигиени-
ческом отношении. Кроме того, труба Вентури позволяет осуществить установку
ряда связываемых с ней приборов для контроля работы фильтров.
Для единого управления всеми фильтрами могут применяться регуляторы с
гидравлическим приспособлением для установки их на ту или иную скорость
фильтрации.
Как видно из схемы фиг. 356, в верхней части регулятора имеется дополнительная
мембоана, связанная с осью клапанов и образующая замкнутое пространство, находя-
щееся под давлением воды в специальном резервуарчике. Давление на верхнюю мембрану
используется здесь так же, как груз на рычаге в рассмотренном уже регуляторе.
Давление это в рассматриваемой схеме изменяется в зависимости от положения
переливного устройства, снабженного соответствующей шкалой.
1йбки!1
румЛ-
X еядующи»
регуляторам
Шторная------
5с$а
Лц&ЮиЖюе пере/тЛное
;-шиш
вшп
Фиг. 356
На фиг. 357 представлен регулятор, предло-
женный инж. Лежоевым. Для уравновешивания
силы давления на мембрану используется давле-
ние столба воды в гидравлической колонке 7, уро-
вень которой поддерживается постоянным. При
изменении этого уров-
ня, что достигается пе-
редвижением сосуда 11,
изменяется давление на
поршенек гидравличе-
ского устройства 5, пе-
ремещается ось с кла-
панами и изменяется
скорость фильтрации.
Остальное ясно из фи-
гуры.
Для небольших фильтров, примерно до 20 .м2, можно ограничиться установ-
кой регуляторов дроссельного типа, так как последние могут быть изготовлены
на месте строительства станции обработки воды. Для больших фильтров можно
проектировать регуляторы типа Вентури системы Лежоева. В ряде случаев
необходимо осуществлять регулирование ин-
тенсивности промывки. Принципиально та-
кое регулирование при установке, например,
регулятора на трубопроводе промывной во-
ды дает возможность осуществлять промыв-
ку фильтра с различными интенсивностями
в зависимости от температуры воды. Регу-
лирование интенсивности промывки для от-
крытых фильтров обычно не осуществляется.
Что касается напорных фильтров, то здесь
при невозможности наблюдения за работой
фильтрующей среды и явлениями, происхо-
дящими в песке, такое регулирование необ-
ходимо. На фиг. 357а показана установка ре-
гулятора интенсивности промывки (дроссель-
ный клапан) на трубе, отводящей промыв-
ную воду с цеолитового фильтра; такой ре-
гулятор установлен у каждого фильтра.
§ 26. Промывка фильтров
Промывка является самым существенным
в эксплуатации фильтров. Значение промыв-
ки настолько большое, что проектирование
и конструирование фильтров основываются
на элементах, стоящих в прямой зависимости
именно от промывки.
Промывка фильтров с мешалками идет
при подаче воды через систему дренажа сни-
зу вверх (интенсивность промывки до 6
л!мг)
сек
Фиг. 357
7—труба Вентури (суженная часть); 2—
трубка; 5—корпус регулятора; 4—клапан
двухседельный; 5 — гидравлическое ус-
тройство; б—поршень; 7—гидравлическая
колонка; <? —9—трубка,- 10— 77 — сосуд; 75-
приспособление для перемещения сосуда;
74—рейка
Промывка эта вследствие до-
полнительного действия мешалок идет удовлетворительно.
Промывка скорого безмешалочного фильтра иногда вследствие целого ряда
причин протекает недостаточно удовлетворительно.
Требования, предъявляемые к промывке, сводятся к следующему:
а) песок фильтров должен быть равномерно промыт;
б) песок должен быть чистым после промывки, а фильтр готов к нормаль-
ной фильтрации;
в) вынос песка с фильтра не должен иметь места;
г) расход промывной воды должен быть минимальным;
д) продолжительность промывки должна быть минимальной.
Равномерность промывки должна обеспечиваться как по
всей площади фильтра, так и по всей толще загруженного в него песка. Степень
промывки, или степень чистоты песка после промывки, должна быть для всех
зерен песка одинаковой. Основной деталью конструкции фильтра, обеспечиваю-
щей равномерность промывки, является дренаж фильтра. Однако равномерность
промывки зависит от интенсивности про-
мывки и загрузки поддерживающих слоев,
а иногда от свойств воды, а также от пра-
вильной работы устройств для удаления про-
мывной воды.
Чистота песка после промывки
должна быть такой же, как и до начала
работы фильтра, при этом на поверхности
песка не должно быть пленки и грязевых
отложений, а также и загрязнений внутри
песка, и фильтр должен быть готов к нор-
мальной работе.
В песке встречаются следующие ненор-
мальности: образование слипших-
ся мест, т. е. плотно слипшихся зерен
песка, не распадающихся во время промыв-
ки; такие слипшиеся места образуются от
постепенно увеличивающихся небольших ком-
ков или шариков; образование тре-
щин в песке около стенок фильтра; тре-
щины эти являются следствием образования
Фиг. 357а
вала из твердой грязеобразной
смеси мелкого песка, коагулянта, частиц глины и пр. над гравием ниже того
места, где обнаруживается трещина. Признаками слипания песка и указанных
ненормальностей в нем являются неровная поверхность песка, сморщивание
и пр., обнаруживаемые при спуске воды после промывки.
Причиной постепенного слипания могут быть и неудовлетворительная про-
мывка и в отдельных случаях, повидимому, свойства самой воды, т. е. содержа-
ние в ней органических составных частей. Иногда на поверхности песка в филь-
тре образуются воронки, являющиеся результатом сдвига гравия или следствием
недостаточности его слоя; 'такой сдвиг гравия может иметь место вслед-
ствие накопления и прорыва воздуха в дренаже в начале промывки.
Равномерная и достаточная промывка должна, как правило, обеспечить
однородную светлую и чистую поверхность песка, отсутствие грязевых ша-
риков и комьев, трещин и воронок, слипшихся мест и т. д.
Вынос песка с фильтра является результатом плохой промывки
зерен песка и обволакивания их грязевыми отложениями.
Размер песчинок при этом увеличивается, а удельный вес песчинки с на-
липшей грязью уменьшается (удельный вес чистого кварцевого песка 2,6, удель-
ный вес грязевых слизистых отложений около 1). Грязевые частицы, обволаки-
вающие песчаные зерна, частично содержат коагулирующее желеподобное веще-
ство, способное задерживать в себе большое количество воды, т. е. они увели-
чивают объем зерен песка, не увеличивая значительно их вес; в результате может
иметь место вынос песка с фильтра.
Загрязнение песка легко устанавливается химическим анализом. Показа-
телем загрязнения песка или ненормального его состояния является первона-
чальная потеря напора в фильтре. Обычно она для безмешалочных фильтров ана-
логичных конструкций мало отличается (около 0,6 м), но для каждого фильтра
она вообще должна быть определенной, и изменение этой величины указывает
на ненормальное загрязнение фильтра или «засорение» его пузырьками воз-
духа.
Расход промывной воды и продолжительность
промывки при условии достижения удовлетворительной промывки являют-
ся предметом особого внимания в эксплуатации. Работа ряда станций по обра-
ботке воды показала, что при улучшении промывки увеличивается длитель-
ность работы фильтров между промывками, значительно экономится промывная
вода и, кроме того, чистый песок повышает бактериальный эффект работы
фильтра.
Условия промывки, или факторы, характеризующие и влияющие
на промывку, следующие:
1) интенсивность, или скорость, промывки;
2) температура воды;
3) подъем песка;
4) продолжительность промывки;
5) удаление промывной воды.
Первые четыре фактора, как это видно из дальнейшего, связаны между
собой.
Интенсивность промывки, как указывалось, принимается в современных
_ л. , Л , е л/м2
конструкциях безмешалочных фильтров в пределах 10— 15—-— , что соот-
сек
ветствует скорости подъема промывной воды в фильтре или скорости промывки
60 — 90 см) мин. При указанных больших интенсивностях, или скоростях, про-
мывки встряхивания зерен песка достаточно, чтобы освободить их от грязевых
отложений и коагулирующего вещества, налипших на них, и чтобы несколько
измельчить эти вещества с целью более легкого удаления их промывной водой.
Очевидно, размер зерен песка, их удельный вес и температура воды влияют на
количество воды, необходимое для приведения песка в должное движение, т. е.
на интенсивность или скорость промывки.
В качестве критерия для установления необходимой и достаточной про-
мывки фильтров принят так называемый подъем песка. Исследовате-
лями (в США) было установлено, что подъем песка во время промывки открытых
фильтров в пределах 45 — 50% от высоты слоя песка в рабочем состоянии (при
фильтрации) дает необходимое встряхивание, приводящее к надлежащей его
очистке. Суть здесь в том, что зерна песка, находясь во взвешенном состоянии,
ударяются и трутся друг о друга, благодаря чему грязь освобождается и прохо-
дит между песчинками.
Подъем песка определяется в процентах от толщины слоя; при любой ско-
рости промывки высота, на которую поднимается песок в фильтре, пропорцио-
нальна высоте слоя песка, т. е. процент подъема не зависит от высоты слоя песка.
Опасения выноса песка при больших интенсивностях не имеют оснований;
при меньших интенсивностях песок отмывается плохо; удельный вес зерен с на-
липшими грязевыми отложениями, состоящими частично из глинозема и ча-
стично из нерастворимых частиц глины, ила и пр., уменьшается, и они могут
быть вынесены вместе с промывной водой.
Подъем песка, а следовательно, и результаты промывки зависят еще от раз-
мера, формы и удельного веса зерен песка и от температуры промывной воды.
Интенсивность, или скорость, промывки должна из-
меняться с изменением температуры воды.
Измерения подъема песка имеют следующие значения: 1) определение вели-
чины подъема песка, 2) приспособление скорости промывки фильтра к желае-
мой степени подъема песка, 3) поддержание этого подъема постоянным во время
последующих промывок без измерения скорости и температуры промывной
воды.
Для определения подъема песка можно применить вертикальный стержень с при-
крепленными к нему по высоте медными чашечками глубиной 6 мм, расположенными
вокруг шеста по спирали так, что каждая чашечка сдвинута в сторону против следующей
примерно на 10 мм.
Во время промывки шест с чашечками опускается в фильтр, далее измеряется рас-
стояние от кромки желобов до самой верхней чашечки, наполнившейся песком во время
промывки. Измерив расстояние от кромки жолоба до уровня песка и вычтя первую вели-
чину из второй, определяют величину подъема песка, а разделив ее на высоту слоя
песка, определяют и процент подъема.
То же можно определить, приспособив на конце вертикального стержня с делениями
6-е электрическую лампочку.
Шест опускается в фильтр при промывке; как только лампочка попадет во взве-
шенный песок, свет сразу затемняется. Таким образом, определяются положение границы
взвешенного песка и далее его подъем.
Прибор для указания подъема песка «указатель подъема» состоит из поплавка и
указателя, дающего представление о вертикальном перемещении поплавка. Вес поплавка
так подобран, что он тонет в воде и находится в равновесии на поверхности приподнятого
песка.
Промывка фильтра ведется с таким открытием задвижки на трубопроводе, подво-
дящем промывную воду, чтобы получилась желательная степень подъема песка; последняя
отмечается сообразно с движением поплавка вверх.
Опытами по промывке фильтров в США подтверждено, что высота слоя пе-
ска не влияет на подъем его, выраженный в процентах; расположение кромки
переливного жолоба, повидимому, не влияет на подъем песка; подъем зависит
только от скорости промывки, температуры воды и свойств самого песка.
Установлен общий вид зависимости
г = а -ф те,
где г —скорость промывки в 1 мин.;
а — минимальная скорость промывки, необходимая для начала подъема
песка;
е — подъем песка, выраженный в процентах;
т— увеличение скорости промывки, необходимое для увеличения подъема
на 1%.
Из этой зависимости следует, что по достижении минимальной скорости
промывки, необходимой для начала подъема песка, процент расшире-
ния (подъема) песка пропорционален дальнейшему повы-
шению скорости промывки.
Как показали наблюдения, значения тиа увеличиваются по мере увели-
чения размеров песка и температуры воды. Таким образом, чем крупнее
песок и выше температура воды, тем скорость про-
мывки для достижения того же подъема песка дол-
жна быть большей.
Влияние температуры следует понимать так: с уменьшением температуры
имеет место увеличение вязкости воды, т. е. увеличение сопротивления при дви-
жении между зернами песка; это ведет к большему подъему песка; или то же,
трение зерен песка, находящихся во взвешенном состоянии, о воду увеличивает-
ся с уменьшением температуры, и это ведет к большему подъему песка.
На основании экспериментальных исследований в США предложена следующая
формула для определения потребной скорости промывки:
5,9
т = [(1,04 + 0,01) (I - 32)] ($ - 0,17) е + } 2 + 0,24 5 (1 - 32) - 7,4,
где г — скорость промывки в 1 мин.1;
е — подъем песка в % по отношению к первоначальной высоте слоя;
I — температура воды в градусах по Фаренгейту;
8 — диаметр в мм, соответствующий 30%-ному калибру, т. е. калибру такого сита,
через которое проходит 30% песка, загруженного в фильтр.
Скорость промывки, или интенсивность промывки,
следует принимать в каждом отдельном случае дл я
получения намеченного подъема песка в зависимо-
1 Скорость эта в США принята в дюймах.
сти от крупности песка и наибольшей температуры
обрабатываемой воды.
Два ряда кривых фиг. 358, построенных по приведенной формуле, дают ско-
рость промывки для различного подъема песка при температуре от 0 до 21°.
По оси абсцисс отложены размеры зерен песка в миллиметрах, соответствующие
30%-ному калибру. Например, при диаметре зерен, соответствующем 30%-ному
калибру и равном 0,45 мм, при температуре воды 2Г для подъема песка на 50%
около 63 см/мин, для зимних условий
работы — около 40 см)мин- для не-
сколько более крупного песка потреб-
ная скорость промывки сильно увели-
чивается. Для большей надежности
работы следует скорость промывки
(для наивысшей температуры) прини-
мать несколько большей в силу воз-
можных отклонений в сортировке и
подборе песка, в форме его зерен,
удельном весе и пр.; самую же про-
мывку осуществлять с той или иной
скоростью в зависимости от сезон-
ных колебаний температуры.
Принимая большие скорости про-
мывки, следует уделять должное вни-
мание нормальному подбору и уклад-
ке гравия. При нормальной рекомен-
дуемой высоте слоя гравия и высоких
скоростях промывки сдвига его нет,
при небольшом слое гравия и боль-
ших скоростях промывки известны
случаи его сдвига, а это в дальней-
шем влечет неудовлетворительную ра-
боту фильтра.
Продолжительность и частота
промывки являются весьма суще-
ственными факторами в эксплуата-
ции. Критерием окончания промывки
обычно считают достаточную про-
зрачность последних порций промыв-
ной воды.
Продолжительность промывки
увеличивается с уменьшением скоро-
сти промывки непропорционально,
Фиг. 358 ПРИ этом возрастает расход промыв-
ной воды, а эффект промывки может
быть ухудшен.
Промывка в нормальных условиях продолжается до 5 мин., продолжитель-
ность промывки фильтров с мешалками 8 — 10 мин., все операции по управле-
нию задвижками требуют еще нескольких минут. Частота промывки, обычно
посезонно, может колебаться. Средняя продолжительность одного периода ра-
боты фильтров между промывками, вычисляемая путем деления общего числа
часов работы фильтров на число промывок, колеблется по месяцам. В начале
весны она меньше (обработка поверхностных вод), зимой — больше. Количе-
ство промывок одного фильтра в сутки в начале весны иногда доходит до двух
и очень редко (при неудовлетворительной работе отстойников) до трех.
Промывку, как правило, необходимо начинать в момент достижения наи-
большей потери напора в фильтре, а иногда и ранее этого момента, как только
физические свойства воды начинают ухудшаться и вода начинает слегка опалес-
цировать.
Тенденция промывать фильтры обязательно один раз в сутки неправильна:
иногда это нужно делать чаще, иногда в этом нет необходимости и фильтры
можно промывать реже. На продолжительности промывки и расходе промывной
воды отражается способ управления задвижкой на промывном трубопроводе.
Действительно, вода, подающаяся в дренаж с малой скоростью в начале и конце
промывки (постепенное открытие и закрытие задвижки), очистку песка ни в
какой степени не осуществляет, отсюда целесообразность проектирования на
промывной линии гидравлических задвижек (за исключением малых фильтров),
дающих быстрое открытие и закрытие.
Расход промывной воды при нормальной промывке выражается величиной,
не превосходящей в среднем за год 4 — 5% от производительности фильтров.
Указанный расход не предусматривает потерю воды на спуск осадков из отстой-
ников, промывку последних и пр.
Дополнительная обработка загрязненного песка фильтров
При загрязнении песка фильтра и невозможности отмыть его обычным способом
следует применить дополнительную отмывку его раствором каустической соды.
Сода рассыпается на поверхности песка, после чего на песок снизу подается неко-
торое количество промывной воды слоем 200 — 250 мм до получения на поверхности песка
примерно 2%-ного раствора соды. Для большего однообразия крепости раствора его пере-
мешивают лопаткой или веслом. Затем половину раствора пропускают в фильтр и остав-
ляют так на сутки, после чего и остальвую часть раствора пропускают в фильтр (спуская
его до уровня песка) и опять держат в фильтре сутки или двое суток. Раствор каусти-
ческой соды растворяет глинозем, разрушает грязевые отложения (пленка становится
мягкой) и обеспечивает вымывание их при последующей промывке.
После промывки песка раствором каустической соды и спуска воды с фильтра реко-
мендуется поверхность песка хорошо промыть струей воды из брандспойта (при открытой
канализации), при этом песок из более низких слоев попадает наверх. Далее фильтр
промывают обычным способом и вновь из брандспойта; так повторяют два-три раза.
Вначале вода, идущая в канализацию, сильно замутнена, затем после ряда промы-
вок становится светлей и прозрачней. Известны случаи, когда еженедельная обработка
поверхности песка ручными граблями приводила к устранению образовывавшихся грязе-
вых шариков, причем в остальном фильтры работали нормально.
Дополнительная верхняя промывка. В последнее время
в промывку фильтров в США (отдельные проекты выполнены и в СССР)
вносятся принципиальные изменения: верхние слои песка перед началом обыч-
ной промывки (движение воды снизу вверх с большой скоростью) промывают
при помощи струй воды, выбрасываемых у поверхности песка из специально
проложенных продырявленных труб (верхний дренаж).
Такая промывка небольшого верхнего слоя песка идет в течение 2 — 3 мин.
л!
с интенсивностью 3,5 ——. Обычная промывка принята с интенсивностью
сек г
11,5 , при этом имеются указания на получение хорошего эффекта про-
мывки и в отдельных случаях на экономию промывной воды (правда, при более
сложном оборудовании). На фиг. 359 и 360 показана станция с фильтрами пло-
щадью 22,6 м* каждый и с дополнительными трубопроводами для верхней про-
мывки.
Диаметр трубопровода для верхней промывки принят 250 мм, скорость в нем при
этом равна 1,61 м/сек.
Боковые ответвления имеют расчетный расход, равный
Лоте принят равным 50 мм;
22,6 • 3,5
2 • 9
4,4 л/сек;
»ото = 2Л м/сек.
Распределение воды производится через особые насадки. Количество насадок здесь
принято 72 с пятью отверстиями каждая; диаметр этих отверстий 8,5 мм.
Потеря напора в трубопроводе и ответвлениях для верхней промывки слагается из
потерь в трубопроводе, принимаемых равными примерно 0,5 м, и потерь в отверстиях
достаточно большой величины.
Так как
?о = ^^2^0,
то
» 2 о »
р-"шо 2г
*<*о 3,14 - 0,00852
«•<, = -д ' =------4------ = 0,000057 ж2;
3,5-22,6
?• = 1000-72>5 = 0.00022 м3]сек;
0.000222
Л° = О.бЗ'-О.ООООЭТ^-Лд/Й = 1>98 м
Суммарное сопротивление в системе верхней промывки 2,5 м. Конструкция усройства
для верхней промывки может быть и иной.
Фиг. 359
Подача воды для промывки фильтров может осуще-
ствляться различным путем:
а) из специального резервуара, расположенного в здании фильтров на со-
ответствующей высоте;
б) из водонапорной башни, если последняя находится на близком расстоя-
нии от здания фильтров;
в) от насосов, забирающих воду из резервуара чистой воды и нагнетающих
ее в дренаж фильтров.
Промывка фильтра большим количеством воды в короткий про-
межуток времени приводит к необходимости устройства особого резервуара
(бака), наполняемого между промывками небольшим насосом или (реже) из
трубопровода, идущего от насосов второго подъема. Это часто, в особенности
для средних и больших станций обработки воды, экономически более целесо-
образно, чем установка специальных насосов большой производительности.
Емкость этого резервуара определяется в зависимости от размеров фильтров,
принятых интенсивности и продолжительности промывки и лишь при неболь-
шом числе фильтров (2 — 3) может рассчитываться на одну промывку, при боль-
шем числе фильтров, как это имеет место на средних и больших станциях обра-
ботки воды, — на две промывки. При расчете емкости бака следует исходить из
наибольших возможных для данной станции обработки воды интенсивностей
Бак для промывной воды нередко проектируется из двух отделений. Су-
щественная деталь — некоторое заглубление в дне бака у начала промывной
трубы во избежание засасывания воздуха при опорожнении бака.
Насосы для подкачки воды в бак рассчитываются на наполнение его в те-
чение не более 2,5 — 3 час. при четырех фильтрах, не более 1,5 часа при восьми
фильтрах и т. д.
Подача воды для промывки из водонапорной башни может быть осу-
ществлена (при близости башни) лишь в двух случаях: 1) если промывка фильт-
ров не нарушит нормального режима водопотребления и 2) если отметки воды
в башне не превышают значительно напора, необходимого для промывки филь-
тров.
Часто подъем воды в башню осуществляется на большую высоту, и тогда
такая промывка экономически нецелесообразна. Иногда при наличии и близо-
сти естественного возвышения на нем может быть построен специальный резер-
вуар для промывки (выносимый из здания фильтров). Это для больших станций
обработки воды представляет большое преимущество.
Специальные насосы для промывки для средних и крупных стан-
ций требуют независимо от кратковременности их действия довольно сложного и
дорогого оборудования; для небольших установок это упрощается. Насосы поз-
воляют промывать под ряд несколько фильтров, при большом числе фильтров
это является весьма важным для эксплуатации.
При слабых грунтах (плывун), а также в сейсмических районах последний
вариант может быть наиболее целесообразным. Необходимый напор для про-
мывки следует определять как в случае установки насосов, так и для уточнения
отметки дна бака.
В первом случае необходимый напор насоса слагается из:
а) геометрической разности отметок кромки переливных желобов и наиниз-
шего уровня воды в резервуаре, из которого насос забирает воду;
Таблица 14
Толщина слоя гра- вия в ММ 1 Толщина слоя песка в мм Скорость промывки воды в СМ1М11Н Потери напора в м
в гравии в песке
354 762 60,8 0,085 0,667
457 508 60,8 0,097 0,487
457 762 60,8 0,097 0,712
Примечание. Эффективный размер
песка колебдлся от 0,3 до 0,4 мм; коэфи-
циент однородности 1,45.
б) потерь в трубопроводах и
особо в фасонных частях, считая
при этом по наиболее удаленному
от насоса фильтру;
в) потерь в фильтре и особо
в дренаже;
г) дополнительных потерь на
загрязнение песка, существенно
влияющих в начале промывки.
Во втором случае при исполь-
зовании бака отметок дна его по-
лучится как сумма отметок кром-
ки желобов и потерь, указанных
в пп. «б», «в» и «г».
Скорость движения воды в
трубах для промывки принимает-
ся до 2 — 2,5 м. Определения по пп. «а» и «б» не представляют затруд-
нений.
Потеря напора в фильтре может быть примерно определена согласно опытам
Эльмса, результаты которых приведены в табл. 14.
Из табл. 14 следует, что для скоростей промывки около 60 см(мин, или ин-
, п л/м2
тенсивности 10 —'— , потеря напора при промывке в принимаемых слоях
сск
гравия и песка рекомендуемых крупностей составит около 80 — 85 см, или кру-
гло до 1 м. При увеличении скорости промывки до 90 см)мин, или увеличении
, - л1м2
интенсивности до 1э —/— , потери напора увеличатся пропорционально квад-
С?К
рату отношения скоростей1, т. е. будут равны 1,8 — 2,25 м.
Потеря напора в дренаже определяется при расчете дренажа и, наконец,
дополнительные потери, учитывающие сильное загрязнение песка, можно при-
нять равными 1 — 1,5 м. По существу последняя величина является просто
некоторым резервом для возможности увеличения интенсивности или продол-
1 Здесь допущена погрешность в сторону увеличения потери напора, так как при
движении воды в песке указанная зависимость неквадратичная.
жительности промывки, так как началу промывки (наиболее грязный песок)
соответствует полный бак с отметкой воды в нем, превышающей расчетную.
Отметка дна бака обычно не превышает отметки кромки переливного жо-
лоба более чем на б — 8 ли В последнее время исчисление напора, потребного
для промывки, стали производить, исходя не из отметки дна бака, а из среднего
уровня воды в баке, так как вместе с опорожнением бака уменьшаются и потери
напора в фильтре (в песке). Высоту воды в баке следует принимать не более
3,5 м.
Для промывки средних и особенно больших фильтров при необходимости
устанавливать насосы большой производительности иногда целесообразно бы-
вает вынести их в насосную станцию второго подъема.
Отвод промывных вод. При отводе промывных вод с фильтров
следует учитывать:
а) правильность расположения отверстий выпускных труб: они должны
быть ниже уровня воды в сборном жолобе при максимальном расходе. Отводо-
способность трубы, идущей непосредственно от фильтра, должна соответство-
вать максимальной принятой для данного случая интенсивности; подпор в жело-
бах не должен иметь места;
б) правильное решение схемы всей канализации (об этом сказано далее);
в) целесообразность использования в отдельных случаях промывной воды
и первого фильтрата (при значительной стоимости воды, подаваемой на соору-
жения для обработки).
§ 27. Трубопроводы станции обработки воды
К числу трубопроводов (каналов) станции обработки воды относятся:
1) трубопровод, подводящий воду к смесителю (в пределах станции обра
ботки воды) и далее к камере образования хлопьев;
2) трубопровод, подводящий воду к отстойникам;
3) трубопровод осветленной в отстойнике воды (на фильтры);
4) трубопровод обработанной воды (в резервуаре чистой воды);
5) трубопровод, подводящий воду для промывки фильтров;
6) трубопроводы канализации промывной воды с фильтров, канализации
с отстойников, камер образования хлопьев и пр.
При проектировании трубопроводов в основном нужно считаться:
а) с правильной гидравлической схемой, обеспечивающей удовлетвори-
тельную работу всех сооружений, обслуживаемых данным трубопроводом;
б) с простой и удобной в эксплуатации трассировкой трубопроводов (как
внутри станции, так и за пределами ее);
в) с удобством монтажа при сборке труб, сварке фасонных частей и пр.;
г) с экономическими соображениями, для чего должны производиться срав-
нения возможных вариантов по диаметрам, трассировке, материалу и пр.
Скорость в трубопроводе, подводящем воду к смесителю (часто конец на-
порного водовода) в пределах станции, желательно иметь порядка 1 — 1,2 м/сек.
Та же скорость — в трубопроводе, ведущем воду к камере образования хлопьев.
Трубопровод (канал, лоток, жолоб), подводящий воду к отстойникам, мо-
жет состоять из двух участков; до распределительного устройства или колодца
и от последнего к отстойникам. От камеры образования хлопьев к распредели-
тельному колодцу отстойников вода может итти закрытым трубопроводом или
в открытом лотке. Последние рассчитываются на максимальную секундную
производительность станции. Расчетные скорости не выше 0,6 м/сек (во избежа-
ние разрушения хлопьев коагулянта). Отвод воды с распределительного устрой-
ства (колодца) производится также либо закрытыми трубопроводами, либо
лотками. Расчетные скорости примерно 0,6 м/сек. Трубопроводы должны иметь
необходимые задвижки, а лотки — шиберы (затворы). Весьма существенным
здесь является правильное распределение воды по отстойникам.
Трубопровод для коагулированной осветленной в отстойнике воды должен
возможно равномерно распределять воду на отдельные фильтры. Иногда такое
распределение несколько усложняется. В расчете требуется учесть наиболее
невыгодный случай работы системы, например на схеме фиг. 361 таковым яв-
ляется выключение отстойника 1 и фильтров 7 и 8. В соответствии с невыгодным
случаем рассчитывается сеть указанных трубопроводов с учетом всех видов по-
терь (вплоть до входа в фильтр) и определением иапора в фильтре или уровня
воды на фильтре. Расчетная скорость примерно 1 — 1,5 м/сек.
Равномерная нагрузка работающих фильтров может в отдельных случаях
потребовать регулировки задвижками на распределительной сети.
Трубопровод для чистой (обработанной) воды собирает профильтрованную
воду и отводит ее в резервуар чистой воды. Трубопровод этот состоит из двух
частей: одной части, идущей в здании фильтров, и другой — вне здания. Расчет
этого трубопровода ведется с учетом потерь напора в регуляторе, водомере
и пр. Обращается внимание, чтобы ни при каких условиях не было подпора
фильтров со стороны резервуара.
Трубопровод для промывки фильтров рассчитывается в зависимости от схемы
самой промывки (из бака в здании, из резервуара вне здания, от насоса). Диа-
метр обычно значительный; скорости до 2 — 2,5 м/сек.
Промывная вода от желобов
Фиг. 361
фильтра или из лотка поступает
по трубопроводу в общую кана-
лизационную трубу в здании филь-
тров и далее в общий трубопровод
системы канализации.
Спускные трубы для выпуска
воды и осадков из отстойников,
камер образования хлопьев и пр.
присоединяются к общей канали-
зационной трубе, идущей вне
здания.
Рассчитывая трубопровод для
спуска воды из отстойника, сле-
дует еще определить время опо-
рожнения, средний расход и скорость в 1 сек. Если эти величины
очень большие по сравнению с намеченной отводоспособностью, то такой
спуск может быть произведен при неполном открытии задвижки, т. е. время
опорожнения должно быть увеличено. Иногда может бьггь полезным устройство
песколовки для задержки песка, уносимого с фильтров промывной водой (осо-
бенно это существенно для глауконитовых фильтров).
Запроектированные трубопроводы по заданным или обычно принимаемым
скоростям и имеющимся расходам подлежат гидравлическому расчету, ведуще-
муся обычными методами. Не останавливаясь здесь на технике расчета, следует
указать, что нужно иметь подробную схему каждого трубопровода, так как при
относительно небольших длинах трубопроводы станции обработки воды вклю-
чают значительное количество фасонных частей и задвижек. Потеря напора на
местные сопротивления составляет здесь по отношению к общей потере напора
значительную величину.
Ввиду отсутствия в большинстве трубопроводов станции обработки воды
значительных давлений целесообразно применять, где это возможно, железо-
бетонные, а в некоторых случаях даже и деревянные лотки. Задвижки на трубо-
проводах следует ставить облегченного типа, а в лотках устанавливать легкие
щиты — затворы.
Кроме указанных основных трубопроводов на станции имеется большое
количество трубопроводов для растворов реагентов и пр.
§ 28. Соединения трубопроводов с фильтрами
В соответствии с режимом работы (фильтрация, промывка, спуск первого
фильтрата и т. д.) фильтры должны быть соединены с тем или иным трубопрово-
дом или каналом, выполненными различно в зависимости от назначения, кон-
струкциии материала их, с фасонными частями, переключающими задвижками,
шиберами, донными клапанами и пр. Всю совокупность указанных элементов,
обеспечивающих удобство монтажа и производства работ по ремонту, а самое
главное управление фильтром при переключении его с рабочего состояния на
промывку и обратно и т. д. называют узлом фильтра; последний представляет
собой весьма важный элемент в проектировании.
Соединения трубопроводов с фильтрами выполняются различно в зависи-
мости от конструкции и размеров фильтра, конструкции дренажа и пр.
Существующие системы узлов фильтров обычно не имеют самостоятельного
ввода в фильтр всех труб, да в этом нет и необходимости, так как расположение
некоторых из них позволяет осуществлять комбинированные вводы и объеди-
нять их вне фильтра. Например, трубопровод фильтрованной воды и первого
фильтрата (и для опорожнения) могут быть присоединены к трубопроводу про-
мывной воды с установкой соответствующих задвижек. Схема эта показана на
фиг. 362. Практически указанная схема находит большое применение.
Трубопровод для опорожнения фильтра предусматривается самостоятельно
или объединяется с трубопроводом, отводящим первый фильтрат.
Возможно также объединение в
один ввод с разграничением задвиж-
ками вне фильтра трубопроводов для
первого фильтрата, фильтрованной
воды и опорожнения фильтра.
Фильтры с централь-
ным каналом. Подвод воды с
Напуск оВрадатМ
-Спуск промь>вчой I
ПерВЬй фильтрат
=------ПролЦнВнал Вода
отстойников производится общим для
всех фильтров железобетонным лот- Фиг‘ 362
ком 7, конструктивно выполненным
монолитно с передней стенкой фильтров (фиг. 363).
Стремясь к сокращению ширины жолоба за счет его высоты, размеры жо-
лоба принимают в соответствии с заданными расходом и скоростями примерно
в соотношении 1:2 — 1 : 2,5.
Напуск воды на фильтр производится открытием задвижки 2, введенной
в центральный канал. Канал перегорожен на отметке, близкой к верху доща-
того дренажа.
В нижнее пространство 3 напускается промывная вода, распределяемая по
обеим сторонам фильтра трубами, относящимися к дренажной системе и уло-
женными под дощатым дренажем.
Отвод промывной воды производится при открытии задвижки 4. Вода из
центрального канала попадает в изогнутый лоток 5, соединяющийся с каналом
грязной воды 6. Фильтрованная вода отводится в канал чистой воды 7. Опорож-
нение фильтра насухо осуществляется трубой 8.
Как это следует из описанного, камера в передней стенке фильтра заменяет
обычное соединение с использованием фасонных частей.
Другой тип узла фильтра с центральным каналом представлен на фиг. 364
и 365. Наполнение фильтров производится открытием шиберов; отвод грязной
промывной воды в каналы грязной воды осуществляется при помощи труб. Тру-
бопровод для опорожнения фильтра уложен у дна.
Фильтры с боковым карманом. Напуск воды на фильтры
производится лотком, расположенным центрально, или трубопроводом, подво-
дящим воду в боковой карман фильтра, с которым сообщаются распределитель-
ные желоба.
Промывная вода подается в междудонное пространство и распределяется
дырчатыми трубами. Отвод промывной воды из бокового кармана производится
трубопроводом или лотком в общий канал для стока, закрываемый донным кла-
паном. Фильтры с боковым карманом применяются главным образом в неболь-
ших установках. На фиг. 366 и 367 показана компоновка всей станции обра-
ботки воды, оборудованной фильтрами этого типа.
Разрез с~6
Разрез Д-6
Непосредственно к зданию фильтров примыкает насосная станция второго
подъема, в которой расположен также насос для промывки фильтров.
Несимметричное расположение трубопровода, подводящего отстоенную воду,
объясняется возможностью будущего расширения станции при развитии очист-
ных сооружений (второй трубопровод будет уложен рядом). Регуляторы скорости
фильтрации выполнены в виде дроссельных клапанов, связанных с поплавками.
Фиг. 364
Фильтры с дренажем большого сопротивления.
Пример одного из таких решений представлен на фиг. 368 и 369. Конструкция по-
казанного узла имеет недостаток, заключающийся в несимметричном подводе
воды на фильтры (вода подводится в крайний жолоб, что влечет за собой воз-
можность неравномерного распределения ее по фильтру). При проектировании
следует стремиться к симметричному более равномерному распределению от-
стоенной воды.
Как это следует из фиг. 369, в отдельных случаях применяют одностороннее
расположение фильтров по отношению к галлерее. Такая схема не всегда может
быть признана экономически целесообразной, так как ширина галлереи мало
изменяется по сравнению с таковой при двустороннем расположении фильтров,
длина же будет вдвое большей. Вопрос о расположении фильтров и галлереи
должен решаться в общей схеме компоновки.
Разрез под-В
Фиг. 365
§ 29. Приборы станции обработки воды и элементы центрального
и дистанционного управления и автоматизации
А. ПРИБОРЫ
К числу приборов, использование которых на станции обработки воды обя-
зательно, относятся:
1) водомеры, устанавливаемые на трубопроводах: подводящем необработан-
ную воду, отводящем обработанную воду с фильтров и подводящем промывную
воду;
2) регуляторы скорости фильтрации, устанавливаемые у каждого фильтра
(изменение скорости фильтрации всех фильтров могло бы производиться автома-
тически в зависимости от изменения уровня воды в резервуаре фильтрованной
воды но этого делать не следует). Необходимость регулирования количества
Фиг. 366
воды, идущей для промывки фильтров, как уже указывалось, вызывает иногда
установку особых клапанов (регуляторы интенсивности промывки); последние
устанавливаются на напорных фильтрах. Промывая фильтры из бака под опре-
деленным напором, можно регулировать интенсивность соответствующим от-
крытием задвижек, однако, такое регулирование недостаточно надежно;
3) указатели потери напора в фильтре; эти приборы конструктивно офор-
мляются различно; простейший тип — пьезометрические трубки;
4) приборы, сигнализирующие уровни воды в резервуаре обработанной
воды, в резервуаре для промывки и в других; сюда относятся приборы системы
Трегера и аналогичные.
Не обязательны, но весьма желательны:
5) указатели скорости фильтрации;
6) приборы, показывающие, регистрирующие и суммирующие количество
профильтрованной воды.
Фиг. 367
На станции обработки воды необходим прибор для определения мутности—
мутномер, весьма нужный для правильной эксплуатации отстойников и филь-
тров;
Фиг. 368
Мутномер Бейлиса (изготовленный институтом Водгео) (фиг. 370), состоит
из ящика 3, внутри которого помещаются электрическая лампа 4— 250-—300 вт
и два стеклянных цилиндра 1,2: один с дестиллированной водой, другой с иссле-
дуемым образцом воды; над цилиндрами устроено два смотровых отверстия 5.
318
Вращающийся деревянный Диск 6—оправа с набором из круглых стекол различ-
ной мутности (дающих тот же лон и интенсивность, что и жидкие эталоны мут-
ности) устанавливается над цилиндром с дестиллированной водой, мутность кото-
рой принимается равной нулю, а над цилиндром с исследуемой мутной водой
устанавливается непод-
вижное прозрачное стек-
ло. Вращая диск, подби-
рают стекло той же мут-
ности, что и в цилин-
дре с исследуемым об-
разцом воды. На шкале
диска указана величина
мутности воды в милли-
граммах на литр.
Если вода обладает
цветностью, то на ци-
линдр с дестиллирован-
ной водой накладывает-
ся дополнительно цвет-
ное (желтое) стекло, под-
бираемое в зависимости
от интенсивности окра-
Фиг. 369
ски воды.
Вода для питьевых целей должна быть совершенно прозрачной.
Б. УПРАВЛЕНИЕ ФИЛЬТРАМИ
В ряде случаев при ручном управлении период работы фильтров несколько
уменьшается, а потеря промывной воды увеличивается. Заграничная практика
дает уже много примеров дистанционного управления фильтрами. В СССР ра-
Фиг. 370
Фиг. 371
ботает несколько станций обработки воды с дистанционным управлением фильт-
рами с пультов, из которых каждый обслуживает два фильтра. Самое обслужи-
вание при этом упрощается.
На фиг. 371 показан один из пультов управления.
На наклонной верхней плоскости пульта управления обычно размещаются:
1) маховички для управления гидравлическими задвижками, соединенные
при помощи штанг с четырехходовыми кранами (пять задвижек на каждый
фильтр);
2) сигнальные лампы, указывающие крайние положения задвижек (открыта,
закрыта);
3) выпуклые шкалы приборов, указывающих производительность фильтре
в кубометрах в час, потерю напора в фильтре в метрах и давление в трубопро-
Фиг. 372. Станция обработки воды с пультами управления
А—фильтры; В—резервуар чистой воды; С—площадка управления; О— пульты;
В—регуляторы скорости фильтров
воде для промывки фильтров. Приборы эти соединены с «передатчиками», даю-
щими соответствующие импульсы не только на пульт, но и к регистрирующим
приборам, установленным на общем щите;
4) кнопки дистанционного управления насосами для промызки фильтров;
5) выключатели для управления небольшими электронасосами (производи-
тельность 5 — 6 л/мин), смонтированными на особых колонках для подкачки
небольших количеств профильтрованной воды. При контроле качества воды
включается такой насос; фильтрованная вода проходит через стеклянные трубки
у пульта и сравнивается с чистой водой в установленном рядом стеклянном
цилиндре; здесь же может быть взята проба воды;
6) общий выключатель для сигнальных ламп.
Управление работой фильтров очень простое; все необходимые операции
по открытию и закрытию задвижек, включению и остановке насосов для про-
мывки происходят у пульта; здесь же, как указано, может происходить и конт-
роль качества воды.
На фиг. 372 показаны план и разрез станции обработки воды с пультами
управления фильтрами и на фиг. 373 — внутренний вид этой станции.
На некоторых станциях обработки воды изменения производительности
фильтров, требующие перемещения груза на рычаге регулятора скорости филь-
трации, также выполняются дистанционно: путем нажатия соответствующих
кнопок включается мотор, перемещающий этот груз, в результате чего изменяется
открытие клапанов регулятора, т. е. производительность фильтра.
Фиг. 373
§ 30. Некоторые конструкции открытых кварцевых фильтров
На жел.-дор. транспорте на небольших установках металлические фильтры
могут найти значительное применение, поэтому на описании конструкции и ра-
боты этих фильтров следует остановиться подробнее.
Представленный на фиг. 331 открытый металлический фильтр для фильтра-
ции воды через кварцевый песок состоит из следующих частей:
а) стального корпуса;
б) дренажа, выполненного в виде коллектора с присоединенными к гему
ответвлениями с просверленными в них 4-мм отверстиями;
в) кольцевого жолоба и поперечных, служащих для распределения по
поверхности песка поступающей воды и отведения с фильтра промывной воды;
г) пяти задвижек с соответствующими фасонными частями, служащими
для выполнения необходимых переключений; задвижки находятся на трубопро-
водах: подводящем воду на фильтр, отводящем осветленную воду, подводящем
воду для промывки, отводящем грязную воду после промывки и отводящем пер-
вый фильтрат (установкой соответствующих фасонных частей число трубопро-
водов уменьшено);
д) дроссельного клапана, установленного на трубопроводе, отводящем освет-
ленную воду и связанного с поплавком на поверхности воды в фильтре;
е) переливной трубы, предусмотренной на случай переполнения фильтра;
21 Водоснабжение
321
ж) приборов, как то: манометров или пьезометрических трубок, служащих
Для определения потери напора в фильтре;
з) загрузки фильтра фильтрующим материалом и поддерживающими слоя-
ми кварца, представляющимися в следующем рекомендуемом Главэнергопромом
виде (табл. 15).
При обработке воды для питьевых нужд можно рекомендовать песок эффек-
тивной величиной 0,35 — 0,45 мм с коэфициентом однородности 1 ,б. Загрузоч-
ные слои можно рекомендовать в
1 ао л ица 1э соответствии с данными, уже ука-
1 занными выше. Расстояние от
Размер Высота кромки переливных желобов до по-
Слои загрузки СЛОЯ верхности песка принято равным
зерен в мм 600 мм.
В табл. 16 даны габаритные
размеры рассматриваемых филь-
Кварц 0,5—1 700 тров, показанных на фиг. 331.
» 1-2,5 50 Описанные фильтры могут при-
» 2,5—5 100 меняться при осветлении воды для
5—10 10—20 150 200 питьевых и производственных це- лей, также на станциях умяг-
чения после предварительной об-
работки воды глауконитовыми фильтрами и пр. Эти же фильтры могут
быть загружены не кварцевым песком, а мраморной крошкой. В последнем
случае они могут устанавливаться для фильтрации воды, предварительно
обработанной известью. При фильтрации воды через мраморную крошку по-
мимо обычного осветления происходит дополнительное выделение небольших
количеств содержащегося в воде (пересыщенный раствор) СаСО3; в результате
Таблица 16
1 50 3 680
2 75 4 350
3 110 5 350
10,7
15,0
22,4
3 850
3 850
3 850
150 200 250 50 39,0 181 4,0 0,06 4,4 (25,6 65,0
150 200 300 50 55,0 168 4,5 0,07 5,65 36,0 91,0
200 250 350 65 80,0 169 4,5 0,0817,85^54,0 135
обработанная таким образом вода имеет меньшую остаточную жесткость. При
использовании мраморной крошки исключается возможность обогащения умяг-
ченной воды кремнекислыми солями, что иногда может иметь место при фильт-
рации через кварц; поэтому в ряде случаев для загрузки фильтров рекомен-
дуется применять мраморную крошку предпочтительно перед кварцевым пес-
ком.
Работа фильтра слагается из процесса фильтрации, промывки и спуска пер-
вого фильтрата.
При фильтрации открывается задвижка на трубопроводе, подводящем воду
на фильтр и отводящем ее с фильтра; остальные задвижки закрыты. Скорость
фильтрации 5 м/ч и может быть увеличена до 6 м/ч. Межпромывочный период
или период действия фильтра зависит от свойств воды, поступающей на фильтр,
и характера и качества ее предварительной обработки (коагуляция, отстаива-
ние, обработка известью и отстаивание, обработка известью и содой и отстаива-
ние и т. д.).
Промывка осветленной водой обычно предусматривается от насоса или
из бака, расположенного на высоте 6 — 8 м над кромкой переливного жолоба.
Интенсивность промывки Потеря напора у загрязненного фильтра
перед промывкой около 2,5 — 3 м.
Перед промывкой закрывают задвижку со стороны подвода воды на фильтр,
прекращают поступление ее с отстойника и дают остающейся в фильтре воде
опуститься до желобов; далее закрывают задвижку на трубопроводе, отводящем
чистую воду с фильтра, постепенно открывают задвижку на трубопроводе
промывной воды и задвижку на трубопроводе, отводящем промывную воду. Та-
ким образом, во время промывки открыты две задвижки, остальные закрыты.
Средняя продолжительность промывки около 5 мин.
При использовании описываемых кварцевых фильтров на станциях умяг-
чения воды значительной производительности, при осветлении на них воды,
обрабатываемой известково-содовым методом, или предварительном (после изве-
сти) осветлении воды, обрабатываемой далее цеолитовым методом, промывные
воды и первый фильтрат (если таковой спускается) могут быть собраны в отдель-
ном резервуаре; далее насосом они перекачиваются в смеситель отстойника.
Помимо существенной экономии воды введение в отстойник осадков, содержащих
карбонаты, может создать лучшие условия для процессов осаждения.
После промывки фильтра открывают задвижку на трубопроводе, подводя-
щем воду на фильтр, и на трубопроводе для спуска первого фильтрата, остальные
три задвижки закрыты. Спуск первого фильтрата с повышенным содержанием
мути производится при неполной скорости фильтрации в течение промежутка
от 1 до 15 мин. в зависимости от степени мутности фильтрата, назначения освет-
ляемой воды, последующей обработки, если таковая предусмотрена, и т. д. Далее
задвижки вновь переключают, вода фильтруется и поступает в резервуар освет-
ленной воды.
Имеются указания о целесообразности периодической промывки песка при
его почернении (загрязнении железом, марганцем) серной или соляной кислотой.
§ 31. Напорные кварцевые фильтры
Особое место среди кварцевых фильтров занимают напорные фильтры, —
это закрытые фильтры, работающие под давлением, построенные в виде стальных
вертикальных резервуаров для меньших производительностей и горизонталь-
ных резервуаров для больших производительностей. Детали напорных фильт-
ров в большинстве те же, что и у открытых фильтров.
В ряде случаев вместо предварительного осветления коагулированной воды
в отстойниках процессы коагуляции ведут непосредственно в фильтре, где бла-
годаря контактному действию песка реакция идет весьма быстро.
Вместо обычно применяющихся сульфата алюминия и железа в указанных установ-
ках оказалось пригодным хлорное железо, обусловливающее сокращение времени реакции,
а равно и некоторое уменьшение доз. В ряде случаев вместо кислого сульфата алюминия
применен щелочной алюминат натрия, давший хорошие хлопья.
В случае необходимости осуществить предварительное отстаивание воды
ряд преимуществ напорных фильтров теряется, так как одним из этих преиму-
ществ является экономия за счет уменьшения расходов по подъему роды. В по-
следнем случае экономия может быть достигнута при непосредственной подаче
воды в водонапорную башню и сеть через фильтр (без последующего подъема
насосами после фильтра).
Для питьевого водоснабжения напорные фильтры могут быть установлены
на ответвлениях от водонапорной башни, питающей нефильтрованной водой
паровозы или цехи промышленных предприятий. Напорные фильтры целесооб-
разно использовать при ррзко выраженном рельефе, когда вода к ним может
подойти со значительным давлением, обусловленным разностью отметок, причем
напор может оказаться достаточным и для питания сети после фильтра. Нако-
нец, напорные кварцевые фильтры могут устанавливаться совместно с напорными
цеолитовыми фильтрами на станциях умягчения воды.
Общим недостатком напорных фильтров является невозможность непосред-
ственно наблюдать за их состоянием (главным образом за состоянием песка),
т. е. более сложная эксплуатация по сравнению с открытыми фильтрами. Боль-
шим преимуществом их, кроме указанного выше, является возможность их
индустриального изготовления. Следует иметь в виду, что в отдельных случаях
при сильных изменениях противодавления (изменение режима работы сети)
работа напорных фильтров может протекать в ненормальных условиях; в таких
случаях, решая общую схему, необходимо, например, предусмотреть резервуар
для выравнивания режима работы сети и т. д.
На фиг. 374 представлен напорный кварцевый фильтр (проект стандарт
Главэнергопрома). Фильтр состоит из стального цилиндрического корпуса с при-
варенными днищами; горизонтально расположенной дренажной системы — кол-
лектора с ответвлениями, имеющими 4-мм отверстия, просверленные под углом
в 45°;.пяти задвижек и соответствующих фасонных частей, позволяющих осуще-
ствлять необходимые переключения; трубы, подающей воду на фильтр, отводя-
щей промывную воду с фильтра и заканчивающейся внутри фильтра воронкой;
ограничителя интенсивности промывки типа дроссельного клапана, предупре-
ждающего вынос песка при промывке фильтра; лаза вверху и люка внизу, слу-
жащих для загрузки и периодического осмотра фильтра и для промывки кварца
при монтаже фильтра; приборов, как то: манометров для наблюдения за потерей
напора в фильтрах, предохранительного клапана, контролирующего повышение
давления в фильтре, водомера, воздушной трубки для отвода воздуха из филь-
тра и т. д.; загрузки фильтра аналогично изложенному выше для открытых квар-
цевых фильтров. (Здесь можно рекомендовать несколько увеличить толщину
загрузки, прибавив гравия размером 20 — 40 мм.)
Таблица 17
| № фильтров Производительность филь- тров В ЛГ'/Ч Основные габаритные размеры 4 — трубы для отвода и подвода пРОМЫВ11Ой ВОДЫ В ММ 1— трубы для первого фильтрата в мм й — ответвления в мм —воронки в мм Промывка Сопротивление фильтра при л/-«’ [ интенсивности 10 Вес металлических частей фильтра в т | Вес загрузки в т । Нагрузочный вес с водой, загрузкой и бетоном в т
Р в мм (диаметр филь- тра) Р в м2 (площадь филь- тра) Н в мм (высота фильт- I ра) 4— трубы для подвода и отвода воды в мм Расход промывной воды в мл Расход промывной воды в м31сек Количество дренажных отверстий й=4 мм на 1 м2 .
1 5 1 340 1,4 2 500 76 100 76 37 300 5,1'о,О14 227 3 0,96 3,39 7,5
2 10 1 675 2,2 2 650 100 125 76 37 350 8,0 0,022 211 3,5 1,22 5,3 12,0
3 15 2 000 3,1 2 750 100,150 76 37 400 11,3 0,031 201 3,5 1,6 7,56 17,0
4 20 2 340 4,3 2 900 125 200 100 37 450 15.5 0,043 218 3,5 2,07 10,4 23,5
5 25 2 675 5,6 3 000 150,200 125 50 550 20,0,0,056 223 3 2,76 13,45 30,0
6 35 3000 7,07 3 150 150 200 | 125 50 600 [25,3^0,0707 181 4 3,35 17,0 40,0
Нижнее днище фильтра залито бетоном со слоем цемента сверху: фронт
фильтра может иметь и несколько иное исполнение. Обычное рабочее давление
1,5 ати. Основные размеры фильтра и некоторые параметры их работы при-
ведены в табл. 17.
На фиг. 375 представлена одна из конструкций напорного фильтра для по-
вышенного давления с эллиптическим днищем.
Фиг. 375
Подготовка фильтра к эксплуатации. Во избежание
трудно устранимых неполадок в работе напорного фильтра подготовка к эксплуа-
тации должна производиться особо тщательно:
1) фильтр после монтажа перед загрузкой должен быть осмотрен внутри
и испытан на гидравлическое давление, равное 1,5 рабочего давления, при этом
особое внимание обращается на герметичность закрытия всех задвижек и кранов;
2) проверяется горизонтальность дренажной системы и отсутствие закупорки
отверстий дренажа после заливки днища бетоном;
3) после осмотра фильтра через верхний лаз производится загрузка его
гравием и далее песком принятых размеров послойно с промывкой от примесей
и разравниванием каждого загруженного слоя; при промывке грязная вода вы-
пускается через нижний люк; проверка правильности укладки связана с уста-
новкой лестниц (обязательно на деревянные доски) и спуском рабочего внутрь
фильтра (перемещающегося в последнем также по доскам);
4) в отдельных случаях верхний слой песка, загрязненный мелкими или-
стыми и прочими частицами, после предварительной промывки снимается
вручную;
5) производится регулирование регулятора интенсивности промывки в со-
„ _ л!м2.
ответствии с интенсивностью, намеченной в эксплуатации (10—12 ——);
сек
б) при использовании фильтров на станциях умягчения при обработке воды
с предварительным подогревом производится также предварительное лабора-
торное испытание кварца
на устойчивость его в смы-
сле выноса кремнекислоты.
Внутренние осмотры
фильтра при отсутствии
особых показателей ненор-
мальности работы произво-
дятся примерно раз в
год; выясняется состояние
фильтрующего материала,
проверяется высота слоя
его и, если это необходимо,
фильтр догружается.
Работа напорного квар-
цевого фильтра слагается
из периода фильтрации,
промывки и спуска пер-
вого фильтрата.
Распределение воды,
поступающей на фильтр, и
сбор промывной воды про-
изводятся не желобами,
как у описанных откры-
тых фильтров, а воронкой.
Фиг. 376
-задвижка со стороны промывки; 2—задвижка в канализацию;
3—задвижка со стороны подвода воды на фильтр; 4—задвижка со
стороны первого фильтрата; -5—задвижка для провода чистой воды
Схемы переключений задвижек для различных периодов работы предста-
влены на фиг. 376.
Для напорных кварцевых фильтров в отношении использования промыв-
ных вод остаются те же соображения, что и для открытых фильтров. На крупных
станциях умягчения расход воды на промывку кварцевых фильтров, спуск пер-
вого фильтрата и пр. достигал 6 — 7%, причем для предварительной подготовки
воды расходовались известь, коагулянт, тепло (предварительный подогрев воды),
обходившиеся в десятки тысяч рублей в год, а потому здесь особо рекомендуется
использование промывных вод.
На фиг. 377 представлены схемы работы станции с использованием промыв-
ных вод.
На фиг. 378 представлен напорный кварцевый фильтр (проект стандарта
Главэнергопрома) для фильтрации воды с большим содержанием взвешенных и
органических веществ через два последовательно расположенных слоя песка.
Он оборудован соответствующим дренажем, трубами с воронками в каждой ка-
мере, фасонными частями, задвижками, ограничителем интенсивности промывки,
приборами и пр.
Загрузка. Поддерживающие слои в каждой камере крупностью и
высотой, как и в однослойном фильтре; песок в нижней камере высотой слоя
('00 мм, в верхней — 1 200 мм.
Работа фильтра. Вода подается в верхнюю камеру, проходит верх-
ний фильтрующий слой, через отверстия в колпачках попадает в нижнюю ка-
меру и далее отводится через дренаж. Скорость фильтрации до 5 м/ч.
При появлении в воде над песком в нижней камере опалесценции фильтр
1П Л/Л'2
промывается, интенсивность промывки 10 .
Проектом стандарта предусматриваются фильтры на рабочее давление 1,5,
4 и 6 ат изб. Достаточных данных по эксплуатации фильтра не имеется.
Горизонтальные напорные фильтры. На станциях значительной произ-
водительности в редких случаях устанавливаются горизонтальные напорные фильтры.
На фиг. 379 представлена станция для осветления 20 000 м3 воды в сутки и умягчения
40% этого количества — 8 000 м3 в сутки. Пять горизонтальных напорных кварцевых
фильтров диаметром Зли длиной 9 м расположены в левом крыле станции (о фильтрах
Открытая
гшИаИска.
„ Закрытая
' ‘ задкижка.
Обратный
клалая
Фиг. 377
Т— насос; 2— смеситель; 3—отстойник; 4—фильтр; 5— резервуар чистой воды; б—насос для нагнетания
в сеть; 7—насос для промывки; резервуар для сбора промывной воды; 9—насосная установка для
отработанной промывной воды, 10—отвод воды
для умягчения — далее), ширина фильтрующей площади каждого фильтра 2,9 л, площадь
фильтрации 26 л2. Скорость фильтрации 7 л/ч, при промывке одного фильтра — соответ-
ственно увеличивается.
Дренаж трубчатый. Диаметр магистрали 200 мм, V = 2,61 м)сек. Интенсивность про-
,. г- л!м3
мывки— 12,5 ——.
’ сек
Коагулянт алюминат натрия вводится в напорную линию перед фильтрами лишь во
время паводков. Отстаивание здесь не предусматривается. Вода поступает на каждый
фильтр в двух точках и при помощи открытого жолоба распределяется по фильтрующей
поверхности. Фильтры оборудованы задвижками, приборами и пр., сосредоточенными
в одном месте и позволяющими управлять работой; последняя мало отличается от ра-
боты обычных напорных фильтров.
§ 32. Распределение воды по сооружениям
Вода, подаваемая для обработки, должна распределяться между отдельными
сооружениями так, как это намечается технологическим процессом. На отстой-
ники должно быть обеспечено поступление одинаковых количеств воды, в про-
тивном случае в одних из них время пребывания будет большим, а в других—
меньшим.
На фиг. 380а и 3806 представлено типовое распределительное устройство
для равномерного распределения воды на два и более сооружений.
Вода поступает в центральную камеру, переливается в круговой перелив-
ной жолоб и далее в одинаковом количестве отводится к сооружениям.
На фиг. 381 представлен иной тип распределительного устройства, также
в некоторой мере обеспечивающий одинаковое поступление воды на соору-
жения.
На фиг. 381а показан тип устройства, несколько сходного с распределите-
(описываемыми далее). Вода поступает в го-
Шайба
Водомер-^
Подбод осбет
леемой боды
Выход доздуха
Подбодпромыб боды
Фиг. 378
Отбод дебет лен
боды
лями в системах умягчения воды
КбариО,6-1,0
предоху
I кбарцор-Ю
воздух
воздух
Ограничитель кроны- к
бки г
Спуск промы-^
6ной боды
Цемент б-С0мм
бетон 136
_1-------1
аг
Спуск 1г°фильтрат
ловную часть устройства, проходит успокоительную камеру, переливается через
неподвижный водослив и далее отводится в одинаковых количествах к несколь-
ким сооружениям.
На фиг. 382 и 383 показано возможное распределение воды на двух, четы-
рех и восьми квадратных отстойниках с камерами реакции в них; при выключе-
нии одного из отстойников равномерность подачи нарушится.
На фиг. 384—то же на восьми отстойниках с общей камерой реакции в цен-
тре (задвижки для выключения каждого из отстойников не показаны).
Лучшим решением в смысле равномерности распределения при различных
компоновках являются распределители с числом отверстий, равным числу отстой-
ников, с тем, что от каждого отверстия отдельный трубопровод ведет воду на один
из отстойников.
§ 33. Проектная мощность станции и данные для расчета
Сооружения Для обработки воды в количестве примерно менее 2 000 м3
в сутки могут рассчитываться на круглосуточную работу (23 часа) и на ра-
боту в течение 16 или 8 час. Сооружения для обработки свыше 2 000 м3 воды
328
16,00
350
еоелиВная
В бак отмЛчная бода
Из бака на Взрыхление
гладконитоВдх филдтроб
0-250
ДереВяннЬте баки тЛччЛ
Вот от глауКоншпоВбх филб-
троб У2-20я4-80м3
№5
8
Канал отВодящий Лбу-
после промбВки 41>Иш
Металлический зкголоб тМящий
Воду после промМки и подающий Воду ^Воздух из
на филбтрацию (укреплен хомуту [ /
Воронка для отВоВа
ВЛ из краноб
Стол управления
гидрат задВиМ
КронштешЛ с хому-
тами для труб
ФилдтроВонная
Лда 0-450
Сбрая Вода на
трилдтрацит 0-450
Лестница
лрсм&бы. ₽ Водд/
Приямок
бетон
-Вода на пром<Лу 6-45В
ч-здгеге-'г-г/Ыа на промкку
'Зть\ПерВбй филбтрат 0-200
Сточная 6-125
Вода после про/Мки 0-450
НапорМ трдбопроВоб сдрой Ы10-450
‘ Железо-бетоннМ бак
для филбтроВ
№-200 40~'
Г е-0,04 П I [
.. Песок ГЛок для загрузки
г4>аЬ.
Напорн1ие оозат
Сш/
}\Фш^тро^ш(1ода^^
\ 5^пп ЯлЯ- И ЯС.П •---
’Дроссёлбнйй клапан
ограничит промбВкп
з В бак отмО/бочн бода&г^х . г_._
Из бака на Моление \Сбрая Вода <5-450
глауконита филбтроб 6-250 'Вода на пршМку 0-450
Рам илинозема
О-бОНм^'
(здушн'з
\Крин ;;
)Келезнбй
короб пре-
бохр соинцУА
трибу от ИХ
треяден
Вода из-'
напорного
трубопроВм
Воозаторб
Ж
Сточная
6-12,5т*
из
напорнк о
0-12.5М
^рзкгпороб
т тдбопроВ
Сарая Вода на
фалдт/ашм 6-450
ДереВяннбе бани
для растВореная реагента
ФилдтроВанная Вода
на растВорение реагента
6-50
п МетВаллич Жалоб отВоХП.
1_ дящий Воду после про- -л
| мЛи и подающий Вод, 7/
Фиг. 379
ФилОтро
Мп
ода на
0-450
Филтралт 0-200
Воо1 после /утМги
Канал тбоддщий
Воду после пршВ/Вк^
в сутки обычно рассчитываются на круглосуточную (23-часовую) работу.
Вообще круглосуточная работа сооружений по обработке воды предпочтитель-
ней, но следует иметь в виду, что проектом технических условий проектирова-
ния железных дорог предусматривается работа насосных станций в пределах
23 час., работа же станции обработки воды связана с работой насосной станции
первого подъема.
Расчетная производительность станции определяется с
обязательным учетом количества воды, идущей на собственные нужды: промывку
фильтров, отстойников и пр., приготовление растворов коагулянта, извести и
хозяйственно-бытовые потребности станции.
План
Фиг. 380а
Расход воды т на собственные нужды зависит от конструкции фильтров,
от того или иного решения вопроса использования промывной воды и может
быть принят до 10% для небольших станций обработки питьевой воды на
жел.-дор. транспорте и до 8% для более крупных станций с отклонениями
в зависимости от местных условий.
Таким образом, если <2 — потребный суточный расход, то расчетная про-
изводительность станции
п (?(100 + т)
Юб
При круглосуточной работе станции расчетная часовая производительность
О. „ 0, , г с
при некруглосуточнои—где а — число часов раооты станции обработки
^4 а
воды в сутки,
Площадь фильтров определяется по полезно отдаваемому потреби-
телям часовому расходу, равному или — в том случае, если станция рабо-
тает не 24, а а час. в сутки
Разрез Н
Фиг. 381
Фиг. 381а
Расчетом должно быть учтено, что период действия фильтров включает
период регенерации — промывки, в течение которого имеет место простой
фильтра.
Пусть Т—период действия фильтров в часах;
I—простой, связанный с промывкой и всеми сопутствующими опе-
рациями в течение одного периода действия в часах;
V—расчетная скорость фильтрации в м/ч1;
л/м2
—интенсивность промывки в —— ;
сек
Фиг. 382
/х — продолжительность
промывки в часах;
Р—площадь фильтров
в м2.
Производительность фильтров
в час:
рк куб. метров.
Производительность фильтров
за период действия:
Рк (Т—I) куб. метров.
Потери воды на промывку за
период действия
РУМ1Х -3 600 . г
----1 ООП--м3=3,6/71У/1куб. мет-
000 ров.
Таким образом,
2Г=Р®(т-0-з,блг^
откуда расчетная площадь филь-
тров:
(?Т
24 ЦТ
к\Т—^-3,6^4 “ 24® (Т-0 — 86,4
О численных значениях
величин Т, I и 1г было ска-
зано выше. Наименьшее зна-
чение Т — 12 час.; обычно Т
значительно больше. Наи-
большее значение I —15мин.,
или 0,25 часа (для безмеша-
лочных фильтров может быть
принято 0,17 часа).
Наибольшее значение
для фильтров с мешалками
10 мин., или 0,17 часа
(для безмешалочных фильтров
5 мин., или 0,085 часа).
Определив площадь филь-
тров, принимают окончатель-
ное их число. Следует отме-
тить, что расчет не является
точным, так как уже сказано,
1 V определяется в зависимости от числа фильтров, поэтому, представив себе при-
мерное значение Р, намечают и число фильтров п.
что расход воды на собственные нужды кроме основного расхода на про-
мывку фильтров слагается еще из ряда отдельных расходов; не учтен также
спуск первого фильтрата и т. д. (при использовании первого фильтрата или
при отсутствии сброса первого фильтрата точность формулы повышается).
Кроме того, период Т представляется несколько неопределенным; в расчете
следует принимать минимальное его значение для предполагающихс условий
работы фильтров.
Выбирая конструкцию фильтров, следует иметь в виду, что фильтры до 10 л/2
целесообразнее принимать круглыми в плане. Фильтры площадью окоЛо 15 м2
должны быть выбраны после тщательного сравнения ряда конструкций. Фильтры
площадью около 20 м2 целесообразно принимать железобетонными квадратными
в плане, но в отдельных случаях в связи с местными условиями могут быть вы-
браны металлические круглые в плане. Фильтры площадью более 20 — 22 м2 —
железобетонные прямоугольные.
Расчетная скорость фильтрации. Значения скоростей
фильтрации указаны выше. Они могут быть приняты для безмешалочных фильт-
ров до б м в зависимости от качества обрабатываемой воды, предварительной ее
обработки и т. д. В практике США при обработке питьевой воды встречаются
значительно большие скорости. Опыты
работы с повышенными скоростями на
московском водопроводе также дали по-
ложительные результаты. Расчетная
скорость фильтрации, вообще говоря,
могла бы быть намечена, исходя из сле-
дующих режимов: 1) принимается запас-
ный фильтр, включаемый в работу при
промывке фильтров; 2) ввиду необходи-
мости промывки фильтров при расчете
соответственно увеличивается площадь
фильтров; 3) принимается более форси-
рованная работа фильтров, т. е. с по-
вышенной скоростью фильтрации при
очередном выключении фильтра дл я
промывки.
Наличие запасного резервуара мо-
жет несколько выравнивать расход без
перегрузки фильтра во время промыв-
ки. Между первым и вторым режимами
принципиальной разницы нет, а сообра-
жения, изложенные в п. 2, учтены при
определении площади фильтров, т. е, этому режиму отдается предпочтение. Сле-
дует, однако, иметь в виду, что фильтр может быть изредка выключен из работы
на длительный период времени (прогрессирующее загрязнение песка и необхо-
димость его промывки, догрузка песка, сдвиг гравия, провал песка и связанная
с этим выгрузка и загрузка фильтра, ремонт дренажа и т. д.); в это время осталь-
ные фильтры должны работать с некоторой перегрузкой, тем большей, чем
меньше фильтров на станции, при этом работающие фильтры должны обес-
печивать воду удовлетворительного качества.
Согласно последним опытам скорые безмешалочные фильтры при правильно
поставленной эксплуатации могут удовлетворительно фильтровать воду,
даже при скорости в 7 м/ч, поэтому
величину расчетной скорости фильт-
рации можно определить из уравнения
(п— 1) 7 = по (см. таблицу).
В тех случаях, когда предвари-
тельно обработанная вода, поступающая
на фильтры, содержит трудно удаляе-
мую мелкую взвесь и коллоиды (при
удовлетворительном коагулировании и
Число фильтров Расчетная скорость фильтрации в м/ч
2 3,50
3 4,67
4 5,25
5 5,60
б и более 6,00
отстаивании), когда свойства воды или иные обстоятельства не дают уверен-
ности в получении хорошего предварительного эффекта осаждения, предель-
ную расчетную скорость фильтрации не следует принимать выше 5 л</ч.
ГЛАВА IV
ОБРАБОТКА ВОДЫ ХЛОРОМ
§ 34. Общие сведения
Внешняя чистота воды после фильтрации еще не гарантирует совершенного
отсутствия бактерий, так как таковые могут находиться даже в кристально про-
зрачной воде, и наоборот, нефильтрованную воду можно сделать свободной от
бактерий.
Фильтрация воды приводит к понижению числа бактерий, но не к полному
их уничтожению; после фильтров в воде остается незначительное количество
бактерий.
При дезинфекции воды все болезнетворные бактерии как наименее стойкие
умерщвляются. Дезинфекция воды ультрафиолетовыми лучами и озоном, при-
менявшаяся в ряде случаев ранее, не получила распространения из-за значи-
тельной начальной стоимости соответствующих устройств и из-за больших
эксплуатационных расходов (озонирование). В СССР эти установки вовсе не встре-
чаются.
35 лет назад были сделаны попытки найти более дешевые способы обеззара-
живания воды, чем дезинфекция озоном и ультрафиолетовыми лучами, причем
вещества, идущие для обработки воды, должны были быть совершенно безвред-
ными (в употребляемых дозах) и не давать запаха и привкуса. Наиболее подходя-
щей для этой цели оказалась хлорная известь. Совершенно избавиться от привкуса
хлора не всегда удавалось, и он нередко давал себя чувствовать, в особенности
зимой, когда при низкой температуре воды действие хлорной извести замедля-
лось, а для более уверенной реакции приходилось добавлять большие дозы.
Простота и дешевизна установок для хлорирования воды хлорной известью
привели к широкому их распространению. Поиски лучшего способа дезинфек-
ции привели к использованию хлорного газа (в США с 1912 г.).
В СССР в настоящее время почти нет городских водопроводов, где не осу-
ществлялось бы хлорирование воды.
Вода для удовлетворения питьевых нужд на жел.-дор. транспорте хлори-
руется в целом ряде случаев. Однако при том исключительном внимании, какое
в нашей стране уделяется здоровью трудящихся, хлорирование воды должно
занять здесь несравненно большее место.
§ 35. Хлорирование воды хлорной известью
Хлорная известь СаС12О или Са(ОС1)2-СаС12 получается на специальных
заводах при действии хлорного газа на гашеную известь.
При введении хлорной извести в воду идет реакция распада последней с об-
разованием хлорноватистой кислоты
2СаС12О + 2Н3 О = СаС12 + Са (ОН)2 + 2НОС1.
Реакция может итти и по иной схеме.
При введении хлорной извести в воду происходит ее разложение на гипо-
хлорит кальция и хлористый кальций
2 СаС12 О =Са (ОС1)2 + СаС12,
а далее гипохлорит вступает в реакцию, например, с содержащейся в воде угле-
кислотой с образованием хлорноватистой кислоты
Са(ОС1)2 ф-Н2О-|-СОа=СаСО3 + 2НОС1.
Дальнейшее разложение хлорноватистой кислоты в воде приводит к осво-
бождению кислорода:
2НОС1=2НС14- О2.
Соляная кислота вступает в реакцию с бикарбонатами и приводит, например,
к образованию СаС12, а освобождающемуся кислороду — энергичному окисли-
телю приписываются обесцвечивание, окисление органических веществ и умерщ-
вление бактерий. Таким образом, хлорирование является окислительным про-
цессом и основная работа производится кислородом, освобождающимся из хлорно-
ватистой кислоты. Промежуточны е реакции несколько замедляют действие
хлорной извести по сравнению с газообразным хлором.
Помимо принятой гипотезы образования и действия кислорода ранее выска-
зывалась и другая гипотеза, по которой дезинфицирующее действие обусловлено
хлором и его производными. В зависимости от природы минеральных и органи-
ческих веществ в воде в последней при введении растворов хлорной извести могут
происходить различные реакции окисления.
Так как под влиянием тепла, света и влаги происходит разложение хлорной
извести с дальнейшим уменьшением содержания активного хлора, то ее следует
хранить в прохладном,сухом, темноми хорошо вентилируемом складе, а при при-
менении предварительно определять содержание в ней активного хлора. Дозы
хлора при хлорировании фильтрованной воды или воды подземных источников
следует принимать примерно до 0,5 мг/л, при хлорировании нефильтрованной
воды—до 1 — 2 мг}л, а иногда и больше в зависимости от наличия в воде органи-
ческих и гуминовых веществ.
Хлорирование хлорной известью было в СССР весьма распространено до
1927 — 1928 гг.; с этого времени начинает внедряться хлорирование газообраз-
ным хлором.
Устройства для заготовки и дозирования растворов хлорной извести мало
отличаются от обычных простых устройств для растворения реагентов. В верхний
затворный бачок засыпается потребное количество хлорной извести для растворе-
ния с водой; в одном из двух рабочих баков приготовляется раствор и ему дают
отстояться, а в это время работает другой бак. При отстаивании раствора на дне
бака осаждается нерастворимая составная часть хлорной извести. Дозирующий
бачок не отличается от ранее рассмотренных. Емкость баков для приготовления
рабочих растворов определяется аналогично емкости баков для извести или
коагулянта по формуле:
_ д-а- 24-100-100
™р~ 1 000-1 Ш-п-Ь-с ’
где д—количество дезинфицируемой воды в м3/ч;
а—максимальная доза активного хлора в мг{Л’,
Ь—крепость раствора в процентах (до 2%);
с—содержание в хлорной извести активного хлора в процентах (до
30—35%);
п—число растворений в сутки.
Баки деревянные с цементной штукатуркой или железобетонные.
Хлорная известь получается с заводов в бочках или пакетах.
При значительной пройзводительности станции растворение хлорной изве-
сти представляет большие неудобства, так как, будучи едким затрудняющим
дыхание порошком, она затрудняет выполнение рабочими необходимых опера-
ций. Растворение в этих случаях целесообразно вести в закрытой камере, обо-
рудованной вентиляцией. Рабочий находится вне камеры, через особое отвер-
стие выбивает дно у бочки с хлорной известью и далее водой из брандспойта смы-
вает ее в бак (целесообразно использовать противогаз). Способ этот на жел.-дор.
транспорте Может, естественно, иметь весьма ограниченное применение.
Хлорирование хлорной известью связано с необходимостью перевозки и хра-
нения 70% мертвого груза, представляет определенные трудности в дозирова-
нии (трубы, ведущие раствор, забиваются-), неудобства в гигиеническом отноше-
нии (отсутствие должной
чистоты в помещении при
растворении) и т. д., по-
этому хлорная известь для
большинства станций обра-
ботки воды в настоящее
время не имеет примене-
ния. Для мелких станций
и в частности для водо-
снабжения на жел.-дор.
транспорте хлорирование
хлорной известью найдет
еще широкое применение
и как самостоятельный ме-
тод и как резерв к устрой-
ствам для хлорирования
жидким хлором.
Стоимость хлорирова-
ния весьма низка, и по-
тому даже при относитель-
но небольшом расходе во-
ды на питьевые нужды,
при наличии на станциях
железной дороги общей
сети труб или общего во-
довода от насосной стан-
ции в ряде случаев может
й представиться целесообраз-
ен ным хлорирование всей
х воды.
Ф На фиг. 385 показаны
устройства для хлорирова-
ния 200—250 л3/ч воды
хлорной известью и газом,
размещенные в пристройке
к насосной станции. Детали
устройства ясны из фи-
гуры.
§ 36. Хлорирование газо-
образным (жидким) хлором
Хлор — газ с удушли-
вым запахом, при охлаж-
дении или повышении да-
вления превращается в
жидкость. Переход газа в
жидкость (или жидкости
в газ) происходит при раз-
личных давлениях в зави-
симости от температуры,
например, при температу-
ре —33,6° при давлении
1 ат, при 0° — 3,6 ат,
при 20° — 6,5 ат и т. д.
Хлор примерно в 2,5
раза тяжелее воздуха.
Растворимость хлора в воде уменьшается с повышением температуры
воды.
При температуре ВОДЫ 0° растворимость .... 1,46% (по весу)
» » 10° » • . • • 0,98% » »
» » 15° » .... 0,85% »
» » » 20° » .... 0,72% »
» » » 30° » .... 0,57% » »
» )> 40° » .... 0,46% » »
При нагревании воды с содержанием хлора последний из нее выделяется.
Жидкий хлор представляет собой маслянистую жидкость желтовато-зеленого
цвета с удушливым запахом; он в больших количествах получается на заводах
из хорошо высушенного газообразного хлора путем одновременного его охла-
ждения и сжатия. При отсутствии в хлоре влаги он на многие металлы не дей-
ствует разъедающим образом. Согласно стандарту содержание влаги в жидком
хлоре должно быть не более 0,06%; хлор должен быть чистым, без примесей; он
сохраняется и транспортируется в стальных баллонах. Вес хлора в баллоне
около 25 кг. Характерный неприятный, удушливый и раздражающий запах
хлора при герметичности дозирующих приборов не чувствуется. В то время
как хлорная известь не обладает большой прочностью и разлагается, жидкий
хлор в баллонах сохраняет свою активность без изменения.
Для точного и равномерного введения хлорного газа в воду и хорошего сме-
шивания его с водой даже при минимальных дозах существует специальная ап-
паратура — хлораторы.
Реакция при введении хлора в воду представляется в следующем виде: хлор,
соединяясь с водой, образует соляную и хлорноватистую кислоту; последняя
разлагается с образованием соляной кислоты и выделением свободного кисло-
рода
С12+Н2О=НС1+НОС1;
НОС1 = НС1 + О;
образовавшаяся соляная кислота связывается с карбонатами, а кислород дей-
ствует как окислитель и умерщвляет бактерии.
Доза хлора при хлорировании фильтрованной воды до 0,5 мг)л, при хлори-
ровании необработанной воды выше. Вообще при определении потребной дозы
хлора, зависящей от содержания в воде органических, гуминовых и прочих ве-
ществ, от характера предварительной обработки, места хлорирования в общей
схеме (предварительное, окончательное, двойное) и т. д., ориентируются на
свободный хлор в воде после достаточного контакта его с водой (около
20 — 30 мин.). Можно ориентироваться на величину остаточного хлора в воде
после фильтров около 0,2 мг]л; в сети могут быть лишь следы хлора и во всяком
случае не более 0,1 мг/л.
Остаточный хлор определяется добавлением в воду раствора йодистого
калия, соединяющегося с хлором; выделяющийся при этом иод легко обнару-
живается раствором крахмала, окрашиваемым иодом в синий цвет.
Американцы применяют способ контроля хлора ортотоледином, дающим
с хлором лимонножелтую окраску. Он весьма чувствителен даже к очень малым
доза& хлора (0,01 мг/л).
Испытываемую воду наливают в пробирку, на каждые 10 см3 приливают
одну каплю ортотоледина и наблюдают окраску смеси. Лимонножелтый цвет
указывает на достаточную дозу хлора; оранжево-желтый или густой лимонно-
желтый — на избыток хлора; отсутствие окраски или слабая лимонная окраска
свидетельствуют о недостаточности дозы хлора. Количественное определение
хлора в контролируемой воде возможно при сравнении получаемой окраски с
окраской заранее приготовленных стандартов.
Хлораторы. Хлораторами называются приборы для дозирования
газообразного хлора и введения его в воду. Хлораторы могут быть непрерывного
действия и порционные, дающие определенную порцию газа для единовременного
введения его в воду. Первые в свою очередь делятся на напорные, в которых газ
22 Водоснабжение
337
находится под давлением, большим атмосферного, и вакуумные, в которых он
находится под давлением, меньшим атмосферного, на стационарные и перенос-
ные и т. д. В СССР получили распространение хлораторы Ремесницкого и Куль-
ского. Хлоратор Ремесницкого представлен на фиг. 386. Он изготовляется для
расхода газа от 25 г/ч до 1 кг/ч и более (специальные конструкции — до несколь-
ких десятков килограммов хлора в час).
7—мраморная доска, 2—редукционный клапан, 5—регулирующий кран, 4—мано-
метр низкого давления, 5—манометр высокого давления, 51—фильтру б—измеритель
количества хлорй, 7—предохранитель к измерителю, 5—трубка, соединяющая регу-
лирующий кран с измерителем, 9—спускной кран со спускной трубкой, 7 0—трубка,
соединяющая измеритель хлора с обратным клапаном, 7 7—обратный клапан,
72—смеситель, 75—редукционный клапан для воды, 74—фильтр для воды, 7 5—мано-
метр, 76—запорный кран для воды; 77—запорный вентиль; 75—трубка, соединяющая
запорный вентиль с фильтром.
При открытии вентиля 17 баллона, в котором находится жидкий хлор, по-
следний, выходя из баллона, превращается в газ; редукционный клапан ап-
парата 2 снижает давление газа (5 — 6 ат) до определенного более низкого
давления (1 — 1,5 ат). Особо устроенный измерительный прибор <5, состоящий
из двух, вставленных друг в друга трубок, измеряет количество проходя-
щего хлора. Последний в смесителе 12 растворяется в незначительном коли-
честве притекающей сюда воды. Полученный раствор хлорного газа или
хлорная вода непосредственно и непрерывно пбдводится к обрабатываемой воде.
Существенным элементом установки являются баллоны. Обычно это стан-
дартные стальные баллоны с вентилем для выпуска газа вверху и длинной (не
доходящей до низа) сифонной трубкой внутри. Такой баллон во время работы
нужно устанавливать вентилем вниз, при этом в трубку и далее к хлоратору
будет итти газ. Из баллона может расходоваться не более 500 г/ч хлора. Увели-
чение расхода хлора, т. е. усиленное превращение жидкого хлора в газ, ведет
к поглощению значительного количества тепла, вследствие чего стенки баллона,
трубки и пр. сильно охлаждаются и покрываются инеем. При больших расходах
хлора устанавливают несколько баллонов, соединенных с коллектором. Послед-
ний в простейшем виде представляет собой продольный брусок латуни с кана-
лом диаметром 15 — 20 мм в середине и несколькими поперечными каналами
диаметром 8 — 10 мм; к этим каналам присоединяются трубки, ведущие к бал-
лонам и хлоратору. Хлор можно перепускать из одного баллона в другой; для
этой цели баллон, из которого перепускают хлор, необходимо подогреть.
Для предупреждения попадания в хлоратор жидкого хлора целесообразно
устанавливать промежуточный пустой баллон; в нем жидкость превращается
в газ и осаждаются частицы, загряз-
нющие хлор, если таковые имеются.
Из промежуточного баллона газ по-
ступает в хлоратор.
Вакуумный хлоратор
системы Б. М. Ремесниц-
к о г о
Вакуумный хлоратор занимает
в заграничной практике большое ме-
сто. Схема вакуумного хлоратора си-
стемы Б. М. Ремесницкого, изготов-
ленного в СССР, представлена на
фиг. 387. Этот хлоратор состоит из
редукционного клапана 7, регули-
рующего вентиля 2, измерителя ко-
личества хлора 3, эжектора — водо-
струйного насосика 4, предохрани-
теля 5.
Хлор из стального баллона по
медной трубке 13 подводится к ре-
дукционному клапану 7, служащему
для поддержания постоянного давле-
ния. Пройдя редукционный клапан,
хлор поступает под постоянным да-
влением к головке измерителя 3,
указывающего расход хлора, произ-
водит давление во внутренней трубке
измерителя и через капилляр прохо-
дит в верхнюю часть наружной труб-
ки измерителя, образующей простран-
ство, из которого происходит заса-
сывание хлора эжектором.
Эжектор, засасывая хлор из вса- Фиг. 387
сывающей камеры — верхней части
измерителя 3, создает в аппарате вакуум; благодаря этому в хлорную камеру,
образуемую верхней частью измерителя, через предохранитель 5 поступает из
помещения некоторое количество воздуха. В эжекторе хлор смешивается с
водой; хлорная вода отводится к месту хлорирования.
Предохранитель 5 служит для защиты от проникновения хлора из хлорной
камеры измерителя в помещение в том случае, если в этой части измерителя вме-
сто вакуума, имеющего место при нормальной работе аппарата, образуется хотя
бы незначительное избыточное давление.
Такое давление в хлорной камере измерителя может образоваться в случае,
если остановится или уменьшится приток воды в эжектор и уменьшится его заса-
сывающее действие и если в измеритель внезапно поступит количество хлора,
в несколько раз большее нормального.
В том и другом случаях эжектор не способен засосать весь хлор, поступаю-
щий через регулирующий кран в хлорную камеру измерителя, но тогда закроется
предохранитель вследствие давления хлора, и хлор не проникнет из аппарата
в помещение.
Регулирующий вентиль 2 соединен с измерителем 3 медной трубкой 6.
Измеритель 3 соединен с эжектором и с предохранителем резиновыми трубоч-
ками 7 и 8. Нижние концы наружной трубки измерителя и предохранителя снаб-
жены резиновыми отводами с зажимами 9 и 10. Все перечисленные части соб-
раны на мраморной доске размером 520 х 330 мм.
Вода к эжектору хлоратора подводится из водопроводной напорной линии,
соединяющейся с эжектором резиновой трубкой 11. От эжектора хлорная вода
к месту хлорирования отводится резиновым шлангом 12.
Плои
Фиг. 388
Эжектор подобран так, что может засосать большее количество хлора, чем
то количество, которое поступает в хлорную камеру, и потому засасывает через
предохранитель еще некоторое количество воздуха.
Хлорный газ, проходя через капилляр, вставленный в металлическую головку
измерителя (на фиг. 387 не показан), теряет часть своего давления, поэтому
оно в трубках измерителя разное. Величина разности уровней воды в трубках
служит показателем расхода хлора в данный момент (измеритель вакуумного
хлоратора заполняется водой в отличие от измерителей обычных хлораторов,
заполненных четыреххлористым углеродом).
Аппарат допускает возможность регулировать расход хлора без смены
капилляра в шестикратных пределах, т. е. позволяет устанавливать максималь-
ный часовой расход в б раз больше минимального.
В тех случаях, когда приходится изменять расход хлора в более значитель-
ной степени, необходимо менять капилляр в головке измерителя.
Вакуумный хлоратор обладает следующими основными свойствами:
1) при работе во всех частях хлоратора, расположенных после редукцион-
ного клапана, создается вакуум, благодаря чему невозможна утечка хлора из
аппарата в окружающую атмосферу;
2) он дает возможность дозировать хлор в пределах вполне достаточной
точности, необходимой для хлорирования питьевых вод.
Нафиг. 388 представлена типовая хлораторная установка для хлорирования
до 200 м3/ч воды, размещенная в помещении, пристроенном к насосной станции.
Установка хлоратора и уход за ним. Хлоратор уста-
навливается на расстоянии 20 — 25 см от стены на высоте примерно 1,5 м от
пола. Хлорная вода отводится эбонитовыми или резиновыми трубками. Баллон
устанавливается в металлическом станке на весах, рядом устанавливается ре-
зервный баллон. Просачивание хлора может быть обнаружено или по запаху
или ватой, пропитанной нашатырным спиртом, подносимой к отдельным частям
хлоратора; при соединении хлора с нашатырным спиртом образуются белые
пары хлористого аммония. В работе хлоратора могут быть ненормальности,
как то: засорение капилляра, закупорка прохода для газа в трубках измери-
теля, закупорка фильтра, редукционного клапана, трубок и т. д. Ненормаль-
ности требуют немедленного устранения, так как перебои в хлорировании
могут вызвать серьезные последствия1.
§ 37. Практика хлорирования
Практика хлорирования разнообразна. В ряде случаев вода подвергается
хлорированию на насосных станциях первого подъема. При осветлении воды
чаще всего хлорируют воду, прошедшую очистные сооружения, при этом рас-
ход хлора незначителен (0,2 — 0,5 мг/л); однако в случае перебоев в хлориро-
вании в сеть может попасть вода, не освобожденная от бактерий.
Хлорирование воды после отстойника перед фильтрами требует больших
доз хлора, ибо хлоропоглощаемость песка значительна. Этот способ хлорирова-
ния мало распространен, однако, в ряде случаев такой способ хлорирования
привел к улучшению работы фильтров (улучшение состояния песка, уменьше-
ние склонности к образованию грязевых отложений и уменьшение расхода про-
мывной воды). Предварительное хлорирование необработанной воды требует
больших доз хлора, однако, это может повести не только к улучшению ра-
боты фильтров, но и к экономии коагулянта.
В настоящее время нередко применяется двойное хлорирование. Первую
дозу хлора вводят в необработанную воду или после ее отстоя, вторую — в филь-
трованную воду; такое двойное хлорирование при относительно небольших дозах
хлора дает удовлетворительный эффект и (благодаря действию хлора на органи-
ческие вещества) некоторую экономию на коагулянте.
Хлоропоглощаемость воды зависит от химического состава воды, приме-
сей в воде, мутности, температуры и пр. При большем времени контакта доза
хлора может быть несколько меньшей (в определенных пределах дозировки,
ниже которых обеззараживающее действие хлора недостаточно). Минимальное
время контакта около 30 мин.
Необходимое время контакта может быть снижено при хорошем перемеши-
вании воды с хлором (например в центробежном насосе). Помимо обеззараживаю-
щего действия хлор понижает содержание органических веществ, обесцвечивает
воду, богатую гуминовыми веществами. При наличии железа, находящегося
в органических соединениях в водах, богатых гуминовыми веществами, и при
трудности удаления этого железа прибавление к воде хлора, переводящего
железо в легко устранимое соединение, позволяет легче осуществить
обезжелезивание. Хлорируя воду значительными дозами, ее реакцию не-
сколько перемещают в сторону кислотности. Известны единичные случаи
1 По эксплуатации хлораторов имеется достаточное количество пособий.
(при мягких водах), когда перед подачей хлорированной воды в водовод
ее в интересах защиты труб раскисляли добавлением щелочей. Естественно,
следует иметь в виду, что обычное окислительное действие раствора хлора ма-
лых концентраций крайне слабо; бороться против ничтожной кислотности не
имеет смысла, — природная щелочность воды ее перекроет. Хлор в некоторых
случаях уничтожает мельчайшие водоросли, загрязняющие фильтры в период
«цветения» воды.
§ 38. Дехлорирование. Устранение из воды привкусов и запахов
Хлорирование должно вестись таким Образом, чтобы поступающая в сеть
вода не содержала свободного хлора. Наличие последнего может быть лишь
в виде следов и не более 0,1 мг/л. Вследствие недостаточного контакта, колеба-
ний расхода воды, недосмотра обслуживающего персонала и т. д. в отдельных
случаях в воде, поступающей в сеть, может оказаться свободного хлора больше;
последний может служить одной из причин ухудшения вкуса воды и появления
неприятного запаха. Вода, поступающая в паровозный котел, не должна содер-
жать свободного хлора.
При наличии в воде, поступающей к потребителю, остаточного хлора более
0,1 мг/л, а практически при наличии значительных доз остаточного хлора на
самой станции обработки воды хлор необходимо нейтрализовать. Процесс ней-
трализации хлора носит название дехлорирования.
При этом свободный хлор переходит в связанный.
В СССР для дехлорирования воды используют серноватистокислый натрий
Па282О3—гипосульфит. Процесс может быт > представлен реакцией:
Па28гО3+4С12+5Н2О = 2ХаН8О4+8 НС1.
Доза Па282О3 — около 0,85 мг на 1 мг хлора. В продажном гипосульфите
может содержаться Ха28.2О3 в пределах 30 — 50%. Установка для дехлориро-
вания проста. В баке приготовляют крепкие растворы, перемешивая отвешивае-
мое количество гипосульфита в подогретой воде; из крепких растворов готовят
1 — 2%-ный раствор, вводимый в воду лишь в случае надобности. Раствор ги-
посульфита в необходимых дозах должен вводиться в резервуар чистой воды
или в трубопровод, отводящий воду из этого резервуара, и т. д.; излишние дозы
его могут в свою очередь вызвать неприятный привкус.
Несмотря на общее употребление для целей дехлорирования гипосульфита (вообще
бактериально чистого) необходимо отметить, что растворы последнего, будучи безвред-
ными, являются средой благоприятной для жизнедеятельности бактерий, могущих по-
пасть в раствор при его приготовлении. Вследствие этого с санитарной точки зрения при-
менение гипосульфита, вводимого в обеззараженную воду, нежелательно, если не употре-
блять свежеприготовленные растворы и притом слегка прокипяченные. На больших
установках лучше применять более крепкие растворы.
За границей для нейтрализации хлора употребляют еще сернокислый натрий
На28О3 и сернистый газ 8О2.
Реакция имеет вид:
8О2+С12+2Н„О=Н28О4+2 НС1.
Сернистый газ хорошо растворяется в воде.
Опыты, поставленные в СССР, дали положительные результаты. Сернистый газ в
жидком виде хранится и перевозится в баллонах, дозирование раствора его в воде может
производиться аппаратами типа хлораторов.
Привкусы и запахи могут появиться в воде при хлорировании, при значитель-
ном избытке свободного хлора или вследствие некоторых свойств обрабатываемой
воды, приобретаемых ею в результате загрязнений водоемов стоками фабрик и за-
водов, если эти стоки содержат в своем составе фенолы, крезолы, их производ-
ные и ряд других веществ. Достаточно соединиться в воде ничтожным количе-
ствам хлора с фенолом в тысячных и сотых миллиграмма на литр, чтобы в ре-
зультате образования хлорофенолов получились неприятные привкусы и за-
пахи; последние могут быть вызваны также жизнедеятельностью некоторых видов
микрофлоры водоема.
К числу методов устранения привкусов и запахов при обработке питьевых
вод относятся:
1) суперхлорирование (перехлорирование) воды с последующим дехлори-
рованием;
2) предварительная аммонизация (преаммонизация);
3) обработка воды растворами КМпО4;
4) обработка воды на угольных фильтрах (активированный уголь);
5) введение в воду порошкообразного активированного угля.
Суперхлорирование
Суперхлорирование воды — хлорирование большими дозами (1 — 3 мг]л) —
позволяет перевести соединения хлора с фенолом, или хлорофенолы, дающие
запахи, в соединения, называемые полихлорофенолами, не обладающие такими
запахами. Избыток хлора устраняется дехлорированием. Способ этот требует
продолжительного контакта воды с хлором (иногда в течение нескольких часов).
Он имеет распространение в США.
Однако при наличии в воде фенолов рекомендовать его применение следует
с большой осторожностью, так как малейшие неполадки в эксплуатации при-
ведут к резкому ухудшению качества воды.
Перехлорирование с последующим дехлорированием может в отдельных
случаях применяться для большей надежности хлорирования независимо от на-
личия привкусов и запахов.
Преаммонизация
Преаммонизация — предварительное (перед хлорированием) введение в во-
ду аммиака или некоторых его соединений. В результате ряда исследований
установлено, что преаммонизация приводит: а) к устренению запахов избыточ-
ного хлора, б) к некоторому устранению хлорофенольных запахов и привкусов
и предупреждению их появления, в) к уменьшению необходимых доз хлора
в то время как действие хлора становится более длительным.
Необходимые дозы хлора и аммиака или его соединений зависят от каче-
ства воды, ее температуры, рН, количества органических веществ и взвеси и т. д.
и должны определяться в каждом отдельном случае опытным путем.
Табл. 18 отражает опыт преаммонизации воды р. Днепр \
Таблица 18
рН Окисляе- мость Количество вводимого С12 и ЫН3 Время контакта воды с реагентами Остаточ- ный хлор в мг1л Поглощен- ный хлор в мг!л Поглоще- ние хлора В %
8,1-7,8 11,7 мг О2 Хлор 1 мг!л 10 мин 1 ч. 30 м 3 часа 0,46 0,38 0,25 0,54 0,62 0,75 54 62 75
8,1—7,8 11,7 мг О2 0,42 мг/л ЫН3, через 20 сек. прибавлено 1 мг С12 10 мин 1 ч. 30 м 3 часа 0,85 0,60 0,53 0,15 0,40 0,47 15 40 47
Как видно из таблицы, в присутствии 1ЧН3 хлоропоглощаемость воды умень-
шается, следовательно, доза хлора для получения того же обеззараживающего
эффекта может быть значительно меньшей.
1 Заимствовано из работы д-ра С. С. Гаухман. Экспериментальные данные по
хлорированию воды р. Днепр с преаммонизацией.
При преаммонизации в воде образуются хлорамины МН2С1 и другие,
действующие на бактерии активнее хлора, уменьшающие способность хлора
соединяться с содержащими фенол веществами и обладающие большей стой-
костью; в результате этого обеззараживающее действие хлора становится более
длительным.
Для преаммонизации помимо аммиака или его растворов может быть ис-
пользован сернокислый аммоний (МН4)28О4; дозы последнего должны быть уста-
новлены независимо от установленных доз МН3.
Для некоторых средних условий эти дозы, считая на аммиак, могут соста-
влять примерно 0,5 от дозы хлора.
На ряде водопроводов СССР преаммонизация уже внедрена. Аммиак,
так же как и хлор, получается с заводов в стальных баллонах. Дозирование
впредь до производства специальных аппаратов может осуществляться обычными
хлораторами с незначительными изменениями в них (медные части заменяются
железными). Аппараты для преаммонизации могут быть установлены в одном
помещении с хлораторами. Доза аммиака устанавливается опытным путем в пер-
вые же дни эксплуатации; для предварительного расчета можно принять ее
равной 0,5 мг/л. Соотношения количества аммония и хлора, соответствующие
промежутки времени между их введением в воду и пр. должны устанавливаться
в каждом отдельном случае. Известны случаи применения растворов хлорамина
вместо применения отдельно аммиака и затем хлора. Хлорамин может полу-
чаться при обработке слабых растворов хлора раствором аммиака. На малых
установках может быть целесообразным применение аммиака в виде соли (суль-
фат аммония).
Обработка воды растворами КМп О4
В США в последние годы перед хлорированием или одновременно с ним применяли
марганцевокислый калий. Для вод высокой чистоты этот способ не может быть применен,
так как не исключена возможность приобретения водой некоторой цветности.
Обработка воды на угольных фильтрах
Активированный уголь представляет собой продукт, полу-
чаемый специальной обработкой дерева, торфа, бурого угля и пр. Это — аморф-
ный уголь с очень большим количеством пор, т. е. с большой внутренней поверх-
ностью.
Как известно, активированный уголь обладает свойством поглощать (адсор-
бировать) газы и растворенные в воде красящие вещества. Применение активи-
рованного угля находит себе место и при устранении из воды привкусов и за-
пахов. Фильтры, загруженные углем с зернами 1 — 3 мм, используются для
поглощения в них хлора и хлорофенолов, обусловливающих запахи и привкусы.
Перед напускОхМ на угольные фильтры вода должна быть освобождена от взве-
шенных веществ, что достигается отстаиванием и фильтрацией, а органические
гуминовые вещества разрушаются хлором. Такая предварительная обработка
воды необходима во избежание быстрого загрязнения фильтра.
Действие активированного угля постепенна ослабевает, и тогда необходима
его регенерация.
Регенерация фильтра с активированным углем требуется довольно редко
в зависимости от предварительной обработки воды, поступающей на фильтры.
Регенерация производится обратной промывкой водой и раствором соды с интен-
сивностью 15 — М^сек'’ продолжительность промывки 30 — 50мин. Кроме про-
мывок время от времени требуется пропаривание угля паром. Скорость филь-
трации обычно очень большая — 50 — 60 м/ч и выше; чем мельче уголь, тем
скорость фильтрации меньше (известны установки со скоростью более 150 м/ч
при крупности угля 2 — 4 мм).
Потеря угля на истирание и пр. составляет 5 — 15% в год.
Угольные фильтры представляют собой разновидность напорных фильтров.
Диаметр фильтра до 3 м. Уголь поддерживается слоями гравия, ниже которого
расположен трубчатый дренаж с сосунками. В некоторых конструкциях филь-
тров уголь прикрыт сеткой. Трубы и металлические части — из специальных
сплавов или покрыты специальными лаками. Для той же цели может быть при-
менен и обыкновенный древесный уголь, но, естественно, эффект его работы
меньший.
Обработка воды угольным порошком
В США угольную пыль часто вводят в отстойники, сочетая коагуляцию с углева-
нием.
Пылевидный углерод обычно подается механизмами в небольшой бункер,
эжектором перемещается (с водой) к месту введения в обрабатываемую воду
(смесители, отстойник, трубопроводы, ведущие воду с отстойников на фильтр). Дозы в
зависимости от качества воды иместа введения в воду от 1 — 2 до 10—20 мг/л. В СССР
известны случаи использования угольного порошка (в одном случае он вводился перед
фильтрами).
ГЛАВА V
ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ
И ПОСТРОЙКЕ СТАНЦИЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
§ 39. Выбор месторасположения станции обработки воды
Станция обработки воды чаще всего располагается вблизи места забора
воды и лишь сравнительно редко в центре населенного места (в городе, у
жел.-дор. станции и т. д.).
Выбор наилучшего варианта должен дать наиболее удобный в эксплуатации
комплекс сооружений при наименьшей строительной стоимости и при наиболее
дешевой эксплуатации. Выбор этот основывается на следующем:
1) расположение станции обработки воды (речной) вблизи источника делает
излишним значительный подъем (5 — 10%) воды, идущей на промывку филь-
тров, отстойников и пр., как это имеет место в случае расположения станции
вдали от источника;
2) спуск промывной воды в реку упрощается; дорогостоящие сооружения
канализации, как это могло бы иметь место при расположении станции обра-
ботки вдали от источника, почти отсутствуют;
3) устраняется нередко имеющее место излишнее перемещение масс воды.
Так, например, если трасса водовода станции первого подъема по пути к стан-
ции обработки воды пересекает населенное место (поселок), к которому необ-
ходимо подвести питьевую воду, то необходимо двойное перемещение воды в од-
ном и другом (обратном) направлении; при расположении очистных сооружений
у источника это не имеет места (поселок снабжается водой ответвлением от водо-
вода чистой воды);
4) участок под сооружения у реки вдали от населенного места представляет
иногда меньшую ценность.
Преимуществами варианта расположения станции обработки воды в центре
населенного места (у жел.-дор. станции и т. д.) могут быть упрощение подвозки
реагентов и в некоторых случаях большая обеспеченность надзора и контроля.
В каждом отдельном случае вопрос решается с учетом местных условий.
§ 40. Планировка и компоновка сооружений для обработки воды
Правильное решение компоновки станций обработки воды является основ-
ным элементом рационального проектирования. Компоновка сооружений должна
предусматривать:
а) наименьшую строительную стоимость и лучшее использование участка,
под станцию;
б) правильное использование рельефа участка, наименьший объем земля-
ных работ с максимальным использованием вынутой земли для обсыпки сооруже-
ний; не должно быть излишне высоких сооружений и не вызываемых необходи-
мостью дополнительных перекачек;
в) возможность расширения сооружений при бесперебойной эксплуатации
ранее выстроенных;
г) равномерное распределение воды по сооружениям;
д) наименьшее протяжение труб и каналов при обеспеченности намеченного
распределения воды по сооружениям; при этом не должно быть излишних пово-
ротов и ломаных линий для трубопроводов;
е) простоту и удобство обслуживания сооружений и отдельных устройств
минимальным штатом;
ж) минимальную себестоимость обработки 1 м3 воды;
з) недопустимость излишнего заглубления водоводов и фундаментов соору-
жений более, чем это диктуется глубиной промерзания;
ФилЪтрЬ!
Фиг. 382
и) возможное использо-
вание стен отстойников, филь-
тров и т. д. для возведения
здания, перекрытий и пр.;
к) компактность в распо-
ложении отдельных элемен-
тов сооружений, улучшаю-
щую контроль за отдельными
процессами;
л) возможно меньшие по-
тери напора в сооружениях.
Компоновка сооружений
дается после решения ряда
схем и принципиальных воп-
росов, проведения основного
расчета и определения разме-
ров всех основных элементов
очистных сооружений. К числу таких относятся вопросы:
а) о типах сооружений (вертикальные или горизонтальные отстойники);
б) о способе и месте приготовления растворов (коагулянт, хлорная известь,
известь и пр.);
в) о принимаемом способе промывки фильтров (резервуар, насосы);
г) о необходимых подсобных помещениях и т. д.
Как уже указывалось, для станций производительностью до 30 000 м3 в
сутки в подавляющем большинстве случаев целесообразнее проектировать вер-
тикальные отстойники. Решение вопроса должно сопровождаться технико-эко-
номическими расчетами.
В зависимости от способа промывки фильтров проектируется высоко распо-
ложенный резервуар в здании фильтров с установкой внизу небольших насосов
для подкачки воды в этот резервуар с ответвлением к нему воды от напорной
линии насосов второго подъема или предусматривается установка мощных насо-
сов, осуществляющих промывку непосредственно. При близости насосной стан-
ции второго подъема эти мощные насосы целесообразно выносить в здание насос-
ной станции; при подходящем рельефе местности при наличии возвышенности
резервуар для промывки фильтров можно вынести за здание фильтров и т. д.
Трубопроводы, каналы, арматуру камер реакции, отстойников и особенно
фильтров необходимо размещать так, чтобы обеспечить удобство обслуживания.
При компоновке станции важно предусматривать необходимые подсобные по-
мещения. Ниже представлены некоторые типы компоновок станций обработки
воды.
На фиг. 389 дана примерная компоновка станции производительностью до
2 500ж3 в сутки; отстойники и фильтры расположены в здании; в том же здании
располагаются и насосы второго подъема.
На фиг. 390, 391 и 392 даны примерные компоновки станций производи-
тельностью от 2 500 до 10 000 я3 в сутки или несколько более; сооружения рас-
полагаются в здании лишь частично и снаружи обсыпаны землей. Подсобные
помещения размещаются в
здании между фильтрами и
отстойниками. Здесь хорошо
обеспечивается расширение
станции.
В отдельных случаях
(фиг. 391) насосная станция
второго подъема объединяет-
ся с очистными сооружения-
ми. На фиг. 393 дана при-
мерная компоновка станции
производительностью 10000—
20 000 я3 в сутки. На
фиг. 394 показана примерная
компоновка станции произво-
дительностью более 20000 я3
в сутки, а на фиг. 395 — ком-
поновка крупной станции сго-
Фиг. 390
ризонтальными отстойниками.
Взаимное расположение сооружений может быть принято в зависимости от наме-
чаемой очередности постройки и условий расширения сооружений, рельефа уча-
стка и других местных условий.
§ 41. Общие соображения к постройке станции обработки воды и некоторые
данные для проектирования
Станция обработки воды включает:
а) помещения для размещения устройств и оборудования, предусматри-
ваемого технологическим процессом;
б) подсобные помещения для обслуживающего персонала.
К первым относятся помещения для коагуляционных установок, баков для
растворов коагулянта, извести, хлорной извести, хлораторов и баллонов с
хлором, приборов для дозирования аммиака, смесителей, небольших камер образо-
вания хлопьев (большие камеры представляют собой самостоятельные сооружения)
и т. д.; сюда же относятся помещения (в первом этаже) для установки насосов,
подающих воду в резервуары для промывки фильтров, котельная для централь-
ного отопления и т. д.; кроме того, сюда можно отнести и галлереи трубо-
проводов.
Ко вторым относятся собственно подсобные помещения, как то: лаборато-
рии, небольшая мастерская для мелкого ремонта хлораторов и пр., кабинет заве-
Отстойники с каперами реакции
Фиг. 393
дующего станцией обработки воды, комната для обслуживающего персонала,
уборная. На небольших станциях обработки воды некоторые из перечисленных
подсобных помещений могут отсутствовать.
Хлораторная рассчитывается на установку хлораторов с 100%-ным
резервом (за исключением крупных станций с большим числом хлораторов,
где этот резерв может быть несколько снижен). На два хлоратора с весами и про-
межуточным баллоном требуется площадь около 8 ж2. Необходимо предусмот-
реть отдельное небольшое помещение для хранения 2 — 3-суточного запаса
хлора. Хлораторная должна быть хорошо освещена, иметь два входа с плотно
закрывающимися дверями. Вентиляция — вытяжная; отсасывание воздуха пре-
дусматривается снизу (хлор тяжелее воздуха), включение вентилятора — сна-
ружи. Помещение должно отапливаться.
Мастерская неболь-
ших размеров предусматривает-
ся вблизи хлораторной.
Лаборатория разме-
щается обычно на втором или
третьем этаже здания фильтров
и требует площадь от 15 до 50 м2
в зависимости от величины стан-
ции обработки воды; кабинет
заведующего станцией — 10 —
15 м2 и комната для обслужи-
вающего персонала — 10 — 15 м.2.
Галлерея трубо-
проводов должна быть хо-
рошо освещена (желателен есте-
ственный свет). При проектиро-
вании галлереи необходимо пре-
дусматривать свободный проход
в ней, возможность свободной
смены фасонных частей, задви-
жек и пр. и устройство венти-
ляции. У основания галлереи
должен быть лоток для отведе-
ния воды, которая может по-
пасть сюда при ремонте, не- Фиг. 394
плотности стыков, переливах
и т. д. Колонки задвижек не должны располагаться в галлерее, — их необходимо
выносить наверх, на операционную площадку.
Грунты на участке, где сооружается станция: супесок, суглинок, песок,
глина; грунтовая вода должна отсутствовать.
Строительный материал для отстойников, фильтров, смесителей, камер
образования хлопьев — железобетон, в редких случаях — сталь.
Строительный материал для перекрытий здания фильтров, камер образова-
ния хлопьев и пр. —железобетон, дерево; для стен надземных зданий — ка-
мень, кирпич; для площадок управления — железобетон; пол выстилается мет-
лахскими плитками.
Освещенность площадок управления, подсобных помещений, лабораторий,
хлораторных, помещений дяя приготовления растворов коагулянта и пр. 1 : 5
от площади пола; то же для здания фильтров, склада реагентов и пр. 1 : 10.
Отопление (паровое) проектируется для следующих расчетных температур:
помещения фильтров, камер образования хлопьев,- коагуляционное —минимум
10°; лаборатории, подсобные помещения, хлораторные — минимум 15°; в от-
дельных зданиях для отстойников температура должна быть минимум 4°.
Станция обработки воды оборудуется внутренним водопроводом для хозяй-
ственно-питьевых нужд и пожаротушения. Этот же водопровод используется
для подачи воды для растворения реагентов, подачи воды к хлораторам
и т. д. Станция обработки воды оборудуется внутренней канализацией,
присоединяемой к канализационной сети или (при отсутствии последней) к спе-
циальным устройствам канализации.
Необходимо придавать должное значение архитектурной обработке соору-
жений.
Склады для реагентов
Склад для коагулянта, извести и пр. должен предусматривать
запас их на 1 — 2 месяца для периода максимального расхода. Склад этот
должен быть удобно расположен с учетом особенностей рельефа площадки в смы-
сле более легкой подвозки, разгрузки и пр. и снабжен приспособлениями для
выгрузки и транспортирования материалов к сооружениям; для малых станций
подача может производиться вручную на вагонетках, для средних и больших —
механизирована; необходима вентиляция и пр.
При содержании в продажном коагулянте С% сернокислого алюминия двух-
месячный запас при дозе а мг)л, считая на безводную соль, при производитель-
ности станции Р м3 в сутки составит:
а • Р • 100 СА а-Р
ТООО'-1 000 С ' 60 “ Тб7С тонн'
При хранении коагулянта навалом с учетом промежутков между кусками
в 30% при удельном весе коагулянта 1,6 объем, занимаемый коагулянтом, вы-
разится величиной:
ар 1 1 ,
------ • — •---.М3.
167 • С 1,6 0,7
При средней высоте навала 1,3— 1,4 м потребная площадь склада
равна:
а • Р 1 1 1 „
167 • С' 1,6*0,7 '1,3 М ‘
Склад извести рассчитывается в зависимости от содержания в про-
дажной извести СаО, дозы извести, считая на СаО, величины запаса и насып-
ного веса. Средняя высота навала может быть принята та же (1,3 — 1,4 м).
Склад хлорной извести рассчитывается в зависимости от со-
держания в хлорной извести активного хлора (обычно около 30%), дозы, считая
на активный хлор, величины запаса и вида упаковки (например бочки весом
по 100 кг).
Склад соды рассчитывается так же. Упаковка — деревянные бочки
или мешки (может доставляться и навалом).
Склад жидкого хлора рассчитывается с соответствии с приня-
тыми размерами баллона (баллоны обычно принимаются по 25 кг).
§ 42. Санитарный режим на станциях обработки питьевой воды
Высокое качество воды должно гарантироваться не только санитарной охра-
ной источников водоснабжения, но и санитарным режимом водопроводных со-
оружений.
Определенные санитарные требования должны предъявляться еще в про-
цессе строительства водопроводных сооружений (размещение жилья, отхожих
мест, сбор и вывозка отбросов и пр.). Особенное значение это имеет при рекон-
струкции и расширении водопроводных сооружений (изоляция действующих
очистных сооружений от строительного персонала, ограждение территории стан-
ции от завала строительным мусором и пр.).
В период пуска сооружения подвергаются промывке и дезинфекции раст-
ворами хлорной извести или жидкого хлора.
Водопровод, имеющий в своем составе очистные сооружения или хлоратор-
ную установку, должен иметь производственную лабораторию,обеспечивающую
квалифицированный контроль за качеством воды.
Лабораторный контроль, места взятия проб, частота исследований должны
быть подробно установлены специальными Правилами технической эксплуата-
ции сооружений.
Для осмотра резервуаров чистой воды, фильтров, отстойников и тому по-
добных сооружений должна быть предусмотрена специальная одежда, резино-
вые сапоги и пр.
Доступ обслуживающего персонала к сооружениям с водой, прошедшей
процессы очистки, должен быть ограничен.
Территория водопроводной станции должна быть спланирована, озеленена,
благоустроена.
Вопросы санитарного режима согласовываются с Госсанинспекцией.
ГЛАВА VI
СПЕЦИАЛЬНЫЕ СЛУЧАИ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
§ 43. Удаление железа из воды
Значительное количество подземных вод содержит в растворенном состоя-
нии железо и часто сопутствующий железу марганец. Железо может находиться
в воде в растворенном состоянии в виде Ре(НСО3)2 двууглекислого железа,
Ре8Э4 сернокислого железа, гуминовокислого железа и пр. Марганец также
в виде двууглекислого и сернокислого; встречаются случаи, когда Мп в воде
имеется, а Ре нет. Если подземные воды богаты кислородом, то они обычно не
содержат железа. Часто железо выделяется в виде осадка, загрязняющего тру-
бопроводы, и содействует сильному развитию особого вида бактерий. При уве-
личении скоростей движения воды осадок этот иногда смывается, вода приобре-
тает чрезвычайно неприятный внешний вид и вкус и становится непригодной для
употребления. В отдельных случаях трубопровод в течение нескольких лет на-
столько загрязнялся и покрывался внутри инкрустацией, что переставал слу-
жить своему назначению. Достаточно 0,3 мг/л Ре или примерно такого же
количества Мп, чтобы в соединении с гуминовыми веществами в воде придать
последней неприятный вид и вкус. Вода, идущая для питания паровозов и для
ряда производств, не должна содержать железа или должна содержать его в ми-
нимальных количествах, причем по отдельным воззрениям и минимальные ко-
личества Ре и Мп не следует иметь в воде. Содержание Ре и Мп в ряде случаев
даже в одном и том же источнике подвержено колебаниям в различное время года
и при различных уровнях воды. Вредное влияние железа в воде приводит к не-
обходимости его удаления даже при 0,2 мг/л. Удаление Ре иногда рассматри-
вается как частный случай умягчения воды.
Обезжелезивание воды может представиться самостоятельным процессом
или процессом предварительной обработки воды перед умягчением ее по методу
обменной фильтрации. В последнем случае имеет большое значение, например,
двууглекислое железо, а не органически связанное, например в форме гумино-
вокислых соединений. Двууглекислое железо Ее(НСО3)2 недопустимо в воде,
идущей на глауконитовый фильтр, так как образует при доступе воздуха хлопья
нерастворимого гидрата железа, а эти хлопья, обволакивая зерна песка, осла-
бляют реакцию умягчения. При наличии в воде железа в виде Ре(НСО3)2 вслед-
ствие выделения углекислоты образуется гидрат закиси железа, переходящий
в воде под действием кислорода в нерастворимую водную окись:
Ре (НСО3)2 = Ре (ОН)2 + 2 СО2; 2 Ре (ОН)2 4- Н2О 4- О = Ре2 (ОН)6;
получается коллоидальная гидроокись железа (гидрозоль), которая в дальней-
шем ходе процесса, коагулируясь, образует хлопья (гидрогель) окиси железа
Ре2О3- ЗН2О.
Двууглекислое железо нестойкое, легко теряющее углекислоту, вообще
легко устраняется из воды при насыщении ее воздухом, что и обеспечивает обра-
зование хлопьев, задерживаемых далее в результате отстаивания и фильтрации.
Сернокислое железо трудно выделить дэрацией, также гуминовокислое железо
не удаляется аэрацией. Последние устраняются известкованием воды:
Ее8О4 + Са (ОН)2 = Ре (ОН)2 + Са8О4.
Ре(ОН\ за счет кислорода, растворенного в воде, переходит в гидроокись
железа
2 Ре (ОН)2 + Н2О + О = Ре2 (ОН)6
и далее, как описано выше. После известкования вода подвергается отстаиванию
и фильтрации.
Содержание органических коллоидальных веществ в воде затрудняет устра-
нение железа; с другой стороны, коагуляция является одним из методов удале-
ния из воды железа независимо от того, в каком соединении оно находится.
Если железо связано в органических соединениях,то выделению его способ-
ствуют КМпО4 и С1 (перехлорирование воды большими дозами с последующей
фильтрацией через кварцевый фильтр и активированный уголь). Устранение
марганца из воды в большинстве случаев представляет большие трудности.
Вследствие большого различия в соединениях Ре (и Мп) и условиях нахо-
ждения их в воде перед проектированием установок для обезжелезивания реко-
мендуется поставить на месте небольшие опыты и провести необходимые лабора-
торные исследования характера соединений и влияния на них аэрации, извест-
кования и пр.
Вообще воды с большой карбонатной жесткостью и меньшим содержанием
гуминовых веществ легко обезжелезиваются; железо выпадает в этом случае
в виде больших хлопьев. У мягких вод с незначительной карбонатной жесткостью
выделение железа идет медленней, хлопья выделяются мелкими.
Имеются указания, что выделение железа тем легче и скорее, чем выше
щелочность, обусловленная карбонатами Са и Мд.
Воды с большим содержанием железа позволяют легче и скорее устранить
его. Мягкие воды, содержащие небольшое количество железа, представляют
в этом смысле определенные трудности.
Установки для обезжелезивания воды могут быть открытыми и закрытыми.
Открытые установки предусматривают протекание движущейся воды по коксу,
деревянным решеткам, разбрызгивание воды при помощи дырчатых железных
листов, сопел; последнее особенно пригодно при легком выделении из воды же-
леза, так как разбрызгивание воды соплами предпочтительнее с гигиенической
точки зрения. На фиг. 396 представлена одна из схем обезжелезивания.
Градирни можно выполнять в виде деревянных решеток с загрузкой из
нескольких слоев кокса или шлака величиной 50 — 100 мм, толщиной каждого
слоя от 0,25 до 0,5 м с таким же или несколько меньшим расстоянием между
слоями, или в виде деревянных решеток, или дырчатых деревянных корыт,
располагаемых в несколько рядов одно под другим.
Значение кокса, по которому вода стекает небольшими струйками, состоит
в том, чтобы облегчить удаление углекислоты и в это время способствовать на-
сыщению воды воздухом, а также и в том, что на нем осаждается окись железа,
служащая катализатором. Процесс состоит из аэрации, отстаивания и филь-
трации. В зависимости от большей легкости или трудности выделения железа
отстойник может быть исключен из схемы, а фильтр загружен крупным песком
или мелким гравием диаметром зерен 1 — 3 мм, толщиной слоя 0,35 — 0,4 м;
скорость фильтрации до 5 м/ч. Обычно же отстойник рассчитывается не менее
чем на 1 час пребывания в нем воды, а фильтры загружаются песком диаметром
зерен 0,5 — 1 мм, толщиной слоя 0,6 — 0,7 м; скорость фильтрации до 2 — 4 м/ч.
Последняя также зависит от большей или меньшей легкости выделения железа
и в некоторых случаях была принята
равной 1 — 1,5 м/ч, поэтому перед
проектированием необходимо также
провести соответствующие опыты в не-
большом масштабе для определения
допустимой скорости фильтрации. При
проектировании необходимо учесть
ОбрабатЪМатая Вода
Градирня
(РилОтр
Отстодник
Фиг. 396
Резердуар чистое Вод!»
возможность хорошего доступа воздуха к сооружению; естественный обмен воз-
духа в помещении обычно оказывается достаточным. Промывка градирни про-
изводится увеличенной подачей воды. Производительность установки 3 — 4 м3/ч
воды на 1 м2 градирни.
Для больших установок аэрация достигается разбрызгиванием воды через
особые сопла (брызгала) с дальнейшим отстаиванием и фильтрацией.
Все эти установки имеют общие недостатки: значительные габариты и не-
обходимость двойной перекачки (на водообрабатывающую установку и после
нее в сеть), что приводит к значительной первоначальной стоимости и себе-
стоимости обработки 1 м3 воды.
В закрытых установках, все более и более внедряющихся, вода подается
в фильтр под напором и проходит в нем со скоростью 6 — 12 м/ч через гравий
с диаметром зерен 1 — 2 мм (для мягких вод загрузка мельче, для вод, у кото-
рых железо легко выделяется, загрузка крупнее). Воздух подводится в воду
под давлением перед поступлением ее в фильтр. Пройдя фильтр, вода, освобо-
жденная от железа (с содержанием до 0,01 мг/л), под напором идет в сеть (на-
порный резервуар). Габариты закрытых установок и необходимое помещение —
небольшие; себестоимость ниже, чем при открытых установках и с гигиенической
стороны здесь явное преимущество.
На фиг. 397 дана схема напорного фильтра. Иногда на подводящем трубо-
проводе, в том месте, где вводится воздух, устанавливается смеситель для луч-
шего перемешивания воды и воздуха перед поступлением их на фильтр. Фильтр
выполняет двойное назначение: катализатора, ускоряющего выпадение железа
в осадок, и собственно фильтра, задерживающего этот осадок. В нижней части
фильтра устроен дренаж для равномерного распределения воды, идущей на
23 Водоснабжение
353
промывку фильтра. Избыточный воздух выделяется через автоматически дей-
ствующий вентиль (вантуз).
При большом содержании или трудно удаляемом железе может быть уста-
новлен двухъярусный фильтр с двумя слоями загрузки (фиг. 398). Верхний слой
загрузки имеет более крупные
фракции и выполняет роль кон-
тактной камеры и катализатора,
второй слой — скорый фильтр.
Высота слоев гравия зави-
сит от содержания железа и его
химического состава. Большая
часть осадка выпадает в верх-
нем слое, остальное выпадающее
в осадок железо задерживается
в нижнем слое. Для промывки
фильтра используется вода (не-
обработанная или чистая), а в
нижнем слое при сравнительно
небольшой его высоте часто уста-
навливают и мешалку, как это
для одного из фильтров пока-
зано на фиг. 399. В некоторых конструкциях предусматривают промывку
с предварительной продувкой фильтра воздухом (при недостатке воды).
Двухступенчатые напорные фильтры применимы и в тех случаях, когда
железу сопр-ствует марганец. Обычно железо легче устраняется, и первая сту-
пень проектируется для обезжелезивания, вторая — для устранения марганца.
Если процесс обезжелезивания требует установки двухступенчатого фильтра,
Фиг. 398
Фиг. 399
то для устранения марганца может быть применен дополнительный напорный
фильтр, как это показано на схеме фиг. 400.
В ряде случаев марганец выпадает со значительным трудом, и для его уда-
ления воду фильтруют через специальный марганцевый пермутит, содержащий
Мп2О7, окисляющий закисные соли Мп, находящиеся в растворе, и перево-
дящий их в МпО2, не растворимый в воде и выпадающий в осадок. Схема дей-
ствия установки показана на фиг. 401. Регенерация марганцевого пермутита
производится раствором марганцевокислого калия, восстанавливающего кис-
лород в фильтрующей среде. В 1939 г. Институт Водгео получил удовлет-
ворительные результаты, устраняя железо фильтрацией через полуобожжен-
ный доломит.
Как об этом указывалось выше, вследствие различия соединений Ре и Мп
и самих условий устранения последних методы обработки воды должны осно-
вываться на предварительных опытах, проводимых в каждом отдельном случае.
0брабатб1Ваемия Вода
Автоматическое устройство для
освобождения филОтра от Воздуха
Воздух У
Компрессор
Дбухяруснй/й филбтр
Филбтр для освобождения
' Воды от марганца
Чистая Вода
вода освобожденная ст железа
Фиг, 400
§ 44. Освобождение воды от углекислоты
дбробатЬ!баемая Вода
РастВор марганцева кислого калия
Фиг. 401
В воде поверхностных источников содержание углекислоты обычно незна
чительно, а в воде подземных источников может быть значительным.
Как уже указывалось, различают три вида углекислоты:
а) углекислота связанная — нейтральные карбонаты кальция и магния
СаСо3 и МдСО3 (карбонатная углекислота);
б) углекислота полусвязанная — би-
карбонаты кальция и магния Са(НСО3)2
и Мд(НСО3)2 (бикарбонатная углеки-
слота). При нагревании воды часть
углекислоты выделяется, другая часть
остается в связанном виде:
Са(НСО3)2 ~ СаСО3 4- Н2О СО2,
т. е. выделяются нейтральные монокар-
бонаты. Количество полусвязанной угле-
кислоты равно количеству связанной;
в) углекислота свободная, находя-
щаяся в газообразном состоянии. При-
сутствие ее в питьевой воде не вредно
для здоровья. Свободная углекислота растворяет плохо растворимые карбо-
наты кальция и магния, превращая их в бикарбонаты:
СаСО3 + Н2О + СО2 -> Са (НСО3)2;
МдСО3 + Н2О +СО2 -> Мд(НСО3)2.
Последние остаются в растворе лишь тогда, когда имеется определенное коли-
чество свободной углекислоты (равновесной).
При наличии в воде свободной углекислоты, превышающей то количество
ее, которое необходимо для указанного выше равновесия (равновесную), такая
избыточная свободная углекислота называется агрессивной. Последняя, дей-
ствуя, например, на кальциевые соединения в бетоне, превращает их в раство-
римый бикарбонат и тем самым разрушает бетон.
Агрессивная углекислота жестких вод—более редкое явление и, наоборот,
агрессивная углекислота мягких вод — более частое явление, так как с увели-
чением жесткости воды, точнее с увеличением бикарбонатов, увеличивается
и количество равновесной углекислоты.
Освобождение воды от свободной углекислоты может быть произведено
механическим или химическим путем. Так как методы устранения иных газов
(сероводорода, кислорода) во многом сходны, процессы носят общее название
дегазации. В одном случае углекислота удаляется, уходя вместе с воздухом
без повышения жесткости воды, в другом случае (химический метод) жесткость
может несколько повыситься. Последний метод применяется для вод с карбо-
натной жесткостью не выше 5 — 6°.
Устранение углекислоты механическим путем может быть выполнено:
а) на градирнях, заполненных коксом или с деревянными решетками;
б) дождеванием (через продырявленные ящики);
в) разбрызгиванием воды через сопла;
г) разбрызгиванием при вакууме.
Все перечисленные способы имеют целью увеличить соприкосновение от-
дельных струек или частиц воды с воздухом; при этом облегчается выделение
газа, растворенного в воде. Количество газа, выделяемого из единицы объема
Нагрузка (яит&А на ан.}
Фиг. 402
Фиг. 403
воды в 1 сек., теоретически не установлено, что затрудняет соответствующие рас-
четы; поэтому проектирование сооружений для дегазации требует в каждом
отдельном случае постановки предварительных опытов.
Установлено, что количество выделяемого газа зависит от степени разбрыз-
гивания, времени, в течение которого частицы воды находятся в распыленном
состоянии, температуры воды, разности давлений (разбрызгивание при вакууме).
Некоторые данные об уменьшении количества свободной углекислоты при
пропуске воды через градирню, наполненную коксом, приведены на фиг. 402.
При начальном содержании свободной СО2 28,7 л/г/л после первого, второго и
третьего слоев кокса в зависимости от нагрузки в литрах на кв. метр в 1 сек.
содержание свободной СО2 уменьшилось.
На фиг. 403 приведены данные для той же воды при дождевании через про-
дырявленный ящик (1 000 отверстий диаметром 6,4 мм на 1 л<2; в опытах принят
ящик размерами 460x460 мм, число отверстий 211). На диаграмме показано
содержание СО2 после дождевания в зависимости от нагрузки в литрах на кв. метр
в 1 сек.
С повышением нагрузки на сооружение, т. е. с увеличением скорости про-
хождения воды между кусками кокса или с увеличением скорости истечения из
отверстий, содержание остающейся СО2 в воде увеличивается. Наоборот, при
разбрызгивании воды через сопла, при движении струи воды снизу вверх и
увеличении скорости истечения свободная СО2 выделяется в большей степени,
так как при этом саморазбрызгивание идет интенсивнее, увеличивается высота
струи, а следовательно и время пребывания частиц в воздухе.
X
Темообмевнок
Оакуумнасос-
Одр а газ
Г-60*
Оегдлвте»
уроопя бодк
Добавочтя боба
Конденсат
Р* 0,2 а1з
Хокусая
Питательно»
бобо осбобонг-
денная от гам
Чкюос дм
мманца котм
Устранение С02 и 02 разбрызгиванием воды при вакууме основано на том,
что при понижении давления часть газа освобождается из раствора.
Так как с повышением температуры величина растворимости газов еще
уменьшается, то уменьшение давления и увеличение температуры одновременно
используют, освобождая воду, идущую для питания котлов, от углекислого
газа (и кислорода).
На фиг. 404 показана схема действия вакуум-котла с давлением в нем ниже
атмосферного. Вода, пройдя теплообменник, разбрызгивается в котле. Выделяю-
щиеся газы отсасываются специальным вакуум-насосом. В схему включен тру-
бопровод, подводящий пар к змеевику внутри вакуум-котла и присоединенный
далее к трубе, ведущей воду в вакуум-котел; температура разбрызгиваемой воды
при этом повышается; вода, подвергающаяся дегазации, нагревается в тепло-
обменнике за счет тепла, отдаваемого выделяющимися парами и газами, отса-
сываемыми вакуум-насосом. Встречаются
аналогичные схемы, но без подогрева
и обмена тепла. Приведенное устрой-
ство (деаэратор) почти полностью осво-
бождает воду от газов.
Устранение свободной углекислоты
химическим методом осуществляется:
а) введением в воду раствора извести
СО2 + Са(ОН)2 =СаСО3 + Н2О.
Насыщенный раствор извести может на-
гнетаться насосом в трубопровод, по
которому идет вода;
б) фильтрацией воды через филь-
тры с мраморной крошкой крупностью
3 — 5 мм. В последнем случае угле-
кислота связывается, но карбонатная
ЖесТКОСТЬ несКОЛЬКО Повышается: ОарНой трукпгМ для кЗк
СО2 + СаСО3 + Н2О = Са(НСО3)2.
Фиг. 404
Скорость фильтрации обычно доходит до 5 м/ч. Эффективность действия
резко увеличивается с повышением температуры. Фильтры с мраморной крош-
кой, как это еще указано далее, применяются перед глауконитовыми фильтрами
для предохранения глауконитового песка от разрушающего действия угле-
кислоты.
Смешивание более жесткой воды с мягкой водой, имеющей свободную агрес-
сивную углекислоту, может привести к устранению последней.
Освобождение воды от кислорода может быть произве-
дено при вакууме с подогревом, так же как устранение СО».
§ 45. Удаление из воды сероводорода (аэрация)
Наличие сероводорода в воде, подвергаемой обработке, требует точного
выяснения его происхождения. Сероводород, являясь продуктом распада орга-
нических веществ, может в первую очередь указать на загрязнение воды про-
дуктами гниения. Однако целый ряд артезианских скважин Союза (например
Ейский район) дает воду со значительным содержанием сероводорода (до 50 мг';Л),
в то же время жесткость, засоленность и бактериологический состав использо-
ванию этих вод не препятствуют. Являясь сильным ядовитым веществом, серо-
водород оказывается хорошим дезинфицирующим средством, прекращающим
жизнедеятельность микроорганизмов в воде. Вода со значительным содержанием
сероводорода агрессивна и действует разрушающим образом на металлы, а рез-
кий неприятный запах делает эту воду непригодной для питья. Удаление Н25
из воды, используемой для целей водоснабжения, является необходимым.
Возможен целый ряд методов удаления сероводорода из воды. К ним от-
носятся:
а) метод химического связывания серы металлом;
б) метод окисления сероводорода с выделением коллоидальной серы;
в) аэрация воды — выветривание сероводорода в окружающий воздух и т. д.
Метод химического связывания серы благодаря большой способности серо-
водорода вступать в соединение с металлами имеет применение. Ейский водо-
провод применял связывание сероводорода железом. Вода пропускалась после
предварительной незначительной аэрации через барабан с железными стружками;
в результате реакции получалось трудно удаляемое коллоидальное сернистое
железо; для удаления последнего применялись коагулирование и фильтрация.
Вода в результате такой обработки содержала Н3 8 в долях миллиграмма на литр,
однако, она имела неприятный запах, металлический вкус, неустойчивую про-
зрачность (опалесценция от присутствия коллоидальной серы и окислов железа).
Кроме того, в результате использования здесь железного лома, стружек и пр.
возможно постоянное бактериальное загрязнение воды, требующее обеззара-
живания.
. Различные обратимые реакции между сероводородом и окислами легко
окисляющихся элементов железа и марганца, например
2 Ре(ОН)3 + 3 Н28 = 2 Ре8 + 8 + 6 Н3О,
2 Ре8 + 3 О 4- 3 Н3О = 2 Ре(ОН)3 +2 8,
не могут найти достаточного практического применения, так как удаление кол-
лоидальной серы представляет здесь определенные трудности и вода зачастую
имеет значительную мутность.
Достаточно эффективным методом удаления сероводорода является физи-
ческий метод — вытеснение сероводорода воздухом (химические реакции окис-
ления имеют здесь побочный характер). Таким методом в первую очередь
является аэрация, причем окислительное действие кислорода воздуха, ведущее
к образованию коллоидальной серы, должно занимать в процессе возможно
меньшее место.
Аэрация может осуществляться путем продувания воздуха через воду, или
при движении воды в раздробленном состоянии через воздух (дождевание, фон-
танирование, пропуск воды через градирню), или, наконец, при движении слоя
воды незначительной глубины, соприкасающегося с наружным воздухом (же-
лоба). Устранение сероводорода происходит с поверхности жидкости; скорость
явлений есть функция величины этой поверхности. Поэтому уменьшение раз-
мера частиц воды (при дождевании, фонтанировании, пропуске через градирню)
будет способствовать увеличению скорости обмена (выветривания), а равно и
уменьшать возможность образования серы при окислении. При продувании
воздуха через воду (фиг. 405) при обычно принимаемых объемах воздуха, пре-
вышающих в 5 — 10 раз объем воды, омывание частиц воды воздухом имеет
место в меньшей мере, чем при пропускании воды в распыленном виде в воздухе
в виде отдельных струек и частичек; при этом имеет место и движение самого
воздуха, а при искусственной вентиляции оно может быть весьма значительным.
Недостатком продувания воздуха через воду являются окислительные
реакции, так как насыщение воды кислородом может итти быстрее удаления
сероводорода. Благодаря этому, образующаяся коллоидальная сера вызывает
помутнение воды.
Наиболее эффективными являются методы аэрирования: дождевание, фон-
танирование, пропуск воды через градирни (фиг. 405).
Дождевание при высоте в 4 м и возможно малом диаметре отверстий —
2 — 5 мм (с уменьшением отверстий эффективность процесса увеличивается)
удаляет до 40 — 50% сероводорода. Наблюдается опалесценция воды от окисле-
ния сероводорода до серы. Поэтому дождевание может служить ступенью уда-
ления сероводорода при сочетании с другими методами.
Градирня может быть устроена высотой 5 — б м; через 1 м по высоте
устраиваются полки, на которые может быть уложен хворост. При больших
расходах могут устраиваться большие градирни обычного типа, как для охла-
ждения. Здесь по существу то же дождевание, но с дополнительным распылением
воды при ударе о доски и хворост.
ДоЖдевание Фонтан
Градирня
-
ГКалоП
Фиг. 405
Удаление сероводорода доходит до 60 — 75%, а при увеличении высоты
градирни можно достичь полного его удаления. Эффективность действия градирни
примерно в 1,5 раза больше эффективности дождевания.
Фонтанирование (разбрызгивание) дает наилучший ре-
зультат вследствие двойного пути, совершаемого водой; струя под напором
движется вверх, далее под влиянием собственного веса частицы в еще более
распыленном виде движутся вниз.
93°с
★35°С,
★21
2
-15
★25
Компрессор
Генератор
л о да
Ледовые форнЫ
Насос
клапан
'Конденсатор
формы
оттаи-
ваний
лЬдо
бан для
ледовой водЬ1
моря
.Бак морской водЬ>
* 28 _
Фиг. 406
Особое внимание нужно обратить на выбор материала для таких
частей устройства, как штуцеры или ниппели для выпуска струй, брызгала
и т. д. Для этой цели относительно удовлетворительным может считаться алю-
миний, так как он достаточно стоек от разъедания сероводородом. Возможно
применение керамики, фарфора, специальной пластмассы.
Хороший эффект получен при разбрызгивании воды под напором через
брызгала (широко применяются для охлаждения оборотной воды). При обра-
ботке воды для производственных целей бассейн с брызгалами может быть от-
крытым и закрытым с интенсивной вентиляцией здания, а при обработке питье-
вой воды во избежание загрязнения воды — закрытым. Разбрызгивание дает
наилучшие результаты, при этом вода не мутнеет.
Желоба дают хороший эффект работы и при малых расходах и содержании
в воде не более 20 мг/л Н2§ могут1 также применяться. Вода получается про-
зрачной и никаких дополнительных устройств не требуется.
Желоба должны рассчитываться на наполнение не свыше 4 см при скорости
около 2,5 м/сек. Длина жолоба определяется в зависимости от содержания Н,8.
Согласно опытам на 1 м длины можно считать возможным удаление 0,9 мг/л Н.Д
при содержании его в воде 20 мг/л.
Способы аэрации при обработке питьевой воды требуют безукоризненно
чистого воздуха, иначе все аэрационные устройства необходимо делать изоли-
рованными с подачей воздуха, засасываемого вентиляторами через воздушные
фильтры; это следует учесть при выборе места для сооружения. Приведенное
может служить для ориентировки при проектировании. Однако утверждению
проекта и строительству должны предшествовать специальные опыты на месте
с водой, подлежащей обработке.
§ 46. Опреснение воды
Для питьевых и технических целей в подавляющем большинстве случаев
используют воду с невысокой общей жесткостью и при наличии в ней неболь-
шого количества поваренной соли. Такую воду обычно называют пресной. Все
наши реки, большинство озер и артезианские скважины дают воду с относи-
тельно небольшим количеством поваренной соли. Вода морей всегда содержит
в себе большое количество поваренной соли.
Некоторые озера (например Балхаш) содержат увеличенные количества
сульфата натрия, иные источники — хлористого натрия. Соленая вода без пред-
варительной обработки не может быть использована.
Соленость речной и озерной воды, характеризуемая отношением веса рас-
творенных в ней солей к весу всего раствора, обычно составляет 0,01 — 0,03%.
Соленость морской воды весьма значительна — до 2% и более.
В воде морей и океанов, как это I
поваренной соли ИаС1 по сравнению
Таблица 19
Соли, растворенные в морской воде, и ко-
личество их в процентах в сухом остатке
после выпаривания (по данным некоторых
анализов)
Наименование солей Название морей
Кас- пий- ское Чер- ное
Поваренная соль 62,15 77,22
Сернокислый магний . . . 23,58 7,11 8,87
Хлористый магний . . . . 4,47
Сернокислый кальций . , 6,92 2,58
Хлористый калий . . . . . 1,21 2,99
Остальные Незначи-
тельно
дно из табл. 19, преобладает содержание
другими, находящимися в ней солями.
При отсутствии иных источников
приходится прибегать к искусственной
обработке соленой воды, к ее обессоли-
ванию, или опреснению.
Необходимость в опреснении воды
встречается в местах, прилегающих
к юго-западной оконечности Каспий-
ского моря, в ряде районов Туркмен-
ской, Узбекской ССР и некоторых дру-
гих районах (и в специальных случаях).
К числу методов опреснения воды
относятся:
1) опреснение испарением (дестил-
ляция);
2) опреснение солнечное;
3) опреснение вымораживанием;
4) опреснение электроосмосом.
Чаще применяют метод испарения
воды и начинают внедряться методы
солнечного опреснения воды. Что касается последних двух методов опреснения
(вымораживанием и электроосмосом), то первый еще не имеет производственного
значения, а второй вряд ли сможет быть использован для целей водоснабжения
и для значительных расходов.
Опреснение воды испарением
Устройства, работающие по этому методу, имеют распространение, не-
смотря на целый ряд неудобств и высокую стоимость. Работа испарительных
устройств состоит в том, что морская вода нагревается до температуры испаре-
ния; далее пар охлаждается и конденсируется. Полученная в результате такой
перегонки вода собирается в специальном резервуаре и в случае использования
ее для питья несколько разбавляется жесткой водой.
Опресненная вода без добавки солей невкусна и даже вредна для питья,
так как не содержит в себе необходимых солей кальция и магния.
Имеется несколько систем испарительных устройств: а) вакуум-испарители,
б) испарители низкого давления и в) испарители высокого давления.
Принцип работы вакуум-испарителя основан на испарении предварительно
подогретой воды в корпусе, в котором имеет место разрежение.
Испарители низкого и высокого давлений выполняются однокорпусными
или двухкорпусными в зависимости от производительности устройств.
Схемы подобных устройств сложны, в особенности испарителей высокого
давления; осуществление их представляет решение комплекса теплотехнических
вопросов. Применяются они достаточно широко в тепловых установках и опи-
сываются в соответствующей литературе х.
Стоимость одного кубометра морской воды, опресненной на испарительной
установке, в среднем колеблется от 3 до 3,5 руб. (стоимость обычной обработки
речной воды около 15 коп. за 1 л<3; стоимость умягчения 20 — 25 коп. за 1 д<3).
Опреснение воды солнечное
Под названным методом опреснения воды следует понимать использование
солнечной лучистой энергии для образования паров воды (морской), после охла-
ждения которых получается пресная вода.
Ряд солнечных опреснителей уже построен.
Схемы солнечных опреснителей не являются еще вполне законченными 1 2 3.
Опреснение воды вымораживанием
Этот метод3 заключается в том, что при образовании льда из соленой воды нахо-
дящиеся в ней соли вымораживаются, оставляя определенную часть льда достаточно
обессоленной. Вода из такой части льда оказывается в определенной степени опресненной.
Подобный метод опреснения воды должен будет иметь преимущества в тепловом
отношении, так как для получения 1 кг пара приходится затрачивать тепла больше,
чем для таяния 1 кг льда.
Вымораживание солей из воды в отношении конструирования установок вполне
осуществимо, так как последние будут, невидимому, не очень сильно отличаться от уста-
новок для приготовления льда.
К сожалению, обнаружено, что при замерзании морской воды между кристаллами
льда бывают вкраплены частицы рассола, что делает воду для питьевых целей мало
пригодной. Вторичное замораживание несколько улучшает качество воды. Возможно
проблема будет решена многократным вымораживанием или с нахождением способа по-
лучения плотного льда. Для получения из морской воды питьевой воды необходимо
удалить около 90% содержащихся в ней солей.
При опреснении морской воды путем ее замораживания (фиг. 406) она подается
насосом в бак для оттаивания льда; лед, находящийся уже здесь в формах, оттаивает,
опресненная вода поступает в резервуар, а вода, охлажденная в баке для оттаивания, по-
ступает в следующий бак, отсюда часть ее подается в генератор льда; остальная часть
сливается во вторую часть бака, смешивается здесь с поступающим рассолом из форм и далее
подается насосом для охлаждения конденсатора. Лед из генератора после замерзания его
в формах поступает для оттаивания в бак и т. д.
На схеме указаны температуры в отдельных элементах устройства. Схема работы
аммиачной компрессорной установки обычная.
Помимо приведенной схемы, повидимому, возможно и естественное вымораживание.
1 Инж. Шапкин. Техминимум по испарительным установкам
’ Проф. Б. Вейнберг и инж. В. Вейнберг. Солнечные опреснители.
3 Институт Водчео, Закавказский филиал. «Вопросы опреснения морской воды».
Опреснение воды электроосмосом
При этом методе в результате действия электрического тока ионы растворенных
в воде солей начнут передвигаться к электродам: анионы к аноду, а катионы к катоду.
Во избежание обратной диффузии электроды разделяются особой перегородкой,
которая не препятствует свободному движению ионов, движущихся под действием элек-
трического тока, но вместе с тем задерживает диффузию.
Если сосуд разделить не на две части, а на три и в крайних отделениях разме-
стить электроды, то через некоторый период времени под влиянием электрического тока
все анионы и катионы разместятся в крайних отделениях. В средней части вода будет
лишена ионов солей, т. е. будет опресненной.
Этот способ опреснения слабо минерализованной воды для весьма малых устройств
может и сейчас найти применение. За границей уже изготовляются электроопреснители
с производительностью до 250 л!ч дестиллированной воды и даже более (пока для вод
менее минерализованных), причем получаемый дестиллат содержит не более 10л<г/л сухого
остатка.
В СССР в этой области производились некоторые исследования. Расход электро-
энергии и стоимость ее при этом способе велики; нужно думать, что для опреснения
морской воды он не сможет найти применения.
§ 47. Охлаждение воды
Силовые установки (конденсаторы паровых турбин, дизельмоторы, компрес-
соры и т. д.), как правило, требуют для охлаждения воду. Вода для указанной
цели может непрерывно поступать из источника, а по использовании отводиться
в сток, либо нагретая вода отводится к специальным устройствам, где охла-
ждается и снова насосами подается для охлаждения агрегатов (оборотная вода).
Вопрос о применении для целей охлаждения свежей воды или оборотной в каждом
отдельном случае решается экономическим сравнением. Часто оборот воды
необходим вследствие недостатка ее.
Для восстановления низкой температуры охлаждающей воды служат: а) ба-
шенные охладители (градирни), б) охлаждающие пруды и в) бассейны с брыз-
галами.
Башенные охладители (градирни)
Охлаждающее действие башенного охладителя основывается на раздроблении
охлаждаемой воды на мелкие капли в «оросительном устройстве» градирни.
Часть теплоты воды отнимается вследствие испарения, часть теряется в воздухе
при соприкосновении с ним частиц воды. В башне должна быть обеспечена по-
стоянная циркуляция воздуха в достаточном количестве.
Само башенное устройство служит для создания естественной циркуляции
воздуха; в этом случае мы имеем градирни с естественной циркуляцией воздуха
в отличие от градирен с принудительной циркуляцией, достигаемой установкой
вентиляторов.
Градирня с естественной циркуляцией воздуха может быть открытая и
закрытая.
На фиг. 407 показана градирня с естественной циркуляцией с башней кар-
касного типа производительностью до 80 м3/ч. Градирня состоит из железо-
бетонного или кирпичного резервуара-фундамента, служащего для сбора охла-
жденной воды и для установки башни и оросительного устройства, распредели-
тельного и оросительного устройства для разбрызгивания охлаждаемой воды,
выполненного из дерева, и деревянной башни, создающей естественную циркуля-
цию воздуха в оросительном устройстве.
Резервуар-фундамент состоит из двух частей: собственно резервуара и кон-
струкции, несущей каркас башни. Резервуар для удобства эксплуатации (очистка,
ремонт и т. д.) может разделяться на две части; тогда из каждого отделения резер-
вуара имеется самостоятельный выпуск для отвода охлажденной воды. Во избе-
жание переполнения резервуара последний в верхней части может быть
снабжен переливной трубой. Из грязевого колодца в резервуаре имеется трубо-
провод для его опорожнения; глубина резервуара обычно около 2 м.
Оросительное устройство состоит из нескольких ярусов оросительного
решетника, уложенного по обрешетинам горизонтально через промежутки
100— 150 мм. Расстояние между ярусами решетника 350 — 400 мм.
Подрешетины прикреплены к стойкам оросительного устройства, опираю-
щимся на столбики резервуара-фундамента.
Разрез па
Разрез по Б-5
План ямы
План по /I-/1/.
Фиг. 407
Ороситель со всех сторон обшивается досками и только в нижней части
остается сплошное отверстие по периметру для прохода воздуха. Высота оро-
сителя 6— 7 м. Высота вытяжной башни 10 — 20 м и выше в зависимости от
размеров оросителя, тепловой нагрузки и т. д.
Распределительное устройство состоит из системы деревянных желобов,
расположенных над оросителем.
Вода подается напорным трубопроводом в центральный жолоб и от него
расходится по ряду боковых желобов, в дне которых вставлены насадки диа-
метром 20 — 30 мм. Под желобами на расстоянии 0,5 — 0,6 м по центрам на-
садок устанавливаются розетки; вода, падая, разбрызгивается и падает далее
на оросительное устройство, распыляясь еще интенсивнее. Скорость движения
в желобах не выше 0,25 — 0,3 м/сек. На оросительное устройство или в резер-
вуар градирни должно подаваться 3 — 4% свежей воды (для малых установок
больше), так как это количество теряется при испарении и разбрызгивании.
Градирни выполняются в плане обычно квадратными и лишь большие —
многоугольными. Градирни с искусственным дутьем воздуха мощными венти-
ляторами устраиваются редко. Башня здесь играет второстепенную роль и
служит для отвода испарений на достаточную высоту. Примерные размеры гра-
дирен с естественной вентиляцией приведены в табл. 20.
Таблица 20
Производительность в М^ч Размер стороны в плане в м Высота в м
15 4,3 18
45 5,7 20
80 7,2 21
Существуют и другие устройства градирен.
Охлаждающие пруды
Охлаждение воды этим способом приемлемо при наличии естественного
водоема со значительной поверхностью. Нагретая вода спускается в пруд, где
происходит ее охлаждение за счет соприкосновения поверхности пруда с воз-
духом и главным образом вследствие испарения с этой поверхности.
Охлаждающий эффект зависит от атмосферных условий (ветры, температура
воздуха), величины поверхности пруда и пр. При определении поверхности
пруда пользуются опытными данными. Так, в условиях средней полосы СССР
на 1 м3/ч воды, охлаждаемой от конденсатора паровой турбины, необходимо
около 10 мг поверхности пруда.
Бассейны с брызгалами
Здесь, так же как и в описанных выше случаях, охлаждение имеет место
в результате передачи тепла воздуху при соприкосновении распыленных частиц
воды с последним и за счет выделения скрытой теплоты парообразования. Охла-
ждаемая вода подводится сетью труб к насадкам, при помощи которых она раз-
брызгивается и попадает в бассейн, находящийся под брызгальным устройством.
Отсюда вода снова отводится на охлаждение агрегатов. При этом методе охлажде-
ния вода также теряется на испарение и разбрызгивание, поэтому в систему
необходимо подавать до 5% свежей воды.
Схема бассейна с брызгалами показана на фиг. 408.
Составные части бассейна с брызгалами:
а) сеть труб, брызгала;
б) бассейн;
в) система дополнительных устройств для подачи свежей воды, подачи
охлажденной воды и т. п.
Брызгала представляют собой специальные насадки для разбрызгивания
воды, подводимой под некоторым напором. По своему устройству они
делятся на брызгала с центральными лопастями (центробежного типа) и полые
брызгала (ударного типа). Первый тип брызгал лучше применять для чи-
стой воды, второй — для загрязненной. На фиг. 409 показаны брызгала центро-
бежного типа «Мульти-Спрей». Свободный напор у брызгал принимают в сред-
нем около 5 м.
Фиг. 409
В табл. 21 приведены примерные производительности брызгал указанного
типа в литрах в 1 сек.
Т аблица 21
Внутренний диаметр брызгал в месте при- крепления в мм Свободный напор в м
3,5 4,9 7,0
30 3,40 4,10 4,91
63 4,85 5,80 6,69
75 7,24 8,37 9,50
На случай ремонта части брызгал число их следует принимать на 25 —40%
больше.
Сеть труб представляет распределительную трубу и разводящие трубы,
ответвляющиеся от распределительной трубы. На последних устанавливаются
брызгала. Каждая разводящая труба снабжена задвижкой для ее выключения.
Разводящие трубы устанавливаются на столбиках, расстояние между кото-
рыми можно принять 2,5 — 4 м.
Конструкция бассейна зависит от грунта. При нефильтрующих грунтах
возможно устройство земляных бассейнов без обделки днища. Иногда днище
во избежание размыва отмащивается или покрывается слоем пластичной глины.
В фильтрующих грунтах применяют железобетонные бассейны. Глубина бас-
сейна 0,5 — 1,5 м. Дну бассейна придают уклон 0,01 к одной из боковых стенок,
вдоль которой устраивается неглубокий жолоб для опорожнения бассейна.
Большие бассейны делятся на несколько отделений на случай необходимости
ремонта или очистки их.
Количество испаряющейся воды в бассейнах может быть точно определено
соответствующими тепловыми расчетами. При перепаде в 10° испаряется 1,0 —
1,2% воды; при больших перепадах может испаряться до 2 — 2,5%; могут иметь
место также унос воды ветром, утечка и пр. Практически пополняемое количе-
ство свежей воды может составить около 3% для больших и около 5% для малых
бассейнов.
Режим работы брызгальных бассейнов в зависимости от времени года может
меняться.
Брызгала могут обеспечить больший охлаждающий эффект и работают до-
статочно надежно, но они требуют большей площади.
§ 48. Обработка воды водоемов
В озерах и водохранилищах в определенные периоды идет сильное разра-
стание мельчайших водорослей — цветение. Обработка воды на сооружениях
в этот период идете большими трудностями и необходима предварительная обра-
ботка воды в самом водоеме.
Применение медного купороса Си8О4 в дозах до 1 мг]л, редко больше (в за-
висимости от свойств воды и степени развития водорослей), обычно в течение
нескольких дней приводит к уничтожению мельчайших водорослей. Введение
купороса в воду происходит следующим образом: купорос загружается в мешки
и привязывается к лодке; при движении последней в различных направлениях
по водоему купорос растворяется и смешивается с водой; дальнейшее смешива-
ние идет под влиянием волн, ветра и пр.
На основе данных систематических наблюдений обработка воды водоема
должна производиться профилактически в определенные периоды еще до начала
цветения.
РАЗДЕЛ ПЯТЫЙ
УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ
ГЛАВА
СХЕМЫ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ
§ 1. Общие сведения
Жесткость воды, используемой для водоснабжения, различна. Воду, как
указывалось, можно различать по степени жесткости (табл. 1).
Приведенное разделение является совер- Таблица 1
шенно условным и не позволяющим оконча-
тельно определять пригодность воды для того
или другого производства. Например, очень
мягкая вода жесткостью 3 нем. гр. не при-
годна для питания котлов высокого давле-
ния, но она пригодна для питания паровоз-
ных котлов,
Жесткость воды большинства рек СССР
средняя — 8 — 16 нем. гр. Она зависит от
характера химических соединений в почвах
бассейна реки, гидрогеологических, климати-
ческих условий и пр. и подвержена колеба-
Обшая
жесткость
воды в нем.
гр.
0—4 . .
4—8 . .
8—16 .
16-30 .
Свыше 30
ниям в зависимости от времени года, выпадения
Степень жесткости
воды
Очень мягкая
Мягкая
Средней жесткости
Жесткая
Очень жесткая
атмосферных осадков, павод-
ков и т. д.
Для общего ознакомления ниже приведена жесткость воды рек СССР, наи-
более характерная для каждой из перечисленных рек и некоторых озер1 или
более или менее близкая к характерной. Данные следует рассматривать как
весьма ориентировочные, а проектирование сооружений для обработки воды
необходимо основывать лишь на результатах анализов.
Жесткость до 4 нем. гр. — рр. Нева, Свирь, Печора, Амур,
Ангара, Мезень, Селенга; озера: Байкал, Онежское и Ладожское.
Жесткость до 8 нем. гр. — рр. Аму-Дарья, Сыр-Дарья,
Кубань, Рион, Ома, Вычегда, Иртыш, Обь, Енисей, Онега, Волхов, Томь, Тун-
гуска, Луга, Вятка, Шексна, Молога, частично Северная Двина и озеро Ильмень.
Жесткость до 12 нем. гр. — рр. Днепр, Западная Двина,
Березина, Северная Двина, Сухона, Пинега, Кострома, Сож, Тура, Кура и
верховья Волги.
Жесткость до 16 нем. гр. — рр. Ока, Москва, Клязьма,
Кама, Белая, Лена, Дон, Донец, Урал, Сура, Икша, Индигирка, Колыма, Чусо-
вая и Нижняя Волга.
Максимальная жесткость имеет место в зимнее время при меженнем гори-
зонте воды в реке; минимальная жесткость — в паводочный период весной.
Подземные воды отличаются большим постоянством своего солевого состава,
зависящего от геологического строения и характера пород, по которым движутся
1 М. Лапщин и Н. К и с ел е в. Обработка питательной воды для судовых котлов.
эти воды и из которых они выщелачивают соли. Минеральный состав подземных
вод обычн о выше минерального состава поверхностных вод, также жесткость
подземных вод за немногими исключениями выше жесткости поверхностных вод.
Состав питательной воды оказывает определенное действие на паровозный
котел. Действие это в зависимости от содержания в воде тех или иных ингре-
диентов указывалось выше. Главное место в составе воды занимают накипе-
образователи.
Устранение из воды солей жесткости — основных накипеобразователей —
носит название умягчения воды.
§ 2. Схемы умягчения воды
Встречается ряд основных схем обработки воды, применяемых в зависимости
от качества исходной, т. е. подвергаемой обработке, воды и тех целей, для кото-
рых предназначена обрабатываемая вода.
При умягчении воды для удовлетворения хозяйственно-питьевых нужд
возможны:
1) обработка воды известково-содовым способом с некоторым избытком
извести, дополнительно удаляемой углекислотой,—умягчение с карбонизацией
(схема фиг. 410 — 411);
Фиг. 410—411
7—водораспределитель; 2—смеситель; 5—4— вытеснители реагентов; 5—дозатор известко-
вого молока; б—трубопровод от отстойника; 7—отстойник; 8—подача воды на отстойник;
9—камера карбонизации 70—фильтр; 11 —12—баки для реагентов; 13, 14, 15, 7 6—трубо-
проводы
2) обработка воды на отстойниках и кварцевых фильтрах с предварительной
коагуляцией, последующим умягчением на цеолитовых фильтрах и дальней-
шим хлорированием; последний метод распространения не имеет. Умягчение
цеолитами возможно для части хозяйственно-питьевых вод с тем, что эта часть
будет далее смешана с остальной массой воды.
При умягчении воды для удовлетворения производственных нужд в зави-
симости от наличия в воде той или иной жесткости, наличия взвешенных веществ,
органических примесей и т.д. применяются различные схемы умягчения. Среди
них распространение имеют следующие:
1) обработка воды одной известью. Схема может быть применена в исключи-
тельных случаях только при очень незначительной некарбонатной жесткости
воды и сильно пониженных требованиях к умягченной воде;
24 Водоснабжение
ГШод ВоНЫ на
Фиг. 412
1—водораспределитель; 2—сатуратор; 3— отстойник; 4—фильтр;
5—подогреватель; 6—резервуар; 7—бак для промывки фильт-
ра; 5 — вытеснитель соды; 9 — бак для соды; 10—насос
Ниунягченная 1оЛ1'
Фиг. 413
2) обработка воды известково-содовым способом без подогрева или с подо-
гревом. Фиг. 412 изображает одну из указанных схем с подогревом, а фиг. 413,
414 и 415—то же без подогрева. Схемы эти примгнимы в случае отсутствия
в воде повышенных количеств органических загрязнений при невысоких требо-
ваниях к умягченной воде; остаточная жесткость до 1 — 2 нем. гр. для схемы
Фиг. 414
7—струя на распределитель; 2, з и 4—водосливы; 5—сатуратор; б—бак для извест-
кового молок; 7—бак для соды; 8—отстойник; 9—фильтр из древесной шерсти;
10— жолоб-смеситель; 11— бак вытеснителя соды; 7 2—фильтр из древесной шерсти;
13—забор воды из отстойника; 7 4—трубопровод для спуска шлама
Фиг. 415
1—струя на распределитель; 2, 3 и 4—водосливы; б—сатуратор; б—отстойник;
7— центральная труба отстойника; 5—фильтр из древесной шерсти; 9—вытеснитель
содового раствора; 10— бак для содового раствора; 7 7—насос и мешалка для содового
раствора; 12—бак для известкового молока; 13—насос и мешалка для известкового
молока; 74—фильтры; 16—боковые трубы сатуратора; 16—выпуск шлама из сатуратора
с подогревом и 4 — 5 нем. гр. — без подогрева. Варианты этих схем могут
предусматривать установки с фильтрами из древесной шерсти и кварцевыми
открытыми или напорными;
3) обработка воды известково-содовым способом с коагуляцией. Схема эта
применена при наличии в воде значительного количества органических загряз-
нений и наличии в ней кремнекислоты. Варианты этой схемы могут предусматри-
вать установки с подогревом, без подогрева, с фильтрами из древесной шерсти
или кварцевыми;
4) обработка воды известково-содовым способом с избытком извести и кар-
бонизацией. Схема применима при умягчении воды одновременно для хозяй-
ственно-питьевых и производственных нужд;
5) обработка воды на цеолитовых фильтрах в сочетании с той или иной
предварительной или последующей ее обработкой; сюда относятся предвари-
тельная обработка воды известью и содой и дальнейшая — на цеолитовых филь-
трах и др.
Схемы обработки воды на цеолитовых фильтрах приведены ниже.
ГЛАВА II
ИЗВЕСТКОВО-СОДОВЫЙ СПОСОБ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ
§ 3. Схемы реакций и необходимые элементы конструкции водоумягчителей
А. РЕАКЦИИ ПРИ ИЗВЕСТКОВО-СОДОВОМ МЕТОДЕ УМЯГЧЕНИЯ
Способ этот развился из старого способа умягчения воды известью, является
весьма распространенным и заключается в понижении жесткости воды вслед-
ствие выделения в осадок мало растворимых в воде солей углекислого кальция
СаСО3 и гидрата окиси магния Мд(ОН)2. Выделение в осадок СаСО3 и Мд(0Н)2
достигается введением в воду извести Са(ОН)а (гашеная известь) и кальцини-
рованной соды №2СО3, вступающих в реакцию с углекислотой и растворенными
в воде солями Са и М§. Схемы указанных реакций представлены в табл. 2.
Таблица 2
Соединения в умягчаемой воде Добавляемые реагенты Выпадает в осадок (шлам) Остается в растворе
СО2 4- Углекислый газ Са(ОН)2 = Гашеная известь СаСО, + Карбонат кальция Н2О Вода
Са(НСОз), + Временная жест- кость* (карбонат- ная). Бикарбонат кальция Са(ОН)а =. 2СаСО3 + 2Н2О
М8(НСО,), + Временная (карбо- натная) жесткость. Бикарбонат магния 2Са(ОН)2= М§(ОН)24-2СаСО8 4* Гидрат окиси маг- ния и карбонат каль- ция 2Н,0
Са8О4 4- Постоянная (не- карбонатная) жест- кость. Сернокислый кальций Ка2СО, = Кальцинированная сода СаСО8 4 Ма28О4 Сернокислый нат- рий
СаС12 Постоянная (ве- карбонатная) жест- кость. Хлористый кальций Ма2СОа = СаСОз 4~ 2№С1 Хлористый натрий (поваренная соль)
* По существу временная жесткость состоит главным образам из бикарбоната
кальция и магния, хотя часто под временной жесткостью подразумевают всю карбонат-
ную жесткость, т. е. также и жесткость, обусловленную-растворенными в воде СаСО» и
М§СО,, и под постоянной всю некарбонатную жесткость.
Продолжение табл. 2
Соединения в умягчаемой воде Добавляемые реагенты Выпадает в осадок (шлам) Остается в растворе
мезо4 + Постоянная (не- карбонатная) жест- кость. Сернокислый магний Са(ОН)2 = Мб(ОН)2 + Са§04 Сернокислый каль- ций
М§С12 + Постоянная (не- карбонатная) жест- кость. Хлористый магний Са(ОН)2 = Мё(ОН)2 + СаС1г Хлористый каль- ций
Жесткость может еще обусловливаться силикатами кальция и магния
Са81О3 и др. (кремнекислый и двукремнекислый кальций).
Как это следует из схем реакций, известь служит для устранения карбо-
натной жесткости, сода — для устранения некарбонатной жесткости; соединения
магния для своего более полного удаления из раствора требуют дополнительно
извести. Карбонат кальция СаСО3 несколько лучше выпадает в осадок; гидрат
окиси магния Мд(ОН)2 выпадает в осадок значительно медленнее.
Фиг. 416
Вообще говоря, осадок выделяется столь мелким, что осаждение затрудни-
тельно впредь до некоторого укрупнения частиц. Скорость выпадения осадка,
укрупнение частиц и возможность более полного выделения их зависят от тем-
пературы, при которой происходит реакция, и от других условий.
При температуре воды 20 — 25° осаждение может иметь место в течение
2 — 4 час., а при более низких температурах, например 5°, осадок даже в
течение 5 — б час. не мог быть удален из воды в относительно полной
мере. Использовав современные приемы добавки в отстойники осадков, вводя
коагулянт или используя в фильтрах мраморную крошку, при включении
в схему камеры реакции, можно значительно сократить время отстаивания.
Органические коллоиды, находящиеся в воде, могут несколько задерживать
ход реакции, поэтому при значительном содержании магния в воде и при зна-
чительном количестве органических веществ для улучшения эффекта умягчения
может быть введен сернокислый глинозем А1а(8О4)3-18Н2О в малых дозах.
В этом случае время отстаивания может быть несколько уменьшено.
Таким образом, отстойники должны проектироваться на определенное
время пребывания в них воды в зависимости от условий их работы и общей схемы
обработки воды.
Одновременно с умягчением, в определенной степени вода освобождается от
взвеси, органических веществ, железа (обезжелезивание рассматривается как
частный случай умягчения) и кремнекислоты. Процент задержки указанных
веществ увеличивается при введении в обрабатываемую воду коагулянта.
При удалении карбонатной (временной) жесткости общее содержание солей
в умягченной воде уменьшается, в результате чего получается значительное
количество осадков. При удалении некарбонатной жесткости в умягченной воде
появляются другие растворенные в ней соли в количестве, эквивалентном уда-
ляемым солям. Следовательно, чем больше карбонатная жесткость, тем меньше
может быть солевой состав (сухой остаток) воды после умягчения. Сказанное
наглядно представлено в табл. З1 и на фиг. 416.
Таблица 3
Как видно из табл. 3 и фиг. 416, при известково-содовом способе умягчения
общее содержание солей в умягченной воде и количество осадка при одной и
той же общей жесткости необработанной воды резко изменяются в зависимости
от соотношения карбонатной и некарбонатной жесткости. Об изменении соле-
вого состава воды при умягчении ее цеолитами—подробнее будет сказано далее.
Известковый метод умягчения может иметь самостоятель-
ное значение при наличии в воде незначительной постоянной жесткости и более
значительной временной. Так, например, анализ воды одной из артезианских
скважин показал общую жесткость 19,6 нем. гр., а временную— 18,9 нем. гр.
Такая вода может умягчаться одной известью с пребыванием в отстойнике при-
мерно в течение 2 — 3 час. с момента введения извести.
Количество извести и соды, необходимое для
умягчения воды, определяется пробным умягчением или расчетами
в зависимости от качества исходной воды и качества соды и извести.
1 Составлена Водоканалпроектом (проф. Д. П. Козырев) для сравнения воды,
умягчаемой двумя основными методами.
По Пфейферу требуется извести (считая на чистую 100%-ную известь):
10Жв + 1,4МдО-Ь1,27СОалг/л,
где Же—временная жесткость воды в нем. гр.;
М§0—окись магния в воде в мг/л;
СО2— свободная углекислота в воде в мг/л.
В зависимости от качества извести (продажная известь содержит от 25 до
85% окиси кальция) получают необходимое ее количество.
Количество соды (считая на чистую кальцинированную соду)
принимают равным Жп 18,9 мг/л (Жп — постоянная жесткость в нем. гр.).
В зависимости от качества соды (продажная сода содержит около 98%
На2СО3) получают необходимое ее количество. Таким образом, расчетное коли-
чество добавляемых извести и соды должно быть принято с соответствующими
поправками на процентное содержание в них СаО и На2СО8.
Суточная потребность извести и соды определяется по производительности
установки и числу часов работы в сутки. Данные о качестве воды при проекти-
ровании принимаются согласно анализам с учетом максимальных значений Жв,
Жп и СО2.
Потребность извести и соды во время эксплуатации определяется системати-
чески в соответствии с данными анализов в различное время.
В результате умягчения вода не освобождается полностью от солей жест-
кости; реакция не идет до конца. СаСО3 и М§(ОН)2 трудно удалить полностью,
так как они в весьма незначительной степени растворяются в воде. Остаточная
жесткость колеблется до 4 — 5 нем. гр. и зависит от качества и температуры
обрабатываемой воды и работы водоумягчителя в целом. При подогреве воды до
температуры 80 — 85° реакция ускоряется, улучшается выпадение осадка и
остаточную жесткость можно снизить до 1° (при нагреве часть бикарбонатов
выпадает за счет удаления углекислоты).
Целесообразность подогрева подчеркивается при использовании умягченной
воды (подогретой) для питания стационарных паровых котлов; для питания
паровозных котлов такой подогрев не осуществляется, так как вода в системе
водоснабжения вновь охладится.
Указанная остаточная жесткость может иметь место при правильной до-
зировке реагентов. При недостатке извести и соды остаточная жесткость повы-
шается. Избыток извести и соды приводит к образованию едкого натра Са(ОН)2
4- На2СО3 = СаСО3 + 2На(ОН). Избыток соды также приводит к образованию
в котле едкого натра. При значительном избытке реагентов получается высокая
щелочность умягченной воды; в этом случае, как уже указывалось, имеют место
разъедание арматуры, вспенивание и бросание воды в паровозном котле и унос
воды паром. Избыток извести приводит к образованию в котле накипи.
Б. КОНСТРУКЦИИ ВОДОУМЯГЧИТЕЛЕЙ И ОТДЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИХ
Среди ряда разнообразных систем водоумягчителей, действующих по из-
вестково-содовому методу, системы, принятые в СССР на жел.-дор. транспорте,
сводятся в основном к конструкции «Струя» вертикального типа (около 80%
установок) и «Струя» горизонтального типа (около 20% установок). На фиг. 413
представлена технологическая схема, а на фиг. 414 и 415 — схемы устройства
и действия выполненных водоумягчителей «Струя» вертикального и горизонталь-
ного типов. На фиг. 417 и 418 представлены значительно улучшенные схемы
этих водоумягчителей с рядом конструктивных изменений по сравнению с вы-
полненными до сих пор установками. В последние схемы введены мешалки для
извести и соды, вынесен фильтр из горизонтального отстойника, предусмотрено
коагулирование и т. д.
Как видно из фиг. 417 и 418, водоумягчители рассматриваемого типа
состоят из:
СВграя Вода с насосной лтанции подъема
—— ' Основная линия умягчаемой • >»>» Пиния рост Вора сод1л
--------ПромО/Внвт линии * * '* ' * диния раствора коагулянта
-------- ВспомогателвнО/е линии ~ ВпускнО/е пинии
• Пиния изВесткоВого молока
Фиг. 417
7—отстойник; 2—фильтр; 3— сатураторы; 4—водораспределитель; 5—баки вытеснителя соды; б—бак для соды; 7—баки вытеснители коагулянта;
о бак для коагулянта; 0—бак для извести; 10—содовая мешалка; 7 7—известковая мешалка; 72—творило; 13—смеситель; 74—резервуар; 75—насос;
7 6—насос для перекачки раствора соды; 77—насос для перекачки известкового молока; 18—насос для промывки фильтров
8
а) устройства, распределяющего воду; часть воды поступает непосредственно
в отстойник, часть — в сатуратор для насыщения известью (или в дозаторы) и
часть — в вытеснители содового раствора;
б) устройств для приготовления известкового теста и молока (творила,
насос для перекачки извести, промежуточный бачок и т. д.);
в) сатураторов для приготовления насыщенного раствора извести в должном
количестве;
г) устройств для приготовления содового раствора и подачи его в долж-
ном количестве (баки, содовые вытеснители);
д) смесителя;
е) отстойников;
ж) фильтров;
з) вспомогательных баков, трубопроводов, насосов и т. д.
Основное различие между горизонтальным и вертикальным типами умягчи-
телей—в конструкции сатураторов и отстойников: изменяются схема расположения
сооружений и движения воды и связанная с этим площадь и высота здания.
Услойн&е обозначений
Осно&юя линия умягчаемой
------ йСЩмогатШн&е Линии
»— * Линии избесткобого молока
- • - - Линии растВзри мВ?/
- Линии раствора коагулянта
е - — - ВпуркнОю Линии
Умягч»нная Вода
Фиг. 418
7—водораспределитель; 2— сатуратор; 5—отстойник; 4—смеситель; 5—бак для известкового
молока; б—баки вытеснители соды; 7—баки вытеснители коагулянта; 8—бак для раствора
соды; 9—бак для раствора коагулянта; 10—мешалка для извести; 11 — содовая мешалка;
12—насос, для известкового молока; 13—насос для перекачки раствора соды; 14—резер-
вуар для воды; 15—насос
§ 4. Распределитель воды
В умягчителях рассматриваемого типа дозировка извести и соды и распре-
деление воды для приготовления и подачи их являются особо важными.
На фиг. 419 представлен один из распределителей, представляющий собой
железный бак с перегородками, служащими для успокоения струи, и горизон-
тальным водосливом в передней стенке. Водослив снабжен шкалой со 100 деле-
ниями. Вертикальными перегородками, связанными с двумя подвижными ков-
шами, он делится на три неравные части. В соответствии с этим и струя воды
делится на распределителе на три неравные части: одна струя идет на сатура-
тор для приготовления известкового раствора, другая — в смеситель и отстой-
ник, а третья делится на более мелкие струи на неподвижном водосливе (дели-
тельная доска с несколькими одинаковыми отверстиями); одна из этий струй
идет в содовый вытеснитель, а остальные возвращаются в смеситель и отстойник.
При добавлении к умягченной воде коагулянта с последнего (неподвижного)
водослива отделяется соответствующая струя, идущая к вытеснителю раствора
коагулянта. Число делений, захватываемых тем или иным передвижным ков-
шом (фиг. 420), определяет количество воды, идущее для указанных целей. При
изменениях количества воды, поступающей на умягчитель, пропорциональ-
ность деления потока (струи) на части сохраняется такой же, как это было уста-
новлено (изменяется толщина струи на всем водосливе).
а
Фиг. 419
На фиг. 421 приведен другой распределитель воды (проект стандарта Глав-
энергопрома). Распределитель состоит из головной, центральной и хвос~. овой
частей. Головная часть де-
лит подлежащую умягче-
нию воду на струи, из коих
одна идет в центральную
часть распределителя, а
другая — в смеситель. Эта
часть состоит из успокои-
тельной камеры, делитель-
ной доски с горизонтально
расположенными отверсти-
ями, делящими весь поток
на струи, короба для отве-
дения воды в смеситель и
жолоба, отводящего одну
из струй в центральную
часть. Последняя состоит
из успокоительной камеры
и распределительного ци-
линдра с двумя перемещаю-
щимися внутри его дисками, делящими воду на три струи: одна направ-
ляется в хвостовую часть, вторая—на сатуратор и третья — в смеситель.
Хвостовая часть служит для деления поступившей в нее струи на отдельные
мелкие струи, из которых одна или две идут к содовому вытеснителю или
дозаторам. Эта часть также состоит из успокоительных камер, делительной
доски, желобов и короба.
Для станции производительностью до 100 м3/ч при установке дозаторов си-
фонного типа обычно ограничиваются установкой лишь центральной части; для
аналогичных устройств произ-
водительностью выше 100л3/ч—
установкой головной и централь-
ной частей. Для станций произ-
водительностью до 100 л3/ч при
установке вытеснителей
обычно ограничиваются цент-
ральной и хвостовой частями, а
для большей производительно-
сти необходима установка всех
трех частей.
На фиг. 422 представлен от-
дельно распределительный ци-
линдр с водосливом (конструк-
ция проф. И. Л. Гордона) и
перемещаемыми дисками, деля-
щими поступающую в распре-
делительный цилиндр воду на
три части, направляемые на
сатуратор, в хвостовую часть
и в смеситель отстойника. Де-
ление потока воды происходит
согласно положению дисков,
устанавливаемых по имеющейся
шкале с делениями. Перемеще-
ние дисков достигается враще-
нием маховичков, что проще,
Фиг. 421 чем перемещение подвижных
желобов у ранее рассмотренного
распределителя. Части должны быть выполнены из нержавеющего металла и хо-
рошо приработаны, иначе возможно нарушение точности дозирования. Диски и
внутренняя стенка распределительного цилиндра, кромки прорезов в нем (водо-
слив) и т. д., а также и все делительные доски должны иметь противокорро-
Фиг. 422
7—ось; 2— рейка; 3—передвижные диски; 4—корпус; 5—крышка; 7—маховичок
зийную защиту (например хромирование с предварительным омеднением).
Кромки водослива должны быть строго горизонтальны.
В процессе эксплуатации может иметь место изменение количества умяг-
чаемой воды, изменение качества подаваемой на умягчитель воды или изменение
того и другого. В первом случае изменения количества возы, идущей на сатура-
тор и содовый вытеснитель, происходят автоматически; изменяется толщина
струи на водосливе, а соотношение струй остается постоянным.
Во втором случае необходимо переставлять подвижные ковши, ослабляя
арашек и закрепляя его в новом положении, или переставлять диски (в соответ-
гвии с расчетом). Желательно иметь заранее составленную таблицу для числа
делений водослива при изменениях карбонатной и некарбонатной жесткости
воды.
Распределитель воды рассчитывается как незатопленный водослив с тонкой
стенкой по формуле:
—’ ?_
2§Н 2
Из формулы определяется ширина водослива Ь при высоте Н — статиче-
ском напоре на водосливе (слой воды над кромкой порядка 0,01 — 0,05 м) и
т0 — коэфициенте расхода через водослив, равном примерно 0,40. Обычно
ширина подвижного водослива Ь нежелательна более 0,8 — 1 м. Если она
получается большей — вся струя предварительно делится отверстиями на
неподвижном водосливе на несколько равных частей: одна из них поступает на
подвижный водослив для дальнейшего деления на нем.
Пример. При производительности установки (?=200 м3/ч и /7=0,05 м
/ 3 7
3600-0,40 |/ 2-9,81-0,05 т
При Жв — 13,9 нем. гр. и содержании М§0 в воде 92 мг/л расход
чистой СаО составит: 10-13,94-1,4-92=267,8 мг/л.
Количество известковой воды (в процентах от общего количества воды) за-
висит от расхода СаО и (как это указано ниже) от температуры воды, обусловли-
вающей крепость раствора. При максимальной температуре 30° и крепости раст-
вора 113° (1130 лг/л)^количество известковой воды составит:
267,8 267,8 • 100 .
1 130 4- 267,8 1 397,8 /о
от общего количества воды, т. е. около 19%.
Действительно, если С/ — все количество воды, подаваемое на водоумягчи-
тель в м3, х — количество воды, отделяемое на сатуратор в м3 и если расход
чистой СаО составляет 267,8 мг/л, а максимальная крепость раствора в соответ-
ствии с температурой составляет, например, 113° или 1 130 мг/л, то:
Щ — х) 267,8=х-1 130,
ибо умягчать в отстойнике необходимо лишь <2—х м3.
Из уравнения следует:
_ 2б7>8
Х 267,8 4- 1 130
или х=0,19(? (19% от С}).
При Жл = 15,6 нем. гр. расход чистой соды составит:
18,9 . 15,6 = 294,84 мг/л;
при крепости раствора соды в 5% количество потребного раствора соды составит.
294,84-100 _,ео/ л
294,84 4- бОООО^0’58/0 °Т
Действительно, если количество воды, отделяемое в содовый вытеснитель,
обозначить через у, то при 5%-ном растворе (обычно крепость раствора 2 — 5%)
имеет место равенство:
50000 у=294,84 ((?—у),
откуда
= 294,84
У 294,84 + 50 000
Предварительно разделив в водораспределителе полную струю на три части,
пропускаем далее одну часть на подвижной водослив, ширина которого равна
1,07 м.
На водосливе отделяем части в соответствии с полученными величинами
19 и 0,58%:
19-3,2 0,58-3,2
—100— = 0,610 м и —10~ =0,0186 м.
Струю, отделяемую для содового раствора на подвижном водосливе, ввиду
ее незначительности для большей точности деления увеличиваем в 10 раз; далее
пропускаем через неподвижный водослив с 10 отверстиями, отбирая здесь струю
на содовый вытеснитель из одного отверстия.
В расчете указан принцип, по которому следует, варьируя определенным
образом, подобрать необходимую конструкцию распределителя воды с тем или
иным числом неподвижных водосливов и с тем или иным их расположением.
Известны и иные распределители воды, основанные на той же идее разде-
ления струи.
§ 5. Реагенты при известково-содовом методе умягчения
А. ИЗВЕСТЬ
Известь СаО получается при обжиге в известковых печах известняков до
возможно полного выделения из них углекислоты СО2.
Полученная после обжига комовая негашеная известь представляет куски
белого или грязно-белого цвета различной величины и содержит безводную окись
кальция СаО, большее или меньшее количество примесей, имевшихся в извест-
няке, недожженный известняк, пережог и т. д.
Гашеная известь получается при добавлении к комовой извести некоторого
количества воды и имеет вид порошка (пушонка), представляющего в основном
гидрат окиси кальция Са(ОН)2:
СаО % Н2О = Са(ОН)2.
При гашении извести достаточным количеством воды получается известковое
тесто, способное долго сохраняться в известковых ямах без доступа воздуха;
свойства извести при этом не ухудшаются.
При дальнейшем разбавлении водой известкового теста получается жид-
кость молочного цвета — известковое, молоко—той или иной крепости, т. е.
с тем или иным содержанием СаО. Известь мало растворима в воде, причем раст-
воримость ее с повышением температуры уменьшается.
Раствор извести носит название известковой воды или при предельном содер-
жании СаО—насыщенного раствора и обладает свойствами сильной щелочи.
Предельное содержание СаО в насыщенном растворе в зависимости от тем-
пературы приведено в табл. 4.
На воздухе СаО соединяется с СО2 и образует углекислый кальций
СаО + СО2 = СаСО3, поэтому известковая вода на воздухе мутится, а известь
желательно получать нележавщую (после обжига) и хранить ее в кучах,
затрудняя доступ воздуха и влаги. При не очень больших расходах лучше хра-
нить известь в виде теста.
Воздушная комовая известь должна содержать 80— 85% СаО, однако,
продажная известь в различных местах с различных известковых заводов, об-
жигающих притом разные известняки, имеет различное содержание СаО — от
40 — 50% и выше; известь по существу некондиционна.
Содержание мелочи (куски до 15 леи) в комовой
извести должно быть небольшим, примерно 10%.
Содержание в гашеной извести зерен размером
более 0,6 мм не должно превышать 10% от общего
веса гашеной извести.
Тесто, полученное из комовой негашеной из-
вести, не должно содержать более 10% непога-
сившихся зерен крупностью более 0,6 мм.
Для гашения 1 т извести необходимо 0,35 —
0,40 м3 воды. Насыпной вес негашеной извести
(вес 1 м3) около 1 —1,5 т в зависимости от круп-
ности кусков, то же для пушонки — около 1 т.
Известковое тесто, приготовленное из 1 т извести,
занимает объем около 1,33 м3; известковое молоко,
приготовленное из 1 т извести, занимает объем
примерно около 4 м3 (в зависимости от концент-
рации).
Таблица 4
Температура Содержание
воды в °Ц СаО в мг!л
0 1430
10 1 330
20 1 230
30 1 140
40 1050
50 950
60 860
70 760
80 670
90 580
100 490
Приведенные данные вследствие некондиционности извести должны рассмат-
риваться лишь как ориентировочные; например, так называемая жирная нега-
шеная известь, полученная из известняков с небольшим содержанием примесей
(глины, песка), образует пластичное тесто, занимающее большой объем: при
гашении 5 кг— не менее 11 л теста; тощая известь, полученная обжигом изве-
стняков с большим содержанием примесей, гасится медленней, дает менее пла-
стичное тесто, занимающее меньший объем.
Б. СОДА
Углекислый натрий На2СО3, или сода, имеет при обработке воды значи-
тельное применение; получается она заводским путем. Раствор соды имеет ще-
лочную реакцию; растворимость ее меняется с температурой, при 33,5° она наи-
большая (100 ч. воды растворяют 59 ч. соды); вообще сода относится к относи-
тельно легко растворимым реагентам. Продажный продукт (прокаленная угле-
натриевая соль), известный под именем кальцинированной соды, имеет вид белого
порошка и относительно чист; примесей не более 2% (согласно стандарту со-
держание На2СО3 не менее 98 %).
В. СЕРНОКИСЛЫЙ ГЛИНОЗЕМ
Сернокислый глинозем на станциях умяг-
чения имеет более ограниченное применение;
подробная характеристика дана выше в разделе
обработки воды, где коагулянт имеет исклю-
чительно большое применение.
§ 6. Приготовление растворов
Гашение извести можег производиться или
механическим путем в аппаратах «Мика» или
ручным — в особых ящиках-сцежах.
Сцежа представляет собой деревянный ящик
высотой 0,5 — 0,7 м (фиг. 423), куда загружается
продажная известь и подводится вода; густое
Фиг. 423
молоко по лотку переводится далее в известковую мешалку. Творила приме-
няются для выдерживания известкового теста; с увеличением времени сопри-
косновения извести с водой улучшается процесс гашения.
На фиг. 424 изображен аппарат «Мика», служащий для гашения извести и
получения известкового молока. Аппарат состоит из горизонтальной цилиндри-
№20
поперечим разреза
Фиг. 424
Непооииз!снай часть
ческой части—барабана, неподвижной головки и загрузочной воронки. Барабан
вращается вокруг горизонтальной оси на роликовой опоре; ременный привод
действует на укрепленное на нем зубчатое колесо; число оборотов до 4—5
в 1 мин. Внутри барабана укреплены расположенные винтообразно железные ло-
патки.
Железные дырчатые ковши служат для удаления недожженного известняка
и других примесей. Загрузка извести происходит слева. Загрузочная воронка
и выходная головка оборудуются вытяжными трубами для удаления паров воды,
выделяющихся при гашении извести, и известковой пыли.
Завод «Прогресс» Химмаштреста изготовляет аппараты лишь больших раз-
меров. Наименьший диаметр барабана 1 000 мм, длина 4 000 мм, суточная произ-
водительность 25 т (считая по СаО), необходимая мощность мотора 2 ЛС,
Изображенный на фиг. 424 аппарат имеет суточную производительность 40 т.
Отсутствие в производстве стандартных аппаратов меньшей производитель-
ности практически лишает возможности широкого использования их на станциях
умягчения воды на жел.-дор. транспорте.
На фиг. 425 представлен аппарат системы Шультеса для непрерывного га-
шения извести до получения пушонки. Аппарат состоит из неподвижного ци-
линдра с наружной рубашкой. Вращающаяся ось несет на себе на г/3 длины сет-
чатый барабан со спиралью, укрепленной на его наружной поверхности, и на
остальной длине — соответствующим образом расположенные лопатки.
Негашеная известь поступает через воронку в дырчатый барабан, сюда же
через трубу с мелкими отверстиями подается необходимое количество воды.
Пар, образующийся во время гашения, и известковая пыль удаляются при по-
мощи вытяжной трубы.
В барабане образуется пушонка — порошок, который просыпается через
отверстия барабана, окончательно гасится и передвигается лопатками к разгру-
зочной воронке.
Примеси задерживаются внутри барабана и далее удаляются через воронку.
Для улучшения работы аппарата в начале гашения в наружную его ру-
башку подводится горячая вода. Производительность описанного аппарата
1 700 кг/ч, вес 8 800 кг, потребная мощность мотора 8 ЛС. Указанный аппарат
рассчитан на большую производительность, что вообще затрудняет его приме-
нение на малых станциях, хотя им можно было бы производить гашение всей
прибывшей партии извести.
Аппараты эти очищают известь от примесей, дают однородную пушонку или
однородное известковое молоко; приготовление того или другого происходит
в закрытом барабане; процесс идет быстро. Пушонка или молоко может приго-
товляться по мере надобности; условия работы с известью здесь при механизи-
рованном процессе несравненно легче для рабочих и менее вредны для их здо-
ровья.
На фиг. 426 изображена мешалка для известкового молока—Химмаштреста.
Этэ — клепаный или сварной цилиндрический сосуд с плоским дном, крышкой
с откидным люком и штуцерами и Лопастной мешалкой с приводом в верхней
части.
У мешалки две лопатки и
для задержки нерастворимых
между ними горизонтальное металлическое сито
примесей. Число оборотов мешалки 15 — 20 в
На станциях умягчения воды
1 мин. На фиг. 427 представлен деревянный бак
с мешалкой для приготовления известкового
молока из известкового теста.
Для гашения извести и заготовки извест-
кового молока на небольших станциях умяг-
чения воды применяется цилиндрический бак
с плоским днищем и дырчатой трубой внутри
бака, служащей для задержки примесей. Отвер-
стие в нижней части бака закрывается кониче-
ской пробкой, проходящей внутри дырчатой
трубы; после загрузки необходимого коли-
чества извести и гашения ее идет приготовле-
ние известкового молока, при этом вода и
известь перемешиваются веслом. По приго-
товлении молока пробка поднимается и по-
следнее перепускается в сатуратор. При опре-
делении потребной емкости бака можно исхо-
дить из содержания в известковом молоке
10% СаО.
при значительном расходе извести растворение
ее и приготовление известкового молока идут обычно внизу. На фиг. 428 изо-
бражен бак-мешалка для приготовления известкового молока из гашеной изве-
сти, предварительно подготовленной в гасильных ящиках. Соответствующее
оборудование трубопроводами и задвижками и установка насоса позволяют
всасывать из бака воду с известью и нагнетать их в этот же бак; так осуще-
ствляются перемешивание известие водой и приготовление известкового молока;
при соответствующем переключении задвижек известковое молоко тем же
насосом подается наверх в сатуратор или бак для известкового молока.
Гасильные ящики, или творила, должны быть так расположены, чтобы га-
шеная известь или густое молоко при добавлении воды без труда могли из них
переводиться в мешалку. Конец всасывающей трубы при помощи особого при-
вода может повертываться вверх и вниз; первое делается при перемешивании
жидкости насосом, второе — при подаче готового известкового молока наверх.
Нерастворившиеся примеси спускаются из нижней части бака при открытии со-
ответствующей задвижки. Периодически бак промывается водой.
Для приготовления и хранения растворов соды применяют стальной бак.
Растворение соды идет без особого труда; перемешивание — вручную веслом;
воду для растворения рекомендуется нагревать до 25 — 40°, так как при этом
не образуется комков. При необходимости непрерывной подачи растворов соды
станция оборудуется двумя баками.
При больших расходах соды для приготовления растворов может быть исполь-
зована описанная установка бака-мешалки.
На станциях умягчения воды расход сернокислого глинозема обычно незна-
чителен и здесь как для растворения, так и для хранения раствора вместо обыч-
25 Водоснабжение
385
ных более громоздких баков можно ограничиться установкой бака с находя-
щимся внутри решетчатым ящиком для загрузки коагулянта (фиг. 428а).
Растворение ускоряется при перемешивании раствора вручную или при
подводе пара.
§ 7. Дозирование извести
Дозирование извести возможно при работе насыщенным раствором или изве-
стковым молоком.
Дозирование насыщенных растворов извести осуществимо с достаточной
точностью, ибо насыщенные растворы имеют определенную крепость (при дан-
ной температуре), т. е. совершенно определенное содержание СаО в растворе.
Приготовление насыщенных растворов происходит в сатураторах — соору-
жениях большого объема, требующих при этом соответствующую кубатуру зда-
ния и, следовательно, большие капиталовложения. Нужно отметить, что в сату-
раторах с определенного момента может итти постепенное снижение концентра-
ции; здесь же часть извести остается неиспользованной. Дозирование молоком
при условии, если последнее однообразно за все время использования его из
реагентного бака и процентное содержание в нем СаО установлено, также может
быть достаточно точным и при этом позволяет обойтись сравнительно простыми
устройствами и приборами — дозаторами, имеющими незначительный объем и
незначительную (по сравнению с сатураторами) стоимость. При отсутствии ука-
занного однообразия, дозирование молоком не может быть точным.
Иногда дозирование известкового молока может производиться плунжер-
ным насосом, причем изменение дозы известкового молока может достигаться
изменением числа ходов поршня.
При содержании СаО в насыщенном растворе (например при 10°) 1 330 мг/л,
а в 5%-ном известковом молоке — 50 000 мг/л легко представить, как должны
отличаться объемы сатураторов и дозаторов, дозирующих известковое молоко.
Меньшая точность при дозировании известкового молока дозаторами частично
может явиться следствием неодинакового содержания СаО в единице объема при-
готовляемого и подаваемого раствора. Но в США почти всюду на умягчительных
установках, даже малых, известь используют в виде известкового молока.
При небольшом процентном содержании активной извести зарядка сатурато-
ров становится более частой, и известь, как указывалось, используется непол-
ностью. Следует еще иметь в виду, что сатураторы на очень жестких водах ра-
ботают недостаточно хорошо.
Из изложенного следует:
а) установку сатураторов можно проектировать для станций умягчения
известково-содовым методом производительностью не выше 100 м8/ч;
б) работу с известковым молоком и установку дозаторов следует рекомен-
довать для станций умягчения известковым и известково-содовым методом боль-
ших производительностей, но при обязательном строго поставленном непрерыв-
ном химическом контроле за эксплуатацией и в частности за содержанием СаО
в подаваемом известковом молоке;
в) работу с известковым молоком и установку дозаторов можно рекомендо-
вать для комбинированного метода умягчения известью и цеолитами, не требую-
щего столь большой точности дозирования при предварительном известковании
воды, но с тем же условием обязательности непрерывного контроля процессов
производства.
Естественно, что и сатураторы требуют периодического контроля качества
известковой воды.
Все сказанное относится к случаям работы с известью удовлетворительного
качества и при удовлетворительной работе дозаторных устройств, конструкции
которых пока лишь начинают у нас внедряться.
Отсутствие достаточно изученных конструкций дозаторов известкового
молока заставляет еще часто проектировать сатураторы при явной их экономи-
ческой нецелесообразности, однако, практика ближайшего будущего (изучение
и внедрение конструкций дозаторов) приведет к значительному уменьшению
числа станций с сатураторами.
На фиг. 429 показана схема технологического процесса станции умягчения
воды известково-содовым методом производительностью 100 м3/ч с установкой
дозаторов известкового молока; напорный кварцевый фильтр служит для освет-
ления умягченной воды после отстойника. При установке дозаторов содержание
СаО в известковом молоке следует пока принимать в пределах до 5%, снижая его
до 4, 3 и даже 2% в случаях незначительного (50% и ниже) содержания СаО
в используемой извести.
Фиг. 42Э
Известковое молоко принятой крепости предварительно заготовляется в ба-
ках с мешалками или иных (перемешивание воздухом не допускается вследствие
образования при этом углекислого кальция за счет СО2, содержащейся в воз-
духе).
Чтобы трубы для известкового молока не загрязнялись и имелась возмож-
ность прочистки их,на поворотах устанавливаются пробки.
§ 8. Сатураторы
На фиг. 430 изображена схема действия про-
стейшего сатуратора; последний выполнен в виде
воронки, в нижнюю часть которой из бака а по
трубе в периодически подается известковое мо-
локо; сюда же по трубе с с распределителя непре-
рывно поступает вода в том количестве, в каком
необходим насыщенный раствор. Вода взмучивает
известковое молоко и насыщается известью; далее
в средних и особенно в верхних частях сатуратора
вода освобождается от взвешенных частиц изве-
сти, что очень важно для точности дозирования, и
частично от получающегося осадка и выходит из
сатуратора. Скорости движения воды в нижних частях сатуратора до
10— 12 м.м)сек, далее уменьшаются и в верхних доходят до 0,2 — 0,3 мм1сек.
При работе водоумягчителя вначале насыщение воды СаО идет нормально,
но через некоторый промежуток времени начинается постепенное снижение кон-
центрации, и раствор выходит недонасыщенным; тогда в сатуратор необходимо
подать свежую порцию известкового молока, а часть отработанной извести спу-
стить в канализацию. Это вызывает перерыв в работе установки и ведет к недо-
статочно полному использованию извести. Лучшие результаты получаются при
двойном насыщении. По схеме фиг. 431 предусматривается окончательное
насыщение во втором сатураторе, но принцип двойного насыщения здесь
полностью не осуществляется. (Буквенные значения на фиг. 431 те же, что ина
фиг. 430.)
На фиг. 432 даны схемы работы
двух пар сатураторов, по которым
осуществляется принцип двойного
насыщения на ряде водоумягчителей
«Струя горизонтальная».
Сатураторы соединены попарно
так, что вода может поступать из
№ 7 в № 2 или из № 2 в № 7 и далее
в смесительный жолоб. Точно так же
вода может поступать из № 3 в № 4
или из № 4 в № 3 и далее в смеси-
тельный жолоб. Перед включением
водоумягчителя в нормальную экс-
плуатацию свежей известью загру-
жаются все четыре сатуратора одно-
временно. Работает первая пара са-
тураторов; вода поступает в сатуратор № 7, далее в № 2, где окончательно насы-
щается известью; процесс идет до начала истощения извести в сатураторе № 7.
После этого включается в работу вторая пара сатураторов, а первая пара
выключается, и сатуратор № 7 догружается свежей известью. Режим работы
второй пары сатураторов таков: вода поступает в сатуратор № 3 и далее в са-
туратор № 4, где оконча-
тельно насыщается изве-
стью; так работает вторая
пара до начала истощения
извести в сатураторе № 3,
после этого вторая пара
выключается и включается
в работу первая пара, при
этом сатуратор № 3 до-
гружается свежей изве-
стью. Режим работы пер-
вой пары теперь таков:
вода поступает вначале в
сатуратор № 2, где встре-
чает относительно исто-
щенную известь, и далее
поступает для окончатель-
ного насыщения в сатура-
тор № 7, где встречает све-
жую известь, и т. д. с тем,
что сырая подвергаемая
обработке вода вначале
встречает отработанную из-
весть, а окончательное на-
сыщение идет в сатурато-
рах с более свежей из-
вестью.
Указанная схема или
Ш"6 цикл рабств
Л^циклработк
Фиг. 432
подобные ей дают более устойчивую работу сатураторов в смысле непре-
рывного получения насыщенного раствора и приводят к лучшему использо-
ванию извести; однако такие схемы с комбинацией из многих сатураторов,
требуя большого их числа, большого количества переключений и вообще более
сложной эксплуатации, мало жизненны, несмотря не то, что при выключении
сатураторов одной пары после начала истощения в одном из них извести
и одновременном включении сатураторов второй пары достигается беспрерыв-
ная работа сатураторов и водоумягчителя.
Нарушение основного принципа, встречного движения воды, насыщаемой
известью, и известкового молока (сырая вода встречает отработанную известь)
приводит к недостаточному исполь-
зованию извести.
На фиг. 433 изображен сатура-
тор Главэнергопрома.
Сатуратор представляет собой
цилиндр с нижней наружной кони-
ческой частью и внутренней кониче-
ской частью, т. е. как бы два сату-
ратора, вставленных друг в друга,
или один, разделенный на две ка-
меры — верхнюю и нижнюю. Объем
верхней камеры примерно в 2 раза
больше объема нижней. Внутренняя
и наружная конические части пере-
ходят в суженные цилиндрические
патрубки, образующие зоны, в кото-
рых поступающая вода перемеши-
вается с известью и насыщается ею,
т. е. зоны насыщения. Сатуратор
оборудован трубопроводами, жело-
бами и прочими деталями, назначение
которых может быть уяснено из при-
водимого ниже описания его работы.
Известковое молоко периодиче-
ски подается в верхнюю камеру и
отсюда периодически перепускается
в нижнюю.
Обычно каждую смену или через
смену из нижней части сатуратора
путем открытия задвижки выпус-
кается осадок и вслед за этим, путем
открытия сверху клапана, разъеди-
няющего верхнюю часть сатуратора
от нижней, известь, в значительной
мере истощенная, перепускается для
дальнейшего использования в ниж-
нюю часть сатуратора.
После проведенной в течение
5—10 мин. продувки сатуратора
известковое молоко, заготовленное в
баке над сатуратором, или непосред-
ственно из мешалок подается в верх-
Фиг. 433
нюю часть сатуратора.
Путь движения воды иной: вода подается в нижнюю часть (зону насыщения),
движется здесь в цилиндрическом патрубке со скоростью б — 8 до 15 мм/сек
и далее в конической части со скоростью от 6 до 2 мм!сек, встречается с истощен-
ной в той или иной мере известью, находящейся благодаря указанным скоростям
во взвешенном состоянии, постепенно насыщается ею и движется далее вверх.
По двум трубам, расположенным снаружи сатуратора, раствор переходит в
коллектор в верхней части сатуратора и по особой трубе поступает в зону насы-
щения верхней камеры, где движется с теми же скоростями, что и в зоне насы-
щения нижней камеры, и, встречая здесь относительно свежую известь, также
находящуюся во взвешенном состоянии, вследствие указанных скоростей, окон-
ею
ленной степени насыщается
ИзбестЬ
й'шда подаюзцря
соду она Же ,=
и мешалка _
В нижней зоне
Мешалка
д верхней зоне'
Пользй Вал
Фиг. 434
2-й Конур
1-й Конус
чательно ею насыщается. Скорость движения в цилиндрической части сатура-
тора 0,2 — 0,3 мм/сек, что приводит к постепенному освобождению насыщен-
ного раствора от взвешенных частиц извести, выпадающих в зону насыщения;
насыщенный известковый раствор осветляется, попадает в переливные желоба и
отводится далее к смесителю. Осветление насыщенного раствора необходимо во
избежание выноса частиц извести из сатуратора, что отразилось бы далее на
правильности дозирования. Поэтому в верхней части сатураторов ранее устраи-
вался фильтр из древесной шерсти для задержки взвешенных частиц извести.
Описанный двухкамерный или двухъярусный сатуратор дает большую уве-
ренность в постоянстве концентрации насыщенного раствора; так как вновь
поступающая вода соприкасается с частично отработанной известью и в опреде-
, то использование извести здесь при встречном
движении с водой может быть значительным.
Сатуратор выполняется из стали марки
Ст. О, конические днища—из стали марки Ст. 2.
В сатураторе водоумягчителя проф. Гордон
для улучшения процесса растворения извести
установлена мешалка, приводящаяся в действие
мотором (фиг. 434). Общий недостаток двухъ-
ярусных сатураторов — их большая высота.
Расчет сатураторов производится по задан-
ным скоростям и по времени пребывания в них
воды. Скорости в зоне насыщения в цилиндри-
ческой части принимаются равными б — 8 до
\5мм1сек, в конической части—от б до 2 мм/сек
и в зоне отстаивания — до 0,2 и 0,3 мм]сек, так
как при этих скоростях известковая суспензия
не выносится из сатуратора. Время пребывания
воды в сатураторах принимается до 5 — б час.
и более (Главэнерго), но это время, невидимому,
преувеличено, хотя в сатураторах происходят
не только насыщение воды известью, но и умяг-
чение с выпадением в осадок СаСО3 и трудно
удаляемой М§(ОН)2.
Конструируя сатураторы, следует в даль-
нейшем считаться с факторами, улучшающими
коэфициент использования, и стремиться к воз-
можному уменьшению их емкости.
Загрузка сатураторов известковым молоком
крепостью 10 — 20% происходит один, два или
три раза в сутки.
Соответствующий объем известкового молока
должен поместиться в нижней части верхней
камеры двухъярусного сатуратора — зоне насыщения — или в нижней части
одноярусного сатуратора, при этом следует учитывать, что часть извести
в количестве 10 — 20% может остаться неиспользованной (использование из-
вести может доходить до 90%).
Приняв время пребывания воды в цилиндрической части сатуратора, опреде-
ляют высоту цилиндрической части:
% = 3 600 V . I миллиметров, где г — скорость движения в мм/сек;
1 — время пребывания воды в сатураторе в часах.
Общую высоту сатуратора одиночного действия увеличивают примерно на
величину диаметра, т. е. принимают равной 3,бг/ + О метров. Если в верхней
части сатуратора устанавливается фильтр из древесной шерсти, то общая высота
увеличивается еще примерно на 0,70 — 0,80 м.
Для двухъярусного сатуратора высота цилиндрической части может
приниматься равной примерно 3,6 VI метров, где I—время пребывания воды
в двухъярусном сатураторе; общая высота принимается равной примерно
3,6 VI + О метров, а при установке фильтра из древесной шерсти —
3,6 VI + Д +0,8 м.
Угол конической части рекомендуется принимать равным 60°, диаметр мень-
шей окружности усеченного конуса — примерно около 0,2 О, высоту усечен-
ного конуса — примерно около 0,72? и высоту нижнего патрубка — примерно
от 0,3 до 0,5 О. Количество поступающей воды и намеченные скорости в зоне на-
сыщения позволяют определить сечение патрубка, а скорости движения воды в
зоне отстаивания — соответствующее сечение сатуратора. Если последнее полу-
чается большим, принимают п одновременно работающих сатураторов и далее
определяют диаметр каждого.
Для водоумягчителей «Струя горизонтальная» при двойном насыщении, число
сатураторов удваивается.
§ 9. Устройства для дозирования известкового молока
Вопросы дозирования известкового молока при умягчении воды имеют гро-
мадное значение, так как дозирование насыщенным известковым раствором или,
что то же, известковой водой требует:
1) значительных по размерам известковых насытителей—сатураторов;
2) большую кубатуру здания станции.
При применении специальных устройств по дозированию известкового моло-
ка водоумягчительная установка упрощается.
Известковый раствор, прошедший через фильтр сатуратора, не имеет приме-
сей и нерастворившихся частиц извести, поэтому при перемешивании его с сырой
водой он лучше и полнее вступает в реакцию. Вступ-
ление в реакцию известкового молока с возможным
содержанием незагасившихся частиц может быть не-
сколько замедленным, поэтому для наилучшего кон-
такта с сырой водой и лучшей реакции необходим
некоторый промежуток времени (5 — 10 мин.), в те-
чение которого идет хорошее смешивание известко-
вого молока с сырой водой.
В вертикальных отстойниках, почти исключи-
тельно проектируемых при известково-содовом методе
умягчения, центральная труба может выполнять роль
смесителя и отчасти камеры реакции.
К небольшим устройствам для дозирования из-
весткового молока предъявляются следующие требо-
вания:
1) простота устройства и надежность действия;
2) автоматическое увеличение или уменьшение
дозы реагента в зависимости от увеличения или
уменьшения количества обрабатываемой воды;
3) достаточная точность дозирования;
4) простота зарядки бака для реагента.
Постоянство и однородность концентрации извест-
кового молока достигаются при применении баков
с лопастными мешалками или со специальным насосом
Фиг. 435
для перемешивания.
На фиг. 435 показана схема дозатора, разработанного монтажно-техническим
трестом Главэнергопрома для дозирования известкового молока. Через водяную
камеру дозатора (на схеме не показана) из распределителя проходит струя
воды; в зависимости от количества последней поплавок Е в этой камере занимает
соответствующее положение. Поплавок Е связан посредством вала и блоков М
с трубой В и шайбой Г дозирующего бачка А, куда непрерывно насосом подка-
чивается известковое молоко. Бачок снабжен переливом Б, через который избы-
ток молока стекает обратно в основной бак (или мешалку) известкового молока, а
ми мен
гиг
в бачке А поддерживается постоянный уровень. Истечение дозируемой порции моло-
ка происходит через шайбу Г с отверстием в ней и трубу В, погруженные в молоко.
Труба В, подвешенная на тросе, укрепленном на блоке М, проходит без саль-
ника в отверстии, сделанном в дне бачка А. Имеющийся в этом месте зазор устра-
няет трение, а некоторое количество известкового молока, вытекающее через за-
зор, улавливается чашей И, укрепленной на трубе В, и отводится в бак вместе
с известковым молоком, переливающимся через перелив Б.
Молоко, прошедшее шайбу, отводится в смеситель вместе с водой, прошедшей
водяную камеру. Автоматичность дозирования достигается следующим образом:
в зависимости от изменения количества воды, идущей в дозатор, поднимается или
опускается поплавок, вращаются вал и блок, изменяются положения трубы В
и шайбы, дозирующей известковое молоко, и количество подаваемого молока.
При большем поступлении воды в водяную камеру шайба в камере известко-
вого молока понижается, напор и расход через шайбу увеличиваются. Отверстие
в шайбе В, погруженное в молоко, вовремя работы дозатора, недоступно наблюде-
нию; известковое молоко, вытекающее в чашу И через зазор в дне бака, нагружает
ее неопределенным весом, зависящим от
величины зазора и степени чистоты его;
все это несколько затрудняет отрегулиро-
вание дозатора и нарушает точность дози-
рования.
На фиг. 435а представлен дозатор про-
изводительностью до 4 м3/ч известкового
молока с пропускной способностью водя-
ной камеры 10 — 15 м3/ч.
На фиг. 436 дана схема дозатора Хо-
ванского (переменной дозы). Этот дозатор
состоит из двух воронок, соединенных ме-
жду собой тросом через колесо и снабжен-
ных в нижней своей части шайбами или
насадками.
Известковое молоко из бака поступает
через трубу и дроссель-клапан на ней в до-
зирующую воронку, снабженную направ-
ляющими, позволяющими ей перемещаться
в вертикальном направлении. Из воронки
известковое молоко через насадку изли-
вается в смеситель. В другую воронку,
имеющую в нижней части шайбу с отвер-
стием определенного размера, поступает
струя воды с распределителя. Насадки и
шайбы подбираются соответственно расходу
воды и крепости дозируемого
известкового молока; между воронками устанавливается определенное равнове-
сие, а при принятой величине отверстия в насадке и высоте столба известкового
молока в воронке-дозаторе из последней поступает в смеситель определенное
количество известкового молока.
Увеличение или уменьшение расхода воды, поступающей на распределитель-
ное устройство, приводит к увеличению или уменьшению уровня воды в воронке-
противовесе, принимающей струю воды от распределительного устройства, а сле-
довательно к опусканию или подъему этой воронки. При опускании последней
дозирующая воронка поднимается и при помощи особого рычага увеличивает от-
крытие дроссельного клапана, при этом известковое молоко поступает в большем
количестве; увеличивается уровень, а следовательно и расход известкового моло-
ка через насадку.
При подъеме воронки-противовеса дозирующая воронка опускается, дрос-
сельный клапан несколько прикрывается, при этом уровень известкового молока,
напор и расход уменьшаются. В обоих случаях между воронками восстанавли-
вается равновесие.
Недостатком такого устройства, автоматически изменяющего дозу, является
необходимость замены шайб или насадок при значительном увеличении расхода
обрабатываемой воды. Кроме того, со временем сечение шайбы или насадки и кла-
пана от известкового молока уменьшается и дозировка до прочистки их станет
недостаточно точной.
На фиг. 437 показан до-
затор Казакова. Этот
дозатор состоит из водомер-
ного ковша и собственно до-
затора.
Водомерный ковш — неболь-
шой железный бачок А, емко-
стью 5 — 8л, имеет в разрезе
форму треугольника; вершиной
своей ковш обращен книзу; че-
рез вершину проходит вал, сое-
диняющийся с двухходовым кра-
ном б стакана в дозатора. Ковш
наполняется водой, идущей с
распределителя, по наполнении
опрокидывается и благодаря
противовесу вновь возвращает-
ся в первоначальное положение.
Вылившаяся из ковша вода
отводится в смеситель водоумяг-
чителя. Благодаря качаниям
ковша и вала, укрепленного в
его вершине, вращается двух-
ходовой кран б дозатора, поме-
щающийся в патрубке д в ниж-
ней части стакана в.
Двухходовой кран попере-
менно открывает два отверстия,
соединяющих цилиндр с труб-
ками, из которых одна идет от
бака с известковым молоком к
стакану, а другая — от стакана
к смесителю.
При наполнении водой водо-
мерного ковша в течение при-
мерно 10 — 12 сек. известковое
молоко выходит из стакана в
смеситель.
При опрокидывании ковша
известковое молоко из бака в те-
чение 3 — 4 сек. заполняет ста-
Фиг. 437 кан, вытесняя воздух через
вантузы е, имеющиеся в диске
«поршня» ж. Число качаний,
а следовательно и подача известкового молока, увеличивается пропорционально
количеству воды, поступающей на водоумягчитель. Поршень позволяет изме-
нить отмериваемую порцию известкового молока в зависимости от концентрации
его в баке, для этого его необходимо лишь поднять в стакане или опустить. Это
позволяет регулировать расход известкового молока на ходу.
Дозатор Главэнергопрома получил распространение; дозаторы Хованского
и Казакова лишь испытаны в лабораторных условиях и по усовершенствовании
и устранении отдельных недостатков могут быть внедрены.
К числу дозаторов следует еще отнести установку с плунжерным насосом.
§10. Устройства для дозирования соды и коагулянта
1. Содовый вытеснитель — устройство, работающее по принципу вытеснения
объема, — автоматически дозирует раствор соды, подаваемый в смеситель. Он со-
стоит из двух цилиндрических или прямоугольных баков: наружного расходного
и внутреннего (плавающего.) вытеснителя (фиг. 438).
Наружный бак во время зарядки наполняется
раствором реагента (из специального бака) и в это
время внутренний бак (поплавок) всплывает в верх-
нее свое положение, соответствующее появлению
реагента в верхнем отверстии и трубе, отводящей
реагент в смеситель.
Фиг. 438
Во внутренний бак веда подается с распредели-
теля (струя на соду). Раствор соды, помещающийся
между наружным и внутренним баками, вытесняется
при этом в смеситель в количестве, равном количе-
ству воды, попадающей во внутренний бак (разница фиг. 439
в удельных весах воды и раствора незначительна).
Во избежание перекосов, трения и пр. для направления внутреннего бака при
его движении устроены особые направляющие. Вытеснитель, представленный
на фиг. 439, имеет иное направляющее устройство. Круглые баки в смысле
меньшей возможности перекосов и пр. предпочтительней перед прямоугольными.
Работа вытеснителя продолжается до тех пор, пока внутренний бак не опу-
стится до дна наружного расходного бака. После этого вытеснитель заряжают и
одновременно отсасывают сифоном воду из внутреннего бака. Каждая установка
должна включать в себя два попе-
ременно работающих вытеснителя;
при зарядке одного в работу вклю-
чают другой. Так же действует и
вытеснитель раствора коагулянта.
Вытеснитель выполняется
стальным (сталь марки Ст. О), а при
дозировании коагулянта внутрен-
няя поверхность наружного и на-
ружная поверхность внутреннего
баков должны быть покрыты свин-
цом. Расчет размеров вытеснителя
производится в соответствии с рас-
ходом воды, идущей из распредел!
с крепостью раствора.
2. Сифонный дозатор растворов соды и коагулянта
(растворов легко растворимых) служит для автоматического дозирования в соот-
ветствии с увеличением или уменьшением количества обрабатываемой воды.
ПодбодводС)1^\
ВЪиодргсген-з
бак с реп: вито»
Шайба
^Вбаоб Ши
Фиг. 440
на соду (коагулянт), и в соответствии
Автоматичность дозирования здесь основана на изменении напора, под которым
подается реагент, при изменении количества подаваемой воды.
На фиг. 440 показана схема сифонного дозатора, а на фиг. 441 — подробное
его устройство для станций производительностью 300 — 400 м3/ч. Дозатор со-
стоит из цилиндрической камеры а с небольшой приваренной к ней камерой б для
приема воды, идущей с распределителя, и небольшой камерой в с установленной
Фиг. 441
в ней шайбой, служащей для пропуска через нее воды, поступающей из распреде-
лителя и выходящей далее из дозатора.
При включении дозатора в работу и поступлении воды в водяную камеру уро-
вень воды в ней устанавливается в зависимости от пропускной способности шайбы.
В водяной камере а помещается поплавок г, занимающий определенное положение
в зависимости от уровня воды в ней; при движении поплавка соединенный с ним
блок % поворачивается и поворачивает вал е, несущий на себе кроме поплавко-
вого блока еще и сифонный блок с грузом и подвеской для сифонных трубок з
(сифонный блок может свободно вращаться на валу при ослаблении стопорного
винта). Сгонные трубки переводят дозируемое количество раствора из реагент-
ной камеры и с постоянным уровнем реагента в ней, поддерживаемым шаровым
клапаном к, в воронку и далее в смеситель.
В момент включения дозатора вода в водяной камере должна быть на уровне
шайбы, а конец сифонной трубки в реагентной камере — на уровне раствора в этой
камере (устанавливается путем ослабления сифонного блока на валу, поворачи-
ванием этого блока).
В зависимости от положения уровня воды в водяной камере сифонные трубки
опускаются в реагентной камере; отверстия их находятся ниже уровня в этой ка-
мере, и сифон подает то или иное количество реагента. На водяной камере имеются
водомерное стекло со шкалой и переливная труба. При необходимости включить
Труба Вентури
Фиг. 442
Труба Вентури
А—трубопровод; В -труба Вентури; С—трубка; 1>—регулирующий прибор;
Е—кран; Е—трубка; С—трубка
установку сразу на большую пропускную способность отверстие шайбы в момент
пуска несколько прикрывается игольчатым клапаном, а после достижения соот-
ветствующего уровня в водяной камере шайба открывается полностью.
Дозатор в основном выполняется из стали, а в случае дозировки сернокислого
алюминия части, соприкасающиеся с реагентом, должны выполняться из кислото-
устойчивых материалов.
Автоматичность дозирования подтверждается следующим. Пусть расстояние
от уровня воды в водяной камере до плоскости шайбы есть Н, а расстояние от
уровня в реагентной камере до выливного отверстия сифона — Ни причем
// -И -
Й~вр~’ ибо при повороте вала, на котором сидят оба блока диаметром О
и 2?! на п оборотов, путь пройденный поплавком, равен птг!), а концом
сифонной
ГЛ НО
трубки —птс!?!, следовательно, = —
Расход воды
(2 = }ю> /2^/7;
расход реагента
<7= ,
или
Р _ 1 /27 _ о> /~ О
д V сох у О1г
Фиг. 444
т. е. с увеличением количества по-
даваемой воды пропорционально
увеличивается и количество пода-
ваемого реагента.
При необходимости изменить
дозировку производится смена си-
фонных трубок или изменение кре-
пости раствора; в равной мере мо-
жет быть изменена величина струи,
идущая с распределителя в дозатор.
К числу подобных устройств отно-
сится дозатор германской фирмы Си-
менс и Гальске для раствора извести,
соды и коагулянта, автоматически до-
зирующий раствор в зависимости от
количества воды, проходящей по ос-
новному трубопроводу. В последний
включена труба Вентури, а с нею свя-
зан дозатор.
На схеме фиг. 442 показана ра-
бота прибора как дозатора, а на схеме
фиг. 443 —как распределителя воды.
Последняя схема применяется при не-
возможности пропуска дозируемых растворов через дозатор (например известкового мо-
лока), по этой схеме ответвляется определенная часть воды, поступающей далее в соот-
ветствующее устройство.
Разность давлений в широкой и суженной части трубы Вентури, изменяющаяся при
изменении количества воды, проходящей по основному трубопроводу, используется здесь
для подъема или опускания мембраны и связанного с ней регулирующего поршенька
(фиг. 444), закрывающего или открывающего в той или иной степени проходное сечение
для раствора (по одной схеме) или для ответвляющегося количества воды (по другой
схеме). Распределительный кран Е служит для регулирования дозатора в определенных
пределах его работы.
§11. Некоторые особенности установки фильтров
Конструкции фильтров на станции умягчения известково-содовым методом
имеют большое значение, так как по современным воззрениям фильтры служат
не только для задержки мельчайших частиц взвеси, но также способствуют окон-
чанию реакции вследствие имеющегося здесь контактного действия, обусловлен-
ного фильтрующей средой.
Фильтры из древесной шерсти работают менее удовлетворительно, а горячая
вода выщелачивает переходящие в нее органические вещества. В этом смысле дре-
весную шерсть иногда рекомендуют предварительно в течение нескольких часов
обработать (выварить) 3 — 5%-ным раствором едкого натра или соды. Приме-
нение таких фильтров при умягчении воды с подогревом не рекомендуется.
В последнее время на станциях умягчения воды чаще проектируют кварцевые
открытые или напорные фильтры.
На фиг. 445 представлена схема технологического процесс а станции умягче-
ния по известково-содовому методу с коагуляцией. Данная схема усложнена
вследствие необходимости предварительного коагулирования воды. Последнее
предусмотрено с использованием напорных шайбовых дозаторов, причем про-
цессы коагулирования происходят в напорном кварцевом фильтре (слева). Такой
же напорный кварцевый фильтр (справа) предусмотрен для осветления умягчен-
ной воды.
§ 12. Умягчение воды известково-содовым способом с избытком извести
и карбонизацией
Способ этот пригоден в случае обработки воды для питьевых и производствен-
ных нужд.
Обычно процесс умягчения воды известью полностью не заканчивается. Ре-
акции не идут до теоретического предела; помимо осаждающихся СаСО3 и М§(ОН)2
часть последних находится в коллоидальном состоянии; в результате реакции
получается ряд растворимых основных магниевых солей.
При неполном умягчении воды известково-содовым способом, даже при ее
фильтрации через кварцевые фильтры, в котлах, трубах, водомерах, в системах
горячего водоснабжения появляются осадки и инкрустации вследствие явлений
доумягчения.
Опыт работы в США показал, что фильтрация воды, умягченной известью,
в некоторых случаях плохо влияет на кварцевые фильтры; нормальные карбонаты
кристаллизуются на поверхности зерен песка, покрывая их крепко связанной
пленкой, вызывая увеличение размера зерен, цементацию их и образование твер-
дых комьев, не пропускающих воду; эти твердые комья несколько раз в теченье
года приходилось перебирать лопатами и разбивать. Аналогичное явление от-
мечалось и в некоторых исследованиях в СССР.
К числу дополнительных процессов обработки воды известково-содовым
способом помимо нагревания воды до температуры 75 — 85° и применения коагу-
ляции относится обработка воды избытком извести, в результате чего карбонат-
ная жесткость может быть уменьшена до пределов растворимости СаСО3 (примерно
до 17 мг/л или 0,95°) и М§(ОН)2.
При добавлении извести к воде в достаточном избытке (от 25 до 40 мг!л) она
не только вступает в соединение со свободной равновесной и полусвязанной угле-
кислотой и обращает бикарбонаты в нормальные карбонаты, но практически вы-
зывает осаждение почти всех солей магния. После осаждения взвеси вода карбони-
зируется, т. е. продувается углекислотой для ликвидации оставшегося избытка
извести до величины едкой щелочности, равной нулю:
Са;ОН)2 4- СО2 = СаСО3 + Н2О.
Далее идут осаждение и фильтрация СаСО3, образующегося после продува-
ния воды углекислотой.
В иных случаях перед фильтрацией имеют место вторичная карбонизация
с прибавлением к воде осадка или другого инертного, тонко измельченного веще-
ства и далее отстаивание и фильтрация для получения воды, не содержащей
остатков извести, не содержащей остатков СаСО3 и не содержащей избытка СО2:
СаСО3 + Н2О + СО2 = Са (НСО3)2.
Фиг. 446
Водосток
Фиг. 446а
7—смеситель; 2—лоток; 3—распределительный колодец; 4—отстойники; 5—лоток к камере
карбонизации; б—камера карбонизации; 7—баки для приготовления извести; 8—баки для
приготовления соды; 9 — баки для коагулянта; 10, 11 и 12 — насосы для реагентов
и осадка; 13—иасос для промывки фильтра; 74—лоток; 75—фильтры; 16—завод углекис-
лоты; 77—склад; 7<5, 20—трубопроводы; 19—рельсовый путь, 27—колодец
Процесс приводит к стабилизации воды в отличие от неустойчивой воды (вы-
деляющей соли) после обычного известково-содового метода обработки. Как это сле-
дует из приведенных реакций, углекислота может быть введена в дозах, достаточ-
ных только для нейтрализации избытка извести и образования выпадающего
в осадок СаСО3, или в больших дозах для превращения оставшихся нормальных
карбонатов в бикарбонаты, т. е. для получения воды, не содержащей остатков
СаСО3. По имеющимся данным1, вторичным осадок СаСО3 после введения углекис-
лоты, задерживаясь на фильтрах, легко вымывается, не причиняя здесь затрудне-
ний подобно нормальным карбонатам.
Углекислота в процессе карбонизации вводится лишь в необходимых дозах,
так, обработанная вода не должна содержать растворенной или свободной угле-
кислоты и обладать способностью разъедания. В этом смысле к воде, поступающей
на фильтры (в последней стадии обра-
ботки), предъявляется требование —
отсутствие свободной СО2.
Благодаря введению избыточной
извести и всему процессу в целом
почти полностью удаляются соли маг-
ния и железа, удается частично уда-
лить и гуминовые соединения, умень-
шается остаточная жесткость, а также
уменьшается возможность дальней-
шего доумягчения.
В результате продувки воды
углекислым газом она приобретает
обычный естественный вкус воды той
же жесткости в отличие от умягчен-
ной известью, отличающейся по вкусу
от питьевой. Число бактер,ий в воде,
обработанной с избытком извести,
также уменьшается; здесь использу-
ются дезинфицирующие свойства из-
вести, что позволяет в дальнейшем
уменьшить расход хлора (при обра-
ботке воды для питьевых целей).
Схема движения воды по соору-
жениям и схема умягчительной стан-
ции для обработки воды для хозяй-
ственно-питьевых целей производи-
тельностью 10 000 — 15 000 ма в сутки показаны на фиг. 446 и 446а.
Вода подается в жолоб-смеситель; сюда же подаются известковое молоко и рас-
творы соды и сернокислого алюминия. Из смесителя вода с реагентами поступает
в камеру реакции, отстойники и далее в камеру карбонизации. Из последней вода
поступает на фильтры, а после фильтрации хлорируется. В случаях, когда общая
жесткость сырой воды снижается до небольших величин (во время половодья),
умягчение воды и карбонизация могут
Фиг. 448
ситель) вводится небольшое количество
быть на определенный период пре-
кращены.
Дозы коагулянта в это время
увеличиваются против обычных ма-
лых доз (5 — 10 мг[л}, вводимых
лишь для полноты выпадения осад-
ков, образующихся при умягчении.
В целях быстрейшего образова-
ния частиц СаСО3, выпадающих в
осадок, в отстойники (точнее в сме-
ранее выпавшего свежего осадка. По-
дача осадка осуществляется специальным насосом из колодца, куда этот оса-
док попадает из одного отстойника.
Камера карбонизации проектируется для пребывания в ней воды в течение
20 — 25 мин. (по некоторым американским данным это время может быть снижено).
Задавшись высотой Н (3 — 3,5 м), определяют площадь, а далее намечают
1 3 о{ А. XV. XV. А., ноябрь, 1928.
26 Водоснабжение
длину I и ширину & камеры. Последняя (фиг. 447) представляет собой железобетон-
ный резервуар, состоящий из двух отделений, последовательно проходимых дви-
жущейся водой. В приведенной схеме газ поступает по латунному трубопроводу
диаметром 38 мм в одно отделение. Здесь трубопровод разветвляется (фиг. 448)
на ряд труб, расположенных у дна. Число ответвлений 25; диаметр
ответвлений 19 мм. Длина ответвления при ширине одного отделения камеры
около 2,5 м принята равной 1,75 м. Число отверстий на каждом ответвлении 15;
расстояние между отверстиями 0,12 м; диаметр отверстия 2 мм. Второе отделение
камеры, рассчитанное на 10—12-минутное пребывание здесь воды, служит для за-
вершения реакции. Здесь может выпасть и некоторое количество осадка, поэтому
дно запроектировано с уклоном, а осадок может отводиться по специальному тру-
бопроводу.
Вертикальная перегородка, не доходящая до низа, заставляет воду, посту-
пающую в камеру, проходить в нижней ее части и насыщаться здесь углекисло-
той; выпуск воды — в верхней части камеры.
Камера может быть выключена при помощи шиберов, тогда вода идет непо-
средственно на фильтры. Показанная на схеме камера запроектирована в здании.
В схемах, предусматривающих двойное насыщение углекислотой, камера карбо-
низации делится на две одинаковые, но самостоятельные камеры.
В первую камеру вода направляется после первого отстойника, а после вто-
ричного отстаивания поступает во вторую камеру и далее идет на фильтры. Оса-
док добавляется из вторичного отстойника. В ряде случаев вместо латунных трубо-
проводов с отверстиями в них применяются укладываемые на дно специальные
дырчатые плиты-фильтросы.
Количество углекислого газа, потребное для превращения избытка извести,
принимаемого равным примерно 25 мг[л, в СаСО3 и далее окончательно в раство-
римый бикарбонат, равно 39,2 мг)л.
Действительно, для перевода одной молекулы СаО в Са(НСО3)а необходимы
две молекулы СОа; молекулярный вес СаО — 56, молекулярный вес СОа — 44.
Таким образом, имеем соотношения:
СаО —2СОа,
56-2-44,
25 —х,
отсюда
25-2-44 .
х = —— = 39,2 мг л.
56
В зависимости от производительности станции определяются часовой и суточ-
ный расходы углекислоты. Для приведенной станции при производительности ее
около 10 000 м3 в сутки расход углекислоты составит около 400 кг в сутки.
Углекислота, применяемая на станции умягчения воды, представляет бесцвет-
ный газ, хорошо растворимый в воде; при 0° и давлении 38,5 ат СОа превращается
в жидкое состояние, а при температуре выше 31° может существовать только в га-
зообразном состоянии. Испаряясь в воздухе, жидкая СОа сильно охлаждается
и часть ее может застывать в рыхлую массу.
Углекислота, применяемая на станциях умягчения воды, должна быть сво-
бодной от примесей На8, 8Оа.
1 м5 СОа при нормальных условиях весит 1,97 кг; обычно углекислота полу-
чается с заводов в баллонах по 20 кг в каждом баллоне; это требует большого коли-
чества баллонов даже для относительно небольшой станции. Например, на описан-
ной станции будет расходоваться 20 баллонов СОа в сутки, что при запасе на
одну шестидневку с учетом баллонов для обмена с заводом составит 240 баллонов.
Это обстоятельство, а вместе с тем и относительно высокая стоимость СОа (около
400 руб. за 1т)и баллонов (около 50 руб. 'за баллон) побуждают крупные умягчи-
тельные станции иметь специальные цехи-заводы по выработке углекислоты, что,
естественно, несколько усложняет эксплуатацию. Сырьем для получения газо-
образной СОа могут служить дымовые газы топок (топливо может сжигаться и спе-
циально для получения СО2), газы генераторной установки, известково-обжига-
тельных печей, газы, получаемые на ряде производств и заводов, и пр. Необходи-
мое оборудование изготовляется Машхимтрестом. Стоимость 1 кг углекислоты
в этом случае может снизиться в несколько раз.
По данным проф. Козырева, 1 кг газообразной СО2, полученный в одном слу-
чае, обошелся около 8 коп.
§ 13. Безотстойное умягчение
Выше уже указывалось о сокращении времени пребывания воды в отстойни-
ках и о значении контактного действия фильтров при известково-содовом умяг-
чении.
В институте Водгео инж. Казаковым проводилась работа по безотстойному
умягчению воды известково-содовым методом. Сущность этого способа заключается
в том, что вода после прибавления к ней реагентов — извести и соды — направ-
ляется не в отстойник, а непосредственно на кварцевый напорный фильтр, где
и осуществляется процесс умягчения. Фильтр принят напорным мешалочным для
улучшения его промывки.
В результате проведенных опытов с водой опеределенной жесткости удалось
достигнуть умягчения воды в значительной мере за счет удаления временной
жесткости. Метод безотстойного умягчения при его окончательном решении
представит большой практический интерес.
§14. Элементы автоматизации и дистанционного управления на станциях
умягчения
Элементы автоматизации, диспетчеризации и дистанционного управления на
станциях умягчения воды на жел.-дор. транспорте еще не нашли применения.
Однако внедрение на отдельных аналогичных станциях в промышленности кон-
Фиг. 449
7, 2, 3, 4, 5, б—передатчики; а, Ь, 4, е, /, К, к—регистрирующие и суммирующие приборы
трольно-измерительной аппаратуры, дистанционных указателей и т. д. позволило
упростить обслуживание, сделало более надежной эксплуатацию установок, спо-
собствовало сокращению обслуживающего персонала и т. д. Наравне с улучше-
нием конструкций основных элементов умягчительных станций на жел.-дор.
транспорте необходимо также стремиться к внедрению элементов автоматизации
и дистанционного управления.
На схеме фиг. 449 предусмотрена автоматическая работа одной из умягчитель-
ных установок по обработке воды известью и сернокислым глиноземом с дальней-
шей фильтрацией на скорых фильтрах. Станция представляет интерес лишь сточки
зрения автоматизации. Количество воды, поступающей на обработку, контроли-
руется трубой Вентури.
Небольшой насос перед трубой Вентури перекачивает воду во вспомогатель-
ный бачок с определенным уровнем, откуда она поступает в сатуратор.
Труба, отводящая насыщенный раствор извести, связана с трубой Вентури.
На трубе, подводящей воду к сатуратору, имеется регулятор (он связан с шай-
бой Вентури), регулирующий количество воды, идущей на сатуратор, в зависи-
мости от количества воды, идущей по основному трубопроводу на отстойник. Здесь
установлена диафрагма (шайба) с непосредственной передачей показаний при
помощи электрического передатчика на регистрирующий и суммирующий аппа-
раты, установленные на щите в комнате дежурного инженера. Такой же регуля-
тор, диафрагма и приборы контролируют и автоматически изменяют дозы серно-
кислого глинозема, предварительно подаваемого насосом (в растворе определен-
ной концентрации) в три вспомогательных бачка и далее идущего к трубе Вен-
тури. Регулятор на трубе, ведущей раствор коагулянта, связан с трубой Вентури;
в зависимости от изменения подачи регулятор закрывает или открывает в большей
или меньшей мере сечение трубы, ведущей раствор, а диафрагма служит для пере-
дачи показаний регистрирующим и суммирующим приборам на щите.
Таким образом осуществляются автоматическое регулирование и контроль.
Посредством электрических передатчиков к приборам на щит и к пульту управле-
ния передается величина потери напора на фильтрах.
Сюда же передаются показания скорости фильтрации и производительности
фильтров, причем для последних показаний используются труба Вентури и регу-
лятор за каждым фильтром. Предельная скорость фильтрации и наивысшая до-
пустимая потеря напора в фильтре контролируются еще специальными сигналь-
ными лампами. На пульте управления показывается также давление в промывном
трубопроводе и установлены краны для открытия и закрытия трубопроводов сы-
рой, чистой, промывной воды, первого фильтрата и грязной воды.
Здесь же предусмотрено устройство, не позволяющее воде на фильтрах спу-
скаться ниже определенного уровня, автоматически закрывающее регуляторы
при соответствующем падении уровня и самостоятельно открывающее регуляторы
как только уровень воды на фильтрах достигнет нормального положения.
Пульт предусматривается на каждые два фильтра, на нем кроме указанного
имеются сигнальные лампы для указания положения задвижек и пр.
ГЛАВА III
ПЕРМУТИТОВЫЙ (ЦЕОЛИТОВЫЙ) СПОСОБ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ
§ 15. Общие сведения и схемы реакций
Способ этот основан на катионном обмене, на способности пермутитов (цеоли-
тов) вступать в реакцию обменного разложения; при этом пермутит обменивает
свой натрий на растворенные катионы кальция и магния, обусловливающие
жесткость воды.
Пермутитом называют всякий материал, используемый для обменной реакции
(т. е., называя некоторые материалы пермутитами, имеют в виду характеристику
их свойств по обмену ионов), далее силикатные пермутиты называют цеолитами
и делят их на искусственные и естественные (глаукониты).
Цеолиты — сложные алюмосиликаты; искусственный цеолит приготовляется
из сернокислого глинозема и растворимого стекла или иным способом.
Умягчение воды происходит при фильтрации ее через слой пермутита, по-
этому способ этот назван способом обменной фильтрации. Проходя пермутиты,
ионы кальция и магния вступают с ними в соединения и при этом заменяются
в воде эквивалентным количеством катионов натрия.
Обозначая, например, кроме натрия сложный алюмосиликатовый комплекс
цеолита через Хе, представляем реакции умягчения в следующем виде:
ХеЫа2 4- Са (НСО3)2 ХеСа 4- 2 №НСО3............(двууглекислый натрий)
ХеКа2 4-М§(НСО3)2 ХеМд4- 2 №НСО3...............(двууглекислый натрий)
Хе№2-]-Са8О47^21ХеСа4- №28О4...............(сернойислый натрий)
ХеЫа2 4- М§804-^±1 ХеМ§4- №28О4............(сернокислый натрий)
Хе№2 4- СаС12 ^^ХеСа 4- 2 №С1..............(хлористый натрий)
Хе№2 4-М§С12-^г!1ХеМ§ 4-2№С1...............(хлористый натрий)
Реакции обратимы, т. е. могут протекать и в одном (умягчение) и в другом
(регенерация) направлениях.
Как это видно из реакций, при умягчении воды цеолитами бикарбонаты, суль-
фаты, хлориды остаются в умягченной воде, с тем лишь различием, что ионы каль-
ция и магния заменяются в них ионами натрия.
Натровые соли обладают высокой растворимостью, а потому при этом способе
в отличие от других химических методов умягчения, образование осадков не про-
исходит.
Умягчаемая вода, проходя через слой пермутита (цеолита), вначале умяг-
чается до нуля, но по истечении определенного времени обменная способность
пермутита ослабевает, и вода из фильтра, загруженного последним, выходит с не-
которым содержанием солей жесткости. Восстановление обменной или умягчаю-
щей способности — регенерация — основано на обратимости процессов. Через пер-
мути! (цеолит) пропускается в избытке крепкий раствор поваренной соли с боль-
шим содержанием катионов натрия.
Реакция имеет вид:
ХеСа 4" 2 ^аС1 -> ХеЫа2 4- СаС)2^
ХеМ§ 4- 2 №С1 -> Хе№а 4- МдС12.
В результате регенерации цеолит получается в первоначальной форме натро-
вого соединения, обладающего той же умягчающей способностью, а выделившиеся
при регенерации соли жесткости переходят в раствор в виде хлоридов и с промыв-
ной водой без образования осадков спускаются в сток.
Процесс регенерации заканчивается освобождением цеолита от избытков по-
варенной соли и хлористых солей Са и Мд. Период работы пермутитового (цеоли-
тового) фильтра от регенерации до регенерации зависит от состава умягчаемой
воды, количества пермутита (цеолита) и его обменной способности или емкости
поглощения. Жесткость умягченной воды колеблется в пределах 0,05—0,1 нем. гр.
Обменная способность пермутитов зависит от со-
става и пористости их. Искусственные цеолиты имеют вследствие значи-
тельной пористости большую внутреннюю поверхность. Естественные цеолиты
(глаукониты) непористы, и реакция обмена идет лишь с внешней поверхности,
поэтому их обменная способность значительно меньше. Обменная способ-
ность в процентах есть вес солей жесткости, услов-
но пересчитанных на СаО, поглощенных 100 весо-
выми частями цеолита (до полного его насыщения). Обменная
способность равна:
Вес СаО, удаленной из воды 0.
Вес цеолита '°’
Обменная способность глауконитовых песков равна около 0,3% и в отдельных
случаях — 0,35%, а искусственных цеолитов в среднем около 2% и несколько
выше.
Емкость поглощения есть количество солей жесткости в тонно-градусах,
поглощаемое 1л<3 пермутита (цеолит а) при умягчении
примерно до 0,1 нем. гр.
Емкость поглощения егорьевских глауконитовых песков—около 450 тонно-
градусов на 1 м3, т. е. один кубометр этих песков (соответственно обработанных)
за период от регенерации до регенерации умягчает, например, 10 м3 воды жестко-
стью 45° или 45 м3 жесткостью 10° и т. д.
Так как именно емкость поглощения определяет размеры фильтра, то она
и принимается при расчетах последних.
§ 16. Материал для пермутитового (цеолитового) умягчения
Пермутит (цеолит), используемый для умягчения воды:
а) должен обладать достаточной механической прочностью, не измельчаться,
не разрушаться растворенной в воде углекислотой;
б) не должен обогащать умягчаемую воду кремнекислотой или другими про-
дуктами распада, не должен растворяться в воде;
в) должен обладать достаточно большой емкостью поглощения и умягчать
воду практически до 0°;
г) время реакции обмена должно быть возможно малым или скорость филь-
трации должна допускаться достаточно большой;
д) время регенерации, расход соли и расход воды на отмывку должны быть
возможно меньшими.
Глауконитовые пески в известной мере удовлетворяют вышеизложенным
требованиям. Они встречаются в природе в виде зерен крупностью 0,2 — 0,7 мм
от голубовато-зеленого до темнозеленого цвета, зависящего от их химического
состава, вообще непостоянного (встречаются и более мелкие зерна, — они отсеи-
ваются и отмываются).
Из большого количества месторождений в СССР известны разрабатываемые
Егорьевские, Вятские и Саратовские месторождения. Глаукониты сопутствуют
здесь фосфоритам. Для умягчения употребляется обогащенный глауконит, осво-
божденный путем магнитной сепарации от кварца и других пород (глаукониты
обладают свойством притягиваться магнитом) и для увеличения механической
прочности обработанный термически. В результате такой обработки предупреж-
дается и уменьшается возможность пептизации.
Наличие мелких зерен, меньших 0,2 мм, допускается не более 5%. Насыпной
вес I м3 примерно от 1,4 до 1,5 т. Емкость поглощения не ниже 420 — 450 и до
500 тонно-градусов. Означенная емкость поглощения принимается при рН=7
и температуре умягчаемой воды в пределах до 40°. При более высоких температу-
рах может быть переход в воду кремневой кислоты 8Ю2 (при этом проявляется
способность глауконита к пептизации).
Расчетная емкость поглощения глауконита должна приниматься в зависимо-
сти от характера предварительной очистки и присутствия бикарбонатов. Она
обычно принимается не выше и даже несколько ниже 450 тонно-градусов. В неко-
торых исследованиях рекомендуется для лучшего использования обменной способ-
ности глауконита поддерживать в предварительно обработанной воде гидратную
щелочность в 0,3 — 0,7 нем. гр.
Глауконитовые пески — почти единственный цеолит, достаточно широко
применяемый в СССР.
Среди пермутитов следует отметить пермутит ВИМС (Всесоюзный институт
минерального сырья), волконскоит и др.; последний — минерал естественного
происхождения, обладающий высокой обменной способностью, не обогащающий
воду кремнекислотой, не требующий длительного времени на регенерацию и т. д.
Основные технические данные, относящиеся к глаукониту, пермутиту ВИМС
и волконскоиту, приведены в табл. 5.
Емкость поглощения пермутита ВИМС резко снижается при увеличении ско-
ростей фильтрации.
Искусственные пермутиты пористые, имеют большую обменную способность,
но реакция здесь протекает медленней, и скорость фильтрации поэтому не может
быть принята столь большой, как для глауконитов (до 15 м/ч и выше). Механиче-
ская их прочность меньшая, чем у глауконитовых зерен, они легче разрушаются
при высоких температурах и т. д.
Таблица 5
Пермутиты Основные технические данные Глауконит Пермутит ВИМС БОЛКОН- СКОЙ!
Насыпной вес в т/м3 ............. 1,4—1,5 0,65 1,1
Крупность зерен в мм 0,2-0,7 0,3—1,0 0,5-1,5
Емкость поглощения 1 м3 в т-град 450 1 140 1 100
Расход соли на регенерацию в град./т-град. . Максимально допустимая температура в °Ц . . 70 100 —
40—45 20 —
§ 17. Схемы умягчения воды цеолитами
В зависимости от наличия в воде той или иной жесткости, взвешенных ве-
ществ, органических примесей и т. д. применяется та или иная схема умягчения
цеолитами.
Среди ряда схем умягчения цеолитами встречаются следующие:
1. Непосредственная фильтрация через глаукониты без предварительной
и последующей обработки воды. Схема фиг. 450 наиболее простая; она применяется
в отдельных случаях при отсутствии в воде механических примесей, взвешенных
и коллоидальных веществ, при весьма незначительном содержании органических
соединений и кремнекислоты, а главное при наличии в воде временной жесткости
примерно не выше 5 нем. гр., и при условии применения продувок котла.
2. Коагуляция, фильтрация через кварцевый фильтр, фильтрация через цео-
литовый фильтр. Схема фиг. 451 применяется при наличии в воде органических,
взвешенных и коллоидальных веществ, при небольшой временной жесткости и при
небольшом количестве 8Ю2 или при повышенной временной жесткости и повы-
шенном содержании 810а, но при добавке небольшого количества умягчаемой воды
к питательной воде, в результате чего питательная вода (смесь) сможет соответ-
ствовать предъявляемым к ней требованиям. Схемы отличаются наличием или от-
сутствием отстойника, открытых или напорных фильтров, специального смеси-
теля и пр. Следует иметь в виду, что присутствие в воде органических веществ ве-
дет к уменьшению использования обменной способности глауконита.
3. Комбинированное умягчение, т. е. коагуляция, известкование, фильтра-
ция через кварцевый фильтр, фильтрация через цеолитовый фильтр. Схемы
фиг. 452 применяются в случаях загрязнения воды органическими веществами,
при большой временной жесткости, значительном содержании 8Ю2 и большом
плотном остатке. Схемы могут отличаться наличием или отсутствием сатураторов,
наличием открытого или напорного кварцевого фильтра и т. д.
Фиг. 451
Фиг. 452
Предварительное осаждение известью солей временной жесткости имеет
громадное значение, так как щелочность умягченной на глауконитах воды
возрастает с увеличением карбонатной жесткости неумягченной воды, т. е.
такая предварительная обработка воды известью устраняет повышенную
щелочность воды, идущей для питания котла.
Действительно, обменная реакция при наличии карбонатной жесткости имеет
вид:
2еНа2 + Са (НСО3)2 = ХеСа + 2 №НСО3;
2 НаНСО3 распадается в котле с образованием №ОН— едкого натра
и С02— углекислого газа:
2 ИаНСО3 = №3СО3 + НаО + СО2;
Ма2СО3 + Н2О =2 №ОН + СОа.
Образование углекислоты нежелательно в отношении коррозии; значитель-
ные количества щелочи требуют частых продувок, и следовательно, значительного
расхода воды на эти продувки или других мер. В этом смысле значение предвари-
тельного осаждения известью карбонатной жесткости примерно до 3° следует
особо подчеркнуть.
Фильтрация через гравий, кварцевый песок и особенно через мраморную
крошку, являющуюся кристаллическим карбонатом кальция, является стимулом
для осаждения СаСО3, по существу идущего на фильтры в пересыщенном растворе,
и снижает остаточную жесткость воды, умягченной известкованием. Степень сни-
жения остаточной жесткости зависит от температуры воды и скорости фильтра-
Фиг. 453
ции, причем мраморная крошка действует в этом смысле в — 2 раза активнее,
чем кварцевый песок. В отдельных случаях схема может несколько отличаться от
приведенной.
На фиг. 453 представлена схема станции умягчения производительностью
50 м3/ч на одной из ГРЭС. Здесь комбинированный известково-цеолитовый метод
отличается установкой двух последовательно работающих отстойников, из ко-
торых первый является резервуаром для реакции — удаление временной жестко-
сти и солей магния, коагуляция органических веществ, находящихся в коллои-
дальном состоянии, и второй — резервуаром для окончания указанных процессов
и осаждения; вместо обычных кварцевых фильтров здесь установлены фильтры
с мраморной крошкой. При фильтрации воды через мраморную крошку на фильтре
не только задерживаются остатки СаСО3, Мд(ОН)2 и коллоидальной гидроокиси
алюминия, но происходит снижение общей щелочности и жесткости воды примерно
на 1°.
Повидимому, такое доумягчение воды может быть результатом довыпадения
здесь из воды карбоната кальция, находившегося в пересыщенном растворе (рас-
творимость СаСО3 весьма мала) при контакте между этим раствором (умягчаемая
вода) и частицами мрамора, представляющими собой тот же карбонат кальция
и играющими роль дополнительных центров кристаллизации.
Уменьшение на Г жесткости воды, идущей далее на цеолитовый фильтр, ве-
дет к некоторому увеличению межрегенерационного периода.
Известкование целесообразно применять также при наличии в воде значи-
тельного количества агрессивной углекислоты.
4. Известкование, фильтрация через кварцевые фильтры, фильтрация через
глауконитовые фильтры, т. е. по существу та же схема, но без коагуляции, приме-
няется при наличии в воде незначительного количества органических веществ
и взвеси при большой временной жесткости.
Указанные схемы не исчерпывают всех случаев обработки воды. При боль-
шой карбонатной и некарбонатной жесткости могут быть применены умягчение
известково-содовым методом и доумягчение на глауконитовых фильтрах. На
фиг. 454 представлена принципиальная схема такого комбинированного метода
умягчения. В отдельных случаях в схемы могут быть включены последующая ней-
трализация (прибавление серной кислоты), деаэрация и т. д. Имеется схема
фильтрации воды через глаукониты с последующим подкислением серной кисло-
той, а также схемы коагуляции, фильтрации через кварцевый фильтр, фильтра-
ции через глауконитовый фильтр и последующего подкисления воды. Последнее
служит для перевода НаНСО3 — двууглекислого натрия (распадающегося в котле
с образованием едкого натра и потому нежелательного в воде) в На28О4.
2 НаНСО3 + Н28О4 = №28О4 + 2 Н2О -ф- 2СО2.
Фиг. 454
Количество солей в питательной воде при этом большее, чем при предвари-
тельном известковании; наличие №28О4 потребует продувок котла.
Схемы могут предусматривать повторное использование поваренной соли для
регенерации или не предусматривать такового (применяется редко) и т. д.
На выбор схемы обработки воды помимо качества воды (с учетом паводкового
периода, периодов с максимальной жесткостью и т. д.) и требований, предъявляе-
мых к умягченной воде, влияют еще и такие факторы, как степень добавления умяг-
ченной воды к конденсату, продувка, т. е. выпуск части котловой воды по мере обо-
гащения ее солями (или шламом), и ряд дополнительных факторов, освещаемых
ниже.
Оценивая схемы обработки воды, следует указать, что умягчение по методу
обменной фильтрации пригодно для вод с сильно колеблющейся жесткостью, для
вод с малой карбонатной жесткостью и для вод с сульфатной жесткостью (до опре-
деленного предела).
Метод этот пригоден также и для вод с большой карбонатной жесткостью, но
лишь при условии предварительной обработки воды известью перед глауконито-
выми фильтрами (или с последующей обработкой умягченной воды). При отсут-
ствии предварительной обработки для вод с очень высокой жесткостью расход воды
на собственные нужды станции так возрастает, что в этом случае исключают при-
менение глауконитов.
Максимальная температура воды, при которой могут применяться глаукони-
товые фильтры, не должна превышать 40°, так как, например, при температуре 60—
70° вследствие пептизации (распада) глауконита умягчаемая вода обогащается
кремневой кислотой 8Ю2.
Максимальное содержание свободной СО2 в воде не должно превышать
50 мг/л, так как это в свою очередь приводит к разрушению зерен глауконита.
Большое количество естественных вод, используемых на жел.-дор. транспорте,
имеет карбонатную жесткость выше 5 — 8°, поэтому применение метода обменной
фильтрации на жел.-дор. транспорте должно иметь достаточно широкое распро-
странение лишь с предварительным известкованием воды, так как подкисление
здесь вряд ли может быть рекомендовано (оно приводит к увеличению общего ко-
личества растворенных веществ, требует исключительно квалифицированного
персонала), ибо самый незначительный избыток кислоты будет разрушать
котел.
Таким образом, умягчение методом обменной фильтрации на жел.-дор. транс-
порте сведется в большинстве случаев к схеме: известкование (с коагуляцией или
без коагуляции), фильтрация на кварцевых фильтрах, глауконитовые фильтры.
Такая комбинированная обработка воды предупредит перевод солей временной
жесткости в №НСО3, распадающийся в котле с образованием едкого натра, пре-
дупредит действие углекислоты и нежелательные явления, являющиеся результа-
том повышенной щелочности котловой воды, как то: разъедание медных и латун-
ных частей в котле, перерождение металла (щелочную хрупкость), бросание воды
и т. д.
К преимуществам известково-содового метода следует отнести:
а) применимость этого способа для вод любой жесткости и любого химиче-
ского состава (и особенно для вод высокой жесткости);
б) удаление при этом способе карбонатной жесткости без образования вместо
нее растворимых солей и удаление свободной углекислоты;
в) снижение солевой массы воды.
К недостаткам следует отнести:
а) необходимость более квалифицированного надзора во избежание недо-
статка или избытка реактивов в умягченной воде;
б) некоторые затруднения при обработке воды с резко колеблющейся жестко-
стью, связанные с необходимостью быстрого изменения соотношения количества
извести и соды, вводимых в воду;
в) высокую остаточную жесткость;
г) трудность (в целом ряде случаев) удаления значительного количества
шлама;
д) требуется дефицитная сода.
Комбинированный известково-цеолитовый способ имеет все же следующие
недостатки:
а) возможное разрушение фильтрующего материала (глауконита) с перехо-
дом в умягчаемую воду кремнекислоты; обычно разрушение и вынос глауконитов
не должны превышать 2 —3% в год;
б) необходимость полного освобождения воды перед глауконитовым фильтром
от взвеси, коллоидальных веществ и т. д., так как в противном случае зерна гла-
уконитового песка обволакиваются и загрязняются, при этом теряется их обмен-
ная способность;
в) значительный расход поваренной соли;
г) большой расход воды на промывку.
§ 18. Н-пермутитовый метод умягчения воды
Как было указано, применение цеолитового метода в чистом виде на жел.-
дор. транспорте весьма ограничено вследствие значительной щелочности, полу-
чаемой после умягчения воды, тем большей, чем больше карбонатная жесткость
необработанной воды. Предварительная обработка воды известью или комбини-
рованный известково-цеолитовый метод должен на жел.-дор. транспорте найти
широкое применение. Однако этот метод имеет ряд существенных недостатков,
свойственных обработке воды известью (удаление значительного количества шлама
представляет некоторые трудности, а отстойники, кварцевые фильтры, сатураторы
и прочее необходимое при этом оборудование увеличивают стоимость станции
и себестоимость 1 лг3 умягченной воды). Всесоюзный теплотехнический институт
еще несколько лет назад указал на возможность Н-пермутитового метода умяг-
чения, сущность которого отличается от использования обычных пермутитов.
Последние обменивают катион натрия на катионы Са и М§, в то время как Н-пер-
мутит позволяет осуществить процесс обмена катионов водорода на катионы на-
кипеобразователей Са и М§. Реакции обмена имеют следующий вид:
2 Н-Р' + Са-1 (НСО3)2 Са• • Рг + Н2О СО2*
гн-р'+ме- |(нсо3)2 -* м?"Р2 + н2° + со2,-
2 Н-Р' + }С12 -* м§- Р2 + 2Н- |С1';
2 Н-Р' + са--15О4 Са-- Р2 + Н2 |5О4' и т. д.
Из рассмотрения реакций следует, что Н-пермутит при фильтрации через него
воды понижает ее солевой состав, устраняя временную жесткость, а устраняя
постоя иную жесткость, выделяете воду эквивалентные количества кислоты. Таким
образом, чем выше карбонатная жест-
кость, тем меньший минеральный состав
ее после умягчения Н-пермутитом, и чем
выше некарбонатная жесткость и содер-
жание в обрабатываемой воде сульфатов
и хлоридов, тем выше кислотность воды,
умягченной Н-пермутитом. Кислотность
воды может быть устранена подщелачи-
ванием другой частью воды, умягчаемой
параллельно обычным пермутитом.
Перемешивание двух частей общего
объема умягчаемой воды при определен-
ном соотношении этих частей, зависящем
от качества воды, приводит к нейтрали-
зации воды, прошедшей через Н-перму-
тит. Выделяющаяся при этом СО2 в ре-
зультате реакций умягчения и нейтра-
лизации может удаляться в деаэраторе.
Возможна и другая схема (см.
фиг. 454а); вначале вся вода фильтруется
через фильтры с Н-пермутитом, затем
с обычным (натриевым) пермутитом. Ще-
лочность воды при этом получается не
ниже 1 — 1,2 нем. гр.
Первая схема обладает преимуще-
ствами, заключающимися в большем
снижении солевого состава воды, в воз-
можности получения умягченной воды
желаемой щелочности и в отсутствии необходимости фильтровать все количество
воды на обеих группах фильтров.
Регенерация Н-пермутита достигается пропуском через него растворов кис-
лоты (концентрация 0,5% и выше). Указанные схемы, имея две группы фильтров,
потребуют регенерации поваренной солью (одна группа) и кислотой (другая
группа). Одно из основных требований, которое предъявляется к Н-пермутиту,—
не подвергаться интенсивному разрушению при регенерации, чему удовлетворяет
* Анионы обозначаются значком', поставленным у соответствующей химической фор-
мулы вверху справа. Катионы обозначаются точкой, поставленной у соответствующей
химической формулы вверху справа. Количество значков обозначает валентность.
волконскоит (частично испытанный в полупроизводственных условиях). Послед-
ний представляет собой минерал — сложный силикат, найденный в Союзе пока
лишь в весьма ограниченных количествах; он может быть использован после не-
которой обработки. Ведутся работы с целью установления методов изготовления
искусственного синтетического Н-пермутита.
Развитие Н-пермутитового способа обработки воды, зависящее от нахожде-
ния самих Н-пермутитов, представляет значительный интерес и в частности может
представить интерес для применения на жел.-дор. транспорте.
Цеолитовый метод в чистом виде (некомбинированный) приводит, как ука-
зано выше, к обогащению умягчаемой воды щелочами; при большой жесткости
расход воды на собственные нужды чрезвычайно большой. В районах с дефицитной
водой цеолитовый метод вследствие этого в чистом виде оказывается непримени-
мым .
На жел.-дор. транспорте применение цеолитового метода в чистом виде может
быть весьма ограниченным. Для вод с весьма высокой жесткостью применяют ча-
стичное умягчение по известково-содовому методу с последующей обработкой на
цеолитовых фильтрах.
Качество воды для снабжения паровозов отражается на его сохранности и ис-
пользовании, на величине межпромывочного пробега, на расходе топлива и т. д.
Все это заставляет в каждом отдельном случае относиться к выбору схемы умяг-
чения особо строго и внимательно.
§ 19. Глауконитовый (пермутитовый) фильтр
Фильтрация воды через глауконитовый песок происходит (за малым исклю-
чением) в напорных фильтрах, так как при величине зерен глауконитового песка,
коэфициенте однородности, примерно равном 2, и принятых скоростях фильтрации,
доходящих до 15 ж/ч и более, потеря напора в фильтре может достигать значи-
тельных величин (до 15 ж и более). На фиг. 455 показаны кривые сопротивления
глауконитового фильтра при различных
скоростях фильтрации и различных слоях
фиг. 455 Фиг. 456
только дренажа и гравия. Естественно, что при таких сопротивлениях и по-
терях напора открытый фильтр использован быть не может.
На жел.-дор. транспорте в СССР имеется установка безнапорного фильтра на
ст. Ейск.
Изображенный на фиг. 457 напорный фильтр Главэнергопрома состоит из ци-
линдрического корпуса со сферическими днищами, рассчитанного на соответствую-
щее давление (4 ат), дренажной системы с соответствующими поддерживающими
слоями кварца и слоем глауконитового песка, системы трубопроводов, задвижек
и ряда приборов.
Корпус фильтра имеет в верхней части лаз, предназначенный для загрузки
материалов, и в нижней части — люк для первоначальной промывки поддержи-
вающих слоев.
Дренажная система устанавливается в строго горизонтальном положении
и состоит из коллектора с рядом ответвляющихся дренажных труб со штуцерами
и колпачками на них из пластмассы, устойчивой против ИаС1, СаС12, М§С12 и вы-
сокой температуры.
Число колпачков от 20 до 24 на 1 м2 площади фильтра. Нижняя часть фильтра
забетонирована с железнением поверхности; на поверхность бетона выходят лишь
колпачки; сделано это с той целью, чтобы здесь не застаивался раствор соли.
Поддерживающие слои кварца имеют общую высоту 350 мм. Слой —непо-
средственно на дренаже крупностью зерен 10 — 5 мм, высотой 100 мм, слой, рас-
положенный выше, крупностью зерен 5 — 2,5 мм, высотой 100 мм, над ним —
крупностью зерен 2,5 — 1 мм, высотой 75 мм, над ним — крупностью зерен
1 — 0,8 мм, высотой 75 мм.
Отвод воздуха
а,
Суммирующий
счетчик
А.7 * ? Т - А х
ШайбоВв/й
Момер
Отвод
воздуха
Подвод
промв/вной
ШО/
Фиг. 457
Н—от 3,4 до 4,2 м; Ь'—от 1,1 до 1,8 м
к—от 0,35 до 0,75 м; Ь—от 0,4 до 0.75 м
А—от 1,7 до 4,1 м; й,—от 51 до 150 мм
й2—от 27,5 до 76,5 мм
й3 12,5 мм
О равно от 1 до 3 м
Отвод умягчен-
ной вод!»
... , ,, л
^Поплавок
ЛоМодсоля- >
нога раствора
Слои глауконита
Суммирующий -
счетчик
ПоСЫ соляно-
го раствора
Подвпд
Заливка цементом ДросселОнОш клапан^,
Высота слоя глауконита около 1,5 м (возможны некоторые колебания в ту
и другую стороны). С уменьшением высоты слоя глауконита в отдельных случаях
возможно увеличение расхода воды на собственные нужды, с чем следует счи-
таться.
Фильтр оборудован основным трубопроводом, фасонными частями и системой
задвижек, позволяющими осуществить подвод на фильтр воды, подлежащей умяг-
чению, и раствора соли во время регенерации. Трубопровод заканчивается
в фильтре распределительной головкой с отверстиями или воронкой, служащей
для распределения струй воды при впуске в фильтр и предупреждения размыва-
ния верхних слоев песка; тот же трубопровод отводит промывную воду при взрых-
лении песка.
Необходимые переключения выполняются следующими шестью задвижками:
задвижка б со стороны подвода умягчаемой воды;
задвижка 7 со стороны отвода умягченной воды;
задвижка 1 со стороны подвода промывной воды;
задвижка 5 со стороны подвода соленого раствора;
задвижка 2 со стороны отвода промывной воды;
задвижка 4 со стороны спуска воды в сбросной канал при отмывании
солей жесткости.
В нижней части фильтра за задвижкой 2 установлен дроссельный клапан по-
плавкового типа 8, ограничивающий интенсивность промывки (взрыхления)
. _ л/м2 _ «я
в пределах 4 — 5 Такое ограничение необходимо во избежание выноса
глауконитового песка при промывке с большей интенсивностью. Клапан должен
быть отрегулирован перед включением фильтра в работу. Кроме того, фильтр
снабжен трубками для отвода воздуха и контроля уровня воды (послед-
няя присоединена к фильтру выше уровня песка на 100 мм), манометрами,
указывающими давление до и после фильтрации, водомером, диференциаль-
ным манометром для определения количества воды, фильтрующейся в данный
момент, и пробными кранами 3 — 3, установленными на воздушной и кон-
трольной трубках.
На фиг. 458 представлен фильтр с рабочим давлениемб ат; фильтр имеет эл-
липтическое днище.
После загрузки поддерживающих слоев кварца последние промываются,
проверяется их горизонтальное расположение, и фильтр загружается необхо-
димым количеством глауконитового песка. После загрузки фильтра глауконитом
последний промывается из верхнего бака для регенерационных вод струями
чистой воды, направленными снизу вверх с интенсивностью примерно 4~/М-
(открываются задвижка 7 и лаз), при этом удаляются очень мелкий песок —
меньше 0,2 мм, частицы глины и загрязнения.
В отдельных случаях при загрязненности глауконита после ряда предвари-
тельных промывок необходимо верхний слой в 10 — 15 мм удалить вручную. По-
мимо промывки глауконита перед включением фильтра в работу проводится реге-
нерация песка раствором поваренной соли в количестве, несколько превышающем
количество, намеченное для регенерации в эксплуатации.
Вначале после регенерации идет мутная вода (за счет разрушения выветрив-
шихся зерен глауконита), далее — более светлая; фильтр, подготовленный ука-
занным образом, включается в работу.
Работа фильтра. Вся работа глауконитового фильтра, или полный
цикл, состоит из следующих элементов;
а) умягчение воды;
б) взрыхление глауконитового песка (промывка);
в) спуск воды с песка;
г) напуск раствора соли на фильтр;
д) впуск раствора соли внутрь фильтра;
е) отмывка фильтра с перепуском регенерационных вод в бак (для их даль-
нейшего использования);
ж) окончательная отмывка фильтра со сбросом воды.
Перед пуском фильтра в работу на воздухоотводящей трубке открывается
кран 3 вплоть до момента, когда из трубки в сливную воронку после открытия
задвижки 6 пойдет вода, что укажет на полное заполнение фильтра водой и отсут-
ствие в нем воздуха.
Далее работа фильтра представляется в следующем виде:
Умягчение воды. Соответствующие переключения показаны на
фиг. 459. Задвижка 7 постепенно открывается, причем величина этого открытия
регулируется по диференциальному манометру, по которому можно судить
о производительности фильтра в данный момент. Скорость фильтрации должна при-
ниматься в пределах до 15 м/ч (редко выше), при этом для напорного фильтра
диаметром 3 м производительность не превышает 100 — 120 м3/ч.
В расчетах при определении производительности фильтров ориентировочно
можно принимать скорость фильтрации для воды жесткостью до 10° — 15 м/ч,
для воды жесткостью 10 — 20° — 10 м/ч или несколько выше и для воды жестко-
стью выше 20° — 5 м/ч или несколько выше.
В редких случаях для воды жесткостью до 5° скорость фильтрации принимают
до 20 ж/ч, при этом в фильтре имеют место значительные потери напора. Бэль-
шая скорость фильтрации при малой толщине слоя глауконита может при зести
к уменьшению используемой обменной способности глауконита; с увеличением
толщины слоя глауконита влияние скорости фильтрации на использование его
обменной способности уменьшается. Во время работы фильтра производится от-
бор проб поступающей воды и (чаще) умягченной, и определяются щелочность,
общая жесткость, хлориды. К концу периода действия фильтра общая жесткость
определяется через короткие промежутки времени (0,5 часа и меньше). Окончание
периода действия фильтра приурочивают к появлению общей жесткости 0,2°. Во-
обще говоря, в процессе эксплуатации период действия фильтров при незначитель-
ных колебаниях производительности фильтра и жесткости обрабатываемой воды
намечается с достаточной для практических целей точностью заранее.
Пусть I — период работы фильтра между регенерациями в часах;
(? — производительность фильтра в м3/ч;
Ж„ — общая жесткость умягчаемой воды в нем. гр.;
Е—емкость поглощения фильтра в тонно-градусах;
е — емкость поглощения 1 м3 глауконита в тонно-градусах;
—диаметр фильтра в м;
Л — высота слоя глауконита в м.
Тогда имеем:
Е=д-1-Ж0 = е~-11,
откуда
_ тгй2 е • К
Для осторожности принимают
_ 0,95 • тгс12-е-К
МЛ '
Значение I в выполненных уста-
новках колеблется в пределахб—15 час.
Принимать I меньше б — 8 час. не
рекомендуется, так как регенера-
цию желательно производить не боль-
—^ТрубопрокА в рзбтм —** ЗзАбилашшрыта
м—ЗаАвиаии зачла»
Фиг. 459
7 — фильтр (справа); 2 — солерастворитель (слева);
3—бак для промывной воды (вверху)
Обозначения задвижек 7, 2, 3, 4 и т. д. см.
фиг. 458
ше одного раза в смену.
Взрыхление глауконитового песка (промывка). Пере-
ключения задвижек показаны на фиг. 460. Взрыхление песка перед регенерацией,
или промывка фильтра током воды через дренаж снизу вверх в направлении, об-
ратном фильтрации, имеет целью удаление мелкой взвеси и частиц, появляющих-
ся в результате разрушения глауконита, а главное приведение слежавшегося во
Время работы фильтра 6 часах
Фиг. 461
время фильтрации песка в такое состояние, при котором раствор соли легко про-
никал бы к отдельным его зернам. Важно отметить, что .частично благодаря за-
грязнению, а главное потому, что песок слеживается, потеря напора в фильтре
возрастает от начала периода действия к концу этого периода. На фиг. 461 приве-
дена одна из кривых изменений сопротивления в фильтре в зависимости от про-
должительности его работы (исследования Всесоюзного теплотехнического инсти-
тута). Таким образом, промывка фильтра уменьшает сопротивление песка в пе-
риод работы, последующий после регенерации.
27 Водоснабжение
417
Закрыв задвижки б и 7, открывают задвижку 1 и далее медленно задвижку 2.
Интенсивность промывки должна быть в пределах 3,5 — ®на связана в
определенной степени с высотой пространства над песком, так как должен быть
обеспечен определенный подъем песка, но при этом не должно быть выноса послед-
него с фильтра.
Данные табл, б характеризуют режим взрыхления (промывки) фильтров на
некоторых объектах Главэнерго.
Таблица 6
Станции Размер зерен глауко- нита в мм Высота слоя глауко- нита в м Расстоя- ние от поверх- ности глауко- нита до перелива в м Время взрых- ления в мин. Расход воды на взрых- ление в м3 Интен- сивность промыв- ки в Л1М2 сек
Луганская ТЭЦ 0,2—0,8 1,75 1,4 10 20 4,8
Березниковская ТЭЦ .... 0,2—0,6 1,18 0,6 10 17 4
Красно-пресненская ТЭЦ . . 0,2—0,6 1,05 1,2 15 15 4,5
Сталинская ТЭЦ 0,2—0,6 1,20 0,5 10 15 3,3
В табл. 7 указаны примерные интенсивности промывки в зависимости от вы-
соты слоя глауконита и особенно расстояния от его поверхности до перелива (вы-
соты водяной подушки).
В отдельных случаях высоту водя-
Высота слоя Высота водяной Интенсив- ность взрыхления ной подушки рекомендуется принимать равной примерно 75% от высоты слоя
глауконита подушки (промывки) глауконита.
в мм в мм в л/м2 Ограничение интенсивности промыв-
сек ки важно для того, чтобы не было выноса
зерен глауконитового песка (допускает-
600 1 130 4 7 ся лишь соответствующий подъем их)
900 830 4,0 и чтобы не было нарушения поддержи-
1200 530 3,2 вающих слоев. На трубе, сбрасывающей промывную воду, как уже указывалось,
устанавливается регулятор интенсивности промывки, отрегулированный так,
чтобы в воде из сливной трубы не обнаруживалось зерен глауконита.
Установка регулятора на желаемую интенсивность производится заслонкой
или изменением длины стержня поплавка.
Промывка может производиться или от специального насоса или чаще из
расположенных на необходимой высоте баков. Напор воды для промывки около
8 — 10 м. В целях экономии расхода соли для регенерации и расхода воды для
взрыхления (промывки) последнее целесообразно производить водой, уже один
раз использованной при отмывке.
Данные табл. 81 характеризуют эффективность вторичного использования
воды после отмывки песка и указывают на полученную в ряде случаев экономию
соли.
Продолжительность промывки примерно 10 мин. Вода после промывки песка
идет в сток.
Спуск воды с песка. Для того чтобы раствор соли, поступающий
на фильтр для регенерации, не разбавлялся водой, остающейся над фильтром
после промывки, и при этом не ухудшался процесс регенерации, эта вода спу-
скается с фильтра. Задвижки 7и2(фиг.4б2) закрываются, задвижка 4 откры-
вается. При этом открываются краны 3 на воздушной трубке и на трубке, кон-
1 Из инструкции Главэнерго.
Таблица 8
Станции Расход соли в граммах на 1 тонно- град. без повторного использо- вания отмывных вод Расход соли вграммахна тонно-град. при исполь- зовании для взрых- ления отмывных вод Экономия В % Температу- ра воды в °Ц
Луганская ТЭЦ 78 65 16 4-10
Березниковская ТЭЦ — 70 — 35
Красно-пресненская ТЭЦ 75 65 13,4 45
Сталинская ТЭЦ (Москва) .... 75 65 13,4 10
тролирующей уровень воды. Как только из последней перестанет выходить вода,
задвижка 4 закрывается. Над песком остается слой воды около 100 мм и первые
струи раствора соли не будут размы-
вать поверхность песка.
Напуск раствора соли
на фильтр. Кран 3 (фиг. 463) за-
крывается, задвижка 5 открывается.
Через солерастворитель пропускают
воду (открываются задвижки соле-
растворителя' 2 и .3) до вымывания всей
загруженной в него порции соли из
расчета получения 10% концентрации
раствора. Водомер перед солераствори-
телем позволяет пропустить через него
необходимое количество воды; так, на-
пример, при количестве соли, загружен-
ной в солерастворитель, равном 150 кг,
количество воды, потребное для получения 10% раствора, равно примерно
1,5 м\ Операция эта обычно длится 5 — 10 мин.
Впуск раствора соли внутрь фильтра. Задвижка 5
(фиг. 464) закрывается, задвижка 4 открывается. При этом, так же как и в случае
спуска воды с песка, открываются краны 3. Раствор пропускается внутрь
фильтра. Как только из сигнальной трубки 3 перестанет выходить раствор (через
несколько минут), следует приступить к отмывке фильтра от избытка соли.
Фиг. 463
Фиг. 464
Отмывка фильтра с перепуском регенерацион-
ных вод в б а к (для их дальнейшего использования). Кран 3 (фиг. 465) за-
крывается, задвижка б открывается. Первые порции поступающей отмывной
воды идут в сток, затем задвижка 4 закрывается, открывается задвижка 1 и рас-
положенный на соответствующей высоте бак заполняется отмывочными водами
в объеме, необходимом для последующей промывки.
Далее окончательную отмывку ведут со сбросом воды, содержащей уже не-
большое количество соли, в сток.
Вторичное использование регенерационных вод ведет к уменьшению расхода
соли на 10 — 15% и уменьшению расхода воды. Регулирование скорости движе-
ния воды при отмывке производят соответствующим открытием задвижки 1, ориен-
тируясь при этом по показанию диференциального манометра.
Окончательная отмывка фильтра со сбросом воды
в сток. Задвижка 7 (фиг. 466) закрывается, задвижка 4 открывается, задвижка6
остается открытой. Отмывка производится до тех пор, пока жесткость в годе по-
Фиг. 465
Фиг. 466
еле фильтра снизится до 0,2° (соли жесткости больше не отмываются) и содержа-
ние хлоридов в воде после фильтра не будет значительно превышать содержание
их в воде до фильтра (не более чем на 30 мг/л)', последнее указывает на почти пол-
ную отмывку соли. Скорость отмывки регулируется задвижкой 4, при этом также
ориентируются по показаниям диференциального манометра.
На фиг. 467 приведены кривые1, дающие зависимость расхода отмывной воды
от скорости протекания ее и толщины слоя глауконита. Кривые 7, 2, 3 и 4 соот-
ветствуют скоростям от 2 до 15 л</ч. Как
Фиг. 467
Средний расход воды на отмывку
слоя песка 3 — 4 м3.
По окончании отмывки задвижка
начинается период умягчения. Все
Главэнерго)
это видно из кривых, расход воды при
отмывке на 1 м3 загруженного глауко-
нитового песка возрастает с увеличением
скорости и уменьшением слоя глауко-
нита. Скорость отмывки обычно при-
нимают равной 3 — 4 м/ч. Вообще
говоря, допустима и большая скорость
(15 м/ч и выше), но к этому следует
прибегать лишь в случае недостатка
умягченной воды и необходимости со-
кращения продолжительности отмывки,
требующей около 1 часа.
1 м3 глауконита при принятой толщине
4 закрывается, задвижка 7 открывается и
операции (согласно данным эксплуатации
имеют ориентировочно следующую продолжительность:
Умягчение воды............................5—15 час.
Промывка песка .............................. 10 мин.
Спуск воды с песка...........................3—5 »
Напуск раствора соли на фильтр...............5—Ю »
Впуск раствора соли внутрь фильтра...........3—5 »
Отмывка фильтра и наполнение бака.......... 40—45 »
Окончательная отмывка фильтра.............. 20—25 »
Таким образом, все операции, связанные с регенерацией, требуют около
1,5 часа.
1 Журнал «Тепло и сила» № 6, 1936.
§ 20. Солерастворитель
Солерастворитель (фиг. 468) служит для приготовления раствора соли необ-
ходимой концентрации. Он состоит из цилиндрического корпуса со сферическими
днищами (нижнее приварено, верхнее присоединено при помощи фланцев), рассчи-
танными на то же давление 4—6 ат, что и фильтр дренажной системы, с
соответствующими слоями кварца, системы трубопроводов, задвижек и ряда при-
боров.
Дренажное устройство состоит из листов железа с отверстиями или из при-
варенной к днищу цилиндрической коробки, образующей с днищем щелевидные
отверстия.
О от 400 до 1 135 мм
Н, от 700 до 740 >>
Нг от 1 550 до 2 050 »
А от 575 до 1 775 »
С от 700 до 1200 »
Фиг, 468
Над дренажем расположены слои кварца: нижние — поддерживающие, верх-
ний — для фильтрации и задержки примесей в соли. Общая высота слоев кварца
от 400 до 500 мм. Слой, расположенный непосредственно на дренаже при круп-
ности зерен 10 — 5 мм, имеет высоту 200 мм; слой выше расположенный при круп-
ности зерен 5 — 2,5 мм имеет высоту 100 мм и верхний слой с крупностью зерен
2 — 1 мм — высотой 100 — 200 мм.
Солерастворитель оборудован трубопроводами с фасонными частями для под-
ведения воды, идущей на растворение в нем соли, отведения из него воды при про-
мывке кварцевого фильтрующего слоя, отведения из него раствора соли к фильтру
и подведения под дренаж промывной воды. Вверху солерастворитель имеет во-
ронку для загрузки соли, задвижку и приспособление, предохраняющее задвижку
от засорения во время загрузки соли.
Необходимые переключения, обеспечивающие работу солерастворителя,
обеспечиваются следующими задвижками (фиг. 468):
Задвижка 1 — в верхней части;
Задвижка 2 —со стороны подвода воды для растворения;
Задвижка 3 — со стороны выхода раствора соли;
Задвижка 4 — со стороны подвода промывной воды;
Задвижка 5 — со стороны сброса промывной воды;
Задвижка 6—для спуска воды из солерастворителя.
Солерастворитель оборудован воздухоотводящей трубкой с краном на ней
и сливной воронкой, двумя манометрами для определения сопротивлений в нем
и водомером на линии, подводящей воду.
Работа солерастворителя. Солерастворитель должен давать
осветленный раствор ИаС1 концентрации порядка 10%. Работа его состоит из:
а) загрузки соли;
б) получения раствора соли и подачи его в фильтр;
в) периодической промывки.
Загрузка соли производится перед регенерацией фильтра через воронку при
полностью открытой задвижке 1. До загрузки соли часть воды из солераствори-
теля спускается при открытии задвижки 6.
Количество соли на одну регенерацию равно:
п 70 -Е 100
Р = ТККа------кг>
1 000 п
где 70 — расход соли в г на регенерацию 1 тонно-градуса при условии использо-
вания отмывных вод для последующего взрыхления;
Е — емкость поглощения фильтра в тонно-градусах.
Так как в продажной соли содержится менее 100% №С1, то в формулу вве-
дена величина п — процент содержания ИаС1 в продажной соли.
К моменту напуска раствора соли на фильтр постепенно открываются за-
движка 2 и кран на воздухоотводящей трубке, а при появлении из этой трубки
воды — задвижка 3. Вода, поступающая в солерастворитель, движется в нем
сверху вниз и растворяет соль. Раствор соли проходит через слои кварца,
осветляется здесь и далее из-под дренажа поступает на глауконитовый фильтр.
Количество пропускаемой через солерастворитель воды определяется коли-
чеством соли и названной выше концентрацией раствора. Продолжительность
растворения соли и пропуска раствора на фильтр обычно до 10 мин. при скорости
в солерастворителедо20л//ч и более. Окончание времени растворения можно опре-
делить пробой на вкус. Далее закрытием задвижек 3 и 2 солерастворитель отъеди-
няется от фильтра. Периодически через 5 — 6 регенераций солерастворитель
промывается для удаления загрязнений, задержанных на кварце, для чего откры-
вают задвижки 4 и 5 и в течение нескольких минут пропускают воду по направле-
нию снизу вверх до полного осветления воды, идущей в сток. Если соль сильно за-
грязнена, то промывку ведут чаще, а иногда после каждого растворения соли.
На Луганской ТЭЦ за несколько месяцев был один раз сменен гравий вслед-
ствие сильного его загрязнения.
Вся работа солерастворителя в период регенерации требует не более 20 мин.
На больших установках при значительном расходе соли загрузка ее должна быть
механизирована.
§ 21. Расчет глауконитовых фильтров
Расчет фильтров имеет целью определение основных размеров фильтров, их
числа и режима работы; расчетом проверяют правильность выбора отдельных
величин, которыми предварительно задаются.
Основные расчетные данные:
1. Производительность станции в м31ч.
2. Общая жесткость воды, поступающей на глауконитовые фильтры, сла-
гающаяся из:
а) постоянной жесткости воды;
б) временной жесткости воды;
в) постоянной жесткости, получаемой в результате коагулирования (при
этом понижается бикарбонатная жесткость);
г) дополнительно принимаемой жесткости, учитывающей содержание в воде
М§0 или, правильнее, учитывающей уменьшение обменной способности глауко-
нита по отношению к МдО (в среднем в 1,1 — 1,15 раза).
При отсутствии предварительной обработки или при отсутствии в схеме пред-
варительного умягчения содой постоянная жесткость принимается согласно ана-
лизу сырой воды.
При большой постоянной жесткости и при предварительной обработке воды
известью и содой остаточная жесткость в зависимости от постоянной жесткости
сырой воды принимается равной 5 — 7°; остаточная постоянная жесткость, подле-
жащая устранению на глауконитовом фильтре, —до 5°.
При отсутствии предварительного известкования временная жесткость при-
нимается согласно анализу сырой воды: при предварительном известковании вре-
менная жесткость, подлежащая устранению на глауконитовых фильтрах, прини-
мается равной около 2°.
Постоянная жесткость, появляющаяся в результате реакции коагулирования,
если последнее имеет место, зависит от расхода глинозема и при значительных его
дозах может быть принята до 1— 2°. Но так как при этом понижается бикарбонат-
ная жесткость, то общую жесткость можно при этом считать практически не из-
менившейся.
При фильтрации воды, обработанной известью или известью и содой, через
кварцевые и мраморные фильтры имеет место некоторое снижение жестко-
сти, не принимаемое во внимание.
Дополнительная жесткость, учитывающая содержание в воде МдО при опре-
делении необходимой емкости поглощения глауконита, принципиально должна
быть указана, но величина ее при использовании глауконитов незначительна,
поэтому в приводимом расчете, обладающем точностью лишь в пределах прак-
тического определения размеров, она может не учитываться1.
Для тех пермутитов, у которых обменная реакция с М§0 идет медленнее, чем
с СаО, это имеет значение.
3. Расчетная емкость поглощения глауконитов ерасч принимается обычно
несколько меньше емкости поглощения, указанной в основных характеристиках
глауконитов, вследствие некондиционности глауконитов и частичной затраты
обменной способности глауконитов на умягчение сырой или полуумягченной воды
при использовании ее для отмывки глауконита от соли. Уменьшение емкости по-
глощения за одну регенерацию принимается равным 3 • Жо;
3 — средний расход воды в м3, Идущей на отмывку от соли 1 м3 глауконита;
Жо — общая жесткость сырой или полуумягченной (в случае предваритель-
ной обработки) воды, идущей для отмывки.
Расчетная емкость поглощения может быть принята равной 420 — ЗЖ0 тонно-
градусов; но в случае уверенности в достаточно высокой емкости поглощения глау-
конита, употребляемого для загрузки фильтров, — несколько больше
(до 450 — ЗЖ0).
Расчет можно вести для следующих двух режимов работ:
1) принимается запасный фильтр, включаемый в работу при регенерации ра-
бочих фильтров, т. е. принимается фильтрация на всех фильтрах кроме резерв-
ного и одинаковая скорость фильтрации независимо от очередного выключения
фильтра для регенерации;
2) принимается форсированная работа фильтров с повышенной скоростью
фильтрации при очередном выключении фильтра для регенерации.
Предпочтение следует отдавать первому режиму, гарантирующему более пра-
вильную эксплуатацию, но не исключается возможность принятия и второго
режима, если скорость фильтрации допускает это (в последнем случае надо учи-
тывать необходимый простой фильтров для регенерации).
1 Для указанного учета М§0 необходимо при переводе М§0 в СаО умножить коли-
чество М§0 не на 1,4, а на 1,54 (1,4-1,1 = 1,54).
Пользуясь ранее принятыми обозначениями и относя их ко всем фильтрам для
первого режима работы, имеем:
р = -----------0 м3;
2расч
р _
Срасч '
Так как д, Жо и ерасч заданы, а й изменяется в весьма узких пределах
(А 1,5 л), то фильтрующая площадь выбирается в зависимости от I (изме-
няется в пределах 5 —15 час.)- Далее устанавливаются число фильтров,
площадь и диаметр каждого из них.
Подставив вместо Р-----~, имеем:
V
Я_ = Я^-Жо
V Ррасч ' А
или
Приняв А и ^проверяют о; если с мало или велико то изменяют ча-
стично А и Л
Окончательно устанавливают принимаемые величины, увязывая их со
стандартом фильтров и данными эксплуатации.
Потеря напора в фильтре примерно определяется по графику фиг. 455.
Пример. Производительность станции 200 м3/ч.
Общая жесткость воды равна 9°.
Расчетная емкость поглощения глауконитов:
«рам = 420 — 3-9 = 393 тонно-градуса.
Общая площадь фильтрации:
д-1-Ж0 _ 200-69
еРасч • А 393-А
Принимаем А=1,5 м и ^ = 7 час.
Тогда
200-7-9
Л - 393-1,5
21,3 л2.
Принимаем фильтры О = 3 м. Площадь каждого фильтра /=7,07 л2.
Намечаем к установке четыре фильтра — три рабочих и один резервный
(включаемый во время регенерации рабочих).
Подставляя вместо Р — 7,07-3 =21,21 м2, получаем:
. 21,21-393-1,5 сп
^“^0079—^6’9 чаС-’
393-1,5 п, ,
” в ~6Л9 9,5 М/Ч’
что для данной жесткости вполне приемлемо.
Расход воды на регенерацию. Определим расход воды на реге-
нерацию применительно к рассмотренному примеру. Расход этот слагается из:
а) расхода воды на взрыхление;
б) спуска воды с песка;
в) расхода воды на приготовление раствора соли;
г) расхода воды на окончательную отмывку фильтра со сбросом воды (от-
мывные воды за исключением самых первых порций перепускаются в бак для их
дальнейшего использования);
д) расхода воды на промывку солерастворителя.
„ , л!м2
Расход воды на взрыхление при интенсивности промывки 5 -— и продолжи-
тельности промывки 10 мин. за один период действия фильтров составит:
0,005 • 7,07 • 10-60 =21,2 м3.
Расход воды при спуске ее с песка прихлое спускаемой воды 0,6 м за тот же
период составит:
0,6 • 7,07 = 4,2 м3.
Расход воды на приготовление 10%-ного раствора соли составит:
1 000 *
где Р—расход соли на одну регенерацию в кг;
70-у5 100 = 70-1-7,07-1,5 100
1 000 п 1 000 п
Для упрощения принимаем е = 420 и предположим соль чистой, т. е_
п близким 100, тогда Р=&310 кг и расход воды равен 3,1 м3.
Расход воды на отмывку глауконита в фильтре после регенерации составит:
3-1,5-7,07 = 31,8 м3.
Часть этой воды после отмывки фильтров используется для взрыхления песка
при следующей регенерации; остальная часть воды поступает в сток без дальней-
шего использования. Расход этот составит:
31,8 — 21,2 = 10,6 м3.
Расход воды на промывку с о л е р а с т в о р и т е л я. При
загрузке 310 кг соли при насыпном весе соли 1 т в 1 м3 необходим солераствори-
тель полезной емкостью около0,31 м3. Этому удовлетворяет солерастворитель № 5
(проект стандарта Главэнергопрома); Р = 1,135 м.
л!
При интенсивности промывки 10—— и продолжительности промывки 3 мин.
расход воды выразится:
0,011,1352
• 180= 1,8 м3.
4
Считая одну промывку солерастворителя через четыре регенерации, получим
расход воды на промывку солерастворителя, приходящийся на одну регенерацию:
ЬД = 0,45 м3.
4
Таким образом, общий расход воды на регенерацию равен:
21,2 + 4,2 + 3,1 4- 10,6 + 0,45 = 39,55 м3,
что составляет:
49 55 39 55-100
•—100% = , = 8,5% от производительности фильтров.
ю-/-г 9,5-7,07-6,9
Таким образом, количество воды, подаваемое на глауконитовые фильтры,
равно:
д(1 ф-0,085) =200 - 1,085 =217 м3]ч.
Следует заметить, что для растворения соли в отдельных случаях может быть
также использована вода после отмывки фильтров.
При предварительной обработке воды общий расход воды на все нужды стан-
ции возрастает; он включает в себя еще расход воды на промывку кварцевых
фильтров, периодическую промывку отстойников и пр.
Фиг. 46Са
4’6
§ 22. Горизонтальные напорные глауконитовые ф’льтры
Для крупных станций умягчения воды число обычных напорных вертикаль-
ных глауконитовых фильтров может оказаться большим. В таких случаях иногда
проектируют горизонтальные напорные фильтры. Будучи более крупными, они
в ряде случаев позволяют упростить эксплуатацию и уменьшить здание станции.
Кроме того, существенной является экономия металла.
На фиг. 469а и 4696 представлена станция для осветления (коагуляция,
фильтрация) 20000 м3 воды в сутки и умягчения 8000 м3 в сутки предварительно
осветленной воды общей жесткостью 13,5°. В правом крыле станции установлено
четыре горизонтальных фильтра (три рабочих и один резервный) диаметром 3 м
и длиной 8 м. Фильтрующая площадь каждого фильтра около 2,8 • 8=22,4 мг.
Объем глауконита в каждом фильтре 1,2 • 22,4 =27 м3. Конструкция фильтра не
позволяет принять слой глауконита больший 1,2 м. Расчет фильтров ведется
обычным способом.
Межрегенерационный период принят около 5 час. Скорость фильтрации
5 м/ч. Дренаж трубчатый с магистралью <2 = 150 мм, направленной по длине
фильтра, и ответвлениями. В отверстиях последних закреплены небольшие вер-
Шхмник-
1300
800-
Кшал, отШящ
сток 30 x4а
Фиг. 4бЁб
415
Слш/конитЛО песок
. > - Л-150 :
'на умягчен Л-25В
20*33
№тонМ1101№
—350
Сток от-
мят
Ша Л-250
"-В бак отмбйл-
нш Ша
^ '-Из бака на
п Шшиие глаиконита
тикальные трубки с колпачками из пластмассы. Подача воды на фильтр, как это
видно из фигуры, происходит в двух местах. Подача воды для взрыхления и про-
мывки производится в магистраль дренажа также в двух местах. В каждом месте
подводится 56 л/сек (интенсивность 5 ~~у Этот расход в свою очередь
направляется в обе стороны по 28 л/сек. Скорость у входа в магистраль принята
1,6 м/сек.
Жолоб с отверстиями, идущий вдоль фильтра, распределяющий умягчае-
мую воду по поверхности песка и отводящий воду после промывки (взрых-
ления) песка, рассчитывается на расход 112 л/сек.
Фильтр снабжен всеми приборами и приспособлениями для управления, так
же как и вертикальный глауконитовый фильтр. Все это сосредоточено в одном
месте с торцевой стороны.
На фиг. 470 отдельно изображен горизонтальный напорный пермутитовый
фильтр площадью фильтрации около 30 м3 и производительностью 250 — 300 м3/ч
(конструкция инж. Туганова); О = 3 л; Ь несколько более 10 м. Конструкция
дренажа обычная. Высота слоя кварца около 250 ям; высота слоя пермутита
(глауконита) около 1,3 м. Трубопроводы и пр. размещаются в галлерее под сред-
ней частью фильтра. Фильтр рассчитан на рабочее давление 7 ат. Общий нагру-
Желоба для задачи !одИ
Фиг. 470
зочный вес такого фильтра (металл, бетон, кварц, глауконит, вода) около 125 т.
Значительный интерес представляет управление фильтром при помощи гидрав-
лических задвижек, приводимых в действие с центрального пульта, помещенного
у переднего днища. На фиг. 471 представлен пульт управления: 7, 2, 3, 4, 5 и 6—
пусковые вентили для шести задвижек, осуществляющих соответствующие пере-
ключения (как и у вертикального фильтра). Вода из сети подводится к вентилям
трубой 8 с ответвлениями 7 и далее может направляться в один из двух трубо-
проводов 9, соединяющих вентили с их гидравлическими задвижками. Один тру-
бопровод соединен с пространством над поршнями задвижек, другой —под
поршнями. Вентили 7 7 и смотровые окна 10 соединяют каждый основной вентиль
с канализацией, что позволяет контролировать работу вентилей; 72 — вентиль
на воздушной трубе, 13 — кран на воздушной трубе, 14—кран для отбора проб
с фильтра, 75—кран для контроля уровня воды в фильтре при спуске водяной
подушки, 76, 77 и 18 — краны и стеклянный сосуд для контроля выноса
пермутита, 19 — лоток, 20 — манометр, 27 — диференциальный манометр, 22 —
указатель производительности фильтра.
ГЛАВА IV
ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ И ПОСТРОЙКЕ СТАНЦИЙ
ДЛЯ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ
§ 23. Выбор площадки для водоумягчительной станции и канализация
отработанных вод
Выбор площадки для водоумягчительной станции зависит от метода умяг-
чения (количество шлама и отработанных вод), взаимного расположения
жел.-дор. станции, источника водоснабжения и намечаемых сооружений, нали-
чия оврагов, балок и пр. для спуска отработанных вод.
При незначительном количестве шлама станция умягчения может быть распо-
ложена у жел.-дор. станции. Здесь же целесообразно расположить станцию умяг-
чения в смысле облегчения доставки необходимых реагентов. Однако такое распо-
ложение станции осуществимо лишь при возможности простого (без больших
затрат) выпуска шлама и отработанных вод.
При комбинированном умягчении воды, при большом количестве шлама и
отработанных вод станция в отдельных случаях может быть расположена и у
источника водоснабжения (например реки), что упрощает выпуск отработанных
и шламовых вод, каковые в ряде случаев составляют 15% и более от количества
воды, подаваемой на станцию, и ведет к экономии энергии (отпадает необходи-
мость дополнительной перекачки указанных 15% воды).
Вопросы канализации отработанных вод и шлама при выборе площадки
имеют наравне с вопросами транспорта реагентов решающее значение. Однако
при этом не следует забывать, что выпуск шлама в реку может повести к ее загряз-
нению, поэтому такой выпуск должен быть согласован с органами санитарного
надзора, а в случае использования реки недалеко от места выпуска шлама и от-
работанных вод для забора питьевой воды или в случае мелководности реки такой
выпуск шлама вообще не может быть допущен. Таким образом, выбор площадки
для станции умягчения при большом количестве шлама должен решаться со-
вместно с большим и важным вопросом канализации. Кроме того, площадка под
станцию должна выбираться в месте с достаточно устойчивыми грунтами.
Канализация отработанных вод. Шламовые
отстойники
Для наиболее приемлемой на жел.-дор. транспорте станции умягчения комби-
нированного типа (содово-известково-цеолитовый) вопросы канализации приоб-
ретают особое значение, так как отработанные и шламовые воды при этом способе
умягчения достигают, как указывалось, 15% и более.
Отработанные воды при комбинированном методе умягчения загрязнены
минеральными примесями. Отмывочные воды содержат большое количество ИаС!
(зависящее от жесткости умягчаемой воды). Отвод их в небольшой водоем может
повлечь за собой засолонение последнего, а следовательно и невозможность ис-
пользования его через короткий промежуток времени (3 — 5 лет) для питьевых
и хозяйственных нужд.
Выбор способа отведения шламовых вод, содержащих большое количество
взвешенных минеральных примесей, выпадающих в осадок, зависит от топогра-
фии местности и удаленности места выпуска. В тех случаях, когда удаление этих
вод самотеком не удается осуществить, устанавливаются насосы для перекачи-
вания их к месту выпуска.
Для спуска отработанных вод и шлама лучше всего использовать овраги и
балки; болота для этой цели выбираются в исключительных случаях, так как
более интенсивное заболочивание может ухудшить общее санитарное состояние
района; озера могут быть использованы лишь крупные, проточные с тем, чтобы
спуск не отражался на их гидрохимическом режиме и не исключалось пользо-
вание ими для питьевых и хозяйственных нужд. При наличии небольших озер
они могут со временем засолониться и стать не пригодными для использования
в качестве источника водоснабжения; следует также учесть случаи использова-
ния небольших озер для водопоя скота, для рыбоводства и т. д.; в отдельных
случаях целесообразно осуществлять выпуск в протоки, выходящие из озера.
Наконец, как уже указывалось, для выпуска отработанных вод и шлама
могут быть использованы реки, особенно со значительным расходом и скоростью
течения, где имеется возможность быстрого самоочищения.
Следует обеспечить наилучшее смешение выпускаемых вод с водами водоема.
Место выпуска в этих случаях выбирается наиболее глубокое и удаленное от по-
селка или забора воды, причем место это не должно заноситься наносами.
Канализация в отдельных случаях представляет настолько большой вопрос,
что может влиять на выбор метода умягчения. В отдельных же случаях затруд-
нения в решении вопросов канализации и соображения, связанные с желанием
экономить воду, приводят к проектированию в схеме сооружения специальных
шламовых отстойников. Вместе со шламом из сатураторов и отстойников
удаляется большое количество полезной воды, которая после отстаивания
в шламовых отстойниках может быть использована. Возможно, что в отдельных
случаях может быть использован и шлам. Можно ориентировочно предположить,
что за один выпуск шламовых вод из отстойника или сатуратора удаляется до
О, I объема этих сооружений и что полезной воды или раствора можно вернуть до
80% от этого количества.
§ 24. Компоновки станций умягчения воды и общие соображения к выбору
типа станции и ее элементов
Самым серьезным при проектировании является решение принципиальной
схемы умягчения и компоновки станции.
На ряде жел.-дор. станций в США даже при жесткости воды в 10 нем. гр.
установлены умягчители небольшой производительности — до 15 — 20 м"{ч,
отличающиеся особой компоновкой частей и невысокой стоимостью и занимаю-
щие небольшую площадь.
В небольших таких установках, работающих по известково-содовому ме-
тоду, использование фильтров ограничено; здесь применяется коагулянт — сер-
нокислый алюминий и в последние годы широко — алюминат натрия. Централь-
ная труба отстойника, служащая камерой реакции, проектируется на
20—30-минутное пребывание в ней воды. Отстойник иногда проектируется на
4 — 8 час., используется для хранения запаса воды, т. е. как резервуар, причем
для забора воды из этого резервуара, заменяющего часто водонапорную башню,
устраивается труба с подвижным концом — поплавком (плавающего типа).
На жел.-дор. транспорте в СССР такие установки не приняты; проекти-
руемые сооружения имеют производительность в пределах от 50 до 300 м2)ч,
Фиг. 472
7—отстойник; 2—сатуратор; 3—ре-
зервуар умягченной воды; 4—рас-
пределитель воды; 5—вытеснитель
соды; 6 — вытеснитель коагулянта;
7 — бак для раствора соды; 5—бак
для раствора коагулянта; 9 — бак
известкового молока; 70—творила
извести; 7 7—содовая мешалка; 7 2—
известковая мешалка; 75—нефтяные
двигатели; 74—насосы; 75—насосы
для перекачивания реагентов; 76-
котлы для отопления; 77—подъем-
ник; 75—смеситель; 79—лаборатор-
ный стол
Спуск сточных вод
редко больше. Однакоэтоуже большие сооружения, где особое значение имеют не
только схема технологического процесса, но и вопросы компоновки.
Преимущества и недостатки известково-содового, цеолитового и комбини-
рованного метода умягчения были уже приведены.
Умягчение по известково-содовому методу в тех случаях, когда жесткость
умягченной воды может быть допущена в пределах 5 нем. гр. и когда такая схема
с учетом ее недостатков (необходимость выпуска шлама и пр.) все же приемлема
для данных местных условий, позволяет принять два основных варианта:
1) схема, включающая горизонтальные отстойники;
2) схема, включающая вертикальные отстойники.
Фиг. 473
7—отстойники; 2—сатураторы; 3— известковая мешалка; 4—бак для известкового молока; 5—содовая
мешалка; 6—бак для раствора соды; 7—вытеснитель раствора соды; 8—бак для растворения коагу-
лянта; 9—вытеснитель раствора коагулянта; 7 0—распределитель воды; 7 7—смеситель; 72—сцежа для
извести; 75—резервуар чистой воды; 74—нефтяные двигатели; 75—насосы; 75—насосы для перекачива-
ния реагентов; 7 7—паровые котлы; 7 5—подъемник; 19—лабораторный стол
Остановимся несколько подробнее на компоновке тех и других станций.
На фиг. 472 представлена станция умягчения типа «Струя горизонтальная»
производительностью ЮО м21ч. Здесь предусмотрена установка горизонтального
отстойника с фильтром из древесной шерсти и двух пар одноярусных сатураторов.
Отдельные элементы станции ясны из фигуры. Указанный тип станции широко
представлен среди выстроенных станций умягчения на жел.-дор. транспорте.
В подавляющем большинстве работа выстроенных станций неудовлетворитель-
на главным образом из-за неудовлетворительной работы выполненных гори-
зонтальных отстойников и частично одноярусных сатураторов.
Одним из основных недостатков станций типа «Струя горизонтальная»
является трудность удаления осадка из горизонтального отстойника, так как
последний (шлам) сильно слеживается, мало подвижен, забивает выпускные
отверстия, плохо поступает к шламовому колодцу и т. д. Решение вопроса
удаления шлама в горизонтальных отстойниках должно пойти по линии меха-
Фиг. 474
1— прямоугольные отстойники; 2—фильтры; 3—резервуар умягченной воды; 4—распределитель
в<?До«,- 5—дозатор известкового молока; <5—вытеснители соды; 7—вытеснители коагулянта; 8—бак
для раствора соды; 9—бак для раствора коагулянта; 10—смеситель; 11— бак для промывной воды;
12— творило извести; 13—мешалка известкового молока; 14—мешалка содового раствора; 15—насосы
для перекачивания реагентов; 16—насосы для оборотной воды; 7 7—насосы второго подъема; 18—гене-
раторы; 79—нефтяные двигатели; 20—трансмиссия; 21 — котлы парового отопления; 22—подъемник
низации этого удаления (скребковые транспортеры или иные устройства, над
типами которых необходимо работать).
На фиг. 473 представлена станция умягчения типа «Струя вертикальная»
производительностью 100 л3/ч с вертикальными отстойниками с фильтрами
из древесной шерсти в герхней части и двухъярусными сатураторами.
План 1-го этажа
Фиг. 475
На фиг. 474 показана станция умягчения известково-содовым методо<м про-
изводительностью 200 л3/ч с вертикальными прямоугольными отстойниками,
кварцевыми фильтрами без сатураторов (дозирование известкового молока).
Вариант станции представляется определенным сдвигом в проектировании, од-
нако, он далеко не исчерпывает возможные и приемлемые варианты.
На фиг. 475 дана хорошо разработанная станция производительностью
100 м3]ч (для иного солевого состава воды).
Анализ приводимых станций и компоновок невозможен без сравнения строи-
тельной стоимости сооружений и стоимости 1 л/3 умягченной воды. Сравнение
ориентировочной строительной стоимости и стоимости 1 м3 умягченной воды
согласно данным Тоансводпроекта приведено в табл. 9.
Таблица 9
Наименование схемы Произво- дитель- ность станции в м3/ч Ориенти- ровочная стоимо- сть в руб. Ориентиро- вочная стоимость при замене сатураторов дозаторами в руб. Пример- ные годовые эксплуа- тацион- ные расходы в руб. Ориенти- ровочная стои- мость 1 м3 воды в коп.
Содово-известковый метод 50 210 000 183 000 113 000 27
Тип «Струя горизонтальная» 100 340 000 292 000 183 000 21,8
Содово-известковый метод Тип «Струя вертикальная» 50 215 000 194 500 107 000 25,4
с сатураторами и фильтрами 100 400 000 352 000 174 000 20,7
из древесной шерсти 200 615 000 543 000 287 000 17,1
Содово-известковый метод Дозирование известковым молоком 50 235 000 123 500 29,4
Фильтры кварцевые 100 — 385 000 184 500 22
Отстойники вертикальные цилинд- рические 200 — 570 000 285 000 17
Содово-известковый метод Дозирование известковым молоком 50 275 000 128 000 30,4
Фильтры кварцевые 100 — 405000 183 000 21,8
Отстойники вертикальные прямо- угольные в здании 200 — 630 000 306 000 17,5
Примечания. 1. Данные приведены в соответствии с показанными типами, компонов-
ками и пр.
2. Стоимость сооружений и себестоимость зависят от качества воды. Для всех слу-
чаев кроме изображенных на фиг. 475, 477, 479 исходная вода принята одинаковой со
следующим солевым составом:
Общая жесткость 57 нем. гр.
Карбонатная жесткость 22 нем. гр.
Постоянная жесткость 35 нем. гр.
Окись магния 80 мг/л.
Естественно, что при ином солевом составе воды стоимости, приведенные в табл. 9,
и соотношения этих стоимостей изменяются; так, например, чем меньше карбонатная
жесткость, тем меньшее влияние на стоимость окажут сатураторы, и т. д.
3. Приведенные стоимости следует рассматривать только как весьма ориентировочные.
Указанные станции отличаются способом дозирования извести, кон-
струкцией отстойников, конструкцией фильтров и, как это следует из фигур
и описания их, рядом прочих элементов.
Способ дозирования извести отражается на строительной
стоимости и на себестоимости 1 м3 умягченной воды. Ранее уже указывалось на
преимущества и недостатки сатураторов и дозаторов, дозирующих известковое
молоко. Для станций производительностью выше 100 мъ]ч, а в некоторых слу-
чаях (большая карбонатная жесткость) и для станций меньшей производительно-
сти при наличии хорошей извести и наличии надежно работающих дозаторов уста-
новка последних приводит к снижению строительной стоимости сооружения
и должна быть рекомендована.
Конструкция вертикальных цилиндрических от-
стойников, вынесенных из здания, несколько уменьшает строительную стои-
мость. Такой вариант правилен лишь для районов с соответствующими климати-
ческими условиями (например юг), ибо в отстойнике идет реакция, а низкие
Фиг, 476
1—отстойники; 2—сатураторы; 5—кварцевые фильтры; 4—глауконитовые фильтры; 5—известковая ме-
шалка; б—содовая мешалка; 7—бак для известкового молока; 5—бак для раствора соды; 9— вытеснитель
раствора соды; 10—бак для раствора коагулянта; 11 —вытеснитель раствора коагулянта; 13—бак для
промывки кварцевых фильтров; 14 бак для промывки гладконитовых фильтров; 16—распределитель воды;
17—смеситель; 18—подъемник; 19—двига-тели; 20—насосы; 21—насосы для перекачивания реагантов;
22 — насосы для оборотной воды; 23—солерастворитель; 24 — котлы отопления; 25 — резервуар
оборотной воды
температуры задерживают последнюю. Большее распространение может иметь
вариант с отстойниками в здании, причем лучшая компоновка достигается здесь
при квадратных отстойниках. Необходимо лишь правильное решение вопроса
распределения воды по отстойникам.
Тип станции с горизонтальными отстойниками дает некоторое уменьшение
строительной стоимости, но указанных весьма серьезных недостатков уже до-
статочно для того, чтобы названный вариант исключить из практики проекти-
рования.
Разрез по 11-0
Разрез по о-Р-п-з
план Iй зпагрса
М-ЮОн’
7—отстойники; 2—сатуратор; 4—кварцевые фильтры; 5—глауконитовые фильтры; б—солерастворитель;
7—распределитель; 5— смеситель; Р—известковая мешалка; 10— бак; 77—бак; 7 2—мешалка; 7резер-
вуар; 74, 75—баки для промывки; 75—вытеснитель; 77—творила; 75—вагонетка; 19, 20, 21— насосы;
22—гене^атор^ 25—Двигатели; 24-^котлы
&
Разрез по Д-1
ПЯ1
Разрез по Р-Н
О
1070 -------
уоо-
План по А-Б-1
?о
План 1-го эта ока
глинозем
300'
Фиг. 479
Склад
издес
ти
ИЗО
4?0
Слцж
1225
О 0 □ □ □ □ □ □
-т
50
18 /9^ н
Насосное
отделение
Монорельс
Склад
соли
14
. ,200------
* Загруз}
угля
госиоьп
ящил а
•300 ’
'Радорат;
•\-300
Фта _р
----Нормальная Нопея
7—отстойники;
2—кварцевые фильтры;
3—глауконитовые фильтры;
4—водораспределитель;
5—смеситель;
6—дозаторы известкового молока;
7—бак раствора коагулянта;
<у—вытеснители коагулянта;
9, Ю—баки для промывки фильтров;
7 7—известковые мешалки;
72 творила;
73—гасительный ящик;
14—соле растворитель;
/5—двигатель;
7 7>_генератор;
77, 18, 19—насосы.
Конструкции фильтров, принятые в представленных схемах,
отражаются на строительной стоимости и себестоимости 1 м3 воды, но если
фильтры с кварцевым песком и ведут к некоторому удорожанию, то они не могут
не отразиться на улучшении качества воды; они дают более надежную эксплуа-
тацию потому, что промывка их проста, замена же загрязняющихся фильтров
из древесной шерсти связана с выключением отстойника минимум на несколько
часов и с перебоями в работе станции; при этом промывка кварцевого фильтра
проводится обычно своевременно, в то время как загрязнившийся неодинаково
во всех своих частях работающий фильтр из древесной шерсти обычно своевре-
менно не сменяют.
За исключением небольших станций (50 м3 или несколько более) следует
предпочитать кварцевые фильтры.
Фиг. 480
Компоновка и взаимное расположение сооружений должны намечаться особо
в каждом отдельном случае.
Как уже указывалось, в водоснабжении на жел.-дор. транспорте большое
место должен занять комбинированный метод умягчения.
На фиг. 476 показана станция комбинированного умягчения с предвари-
тельной обработкой воды известью и содой (большая некарбонатная жесткость)
производительностью 100 м31ч.
На фиг. 477 изображена станция на 100 м3/ч для иного солевого с о с-
става воды без сатураторов, с напорными кварцевыми фильтрами,
с размещением складов и с иным расположением элементов.
На фиг. 478 показана станция умягчения комбинированным методом произ-
водительностью 50 ж3/ч с предварительной обработкой воды известью. На
фиг. 479 — станция умягчения известково-цеолитовым методом производитель-
ностью 100 м3/ч без сатураторов, с напорными кварцевыми фильтрами. На
фиг. 480 схематично показан внутренний вид станции. Отдельные элементы
ясны из фигур.
В табл. 10 приведены ориентировочная стоимость сооружений и стоимость
1 м3 умягченной воды (согласно данным Трансводпроекта).
Таблица 10
Наименование схемы Произво- дитель- ность в я3/ч Ориен- тировоч- ная стои- мость в руб. Ориентиро- вочная стоимость при замене сатураторов дозаторами в руб. Пример- ные годовые эксплуа- тацион- ные расходы в руб. Ориенти- ровочная стои- мость 1 м3 умягчен- ной воды в коп.
Комбинированный метод 50 300 000 287 000 167 000 40
известь-сода 100 510 000 475 000 242 500 27,7
глауконит 200 830 000 767 000 07 000 24,2
План
Фиг. 481
Как следует из приведенных ориентировочных данных, стоимость обработки
воды комбинированным методом выше стоимости обработки известково-содо-
вым методом, однако разница в стоимости в отдельных случаях и для различ-
ных вариантов может быть различной, а преимущества комбинированного
метода диктуют в целом ряде случаев целесообразность проектирования именно
этого метода.
На фиг. 481,482 показаны станции умягчения воды цеолитовым методом про-
изводительностью 100 м3/ч и цеолитовым методом с предварительной коагу-
ляцией и фильтрацией через напорные кварцевые фильтры производительностью
100 м3/ч; по причинам, выясненным выше, этот тип станции на жел.-дор. транс-
порте может иметь весьма ограниченное применение.
Фиг. 482
Элементы автоматизации и дистанционного
управления
Выше приводился пример станции умягчения с контрольно-измерительной
аппаратурой. На ряде станций в промышленности контрольно-измерительная ап-
паратура внедряется, но на транспорте, к сожалению, этого пока еще нет.
На одной станции умягчения (при комбинированном методе) производитель-
ностью 50 м3/ч вода, подаваемая на распределитель, проходит через всдэмер и
диафрагму, соединенную с прибором, указывающим расход в каждый момент.
Температура воды, поступающей на водораспределитель, регистрируется при по-
мощи особого термометра и записывается прибором. Регистрируются количество
пара, подаваемое для подогрева воды, давление пара и температура (при
помощи термометра сопротивления).
Температура воды после подогревателя записывается с использованием тер-
мопары и гальванометра. Так осуществляется контроль за распределением и
подогревом воды. Серьезный контроль поставлен на цеолитовых фильтрах. Из-
меряется и регистрируется количество воды, поступающее на каждый из цеоли-
товых фильтров. Установленные приборы указывают производительность в каж-
дый момент, что дает возможность следить за работой фильтров. При помощи тер-
мопары и гальванометра контролируется температура воды, идущей на фильтр.
Приборы, установленные после фильтров, показывают количество умягченной
воды; по разности показаний счетчиков, установленных в начале всей системы,
перед поступлением воды на цеолитовые фильтры и после них, определяется рас-
ход воды на нужды предварительной обработки и далее на нужды пермутитовых
фильтров.
Командо-аппарат для пуска насосов, дистанционные указатели уровня воды
в баках и световая сигнализация дополняют контрольно-измерительную аппа-
ратуру. Ряд регистрирующих приборов смонтирован на щите.
Насыщенность установок измерительной аппаратурой ведет к сокращению
обслуживающего персонала и делает эксплуатацию установок более надежной.
Более широкому внедрению станций обработки воды в практику жел.-дор.
водоснабжения и ускорению строительства должно способствовать изготовление
стандартного оборудования, требующего лишь монтажа на месте готовых и раз-
меченных на заводе частей.
ГЛАВА V
ВНУТРИКОТЛОВАЯ ОБРАБОТКА ВОДЫ1
§ 25. Котловая вода
К каждой котловой воде предъявляются определенные требования в отно-
шении щелочности, жесткости и содержания растворенных солей.
Мерой щелочности котлозой воды служит натронное число И2, которое
вычисляют по содержанию в воде едкого натра и соды. Натронное число
равно
м пч , №,СО3 , л
ИаОН 4----мг л *,
4,5
где №ОН—содержание едкого натра в мг!л-,
№2СО3 — содержание карбоната натрия в мг!л.
Натронное число устанавливается в каждом отдельном случае в зависимо-
сти от качества питательной воды, склонности ее к вспениванию и состояния
котла и для большинства паровозов не превышает 200.
Жесткость котловой воды не должна быть выше 1,0— 1,5 нем. гр.
Допустимая плотность котловой воды устанавливается в зависимости от дав-
ления в котле. Количество органических примесей не выше 500 мг]л по перман-
ганату (анализ на окисляемость).
Содержание хлоридов не должно превышать 5 — 10-кратного количества по
сравнению с питательной (тендерной) водой.
§ 26. Методы внутрикотловой обработки воды
Добавка различных химических веществ в котловую воду называется внутри-
котловой обработкой.
Внутрикотловая обработка воды имеет своей целью создать такие условия
выделения накипеобразователей в котле, которые обеспечивали бы отложение их
не в виде твердой накипи, а в форме рыхлого осадка — шлама, удаляемого при
продувках котла.
Внутрикотловая обработка применяется также для защиты металла котла
от коррозии.
Средства, рекомендуемые для борьбы с накипью, весьма различны, боль-
шинство из них известно под названием антинакипинов.
В последнее время вопрос внутрикотловой обработки детально изучен и дано
научное обоснование в отношении каждого из применяемых методов. В основном
эти методы следующие:
1) химический и
2) коллоидно-химический.
1 Глава V написана доц. Е. Ф. Тебенихиным.
* Так как защитное действие 1 ч. КаОН.по данным Шплиттгербера, примерно
соответствует 4,5 ч. 51а.,СО3, то при вычислении натронного числа для выражения его
в №ОН найденное количество №а2СО3 делят на 4,5.
Химический метод основан на физико-химических процессах
между реагентами, добавляемыми к воде, и накипеобразователями, в результате
которых последние выделяются в виде шлама, удаляемого при продувках.
Означенный метод применяется к жестким водам, а равно и к водам, предва-
рительно умягченным, с целью доумягчения их (коррекционный метод).
В качестве реагентов применяют кальцинированную соду Ха2СО3, едкий
натр ИаОН и тринатрийфосфат Иа3РО4.
При добавке к воде кальцинированной соды гипс переходит в карбонат
кальция, который в присутствии некоторого избытка реагента выпадает не
в форме твердой накипи, а в виде шлама
Са8О4 + Иа2СО3 = СаСО3 + Иа28О4.
Применение соды пригодно лишь при давлениях до 15 ат, так как при
более высоких давлениях (при соответственно высоких температурах) гидро-
лиз соды
№2СО3 + Н2О -> 2ИаОН + СО2
идет очень быстро и глубоко (при 20 ат около 80% соды оказывается гидро-
лизованной). Поэтому для котлов, работающих при давлениях 15 ат и выше,
с той же целью рекомендуется применять фосфат натрия как не обладающий ука-
занным свойством.
Реакция тринатрийфосфата с накипеобразователями протекает по уравнениям
ЗСа(НСО3)2 + 2№3РО4 = Са3 (РО4)2 + 6№НСО3,
ЗСа8О4 % 2№3РО4 = Са3(РО4)2 ЗЖ>804,
ЗМ§804 + 2№3РО4== Му3 (РО4)2 % ЗИа28О4.
Вследствие чрезвычайно малой растворимости фосфатов кальция и магния
не только предотвращается образование новой накипи, но происходит превраще-
ние солей кальция и магния, ранее выделившихся в виде накипи,в высокодисперс-
ные осадки фосфатов, которые удаляются при продувках.
Фосфаты могут служить хорошей защитой против коррозии благодаря об-
разованию пленки фосфорнокислого железа.
При добавке к воде едкого натра реакции протекают по уравнениям
Са(НСО3)2 %2№ОН = СаСО3 + №2СО3 % 2Н2О;
М§ (НСО3)2 + 4№ОН = М^(ОН)2 % 2Иа2СО3 + 2Н2О;
Са8О4 + №2СО3 = СаСО3 + №28О4;
СаС12 + Иа2СО3 = СаСО3 + 2№С1;
М§С12 + 2№ОН = М^(ОН)2 + 2ХаС1.
Из приведенных реакций видно, что роль едкого натра сводится к вы-
делению накипеобразователей в виде карбоната кальция и гидрата окиси магния
в присутствии некоторого избытка реагента, не прикипающих к стенкам котла.
Едкий натр может оказывать стабилизирующее действие на выделяющиеся
накипеобразователи и тем обусловливать их выпадение в форме шлама.
Присутствие едких щелочей в некотором избытке, выражаемом натронным
числом, в котловой воде может способствовать разрыхлению старой накипи и слу-
жит защитой от коррозии.
К о л ло ид н о-х имический метод основан на том, что различные
коллоиды адсорбируют выделяющиеся нерастворимые частицы накипеобразо-
вателей или удерживают их (стабилизируют) в виде мельчайших частиц (коллои-
дальная дисперсия), препятствуя тем самым нормальному процессу кристалли-
зации и, следовательно, образованию накипи. При этом играют роль не только
явления коллоидного характера, но и чисто химические процессы.
Примером адсорбционного действия служит действие коллоидного графита,
мельчайшие частицы которого являются центрами кристаллизации накипеобра-
зователей.
Стабилизирующее действие на частицы накипеобразователей оказывают
такие коллоидные вещества, как желатина, таннаты, льняная эмульсия и др.,
которые изолируют выделяющиеся частицы пленкой и препятствуют их дальней-
шему срастанию.
Коллоидный графит применялся как антинакипинное средство на жел.-дор.
транспорте в 1929—1930 гг.; готовился из обычного графита и представлял густова-
тую жидкость черного цвета. Благодаря выявившимся отрицательным свойствам
(коррозия при значительном содержании в воде хлоридов) он в настоящее время
не применяется.
Ряд других веществ (льняная эмульсия, теннат железа) применялся в неко-
торых депо, но широкого распространения не получил.
Дубильные вещества, как, например, дубильный экстракт (получаемый из
дубового корья), помимо антинакипинных обладают и антикоррозийными свой-
ствами, связывая кислород. Добавленный в небольших дозах дубильный экстракт,
кроме того, понижает вспенивание воды.
§ 27. Антинакипинная смесь, применяемая на жел.-дор. транспорте
Современная антинакипинная смесь имеет следующий состав: тринатрий-
фосфат, едкий натр (каустическая сода) и дубильный экстракт .Действие этой смеси
на накипеобразователи в основном химическое, но отчасти и коллоидно-химичес-
кое. При добавке в котлы этой смеси новой накипи не образуется, а находящаяся
в котле старая постепенно переходит в шлам. Эта смесь обладает в известной мере
антикоррозийными свойствами.
Дозы отдельных компонентов устанавливаются в зависимости от общей жест-
кости воды, средней на тяговом плече.
Расчет средней жесткости производится с учетом количества набираемой
воды. Например, в основном депо паровоз набирает 20 м3 воды общей жесткостью
18°, в оборотном—15 м3 жесткостью 15°; на промежуточных пунктах в первом—
5 м3 жесткостью 30°, во втс>ром — 7 м3 жесткостью 35°.
Средняя по плечу жесткость воды:
18-20 + 30-5 4- 35,7 + 15-15
20-]-5 +7+15
нем.
гр.
На основе рассчитанной жесткости производят добавку антинакипина в до-
зах, указанных в табл. 11, уточняя последнюю в процессе эксплуатации.
Указанные в табл. 11
Таблица 11 дозы по сравнению с полу-
ценными на основе теорети-
ческих расчетов недостаточ-
ны, но, как показала прак-
тика эксплуатации, действие
их эффективно. Объясняется
это тем, что щелочи лишь ча-
стично расходуются на оса-
ждение: присутствие их ока-
зывает стабилизирующее дей-
ствие на выделяющиеся на-
кипеобразователи. В резуль-
тате в котле даже образуется
некоторый избыток щелочи,
характеризующийся натрон-
ным числом.
Дозы смеси на 1 т испаряемой воды1
Общая жесткость питательной воды Фосфат натрия Едкий натр Дубильный экстракт
в нем. гр.
ь г на сухое вещество
До 8 10 20 5
От 9 до 15 10 25 5
» 16 » 20 15 30 5
» 21 » 25 20 30 5
» 26 » 30 20 35 5
Выше 30 20 40 5
Приведенные дозы рекомендуются для нейтральных и слабощелочных вод
с натронным числом в котловой воде до 25. Если же натронное число до приме-
нения смеси составляет от 25 до 60, то каждый компонент прибавляется в коли-
1 Инструкция НКПС по применению антинакипина в паровозных котлах — Т-802
от 16/У1 1937.
честве 10 г. При натронном числе выше 60 рекомендуется только один дубиль-
ный экстракт в количестве 20 г/т (как пеногаситель).
Учитывая, что данных от одной общей жесткости питательной воды еще не
достаточно для точной дозировки смеси, окончательное количество ее следует
устанавливать опытным путем на основе наблюдений за качеством котловой воды
в процессе работы и состоянием паровозных котлов. Необходимо иметь в виду,
что большой избыток антинакипинной смеси может обусловливать разъединение
медных частей котла,вспенивание и унос котловой воды, недостаток же ее не обес-
печивает надлежащего эффекта в отношении защиты котла от накипи и коррозии.
Приготовление смеси производится при каждой очередной заливке, при этом
фосфат натрия отвешивают в сухом виде и помещают в ведро, куда приливают
растворы каустической соды и дубильного экстракта. В соответствии с коли-
чеством набираемой воды в основных пунктах водоснабжения в тендер заливают
определенное количество смеси до набора воды.
Для заливки антинакипина в пути на паровоз выдают уже приготовленную
смесь в бидоне.
Как показал опыт внутрикотловой обработки, наиболее эффективные ре-
зультаты могут быть получены при соблюдении следующих условий:
а) дозировка фосфатной смеси должна устанавливаться строго индивиду-
ально в зависимости от качества питательной воды. Добавка смеси должна про-
изводиться пропорционально количеству набираемой воды;
б) продувки котлов, при которых удаляются выделяющиеся частицы шлама
и механические загрязнения, должны быть учащены и производиться в согласо-
вании с данными анализа котловой воды;
в) котловые воды должны подвергаться в деповской лаборатории регуляр-
ному химическому контролю (натронное число, хлориды, жесткость).
За сравнительно короткое время эксплуатации уже установлен определен-
ный экономический эффект как в отношении увеличения межпромывочного про-
бега, так и сокращения течи труб, уменьшения простоя на ремонте и экономии
топлива.
Тов. А. С. Огнев в бытность свою машинистом (депо Тула), применяя ан-
тинакипинную смесь, при соответствующем режиме продувок осенью 1936 г. на
паровозе ФД № 1000 впервые установил межпромывочный пробег в 40 800 км.
Достигнутые тт. А. С. Огневым, П. Ф. Кривоносом и другими высокие фор-
сировки и длительные межпромывочные пробеги стали образцом работы для
многих передовых машинистов.
Машинист депо Тбилиси Закавказской ж. д. т. Циклаури, применяя ог-
невско-кривоносовские методы работ, добился межпромывочного пробега 76 312 км.
Машинисты депо Курск железной дороги им. Ф. Э. Дзержинского т. Кондратьев
и Сердюков к 20-й годовщине ленинско-сталинского комсомола довели межпромы-
вочный пробег своего паровоза до 66 000 км, сэкономив при этом 35,5 т угля.
Машинист того же депо т. Ломакин на паровозе за 61 128-кл/ межпромывочный
пробег получил экономию НО т угля.
Машинист депо Лихоборы Московско-Окружной ж. д. т. И. И. Богданов
зимой 1938/39 г. на паровозе проработал без захода в депо 135 суток, пробе-
жав 25 000 км‘, за это время его паровоз сэкономил 100 т угля.
В энергетической промышленности присадка котловой воде фосфатов и
щелочи практикуется при питании стационарных котлов дестиллатом и конден-
сатом с целью защиты их от коррозии, а также с целью доумягчения питательной
воды1.
В практике заграничных железных дорог (США) внутрикотловая обработка
также находит применение, причем признается экономически выгодной для вод
с жесткостью примерно до 8 нем. гр.; для более жестких вод—умягчение. Всостав
смесей в зависимости от качества обрабатываемой воды применяется фосфат нат-
рия, кальцинированная сода, алюминат натрия, каустик и таннин.
1 Внутрикотловая обработка стационарных установок применяется также и на
жел.-дор. транспорте.
Добавка смеси производится на промежуточных пунктах набора воды между
станциями, где работают водоумягчители, или непосредственно в паровозный
котел при помощи специального бачка, или чаще всего в питательную воду в пу-
тевых водоемных баках, из которых она непосредственно подается на паровозы.
Добавка реагентов на ряде таких установок производится автоматически
при помощи насоса, приводящегося в действие от турбинки, или водяного мотора,
через который проходит поступающая в бак вода.
Добавка смеси иногда производится здесь (США) при помощи особых «пи-
тателей», герметически закрытых, загружаемых химикалиями в сухом спрессо-
ванном виде. Струя воды притекает в бачок, растворяет сухое вещество и посту-
пает далее в водяной бак.
РАЗДЕЛ ШЕСТОЙ
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ВРЕМЕННЫЕ
ВОДОСНАБЖЕНИЯ
ГЛАВА I
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
§ 1. Структура управления водоснабжением и организация эксплуатации
Общее руководство жел.-дор. водоснабжением осуществляется в центре
отделом водоснабженияЦентральногоуправления паровозного хозяйства НКПС,
а в управлениях дорог — отделами водоснабжения паровозных служб.
Центральный отдел водоснабжения и отделы водоснабжения приуправлениях
дорог ведают:
1) разработкой и проведением в жизнь всех вопросов и работ по эксплуатации
водоснабжения жел.-дор. станций и населенных пунктов при них;
2) наблюдением за состоянием сооружений и оборудования водоснабжения;
3) ремонтом сооружений, водопроводной сети и оборудования водоснабжения;
4) разработкой планов реконструкции и усиления технического и питьевого
водоснабжения;
5) организацией изысканий в связи с реконструкцией существующих водо-
снабжении;
б) рассмотрением проектов новых и реконструкции существующих водо-
снабжении;
7) наблюдением за новым строительством.
Для наиболее успешного осуществления поставленных задач отделы водо-
снабжения должны возглавлять и направлять стахановское движение и воспи-
тывать кадры.
В круг ведения отделов водоснабжения в НКПС и паровозных служб дорог
не входят вопросы внутреннего оборудования зданий, снабжение водой разъездов
и пр., не имеющих механизированных устройств для подачи воды.
Отделы водоснабжения при паровозных службах дорог осуществляют не-
посредственное руководство всей работой по обеспечению бесперебойности во-
доснабжения в пределах дороги через начальников частей водоснабжения при от-
делениях паровозного хозяйства и соответствующий персонал, находящийся
в ведении последних. Решение вопросов питьевого водоснабжения обязательно
согласовывается с органами санитарного надзора.
Вследствие большого разнообразия условий и объема работы отдельных объ-
ектов жел.-дор. водоснабжения, разбросанных по всей сети железных дорог СССР,
общей структуры, одинаковой для всех объектов водоснабжения при отделениях
паровозного хозяйства, не установлено.
Схема распространенная, но не типовая. В ряде пунктов водоснабжения,
имеющих водоумягчитель, работой последнего руководит не химик, а маши-
нист (следовало бы назвать заведующий водоумягчителей—он осуществляет
руководство работой умягчителя и насосной станции). При подвозке воды
на пункт водоснабжения в штат вводятся проводники вагонов и т. д.
При наличии значительного количества водоумягчителей в штат отдела
водоснабжения дороги вводится инженер по водоподготовке.
29 Водоснабжение
449
Жел.-дор. водоснабжение должно работать без малейших перебоев. Пре-
кращение работы одного из его элементов может повлечь за собой прекращение
подачи воды, нарушение графика движения поездов и работы заводов, депо и пр.
Представляя собой комплексное устройство, все элементы которого должны
работать исправно и с достаточной точностью, жел.-дор. водоснабжение требует
самого тщательного и систематического ухода, регулярных и своевременных ре-
монтов.
§ 2. Пути повышения пропускной способности водоснабжения
Основными элементами, влияющими на пропускную способность водоснаб-
жения, являются: дебит источника, мощность механического оборудования и
расход напорных линий. На пропускную способность водоснабжения влияет
производительность гидроколонн, зависящая от их диаметра, развития (и диамет-
ров) разводящей сети, от высоты и удаленности напорного резервуара. Большое
значение имеет качество воды. При неудовлетворительном качестве воды тре-
буется больший ремонт паровозов и, следовательно, большее их количество.
Повышение пропускной способности водоснабжения должно быть предметом
особого внимания и может быть достигнуто путем правильной постановки эксплу-
атации, проведения капитальных работ и мерами временного характера.
При недостаточности дебита поверхностного источника мерами повышения
дебита могут быть очистка русла, постройка плотин и т. д.
Для источников, питающихся атмосферными водами и наполняющихся глав-
ным образом во время весенних паводков, мерами к увеличению запаса воды мо-
гут быть: устройство новых и наращивание существующих плотин (при достаточ-
ности питающего бассейна), очистка водоемов от ила, устройство зеленых насаж-
дений и укрепление грунта (размываемого потоками стекающей воды) в отдель-
ных местах водосборной площади и т. д.
В ряде пунктов водоснабжение основано на заборе воды из озер, имеющих
огромную поверхность зеркала и очень незначительную глубину. После весеннего
паводка примерно до середины лета эти озера имеют довольно большой объем
воды, но вследствие большой площади испарения и малой глубины к концу
лета запас воды значительно снижается, а с наступлением зимы озера
промерзают до дна.
Во избежание перерыва в водоснабжении на станциях, снабжающихся водой
из таких источников, устраиваются иногда котлованы емкостью в десятки тысяч
кубических метров. Весной или в начале лета эти котлованы наполняются водой
из соседнего озера, а в зимнее время после промерзания озер служат основным
источником водоснабжения. При использовании подземных источников дебит
их иногда может быть увеличен без особо больших затрат.
При недостаточной производительности механического оборудования насос-
ных станций для временного повышения пропускной способности впредь до осу-
ществления работ по расширению иногда практикуется форсированная работа
насосных агрегатов, работа резервных агрегатов и т. д. Это налагает особые
требования к надзору за работающими агрегатами. Правильной мерой является
своевременная замена агрегата на более мощный. Однако в ряде случаев агре-
гаты не используются полностью.
При определении пропускной способности необходимо принимать 23 часа
работы агрегата при двойном оборудовании, 23 часа работы двух агрегатов при
трехкомплектном оборудовании. Необходима соответствующая форсировка кот-
лов (паровое оборудование) и т. д. Необходимо практически проверить макси-
мальную производительность, которую можно получить на данной установке, и
принять меры к прекращению излишнего расхода воды из кранов, трубопроводов
для охлаждения двигателей и т. д.
При двух одинаковых напорных линиях определение пропускной способ-
ности напорных линий производится при работе одной линии, при разных диа-
метрах — при работе большей, при наличии переключений расчет ведется на
обе линии без одного участка переключения.
Увеличение пропускной способности напорной линии связано с повышением
скорости в ней и давления. Скорость движения воды, как правило, можно допу-
стить не более 3 м/сек с тем, чтобы давление не превышало допускаемого для
данных труб. Заблаговременно подготовив рабочую силу и все материалы, необ-
ходимые для быстрой ликвидации возможных прорывов, постепенно повышают
давление в напорной линии до требуемого. Это мероприятие можно проводить
только при применении всех мер предосторожности, устраняющих возможность
перерыва водоснабжения. Испытание линии на повышенное давление должно
производиться при заполненных резервуарах и по возможности в часы мини-
мального водоразбора.
В тех случаях, когда напорная линия загрязнена или находится в неудовлет-
ворительном состоянии, значительный эффект могут дать промывка и капитальный
ремонт линии. При наличии на данном пункте двух или трех напорных линий, не
имеющих переключений, пропускная способность может быть увеличена путем
устройства переключений между линиями. Как уже указано, имея такие переклю-
чения, можно вести расчет на работу всех напорных линий без одного участка,
так как при аварии трубопровода выключается не целиком вся напорная линия,
а лишь тот участок между переключениями, на котором произошла авария.
Если проведение указанных мероприятий (повышение скорости и давления,
промывка линии, устройство переключений и т. д.) не обеспечит полностью необ-
ходимой пропускной способности, то осуществляется прокладка новой напорной
линии. В некоторых случаях вместо прокладки дополнительной напорной линии
большой длины, стоимость которой весьма значительна, может явиться более
рациональным устройство на станции запасного резервуара большой емкости
(на двое суток). Этот резервуар, пополняемый в часы минимального водоразбора,
даст возможность иметь на станции постоянный запас воды, достаточный для
снабжения станции на время ликвидации аварии на напорной линии или на го-
ловных сооружениях.
Увеличение производительности гидроколонн достигается главным образом
путем перекладки части линии разводящей сети на линии большего диаметра и
путем кольцевания сети, т. е. подвода воды к колонке с двух сторон, иногда пу-
тем наращивания водонапорных башен с установкой в них дополнительных ба-
ков для воды и путем постройки вблизи колонок ускорителей. Некоторое увели-
чение пропускной способности водоснабжения участка может быть достигнуто
введением временного ограниченного набора воды на пункте недостаточной мощ-
ности водоснабжения с учетом соседних (более мощных) пунктов водоснабжения.
Эта мера может приниматься лишь в исключительных случаях, так как может
повлечь за собой нежелательные последствия (если некоторые машинисты будут
стараться набрать полный тендер воды, то паровозы, прибывающие вслед,
могут остаться без воды); поэтому на определенный период здесь необходимо круг-
лосуточное дежурство водоливов. При введении такого ограниченного набора во-
ды требуются неослабное наблюдение и принятие мер, полностью гарантирующих
бесперебойность работы соседних пунктов водоснабжения, за счет которых вве-
дено ограничение набора воды, ибо паровозы прибывают на эти пункты с мини-
мальным запасом воды и самый незначительный перебой в их работе может при-
вести к нарушению графика.
Жел.-дор. водоснабжение располагает значительными неиспользованными
резервами для повышения пропускной способности. Сюда относятся:
1) правильное и полное использование мощности оборудования и устройств
(работа при наилучших к. п. д. агрегатов, правильном числе оборотов двигате-
лей, необходимом давлении пара, правильной подаче топлива для двигателей
внутреннего сгорания, увеличенной скорости фильтрации и т. д.);
2) улучшение обслуживания устройств (содержание в исправности водоза-
борных и прочих сооружений и устройств, содержание в должном состоянии за-
груженных в фильтры фильтрующих материалов, своевременная и правильная
заброска топлива в котлы и питание котлов водой, регулирование тяги, очистка
котлов, своевременный предупредительный ремонт, правильный уход за обору-
дованием);
3) уменьшение расхода топлива и энергии (правильная организация и со-
держание складов топлива и хранения, выгрузки, перегрузки его и пр., устрой-
ство изоляции паропроводов, паровых цилиндров и пр., правильное обслужива-
ние топки, применение антинакипинов, подогрев питательной воды, правильное
содержание парораспределительных устройств, устранение пропусков пара и
утечки воды, работа на наиболее выгодных участках кривой ОН центробежных
насосов и т. д.);
4) изучение технологического и гидравлического режимов работы соору-
жений по обработке воды в целях максимального их использования, а также в це-
лях рационализации технологического цроцесса, снижение расхода воды на соб-
ственные нужды станции (промывка и пр.) и еще целый ряд больших и малых ме-
роприятий, очень важных для бесперебойности работы и увеличения пропускной
способности водоснабжения.
Дальнейшее развитие и улучшение работы жел.-дор. водоснабжения должно
итти по следующим направлениям:
1) обеспечение безаварийной и бесперебойной работы насосных станций,
сооружений для обработки воды и сети со всеми устройствами;
2) улучшение физико-химических и бактериологических (питьевая вода)
свойств воды (прозрачность, цветность, жесткость, окисляемость, титр коли
и пр.) — борьба за качество воды;
3) улучшение гидравлического режима работы сети (мероприятия против
гидравлических ударов и т. д.);
4) дальнейшее вскрытие неиспользованных мощностей и повышение произ-
водительности оборудования и отдельных сооружений водоснабжения;
5) рационализация технологического процесса (умягчение воды, обезжеле-
зивание и т. д.);
б) снижение удельных расходов энергии, топлива, реагентов, пр мывной
воды и пр.; снижение процента утечки воды;
7) повышение качества планово-предупредительного и текущего ремонта;
своевременная подготовка сооружений к работе их в зимних условиях. Особое
внимание следует уделить внедрению механизации на водопроводных работах
и на эксплуатации водопроводных сооружений (подача топлива, реагентов и пр.).
§ 3. Надзор за источниками и работой водоприемных сооружений
Не реже одного раза в три месяца начальником отделения паровозного
хозяйства производится осмотр источников водоснабжения, водокачек, гидро-
колонн, водонапорных резервуаров.
Наблюдения за источниками и водозаборными
сооружениями. Одним из основных элементов жел.-дор. водоснабжения,
от состояния которого в первую очередь зависит нормальная работа пункта водо-
снабжения, является источник; большое число длительных перебоев в водоснаб-
жении железных дорог было связано с источниками водоснабжения. Высыхание
источника летом, вымерзание его зимой, резкое падение уровня воды в межень,
отход русла реки от водоприемных сооружений — причины, которые приводили
иногда к длительному прекращению работы водоснабжения, вызывая необходи-
мость подвоза воды за десятки километров и набора воды на вспомогательных
пунктах водоснабжения. За источниками водоснабжения, за их режимом необ-
ходимо вести постоянное наблюдение.
Испытание ненадежных источников или источников с недостаточным дебитом
производится не реже двух раз в год. Мощные и вполне надежные источники пе-
риодических испытаний не требуют.
Методы и время испытания источников намечаются и указываются началь-
ником отдела водоснабжения дороги в соответствии с родом источника и мест-
ными условиями. Самые испытания ведутся под руководством начальника час-
ти водоснабжения отделения паровозного хозяйства.
В акте испытания указываются:
1) дата испытания;
2) наименование пункта водоснабжения;
3) название источника;
4) метод испытания источника;
5) дебит источника.
При испытании источника водоснабжения и определении степени обеспечения
им потребностей в воде того или иного пункта следует иметь в виду не только пот-
ребность текущего года, но и перспективы на будущее.
Пруды и водохранилища, служащие источниками водоснабжения, должны
периодически очищаться от скопляющегося в них ила; в противном случае имеет
место уменьшение емкости, а загнивание органических веществ (скопляющихся
в пруде) ведет к ухудшению качества воды, делая ее мало пригодной или совсем
не пригодной для использования.
Очистка прудов и водохранилищ может производиться ручным способом
(черпаками) и механизированным при помощи дноуглубительных снарядов (зем-
лечерпалок, землесосов и т. п.). Очистка водохранилища ручным способом в за-
висимости от местных условий может производиться с выпуском воды и без вы-
пуска. Ручной способ обычно требует затраты больших средств и времени, а вы-
пуск воды в некоторых случаях может быть связан с прекращением водоснабжения
и явл ться менее желательным. Механизированная очистка более эффективна.
Следует уделять серьезное внимание некоторым мероприятиям, уменьшаю-
щим заиливание и загрязнение водохранилища. К числу таких мероприятий
могут быть отнесены: запрещение запашки земли в определенных границах,
устройство зеленых насаждений, травосеяние, те или иные устройства в балках,
выходящих в водохранилище, обусловливающие уменьшение скоростей движе-
ния воды (фашинные перепады, плетни и т. д.).
Серьезным вопросом при эксплуатации водохранилища является своевремен-
ное проведение описанных ранее мероприятий по борьбе с цветением воды.
Особое внимание при эксплуатации водоснабжения должно уделяться водо-
заборным сооружениям, отличающимся часто значительной стоимостью и слож-
ностью постройки и эксплуатации. Расположенные в значительной своей части
под водой при отсутствии ухода за ними и запущенности, эти сооружения под дей-
ствием воды и льда могут разрушаться. Восстановление их обычно затруднительно
и зачастую сопряжено с необходимостью длительного перерыва в их работе или
(редко) с необходимостью постройки новых водозаборных сооружений.
Необходим тщательный надзор за работой водозаборных сооружений, осо-
бенно в зимнее время и в период паводка, и своевременный ремонт по обнару-
жении дефектов. Необходима своевременная околка льда у водоприемных ого-
ловков, свай и т. д.
Водозаборные сооружения нуждаются в систематической очистке их от
ила. Очистка должна производиться в первую очередь после паводков, а в осталь-
ное время года — в зависимости от количества ила. Скопление ила в колодце
может отражаться на качестве воды. Кроме того, ил может вместе со всасывае-
мой водой попадать через насосы в напорную линию.
Удаление ила из колодцев может производиться вручную, при помощи чер-
паков или при помощи эжектора. Последний способ, требующий незначи-
тельного времени и дающий значительно лучЩий эффект, должен получить са-
мое широкое распространение.
Самотечные открытые галлереи очищаются вручную.
Самотечные линии, состоящие из труб, промываются током воды. Перед
промывкой закрывают задвижку на самотечной линии и прекращают доступ
воды в береговой колодец из источника. Насосами насосной станции понижают
уровень воды в колодце насколько позволяет расположение всасывающего кла-
пана и затем быстро открывают задвижку на самотечной линии. Вследствие зна-
чительной разницы уровня воды в источнике и в колодце вода с большой скоро-
стью устремится в колодец и смоет находящиеся в самотечной линии осадки.
Более совершенной является промывка самотечной линии обратным током
воды из напорного трубопровода или водой, подаваемой насосом под значительным
напором; ил, водоросли и пр. при этом хорошо смываются.
§ 4. Уход за плотинами
Большое число водоснабжении на жел.-дор. транспорте имеет плотины для
накопления запасов воды или повышения уровня воды в источнике, поэтому
правильная эксплуатация плотин, содержание их в удовлетворительном состоя-
нии и работа их во время паводка, ледостава, ледохода и пр. являются очень
важными для бесперебойности водоснабжения.
Встречаются случаи повреждения земляных плотин во время паводков и
ледохода, случаи сильной фильтрации через тело плотины и т. д.
Для правильной эксплуатации необходим ряд данных по плотине и водоему,
месте расположения плотины, о водозаборных сооружениях и насосной станции
с указанием границ затопления паводками и пр., отметки наивысшего и наиниз-
шего уровней воды; данные о питании водоема, о грунтах, о проходе высоких
вод, ледоставе, ледоходе, заиливании, произведенных очистках и ремонтах.
Необходимы чертежи и описание плотины.
Уход за плотиной должен состоять из:
а) повседневных наблюдений;
б) периодических осмотров;
в) подготовительных работ к пропуску паводков;
г) своевременного ремонта, особенно после паводка.
Во время осмотров плотины отмечается состояние самой плотины, откосов
(важно, чтобы не было сползания откосов), водоспуска и водослива; обращается
внимание на отсутствие просачивания воды, на состояние каменной или иной
кладки, затворов водоспуска, приспособлений для их подъема и т. д.
Обращается внимание на сброс воды, поступающей выше подпорного го-
ризонта, на возможность затопления гребня земляной плотины, ибо перелив
воды через гребень земляной плотины разрушает плотину, и т. д.
В новых плотинах следует особое внимание обращать на возможность фильт-
рации в элементах сооружения, где соприкасаются разнородные материалы. Необ-
ходимо следить за местами сопряжения тела плотины с берегами, водосливными и
водоспускными сооружениями и т. д.
Повседневное наблюдение за состоянием берегов должно предупредить по-
вреждение их, обвалы, размывы, загрязнения. Необходимо следить за уровнем
воды (по рейке), отмечая таковой в журнале (особенно во время полых вод и лив-
ней).
Правильная эксплуатация плотин требует срочного удаления обнаружен-
ных повреждений и неисправностей.
Периодические осмотры должны производиться весной до прохода полых
вод, летом перед обычно наступающим периодом ливней, в конце осени до ледо-
става, а также после больших паводков, сильной подвижки льда и т. д.
Необходимо периодическое обследование вышележащих плотин. Прорывы
вышележащих плотин могут повлечь за собой разрушение нижележащей плотины
жел.-дор. водоснабжения. Иногда необходимо производить очистку оголовков
водозаборных сооружений или самого водоема с использованием водоспускных
устройств (при обеспечении снабжения водой паровозов из резервных устройств
или на соседнем пункте водоснабжения, как об этом частично уже указывалось).
Большое значение для предупреждения выноса в водоем загрязняющей его
взвеси имеют работы по укреплению склонов и промоин кустарником, плетнями
и пр.; по той же причине не следует допускать на крутых склонах вблизи водо-
ема снятие дернового покрова, распашки и пр.
Подготовка плотины к пропуску полых вод. Под-
готовка плотины к пропуску полых вод — один из ответственных моментов
эксплуатации. Ее следует начинать примерно за месяц до намечающегося начала
прохода этих вод. Сведения об ожидаемых сроках подвижки льда, половодья и
ожидаемом подъеме воды в водоеме должны получаться от жел.-дор. или иных
организаций, ведущих гидрометеорологические наблюдения. До наступления по-
ловодья необходимо организовать и инструктировать бригаду, на обязанности
которой лежат подготовка к пропуску вод и работа во время пропуска вод.
Подготовка к пропуску вод заключается в очистке от снега гребня и откосов
дамбы земляной плотины, в околке льда у свай ледорезов и пр., в колке льда для
предотвращения образования ледяного затора и в отдельных случаях — в орга-
низации соответствующих подрывных работ; кроме того, очищаются от снега
водосливные и водоспускные устройства, приводятся в порядок щиты, шандоры,
механизмы для управления ими и пр., исправляются замеченные повреждения
и неисправности, заготовляется необходимый материал: доски, бревна, камень,
мешки и инструменты.
Работа во время пропуска вод состоит в дежурстве на плотине, наблюдении
за проходом вод, подъеме щитов, а при опасности перелива воды через гребень
земляной плотины — в повышении гребня плотины укладкой мешков с землей,
укладкой досок с подсыпкой земли и т. д.
При намечающемся размыве плотины нужно защищать тело плотины от даль-
нейшего разрушения мешками с землей или иными средствами.
Те же работы выполняются и при пропуске ливневых паводков (кроме работ
по околке льда и очистке снега).
После паводка необходимо осмотреть все устройства и по обнаружении по-
вреждений произвести ремонт и исправления гребня дамбы и откосов плотины,
водоспускных, водосливных и прочих устройств, трещин, выявившихся в сопря-
жении, например, каменных частей сооружения с земляными дамбами, и т. д.
Для ликвидации прорыва в земляной плотине в отдельных случаях может
понадобиться устройство временной перемычки, для чего впереди плотины на
расстоянии 0,5 м друг от друга забиваются колья, укладываются мешки с грун-
том, далее вновь засыпаемые грунтом.
§ 5. Эксплуатация сети. Борьба с утечкой воды
На каждой жел.-дор. станции должен быть план наружной сети с обозна-
чением длин, диаметров и материала труб, мест установки гидроколонн и настен-
ных кранов, водозаборных колонок, перронных и других кранов и пожарных ги-
дрантов с указанием ответвлений в депо, здания и т. д.
При наличии на сети переходов под полотном железной дороги, галлереи,
кожухов, дюкеров и т. д. последние показываются на чертеже сети и на отдель-
ных чертежах. Кроме нанесения узлов и колодцев на чертеже сети должны быть
отдельные чертежи по каждому узлу с показанием» всех задвижек, фасонных
частей, водомеров и пр.
При наличии раздельных —питьевого и технического — водоснабжении на
плане должны быть нанесены обе сети (различно обозначенные). Если отдельные
участки сети работают в особых условиях (подвержены затоплению, проложены
на специальном основании, замерзают при низкой температуре), то это должно
быть особо обозначено.
При наличии питьевой и технической сети соединение между ними, как
правило, не допускается.
Уход за водопроводной сетью состоит: в ежедневных наблюдениях за ней
и мелких ремонтах, в систематической плановой проверке исправности и ре-
монте отдельных элементов сети, арматуры и пр., проводимых 3 — 4 раза в те-
чение года (особенно весной и осенью перед подготовкой к зимним условиям
работы), в борьбе с утечками и непроизводительными расходами, в своевремен-
ной промывке и прочистке трубопроводов, а также в самой подготовке сети к зим-
ним условиям работы.
Повседневное наблюдение за сетью осуществляется при обходе отдельных
участков линий, осмотре поверхности земли, колодцев и арматуры. Ведутся наблю-
дения за работой гидроколонн (время набора воды паровозами), наблюдения
за работой насосов (при прорывах на сети манометр изменяет показания)ит. д.
При повреждении труб на поверхности земли в колодцах и близко располо-
женных канавах может появиться вода; иногда при соответствующих рельефе
и грунтах вода появляется на некотором расстоянии от места прорыва вследствие,
например, просачивания в грунт. Просачивание воды из поврежденной трубы
следует отличать от попадания грунтовой воды в водопроводные колодцы; для
этого необходимо хорошо знать обычное состояние колодцев, грунты, грунтовые
воды и все местные условия.
К числу неисправностей и повреждений на сети относятся трещины и ра-
ковины в трубах и раструбах, расстройство раструбов (заделка) и фланцевых
соединений (ржавление болтов) и неисправности задвижек (не вращаются, плохо
закрываются), воздушных вантузов (не выпускают воздух), предохранительных
клапанов (не открываются при определенном давлении) и водомеров (механизм
сработался или загрязнен и дает неправильные показания).
Особое место занимают всасывающие линии; здесь может быть неисправным
клапан (пропускает воду) или какое-либо соединение труб (пропускает воздух
при работе насоса).
Требования бесперебойности водоснабжения делают необходимым срочное
выполнение ремонта сети в соответствии с замеченными неисправностями. Пос-
ледний в некоторых случаях требует предварительного выпуска воды из
линии, а в иных—значительных земляных работ для отыскания места поврежде-
ния, часто не совпадающего с местом выхода воды после прорыва наружу; далее
проводится самый ремонт (смена трубы или вырубка части ее, заделка стыка).
Гидроколонна, настенный кран и пожарный кран требуют в эксплуатации
особого внимания. Необходимо обеспечить легкость вращения стояка гидроко-
лонны с хоботом и настенного крана, надежность крепления и исправность фун-
даментной плиты, опорного подшипника и уплотняющего сальника, исправность
печи с кожухом у гидроколонны и т. д. Задвижки и приспособления для выпуска
воды из гидроколонны, предохранительный клапан и т. д. должны быть в исправ-
ном состоянии. Сигнальные фонари на гидроколонне и настенном кране должны
быть всегда исправны и своевременно зажигаться и тушиться.
Производительность гидроколонны и настенного крана и время набора воды
могут периодически проверяться при помощи замера уровня воды в баке водона-
порной башни. Но такой замер при утечке в разводящей сети может дать невер-
ные результаты, поэтому следует рекомендовать определение производительности
гидроколонны по калиброванному тендеру.
Периодическая проверка наружных (и внутренних) пожарных кранов произ-
водится по согласованию с органами пожарного надзора.
Проверка исправности пожарных гидрантов состоит в осмотре самих кранов
с целью выявления необходимого ремонта и в выпуске через них воды при нор-
мальной работе сети и наблюдении за мощностью получаемой струи.
Рекомендуется обязательный обход сети после таяния снега, в конце осени
в связи с подготовкой сети к зимней работе, а также в начале зимы до покрытия
мест прокладки снегом.
О всех неисправностях должны быть сделаны соответствующие записи вместе
с отметками о необходимых ремонтах и сроках их выполнения и особо указаны
случаи замерзания, аварий, повреждений и т. д.
Борьба с утечкой воды. Определение герметичности
сети
Герметичность сети — одно из основных требований надежности ее работы.
Утечка воды при нарушении герметичности при внешних осмотрах мест про-
кладки может быть не обнаружена. Периодически герметичность и размер утечки
могут быть устанавливаемы в результате соответствующих испытаний.
Испытание всасывающей линии на герметичность проще всего произвести
путем опрессовки линии небольшим давлением (в 2 —3 ат), осуществляемой руч-
ным гидравлическим насосом. При этом на всасывающей линии должен быть уста-
новлен манометр (вакуумметр снят или закрыт его краник) и предварительно
проверен приемный клапан. Если последнее не выполнено, опрессовка покажет
исправность всасывающей линии вместе с приемным клапаном или просачивание
воды в них. В открытых для осмотра местах герметичность всасывающего
трубопровода может быть проверена при работе насоса приближением неболь-
шого пламени (спички, свечи) к соединениям труб и фасонных частей. При
отсутствии герметичности в соответствующих местах засасывается воздух и
это легко обнаруживается по отклонению пламени.
При профиле, представляющем подъем к водонапорной башне, герметич-
ность напорной линии может быть проверена по манометру у насоса при прекра-
щении его работы и выключении всей разводящей сети и отдельных ответвлений;
размер утечки, если она значительна, может быть определен по падению уровня
воды в баке водонапорной башни или по падению давления, показываемого мано-
метром.
При профиле согласно фиг. 483 проверка может основываться на показаниях
манометров у насоса и башни (отключенной). Например, при выключении насоса
и башни манометр у насоса показывает статическое давление Лх, при наличии
утечки показания манометра через некоторый промежуток времени /?а. В течение
времени наблюдения вода ушла к точке к, которая находится на профиле. Из-
мерив соответственную длину участка и зная диаметр труб, определяют объем
ушедшей веды.
Указанные испытания возможны после предварительной проверки плот-
ности задвижек. В последнем убеждаются или прослушиванием задвижек или
п о отсутствию за закрытой задвижкой истечения воды из водоразборных или
иных кранов. Указанные определения утечки не могут быть точными, потому
что при работе насоса он развивает напор больше статического, следовательно,
и величина утечки в этом случае будет большей.
При прорыве напорных линий с большим давлением, это может быть обна-
ружено на некотором расстоянии от места прорыва в результате детального
осмотра места укладки линий. Таким образом, детальный наружный осмотр
поверхности земл и в местах укладки напорных линий позволяет обнаружить
прорыв. В водопроницаемых грунтах это, естественно, невозможно. Иногда
осмотр канализационных колодцев приводит к выводу об утечке из близраспо-
ложенной водопроводной трубы (в колодце наблюдается чистая вода).
Герметичность и утечка на отдельных участках разводящей сети могут быть
определены при отключении напорной линии от бака башни и прекращении от-
пуска воды потребителям (вообще это возможно в редких случаях). Чаще утечка
определяется при выключении потребителей по водомерам, также предварительно
проверенным.
Разность показаний двух водомеров дает утечку на участке сети за время ис-
пытания, н о так как чувствительность водомеров при прохождении через них
малых струй незначительна (потребитель выключен, имеет место лишь утечка
воды на испытуемом участке) и всякий водомер дает некоторую ошибку в показа-
ниях, то способ этот не дает совершенно правильных результатов. Необхо-
димо пользоваться в таких случаях комбинированными водомерами, учитываю-
щими также и малые струи.
Определяя манометрами давления в последовательных точках линии и
учитывая при этом изменения рельефа, можно также обнаружить утечку (места
с резко понижающимся давлением).
При испытании потребители должны быть выключены. Существуют методы
определения мест утечки (нарушение герметичности сети) приборами, дей-
ствие которых основано на явлениях акустики (геофон, статоскоп). Приборы
эти на жел.-дор. транспорте в СССР распространения не получили.
§ 6. Учет воды
Вода для технических и хозяйственно-питьевых нужд требует значительных
материальных затрат по строительству и эксплуатации сооружений для ее
приема, подъема, обработки и распределения. Согласно потребности выбираются
источники и проектируются сооружения. Нормы учитывают лишь необхо-
димый расход и в случае большого непроизводительного расхода, бесконтрольной
траты воды и т. д. помимо нежелательных и недопустимых материальных
потерь отдельные потребители воды могут быть поставлены в чрезвычайно
тяжелое положение.
Вода представляет материальную ценность и требует строгого учета ее.
Измерение расхода воды производится при помощи водомеров различных си-
стем.
Установка водомеров на сооружениях и у потребителей всегда ведет к сни-
жению расходов воды, так как только этим способом можно установить утечку
воды или ничем не оправдываемый расход и устранить их. Если необходимость
установки водомеров у потребителей достаточно осознана, то учет перекачивае-
мой воды насосной станцией и учет сырой и обработанной воды на станциях об-
работки воды далеко не всегда осуществляются. Подача воды насосами
жел.-дор. насосных станций учитывается часто неправильно: по характеристике
насосов, по расходу электроэнергии, по уровням воды в резервуаре, по числу
оборотов и двойных ходов насосов и т. д.
Совершенно ясно, что такой способ учета не может привести к желаемой цели.
Необходима установка водомеров у потребителей, на каждой насосной станции,
станции для обработки воды независимо от их величины и производительности.
Испытательные станции для водомеров. Устанавли-
ваемые водомеры снабжаются паспортом, составленным на основе испытания на
заводской испытательной станции, и поэтому обычно не вызывают сомнения в точ-
ности учета при их установке. Однако с течением времени водомеры уменьшают
точность показаний. Необходимы постоянный контроль, наблюдение и регуляр-
ная проверка водомеров. Для малых водомеров (до 40 мм) эта проверка произ-
водится не менее одного раза в 3 года, для больших — один раз в 1 — Р/2 года.
Проверку производят на специальных испытательных станциях.
Для водопровода с большим количеством водомеров такая испытательная
станция является совершенно необходимой. Пропускная способность станции
должна соответствовать количеству водомеров, подлежащих испытанию.
При испытательной станции должны быть предусмотрены ремонтная водо-
мерная мастерская, склад для водомеров и запасных частей.
На испытательных станциях размеры бака, стола, диаметр трубопроводов
и пр. устанавливаются в зависимости от типов и калибров испытуемых водоме-
ров. Испытуемый водомер закрепляется специальным зажимным приспособле-
нием на испытательном столе. Проверка ведется сравнением фактического расхода,
определяемого приборами, с показаниями водомера.
§ 7. Очистка, промывка и дезинфекция труб
В зависимости от качества воды, скоростей движения воды в трубах сети и
начертания сети (кольцевая, тупиковая) внутренняя поверхность труб может
в большей или меньшей мере покрываться осадками, рыхлыми или твердыми от-
ложениями и т. д., при этом увеличивается потеря напора, уменьшается пропуск-
ная способность.
Обычно, при наличии значительного количества взвешенных веществ и ма-
лых скоростях движения, в трубопроводах отлагаются осадки.
Известны случаи, когда сечения трубопроводов в короткие сроки резко
уменьшались (например в результате деятельности железобактерий в воде,
содержащей железо). В жел.-дор. водоснабжении после умягчения воды содово-
известковым способом трубопроводы часто загрязняются вследствие довыпа-
дения в них осадков. Сказанное приводит в ряде случаев к необходимости перио-
дической очистки и промывки сети, а для сети питьевой воды — еще и к последую-
щей дезинфекции ее.
Рыхлый осадок может быть промыт при движении воды с большими скоро-
стями и при движении в обратном направлении. Первое достигается включением
всех насосов в работу, выключением всех напорных линий кроме одной промы-
ваемой, выключением ряда участков разводящей сети и выоуском воды через от-
дельные грязевики, пожарные гидранты, корпуса задвижек (верхняя часть и
клин задвижки при этом снимаются) и т. д.
Движение воды в обратном направлении может быть осуществлено в напор-
ном водоводе обратным током воды из бака водонапорной башни с выпуском воды
по особому трубопроводу, предусма-
триваемому для этой цели в насосной ______Л ____________й____________С
станции. О промывке следует изве- С® оьгт ®
стить потребителей и в отдельных
случаях принять меры к прекраще- Фиг. 484
нию разбора воды из тех или иных
участков сети, так как промывка может вызвать резкое ухудшение свойств воды
в определенных участках в течение небольшого промежутка времени (со стенок
труб смываются осадки).
При несколько более твердом осадке или при невозможности получить до-
статочно большие скорости, промывка может производиться током воды с ледя-
ными шарами диаметром на 15 — 20 мм меньше диаметра трубы.
На фиг. 484 показана схема такой промывки, осуществленной на одной из
станций Октябрьской ж. д. Диаметр трубопровода равен 150 мм\ ВС — тупик,
В и С — пожарные краны, А — задвижка. Закрыв задвижку А, разобрали по-
жарный кран В, впустили в линию два ледяных шара диаметром каждый
около 135 мм и вновь собрали пожарный кран.
Открыв задвижку А, выпускали воду через стендер на пожарном кране С.
Наличие ледяных шаров ведет к сужению сечения и увеличению скорости дви-
жения воды, способствующему промывке трубы от осадков. Осадок, более
прочно отложившийся на стенках трубы, в результате механического воздействия
шара на него и вследствие увеличенных скоростей движения воды смывается.
Фиг. 485
Для удаления твердых осадков или попавших посторонних предметов в
трубу через специальный тройник можно пропустить деревянную пробку, укреп-
ленную на тросе (фиг. 485). Диаметр пробки примерно на 25 мм меньше внут-
реннего диаметра трубы.
Между двумя половинами деревянной пробки зажата резина диаметром на
10 — 15 мм меньше диаметра трубы. При больших отложениях на трос можно
укрепить две пробки: первую без резины, вторую с резиной. Такой способ требует
вытаскивания пробки после промывки обратно, в то время как ледяной шар этого
не требует — он тает. Вместе с деревянной пробкой на тросе можно пропускать
специальную стальную щетку диаметром несколько меньшим диаметра трубы.
За границей для очистки труб от твердой инкрустации на них применяют особые
аппараты, приводимые в трубе во вращательное движение специальными водяными турбин-
ками, работающими вследствие давления воды в трубопроводе. Комбинированный вращаю-
щийся скребок срезает отложения на стенках трубы. В этом случае на линиях труб
устанавливаются специальные тройники.
Чаще всего за границей этот метод очистки осуществляется специальными фирмами,
принимающими на себя всю работу по прочистке труб.
Промывку и очистку труб следует вести отдельными участками и во всяком
случае так, чтобы это не отразилось на наборе воды паровозами.
В случае прочистки сети питьевой воды или сети для производственных и
питьевых нужд (так же как после укладки новых труб) после промывки необ-
ходима дезинфекция, осуществляемая впуском в сеть раствора хлорной извести.
Доза активного хлора 15—20 мг/л. Вначале идет промывка раствором, затем
(в зависимости от степени загрязнения труб) раствор оставляется на некоторое
время в трубах и далее трубы вновь промываются водой. В зависимости от резуль-
татов химико-бактериологического исследования воды в трубопроводе после его
дезинфекции последний может быть включен в эксплуатацию.
§ 8. Подготовка сети к зимним условиям ее работы и мероприятия
по отогреванию замерзших труб
Устройства водоснабжения должны быть в таком состоянии, которое гаран-
тировало бы непрерывность работы в наиболее тяжелый зимний период. Во из-
бежание перебоев летом и осенью должны быть проведены все необходимые
работы по приведению всех элементов водоснабжения в образцовое состояние.
В районах, где зимой возможно замерзание сети, осенью проводится ряд
мероприятий по ее утеплению. Осматриваются колодцы и крышки на них, уста-
навливаются настилы примерно на глубине 0,75 — 1 м от верха колодца; поверх
настила насыпается материал, плохо проводящий тепло, как то: опилки, торф,
мох, солома и пр. То же обязательно выполняется в колодцах у гидравлических
колонн, пожарных и иных кранов, причем проверяется исправное действие уст-
ройств, служащих для отвода воды. В особенности это важно для колодца-фун-
дамента гидроколонны, где помещается сальник, так как при наличии образовав-
шегося льда может быть затруднено поворачивание колонны при наборе воды
паровозами. В случае замерзания настенного крана его обливают горячей водой
или под ним располагают раскаленный уголь.
Если в месте, где проложен трубопровод, была произведена выемка грунта,
то необходимо досыпать грунт до соответствующей отметки. В тупиках и участ-
ках с небольшим расходом воды во время морозов производится частый выпуск
небольших количеств воды. Необходимо следить за нормальной работой домовых
ответвлений, ибо если они замерзнут, то может замерзнуть и линия наружной сети.
Отогревание замерзших труб должно производиться возможно быстро;
отогревание замерзших труб достигается введением в них горячей воды,
нагретого воздуха или пара.
На фиг. 486 изображен передвижной котел для подогрева воды. Горячая
вода может подаваться небольшим пожарным насосом, к которому присоединен
пеньковый рукав. Последний снабжен специальным наконечником, вставляе-
мым через какое-либо отверстие в отогреваемую трубу. Горячая вода расплавляет
ледяную пробку.
В практике известен случай (б. Забайкальская ж. д.) отогревания замерз-
ших труб нагретым воздухом. В пониженном месте линии вскрывается труба на
длине около 1,5 м и делается небольшое отверстие, через которое удаляется
имеющаяся в ней вода (откачиваемая из траншеи).
При обнаружении в отверстии льда сюда 25-лглг газовой трубой подводится
воздух (фиг. 487). Труба эта имеет значительную длину и подогревается на по-
верхности земли в нескольких местах на кострах. Давление в трубе не допускают
свыше 3 — 4 ат. Лед в отогреваемой трубе быстро тает. Недостатками этого
способа следует считать необходимость вскрывать небольшой участок трубы
(при наличии смотрового колодца в пониженном месте замерзшего трубопровода
в этом нет необходимости), значительный расход топлива и т. д.
За границей используют небольшие передвижные котлы и отогревают трубы
паром.
В последние 10 лет получил распространение способ отогревания труб элек-
трическим током, сущность которого заключается в использовании джаулева
тепла при пропускании тока по трубе, включаемой в электрическую цепь. Спо-
соб этот совершенно не требует земляных работ; включение трубы в цепь произ-
водится присоединением замерзшего участка ее между двумя смотровыми колод-
цами, в которых провод от трансформатора присоединяется при помощи особых
хомутов к задвижке, крану и т. д. Указанный способ весьма прост и экономичен.
Он требует тока в 120 — 220 в и понизительного трансформатора примерно до
10 — 30 в. Потребная сила тока 200 — 400 а в зависимости от диаметра труб и
длины отогреваемых участков.
Участок длиной в 50 — 100 м можно отогреть в несколько минут (не считая
времени на подвозку трансформатора, включение его в сеть и включение в элек-
трическую цепь трубопровода). При возможности использования на станции
электрического тока последний способ является наиболее рациональным.
Вскрытие труб зимой является весьма трудоемким и дорогим процессом,
так как обычно требует длительного оттаивания грунт а над трубой (иногда до
10 час. и более) при помощи костров, жаровен и т. д. и большого расхода топлива.
Фиг. 486
Фиг. 487
Оттаивание грунта производится значительно совершеннее прогреванием
его паровыми иглами. Эти иглы могут быть изготовлены из газовых труб и имеют
на конце стальные наконечники диаметром 25 мм с отверстиями 3 — 4 мм.
Пропаривание грунта производится одновременно в нескольких точках в
зависимости от комплекта игл.
Пар подводится из небольшого передвижного вертикального котла под дав-
лением примерно в б ат и разветвляется по гибким шлангам диаметром 25—35 мм
и далее идет к иглам. Предварительно в грунте ломом пробиваются гнезда
на некотором расстоянии друг от друга на глубину 20—30 см; далее в эти гнезда
вставляются иглы; в последние пускается пар. По мере пропаривания и таяния
грунта иглы переставляются, пока не будет прогрет намеченный слой грунта
заданной ширины. Радиус действия иглы около 20 см. Грунт выбирается и про-
гревается далее до прорытия траншей требуемой глубины.
Процесс пропаривания грунта, не считая подготовительных работ, идет
быстро; иглы в грунте обычно находятся в течение нескольких минут, после
чего переставляются на новое место. Метод прогрева грунта паровыми иглами
чрезвычайно важен на работах в вечной мерзлоте.
§ 9. Повреждения на сети. Ремонт труб и отдельных устройств сети
Среди большого количества возможных повреждений сети наиболее харак-
терными для труб являются продольные трещины, поперечные трещины, раковины
и свищи, расстройства стыков и др.
Ремонт трубы с продольной трещиной сводится к обрубке конца трубы с
трещиной (фиг. 488, а), установке нового отрезка трубы посредством глухой
муфты с заделкой раструбов (фиг. 488, б) или к перекрытию трещины свертной
муфтой на резине с заделкой раструбов муфты (фиг. 488, в).
При большой трещине необходимо сменить всю трубу с обрубкой раструба
у новой трубы и постановкой глухой надвижной муфты (фиг. 489).
Ремонт трубы с поперечной трещиной сводится к постановке свертной муфты
(фиг. 490) на резине с заделкой раструбов. Небольшие свищи или раковины
(до 20 — 25 мм) устраняются рассверливанием отверстия и постановкой метал-
лической пробки. Большие свищи за-
Трещина. делываются постановкой седелки на
''Линия абфцба
б)
Ремонтная муфта
Фиг. 488
Трещина
Ремонтная муфта.
Фиг. 489
Наиболее частый ремонт — это заделка стыков, расстроившихся или вслед-
ствие первоначальной неудовлетворительной чеканки или вследствие гидрав-
лических ударов.
В отдельных случаях подчеканивается свинцовая заделка, в иных — стык
заделывается заново. Текущий или потеющий цементный стык заделывается
заново.
В случае фланцевого соединения ремонт обычно сводится к подтягиванию
или замене разрушенных болтов. Ремонт деревянных труб, не имеющих широкого
распространения в жел.-дор. практике, зависит от конструкции труб и соеди-
нений и выполняется согласно Техническим условиям на изготовление и укладку
деревянных звеньевых клепочных труб.
Трещина
'СПерт на я муфта
Фиг. 490
Фиг. 491
Очень важно, чтобы деревянные трубы всегда были заполнены водой под не-
которым напором и чтобы стыковые соединения этих труб были выполнены тех-
нически правильно.
Ремонт колодцев, арматуры и отдельных уст-
ройств сети. Весной после снятия в колодцах отепляющих устройств и
осенью во время подготовки сети к зимним условиям колодцы очищаются от грязи,
арматура в колодцах подлежит мелкому ремонту. Осматриваются галлереи для
трубопроводов под путями, ремонтируются устройства для отвода воды и пр.
Ремонт колодцев и галлерей выполняется бригадой из двух человек, из коих
один спускается в колодец (галлерею), а другой остается снаружи.
Ремонт гидроколонн чаще всего сводится к замене задвижки и верхней части
центровой трубы. Еще раз следует указать, что должно быть обеспечено удаление
воды из колодца-фундамента гидроколонн.
Все задвижки на сети требуют периодического ремонта. Ремонт этот сводится
к набивке сальников, к устранению ненормальностей при открытии и закрытии
(задвижка должна легко открываться и закрываться); в случае неплотного закры-
тия ремонтируется внутренняя часть (очистка, смена уплотняющих колец, шаб-
ровка их и т. д.). Ремонт вантузов сводится обычно к замене шара, недостаточно
плотно прилегающего к седлу или отверстию. Ремонт водоразборных кранов
сводится главным образом к очистке от засорившего их мусора; ремонт предо-
хранительного клапана сводится к проверке чувствительности его действия,
к очистке и смазке пружины клапана, седла и т. д.
§ 10. Эксплуатация отдельных сооружений водоснабжения
Эксплуатация насосных станций и станций об-
работки воды. Основные моменты эксплуатации элементов насосного обо-
рудования и станций обработки воды выше уже были достаточно освещены.
Необходимо наблюдать за зданиями станций и поддерживать их в хорошем со-
стоянии. Должна быть обеспечена исправность печей, разделок дымовых труб,
сигнальных устройств и всей находящейся на станции аппаратуры.
Помещение для двигателей, котлов, насосов и т. д., а равно и все оборудо-
вание должны содержаться в чистоте и образцовом порядке. Хранение и расход
топлива или реагентов и устройства для их подачи должны быть предметом осо-
бого в и лания. Учет расхода топлива, смазки, реагентов и прочих эксплуатацион-
ных материалов должен быть правильным и строгим. Периодические осмотры
оборудования и своевременные его ремонты (включая и капитальный) должны
обеспечить бесперебойную работу станций. Особенности эксплуатации станции
обработки воды (заготовка и дозирование реагентов, промывка фильтров, очистка
отстойников и т. д. и т. п.) подробно были уже описаны.
Эксплуатация башен, заземленных резервуаров,
пневматических резервуаров. Необходима периодическая
(в зависимости от качества воды) промывка баков башен и резервуаров от
накопляющихся в них осадков.
Так как башни зимой отапливаются, то нужно обеспечить исправное состоя-
ние печей, дымовых труб, разделок при прохождении последних через крышу
и т. д. Необходимо следить за исправностью сигнализации, проверять арматуру
и пр. Стальные баки требуют периодической окраски.
Башни и резервуары (форкамеры) должны содержаться в чистоте.
Пневматические резервуары и в частности гидроаккумуляторы Рожновского
требуют большого внимания со стороны обслуживающего персонала. Необхо-
димы: контрольные периодические осмотры всего аккумулятора в целом и от-
дельных его частей, арматуры (предохранительных клапанов), устройств для от-
ведения воды и т. д., проверка достаточной плотности отдельных клапанов
и пр., обеспечивающих невозможность утечки воды и воздуха, проверка
кольцевого воздушного пространства в смысле отсутствия в нем воды, проверка
давления в аккумуляторе и т. д. Периодическая подкачка воздуха и зарядка
воздухом после каждого осмотра, требующего открытия люков, спуск воды из
гидроаккумулятора, подготовка к зиме и наблюдения за работой его зимой
являются основными в эксплуатации. Следует указать, что спуск воды из
гидроаккумулятора должен производиться с особой осторожностью. Что касается
подготовки гидроаккумулятора к зимним условиям работы, то следует иметь
в виду, что в местностях с достаточно суровым климатом необходимо отапливать
камеру под аккумулятором, вообще же необходимо отеплять автоматический
запорный клапан, часть труб и арматуру в пределах подвального помещения
и колодца и т. д.
Особое внимание следует уделять проверке отсутствия воды в кольцевом
воздушном пространстве, исправности стока воды и пр. в соответствии
с правилами и приемами, подробно изложенными в специальных руковод-
ствах.
§11. Организация ремонта устройств водоснабжения
Мелкий и текущий ремонт оборудования может быть выполнен эксплуа-
тационным персоналом.
Для капитального ремонта оборудования при отделениях паровозного хо-
зяйства должны быть организованы стационарные мастерские водоснабжения.
Эти мастерские должны быть снабжены:
1) сверлильными станками;
2) токарно-винторезным станком для расточки цилиндров двигателей и порш-
невых насосов, обточки колец для двигателей и поршневых насосов и т. д.;
3) электросварочным и газосварочным аппаратом;
4) блоками Людерса грузоподъемностью от 0,5 до 5 т;
5) насосами Летестю, диафрагмовым и мотопомпой или переносной установ-
кой, состоящей из центробежного насоса на общем валу с электромотором;
б) набором инструментов;
7) измерительными приборами (тахометры, секундомеры, контрольные
манометры и вакуумметры, электрическая измерительная аппаратура) и т. д.
Значительная часть мастерских водоснабжения не имеет еще достаточного
оборудования. В настоящее время этот недостаток в работе водоснабжения на
ряде дорог постепенно ликвидируется.
Работы, требующие применения станков, отсутствующих в мастерских водо-
снабжения, выполняются в депо.
Для ликвидации аварий, а также для ремонта механического оборудования,
гидроколонн, водопроводной сети могут быть использованы вагоны-мастер-
ские водоснабжения.
При необходимости вести ремонтные работы вне станции, на которой нахо-
дится стационарная мастерская, может быть использован вагон-мастер-
ская, имеющий необходимое оборудование, материалы и рабочую силу.
Для обслуживания больших продольных водопроводов должны организовы-
ваться ремонтно-восстановительные поезда, состоящие из вагонов-мастерских,
вагона для перевозки материалов и одного-двух вагонов для размещения обслу-
живающего персонала.
Вагон для материалов должен включать необходимое количество арматуры
и запасных частей, чугунные и стальные трубы различного диаметра, некоторое
количество круглого леса и пиломатериалов и ряд других строительных и монтаж-
ных материалов.
Ремонтно-восстановительные поезда должны иметь штат слесарей и черно-
рабочих, бригадира или мастера — начальника поезда.
ГЛАВА 11
ВРЕМЕННЫЕ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
§ 12. Временные устройства для забора и подъема воды
Временные жел.-дор. водоснабжения устраиваются как при постройке же-
лезных дорог, так и для их временной эксплуатации. Временные водоснаб-
жения могут иметь применение при восстановлении разрушенных пунктов водо-
снабжения. Они характеризуются быстрым осуществлением, небольшой мощ-
ностью и стоимостью и простотой устройства и обычно устраиваются на станциях,
а при отсутствии достаточного источника вблизи станции — на перегонах. Если
временные водоснабжения используются при переходе к нормальным условиям
движения поездов, то они должны иметь достаточный дебит источника и основные
устройства, какие имеют постоянные водоснабжения: насосную установку с меха-
ническим оборудованием, баки, обеспечивающие необходимый запас воды, сеть,
краны, обеспечивающие быстрый набор воды паровозами и т. д.
К водоподъемным сооружениям временных водоснабжений предъявляется
основное требование, как и при постоянных водоснабжениях — обеспечение
бесперебойной работы. Насосные станции временных водоснабжений должны
устанавливаться в местах, не заливаемых весенними водами. Если выбор такого
места не представляется возможным, то уровень площадки повышается искус-
ственно путем подсыпки с таким расчетом,чтобы площадка возвышалась примерно
на 1 м выше высокого уровня вод. Если при этом высота всасывания получится
большой, то для установки насоса в здании станции устраивается шахта, защищен-
ная от притока грунтовых вод.
При постройке деревянного водоподъемного здания должно быть обращено
особо серьезное внимание на соблюдение всех противопожарных правил. При
невозможности выдержать необходимые расстояния деревянные части, находя-
щиеся вблизи печей и дымовых труб, обиваются асбестом и покрываются листами
железа.
Фиг. 492
При проходе дымовых труб через крыши и потолки соблюдаются все установ-
ленные на этот счет правила.
Насосные агрегаты временного водоснабжения чаще состоят из двигателя
внутреннего сгорания и насоса или из парового котла и парового насоса. При-
меняются пульзометры и эжекторы.
На фиг. 492 показано устройство временного водоснабжения с подъемом
грунтовых вод из колодца. Основные устройства объединены в одно сооружение.
На фиг. 493 представлена временная насосная станция с паровым оборудо-
ванием, состоящим из котла Шухова и насоса Вортингтон; станция объединена
с баком для воды.
30 Водоснабжение
465
На фиг. 494 показана временная насосная установка, приводимая в действие
двигателем внутреннего сгорания, вынесенная в неглубокое озеро. Всасывающая
линия пропущена через пол в озеро, напорная — по мосткам выведена на берег.
Как уже указывалось,
Фиг. 493
для временных водоснаб-
жении применяются эжек-
торы и особенно пульзо-
метры.
Пульзометры и эжек-
торы не требуют для своей
установки специального
фундамента, устанавлива-
ются на подмостках лег-
кого типа и не требуют
постоянного квалифициро-
ванного надзора. На жел.-
дор. линиях с малым дви-
жением (три-четыре пары
поездов в сутки) для ра-
боты пульзометра, требую-
щего большого расхода па-
ра, можно пользоваться
паром от паровоза, наби-
рающего воду. При более
интенсивном движении тре-
буется установка стацио-
нарного котла.
Пульзометры устанав-
ливаются на станциях и пе-
регонах без особых затруд-
Фиг. 495
нений. Они могут быть установлены на жел.-дор. мостах, а в тех случаях, когда
расстояние до уровня воды в реке большое (больше 3 — 4 м), пульзометр подве-
шивается к мосту на специальной площадке. Если пульзометр предназначается
для работы в зимних условиях, то он устанавливается в утепленной будке.
На фиг. 495 показана вре-
менная станция у жел.-дор.
моста для работы в летнее
время и на фиг. 496 — для
работы круглый год. В по-
следнем случае пульзометр
установлен в теплой будке.
Пар может быть получен от
паровоза.
Эжектор (паровой) рабо-
тает, как и пульзометр, па-
ром от паровозного или ста-
ционарного котла. При подъ-
еме воды из колодца он мо-
жет быть установлен непо-
средственно над колодцем.
Для того чтобы не иметь
лишней отцепки и прицепки
паровозов, иногда подоб-
ные устройства целесообразно
иметь в обоих концах жел.-дор. станции для набора воды поездами того и дру-
гого направления.
Для набора воды на перегоне из реки эжектор может прикрепляться к мосту.
Эжектор может быть прикреплен к паровозу (передвижная установка). Давление
пара от 3 до б ат в зависимости от высоты подачи.
Пуск производится путем постепенного открытия парового вентиля; оста-
новка — закрытием парового вентиля.
Фиг. 496
Производительность применяемых на практике эжекторов в зависимости
от их размеров колеблется от 10 до 50 м3/ч и выше.
Существуют передвижные насосные установки, смонтированные на бар-
жах и пр.
§ 13. Временные водоемные здания и гидроколонны
Водоемные здания временных водоснабжений бывают обычного типа или
временного типа — легкие. Одно из таких временных устройств изображено на
фиг. 497. Оно состоит из бака, установленного на деревянных подмостях. Дере-
вянные стойки схватываются пластинами и вверху прогонами, на которые кла-
дутся балки и дощатый пол.
При отсутствии стального бака последний делается деревянным из сосновых
досок толщиной 7 см. Стыки досок проконопачиваются смоленой прядью, после
чего бак окрашивается горячей смолой. Вода из бака подается настенным кра-
ном. Для временного водоснабжения могут служить деревянные башни, опи-
санные ранее.
В случае работы в зимних условиях приходится прибегать к постройке водо-
емных зданий с отеплением.
Для предохранения от замерзания трубопроводы соответствующим образом
утепляются.
При восстановлении разрушенных водоснабжении могут быть применены
стационарные и передвижные пневматические устройства (на жел.-дор. платфор-
ме). В качестве последних могут быть использованы и обычные цистерны (дав-
ление здесь ограничено — 1,5 ат).
При устройстве временного водоснабжения может быть установлена времен-
ная гидроколонна, изображенная на фиг. 498. Она монтируется из чугунных флан-
цевых труб диаметром 200 мм и устанавливается на тройнике разводящей трубы.
Фиг. 497
Фиг. 498
К верхней части стояка гидроколонны прикрепляется гибкий рукав диамет-
ром, равным диаметру стояка.
При подготовке водоснабжения в зиме гидроколонна обертывается соломен-
ными жгутами и войлоком. С этой же целью, т. е. для предохранения колонны от
замерзания, в глухой фланец тройника, на который устанавливается гидроко-
лонна, ввертывается кран диаметром 20 — 25 мм, открываемый также при по-
мощи штанги после каждого набора воды. Вода стекает в колодец, а оттуда по
трубе в канаву за пределы путей.
§ 14. Водяные поезда и цистерны
Для временного водоснабжения и снабжения станций, не имеющих своих
источников и водоснабжения, вода может подвозиться с соседних станций спе-
циальными водяными поездами, состоящими из цистерн или в зимнее время из
обыкновенных товарных вагонов с установленными в них баками для перевозки
воды (обычно два бака емкостью около 5 м3 каждый). При малой потребности
станции в воде цистерны с водой или вагон-бак прикрепляются к обычным товар-
ным поездам.
Налив воды в цистерны производится при помощи гидроколонн или специаль-
ных так называемых наливных батарей, монтируемых из обычных стальных
468
труб (фиг. 499). Вода в батарею подводится из той же разводящей сети, которая
обслуживает гвдроколонны. Последний способ дает возможность налива одно-
временно нескольких цистерн или вагонов-баков и является в ряде случаев более
рациональным, так как ускоряет оборот вагонов и сокращает время занятия
станционного пути.
На станциях потребления привозной воды для слива воды сооружаются
специальные сливные устройства, состоящие из резервуара для воды и лотков.
Из резервуара вода забирается установленным около него насосом и подается
в водонапорную башню, а при отсутствии ее — непосредственно в разводящую
сеть.
Вместо подвоза воды специальными поездами для снабжения паровозов на
некоторых безводных участках (при подходящих для этой цели климатических
условиях) практикуется прицепка к поездным паровозам цистерн с водой. При
помощи соединяющего их гибкого рукава вода из цистерны поступает в тендер
(сообщающиеся сосуды), все время пополняя расходуемую из него воду.
Вода из прицепных цистерн может также поступать в тендер паровоза на ходу
при использовании сжатого воздуха от компрессора, имеющегося на паровозе.
Последнее является важным, так как
уменьшение числа остановок для набора ____
воды паровозом может способствовать Г
увеличению пропускной способности
дороги.
При постройке новых железных до-
рог и во время их эксплуатации построй- *
ка временных водоснабжений должна
иметь место при наличии достаточно .
обоснованных данных, свидетельствую-
щих о том, что эти водоснабжения бу- фиг 499
дут действительно временными. На прак-
тике, особенно при постройке новых —
жел.-дор. линий, имели место случаи постройки целого ряда пунктов водо-
снабжения временного типа с примитивными водоприемными сооружениями, с
деревянными водоемными и водоподъемными зданиями, с маломощным механи-
ческим оборудованием, со слабо развитой разводящей сетью и т. д. без учета
действительных перспектив работы этих сооружений. Эти временные водо-
снабжения сдавались во временную эксплуатацию и эксплуатировались годами,
а иногда и десятками лет.
Это может создать большие эксплуатационные неудобства, отцепку паровозов
при наборе воды, задержку поездов под набором воды и т. д., а все это приводит
к необходимости коренной реконструкции этих временных водоснабжений с за-
тратой излишних средств. Поэтому постройка временного водоснабжения может
быть принята лишь в том случае, если последнее не превратится в постоянное.
Таким образом, устройство временных водоснабжений должно практико-
ваться главным образом при восстановлении разрушенных водоснабжений, в про-
цессе строительства дороги для обслуживания строительства и при очевидной
надобности в нем в эксплуатации именно как во временном устройстве.
ГЛАВА III
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СЕБЕСТОИМОСТИ ВОДЫ
§ 15. Общие соображения
Технический проект водоснабжения должен сопровождаться эксплуатацион-
ной сметой, которая имеет целью определить стоимость 1 м3 обработанной и по-
данной потребителю воды. В том или ином объеме эксплуатационные сметы со-
ставляются при технико-экономических сравнениях вариантов проекта (для раз-
личных вариантов).
Ниже дается схема и примерное определение себестоимости.
Для определения стоимости 1 м3 воды необходимо знать строительную стои-
мость сооружений, очередность строительства, затраты по очередям и полные
годовые затраты по содержанию водопровода.
Определение строительной стоимости в процессе проектирования вначале,
в стадии проектного задания, принимается по укрупненным измерителям, а
далее на основе строительных смет по отдельным сооружениям, и в эксплуата-
ции — по фактической стоимости. Для определения стоимости по очередям вплоть
до полной мощности делается выборка из общей сметы по сооружениям, подле-
жащим передаче в эксплуатацию в ту или иную очередь. Эксплуатационные
расходы, таким образом, меняются по мере ввода в эксплуатацию новых соору-
жений, следовательно, меняется и стоимость получения, обработки и подачи
1 м3 воды К, которое определяется как частное от деления полных годовых ра-
сходов по содержанию водопровода Е на средний годовой расход воды, поданной
Потребителю, ЦСр. год
к= 0
Щср. год
где С}Ср. год определяется с исключением из полной подачи расхода воды на соб-
ственные нужды;
К определяется для определенного заданного года и очереди строительства
(например для сооружений, необходимых для размеров движения на пятый год
эксплуатации дороги).
При исчислении средней себестоимости воды в течение всего расчетного пе-
риода действия водопровода за / лет необходимо принять средние годовые расходы
воды за весь расчетный период.
Полные годовые расходы по содержанию водопровода Е могут определяться
по формуле;
Е = ^8п + Е,
где 5 — строительные стоимости отдельных сооружений водопровода в руб.;
п — процентные отчисления на амортизацию от строительной стоимости
сооружений;
Ь — полные годовые эксплуатационные расходы в руб.
Полные годовые эксплуатационные расходы со-
держат;
Прямые расходы (с необходимыми начислениями);
а) на содержание зданий, сети и сооружений, включая и обслуживающий
персонал;
б) на энергию, топливо для силовых установок и вспомогательные материалы
по силовому и насосному оборудованию;
в) на реагенты и вспомогательные материалы, идущие для обработки воды;
г) на очистку водохранилищ, прудов и пр.;
д) на санитарные мероприятия.
Расходы на содержание зданий, сети и сооруже-
ний включают:
1) расход на содержание определенного штата для обслуживания сооруже-
ний, сети и пр.;
2) расход на транспортные средства;
3) расход на производство текущего ремонта оборудования, зданий и со-
оружений:
4) расход на отопление и освещение зданий.
Штат обслуживающего персонала зависит от условий работы сооружения.
При определении годового расхода на заработную плату обслуживающему пер-
соналу необходимо учитывать еще начисления на заработную плату (соцстрах,
отпуска, командировки и т. д.). Общие начисления (при ориентировочных под-
счетах) можно принимать равными около 35%.
Расходы на транспорт определяются по потребности в зависимости от тер-
риториальной разбросанности сооружений ( вывозка шлака, перевозка загрузоч-
ного материала для догрузки фильтров, топлива для отопления и прочего
материала, необходимого в эксплуатации; перевозка ремонтируемых задвижек
и пр. Перевозка топлива для насосной станции и реагентов может учитываться
при определении стоимости топлива и реагентов).
Расход на текущий ремонт принимается в зависимости от типа, вида и состоя-
ния сооружений, зданий и оборудования, местных условий и пр.
В среднем можно принимать:
1) стоимость ремонта водоприемных сооружений 1 —3% от их стоимости;
2) ремонт всасывающих, напорных и разводящих линий из чугунных
труб 0,5 % (в пределах здания), 0,5 — 1 % — в обыкновенных грунтах. Для
чугунных труб в болотистых, солончаковых и насыщенных сильно минерализо-
ванными водами грунтах, а равно для стальных труб стоимость текущего ремонта
может быть принята до 2%;
3) ремонт зданий:
а) каменных и кирпичных — 0,5%;
б) деревянных — 1,0%;
4) ремонт механического оборудования — 3 — 5%.
Расходы на энергию, топливо и вспомогательные
материалы по силовому и насосному оборудованию
Годовой расход на электроэнергию, затрачиваемую на работу агрегатов,
может быть определен по формуле:
1 ООО-Збб-Р^-Н-ОДЗб-К!
3 600 • 75 • 7]нас • Т]пер ‘ 'Чм
(потери энергии в электросети для насосной станции здесь не учтены), где
— среднесуточный расход в м3;
Н—полная высота подъема в м;
— стоимость электроэнергии в руб. за 1 квт-ч;
^нас — к. п. д. насоса;
'Чпер — к.п.д. передачи;
тце — к. п. д. электромотора.
Нефтяные двигатели требуют расхода в год на горючее (в руб.):
А —
1 ООО-365-С%-А/
3 600- 75'7]нас • Щпер
+Яп-а2-т-ЗЬ5,
где Кп — стоимость 1 кг горючего в руб., включая его доставку, хранение
и пр.,
аг — расход горючего в кг на 1 эффективную силу-час;
а2 — расход горючего в кг на один пуск двигателя;
т — среднее число пусков двигателя в сутки.
Расход топлива на работу прямодействующих паровых насосов ориентиро-
вочно определяется по эффективной мощности, развиваемой насосом, расходу
пара в килограммах на 1 ЛС-ч эффективной мощности (35 — 40 кг) с учетом паро-
производительности топлива и т. д.
Расход на вспомогательные материалы (смазка, обтирка, изоляция, набивка
сальников и пр.) может быть принят равным 3% от расхода на энергию при
электродвигателях: 15 — 20% от стоимости горючего при нефтяных двигателях
и 10 — 15% от стоимости топлива при паровых машинах и локомобилях.
Расходы на реагенты. Эти расходы зависят от соответствующих
доз реагентов, вводимых в воду при ее обработке, и стоимости их с учетом
стоимости доставки реагентов с заводов к станции обработки воды, хранения
реагентов и пр.
Расход на очистку водоемов и пр. Постоянная очистка не-
которых сооружений (удаление осадка из отстойников, очистка водоприемников
и пр.) предусматривается пунктом «а» прямых расходов и отдельно здесь не учи-
тывается. Однако целый ряд специальных работ по очистке сооружений произ-
водится периодически и требует в отдельные промежутки времени большого
количества рабочей силы, специальных устройств, оборудования и транспортных
средств. К таким работам относятся:
1) очистка водохранилища, крупных земляных резервуаров, отстойных пру-
дов, ковшей и пр.;
2) землечерпательные работы у водозаборных сооружений при наличии на-
носов и пр.;
3) работы по удалению водорослей, камыша, травы у водозаборных соору-
жений; работы в связи с мероприятиями по борьбе с цветением воды.
Сюда же можно отнести и работы по борьбе с ледяными заторами у водоза-
борных сооружений.
Расходы по указанным работам должны учитываться эксплуатационной
сметой в зависимости от повторяемости и объема этих работ.
Расходы на санитарные мероприятия. В тех случаях,
когда проектом предусматривается организация охранной зоны, необходимо
учитывать расходы на ее содержание, включающие наблюдение за источником
и пр. Стоимость санитарного контроля воды, обрабатываемой на сооружениях,
включается в пункт «а» прямых расходов.
Размер амортизационных отчислений. Амортизацион-
ные отчисления не зависят от использования мощности сооружений. Размер
отдельных амортизационных отчислений приведен в I томе настоящего труда.
Указав схему и методологию подсчетов себестоимости при проектировании,
следует отметить, что при определении себестоимости в процессе эксплуатации
расчеты, естественно, ведутся по фактическим расходам топлива, энергии и пр.
по методике и формам, преподанным НКПС.
Уменьшение себестоимости требует строительства сооружений по очередям
в соответствии с действительным водопотреблением и наиболее полного исполь-
зования мощности сооружений.
Для анализа важно иметь себестоимость воды не только по отдельному
пункту водоснабжения, но еще среднюю стоимость по всему водоснабжению в
пределах отделения паровозного хозяйства и дороги.
РАЗДЕЛ СЕДЬМОЙ
ИЗЫСКАНИЯ для ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА
ВОДОСНАБЖЕНИЯ
ГЛАВА 1
ОБЪЕМ И ХАРАКТЕР ИЗЫСКАНИЙ
§ 1. Общие соображения
Строительству водоснабжения предшествуют изыскания и составление проект-
ного задания, технического проекта и рабочих чертежей.
Изыскания для проектирования и устройства водоснабжения на железной
дороге ведутся применительно к потребностям в воде для удовлетворения поезд-
ных нужд, производственных нужд депо, заводов и пр., хозяйственно-питьевых
нужд жителей поселков и станций, перевозимых войск и противопожарных нужд.
Водоснабжение, равно как и прочие устройства на железной дороге, должно обе-
спечить бесперебойное и безаварийное движение поездов и требуемую пропускную
способность с высокими скоростями, хорошим оборотом подвижного состава и ми-
нимальным расходом топлива.
В результате изысканий должен быть решен вопрос об источниках водоснаб-
жения и связанный с ним вопрос о целесообразном размещении пунктов набора
воды, вопрос о типе водозаборных сооружений, об обработке воды, о подъеме, рас-
пределении, хранении и раздаче ее потребителю.
В результате изысканий должен быть также решен вопрос о целесообразности
проектирования и постройки одного общего водопровода для снабжения водой
паровозов, удовлетворения иных производственных нужд и для питьевых
нужд или вопрос об отдельном устройстве водопроводов для производствен-
ных и питьевых нужд и, наконец, об устройстве совместных водопроводов с ком-
мунальными, промышленными и другими предприятиями.
Объем и характер изысканий для проектирования водоснабжения опреде-
ляются, с одной стороны,общим масштабом строительства и, с другой, — стадией
проектирования. В зависимости от стадии проектирования, изыскания для целей
водоснабжения могут быть разделены на следующие:
а) рекогносцировочные обследования;
б) технические изыскания облегченного типа, или предварительные;
в) детальные технические изыскания.
Кроме перечисленных могут иметь место еще изыскания непосредственно
перед производством строительных работ и в процессе производства этих работ
на месте расположения отдельных сооружений.
В зависимости от масштаба и характера строительства и ряда местных ус-
ловий отдельные виды и этапы изысканий могут объединяться.
Рекогносцировочные обследования сводятся к озна-
комлению с источниками водоснабжения путем их осмотра при обходе или объезде,
проведению маршрутных съемок, примерному выбору мест расположения соору-
жений, промеру глубин рек в характерных местах и т. д. В результате таких
обследований должны быть, например, получены общие данные по гидрологии
поверхностных источников и отдельные материалы, используемые для решения
технико-экономических вопросов, связанных с водоснабжением.
Технические изыскания облегченного типа, или
предварительные, сопровождаются соответствующими замерами и на-
блюдениями, используемыми для составления проектного задания, предвари-
тельного определения стоимости и т. п. В результате этих изысканий дается
всестороннее освещение района источника, схема водоснабжения и намечаются
характер и объем окончательных изысканий.
Таким образом объединенные в практике жел.-дор. водоснабжения рекогно-
сцировочные и предварительные изыскания имеют целью осветить возможность
обеспечения проектируемой железной дороги водой, дать схемы раз-
мещения пунктов набора воды, дать наиболее целесообразную в технико-эконо-
мическом отношении и в определенном приближении схему водоснабжения ка-
ждого пункта. В процессе этих изысканий делается облегченная инструменталь-
ная съемка и уточняются данные, позволяющие составить проектное задание.
Детальные технические изыскания должны дать пол-
ный исчерпывающий материал о дебите источника, о качестве воды, а равно в де-
талях весь материал, касающийся топографии, гидрогеологии и геологии, гидро-
логии, а также результаты санитарно-технических и экономических исследова-
ний, каковой материал должен быть использован для окончательного решения
схем и выполнения технического проекта по каждому пункту водоснабжения.
Изыскания непосредственно перед производст-
вом строительных работ имеют своей целью уточнение некоторых
данных предыдущих изысканий; производится уточнение топографии и геологии
в месте расположения отдельных сооружений, а также исследование физико-
механических, фильтрационных и строительных свойств грунтов.
В случаях реконструкции и расширения водоснабжения, изыскания должны
включать в себя подробные сведения о существующем водоснабжении. В этих
случаях проектное задание выполняется на основе изысканий с учетом материа-
лов по существующему водоснабжению.
При производстве изысканий источников водоснабжения принимают во вни-
мание (предварительное) размещение пунктов набора воды, намечаемых одновре-
менно с разработкой проекта линии железной дороги.
Согласно проекту технических условий проектирования железных дорог
нормальной колеи при размещении пунктов водоснабжения и проектировании
водопроводных сооружений составляется генеральная схема водоснабжения до-
роги на десятый год работы, в соответствии с которой должны быть запроекти-
рованы и сооружены водопроводные устройства, необходимые для размеров
движения на пятый год эксплуатации дороги. Водопроводные сооружения, по-
следующее расширение которых вызывает значительное удорожание строитель-
ства (водозаборные и гидротехнические сооружения) строятся сразу для удо-
влетворения нужд десятого года эксплуатации. По специальному заданию НКПС
мощность водопровода проверяется на удовлетворение нужд массовых перевозок.
Пункты набора воды паровозами устраиваются на деповских станциях, в пунк-
тах оборота паровозов, а также на промежуточных станциях в случае недоста-
точности запаса воды в тендере для следования между пунктами оборота паро-
возов. При размещении пунктов набора воды учитывается наличие источников,
могущих быть использованными для водоснабжения, их надежность и качество
воды. Расстояние между пунктами набора воды паровозами должно обеспечивать
при заданном типе паровоза возможность пропуска наиболее тяжелого поезда
с максимальным использованием полезного запаса воды в тендере. Расход воды
из тендера между пунктами набора воды допускается не свыше 80% от полной
емкости четырехосных тендеров и 85% от полной емкости шестиосных
тендеров.
На линиях, где получение достаточного количества воды для обеспечения
размеров движения на пятый год эксплуатации связано со значительными за-
тратами, выбор способа снабжения паровозов водой (введение паровозов с кон-
денсацией пара, устройство продольного водопровода, введение прицепных
цистерн и тендеров) производится на основании технико-экономических рас-
четов.
Пункты оборота паровозов, станции, имеющие депо, промежуточные станции
и виртуальные расстояния между ними в обоих направлениях показываются
на схеме и по наиболее тяжелому грузовому поезду проверяется расстояние
между намечаемыми пунктами набора воды с учетом наибольшего расхода для
четырехосного тендера, равного 0,8.23 = 18,4 м* * 3, и для шестиосного тенде-
ра — 0,85.44 — 37,4 м3.
Для указанной проверки необходимо иметь данные о расходе воды парово-
зами на тягу поезда заданного веса на 1 виртуальный километр пути. Расход
этот определяется теоретически методами, приводимыми в тяговых расчетах.
Расход на 1 виртуальный километр пути, зависящий от большого числа факторов,
в том числе и от качества воды, определенный теоретически, может несколько
отличаться от фактических расходов, поэтому теоретическое определение этого
расхода применяется главным образом на новостройках.
На отдельных дорогах в результате опытных поездок имеются опытные
данные о расходе воды на 1 виртуальный километр. Многие из этих данных
в настоящее время при увеличении скорости движения поездов, увеличении фор-
сировки, улучшении состояния паровозов, улучшении качества воды (умягчение,
внутрикотловая обработка воды) подверглись тем или иным изменениям. Для
расчетов, особенно при проектировании водоснабжения для эксплуатационных
линий, временно впредь до получения достаточных данных опытных поездок
и установления норм расхода воды можно пользоваться данными следующей
таблицы.
Расход воды в л на 1 виртуальный км
пути (включая сюда расход на продувку
котлов)
При весе поезда
Паровозы серии
Э ОР Щ Е ФД СУ
570 —640 т
До 1 000 »
» 1 500 »
» 1 800 »
» 2 000 »
» 2 500 »
180
200
220
240
290
150
150
160 200
200 230
— 250
— 270
— 300
150
290
320
350
При применении толкачей или двойной тяги на приведенные в таблице
расходы принимается коэфициент 1,5.
Виртуальные длины участков между пунктами набора воды определяются
с учетом профиля пути, кривых и пр. согласно существующим правилам. Од-
нако необходимы систематические проверки и пересчеты этих длин на эксплуа-
тируемых линиях в связи с выполняемыми работами по смягчению профилей,
так как это ведет к уменьшению этих длин.
Для определения расчетного расхода воды необходимы сведения о коли-
честве пар поездов, проходящих через станцию, о сериях и типах паровозов и
о прочих потребителях. В случае отсутствия данных о прочих потребителях (пред-
варительные изыскания новых жел.-дор. линий) для станций с основным депо
возможно принять для прочих станционных нужд примерно до 90% от поездного
расхода; для станций с оборотным депо — примерно до 30% от поездного рас-
хода и для станций с пунктами оборота поездов — примерно 15% поездного
расхода.
Размещение пунктов набора воды производится с учетом того направления,
для которого расход воды больше, поэтому определение расхода воды должно
производиться для обоих направлений. При наличии в обращении паровозов
с четырехосными и шестиосными тендерами при расстановке пунктов водоснаб-
жения следует учитывать и четырехосные тендеры, что может повести к сближе-
нию пунктов водоснабжения или к устройству дополнительных постоянных или
временных пунктов набора воды.
Количество пунктов набора воды должно быть возможно меньшим, а схемы
водоснабжения в пунктах набора воды должны удовлетворять требованиям наи-
большей целесообразности в техническом и экономическом отношении.
Ряд дорог в настоящее время электрифицирован, введены тепловозы, рас-
ходующие воду лишь для охлаждения двигателей, и паровозы с тендером- кон-
денсатором, расходующие воду в 20 — 25 раз меньше паровозов других серий.
Пробег паровозов с тендером-конденсатором доходит до 1 000 км и более; это
дает возможность лучше обслуживать безводные участки, а также отказываться
от дорогостоящих и неудобных в эксплуатации продольных водопроводов.
Изыскания проводятся по заранее составленному плану, включающему
в себя предварительное изучение карт района, а равно имеющегося материала
по климату, геологии, гидрогеологии, гидрологии, метеорологии (осадки, испа-
ряемость, температура) и т. д.
§ 2. Объекты изысканий
Для составления проектов водоснабжения жел.-дор. станций и узлов и це-
лых участков дорог необходимы:
1) выбор источника водоснабжения;
2) выбор и изучение трассы напорных водоводов;
3) изыскания в районе потребления воды и расположения сооружений;
4) изучение условий сброса сточных вод.
Общий объем исследований, необходимых для составления проекта водоснаб-
жения для всех стадий проектирования, включает проведение:
а) топографических и геодезических работ;
б) инженерно-геологических и гидрогеологических исследований;
в) гидрологических и климатологических исследований;
г) санитарно-технических исследований;
д) экономических изысканий;
е) изысканий в процессе организации строительства;
ж) специальных изысканий (например в районе вечной мерзлоты).
§ 3. Общие соображения по изысканиям источников водоснабжения
На жел.-дор. транспорте могут быть использованы следующие источники
водоснабжения:
1) открытые, или поверхностные, — реки, ручьи, озера, водохранилища;
2) подземные воды (артезианские и грунтовые);
3) инфильтрационные воды х.
Источник водоснабжения должен обеспечивать подачу необходимого коли-
чества воды на все нужды станции.
Дебит поверхностных источников и емкость водохранилищ определяются по
минимальному стоку с повторяемостью один раз в тридцать лет. При расчете
емкости водохранилища учитывается возможность использования запасов воды,
собранных в годы, предшествующие маловодному.
Изыскания источников водоснабжения имеют своей целью определение де-
бита или расхода последних, т. е. установление количественной характеристики,
а детальные технические изыскания — еще и определение качества воды, т. е.
качественной характеристики источника.
Вода источника водоснабжения, предназначенная для производственных и
хозяйственно-питьевых нужд, должна быть подвергнута физико-химическому
и бактериологическому исследованию в течение не менее чем одного года,
а также иметь предварительную санитарную оценку.
1 Под последними здесь понимаются речные воды, фильтрующиеся в водоносный
горизонт береговой полосы.
Вода, предназначенная для питания паровозов, не должна содержать в себе
примесей, вредно влияющих на котлы и арматуру, и не должна иметь жесткость
выше:
а) для питания паровозов ФД и более мощных — 10 нем. гр.;
б) для питания паровозов СО, Э и менее мощных — 15 нем. гр.
Среди обследуемых источников водоснабжения могут встретиться поверх-
ностные и подземные воды. Если вторые при достаточно глубоком залегании
являются более чистыми в гигиеническом отношении и потому более желатель-
ными для питьевого водоснабжения, то они чаще имеют больший минеральный
состав, большую жесткость и т. д.
Поверхностные воды обычно менее минерализованы, и с этой точки зрения
использование их для поездного водоснабжения часто представляется более целе-
сообразным. Однако в оборонном отношении использование подземных вод имеет
преимущество, и в этом смысле на жел.-дор. транспорте использование этих вод
должно занять большее место.
Качественная характеристика дается в результате производства химических
анализов, а в случае использования источника и для питьевых целей и бактерио-
логических; оценка водоема требует часто проведения биологических исследо-
ваний.
Мощность и водоносность поверхностных источников водоснабжения (рек,
озер) устанавливаются на основе данных многолетних гидрометрических наблю-
дений или же по аналогии с соседними более изученными бассейнами и по эмпири-
ческим формулам при недостаточности или полном отсутствии данных гидро-
метрических наблюдений.
Дебит подземных вод устанавливается при помощи пробных откачек из за-
ложенных буровых скважин или на основании изучения данных по эксплуати-
руемым скважинам того Же горизонта.
При использовании рек в качестве источников водоснабжения необходимо
установить возможность осуществления водозабора в условиях естественного
режима реки, т. е. без регулирования горизонтов и расходов последней. В том слу-
чае, если минимальные расходы реки в маловодные годы не обеспечивают нор-
мальной работы водоснабжения, необходимо регулирование стока реки путем
устройства водохранилища соответственной емкости.
Если минимальный расход реки в расчетный засушливый год превышает
расход на водоснабжение, но глубина воды при таких расходах недостаточна,
то для обеспечения нормальных условий водозабора требуется регулирование
горизонтов устройством водоподъемной плотины.
Таким образом, при проведении изысканий является необходимым определе-
ние минимальных расходов и соответствующих им горизонтов, что позволяет
судить о необходимости регулирования стока и горизонтов исследуемой реки.
Устанавливаются характерные горизонты воды; горизонт самых высоких
и самых низких вод, отметки ледостава и ледохода, глубина промерзания
и толщина ледяного покрова в наиболее суровую зиму и т. д.
Кроме того, обследуется санитарное состояние источника. Изыскания под-
земных вод требуют знания и подробного изучения геологии и гидрогеологии
района. Здесь изыскания предусматривают изучение местности (рельеф, овраги,
обнажения пород, заболоченность, наличие староречья), изучение выходов и ха-
рактера ключей, указывающих часто на наличие напорных вод; при изучении
характера выхода определяется дебит, выясняется режим ключа в различное
время года и определяется качество воды.
При наличии буровых скважин выясняют точное их местонахождение, от-
метки устья, статического и динамического уровня воды, характер депрессион-
ных кривых, глубину скважин, геологический разрез их и характер водоносных
горизонтов, дебит в соответствии с отметкой динамического уровня, удельный
дебит, конструкцию скважины, фильтра и водоподъемных устройств и качество
воды.
При реконструкции водоснабжения дается подробное описание всех элемен-
тов существующего водоснабжения; особенно обращается внимание на работу
водозаборных сооружений при самых низких горизонтах воды, в период ледо-
става и ледохода, а также при самом высоком горизонте воды (затопляемость).
В результате предварительных изысканий и анализа имеющихся материалов,
учитывая также и факторы экономического значения (наличие и стоимость электро-
энергии, топлива, реагентов для умягчения, их подвозки и т. д.), даются варианты
схем водоснабжения и т. д. В результате предварительных изысканий даются,
также программы детальных изысканий.
Следует заметить (что очень важно для излагаемого далее материала), что
в практике различных проектно-изыскательских организаций отсутствовали
установленные единообразные масштабы съемок для различных случаев, что
в дальнейшем, естественно, должно быть устранено.
§ 4. Источники водоснабжения — открытые водотоки: реки, ручьи,
водохранилища
Топографические работы.
При составлении схем водоснабжения проведению топографо-геодезических
изысканий предшествует выявление и сбор имеющихся топографических и карто-
графических материалов по ранее проведенным в районе изысканиям как по
поверхностным, так и по подземным источникам водоснабжения. В разрезе ос-
новных поставленных задач разрабатывается программа изысканий.
Небольшие реки, ручьи и балки (с водохранилищами в них) обычно ис-
пользуются в качестве источников водоснабжения с регулированием поверхност-
ного стока посредством устройства поперек водотоков водоудержательных
(водохранилищных) плотин. В соответствии с этим топографические изыскания
должны охарактеризовать рельеф ложа проектируемого водохранилища; они
сводятся к высотно-плановым съемкам чаши водохранилища, места располо-
жения плотины водосбросных и водозаборных сооружений. По чаше водохра-
нилища производится мензульная и тахиметрическая съемка с учетом превыше-
ния нормального подпорного горизонта воды в водохранилище на 3—5 м и
составляется план в горизонталях в масштабе (примерно) */г ооо — Уз ооо в
зависимости от размеров чаши водохранилища с сечением горизонталей
через 0,5 — 2,0 м. В месте расположения плотины водосбросных и водо-
заборных сооружений производится высотно-плановая съемка и составляется
план в горизонталях в масштабе (примерно) 1/200—71 ооо с сечением горизонталей
(примерно) через 0,5—1,0 м.
В месте расположения плотины производится разбивка не менее трех ство-
ров через пойму реки в пределах съемки чаши водохранилища; один створ — по
оси плотины, а остальные параллельно последней, выше и ниже на расстоянии
около 20—50 м в зависимости от высоты плотины; производится нивелировка
и составляются продольные профили. В месте водозаборных сооружений также
производится разбивка трех створов: через всю реку при небольшой ее ширине
и на некоторое расстоянии от берега при большой ширине с промером глубин
воды нивелировкой и составлением профилей. Расстояние между створами берет-
ся обычно 20—50 м.
Также производятся разбивка и нивелировка осей водосбросных и водозабор-
ных сооружений с поперечниками через 15—30 м длиной 15—75 м в каждую сто-
рону в зависимости от размеров сооружений. По осям плотины водосбросных и
водозаборных сооружений составляются продольные и поперечные профили.
При устройстве водозаборных сооружений на реках с регулированием только
горизонтов воды путем устройства водоподъемных плотин топографические изы-
скания должны охарактеризовать место для устройства плотины, заливаемую
пойму, место для устройства насосной станции и т. д.; они сводятся к планово-
высотной съемке русла реки и места расположения плотины и водозабора.
Съемка русла реки обычно производится мензулой в пределах горизонтов,
превышающих нормальный подпорный горизонт на 3—5 м. По длине реки съемку
следует распространять до пределов распространения подпора плотины. В отдель-
478
ных случаях участок реки, охватываемый съемкой, ограничивается длиной
200—500 м выше и ниже оси плотины. Съемка реки ведется на относительно не-
большом участке и небольшой ширине в соответствии с линией затопления высо-
кими водами береговой полосы. В результате съемок составляется план в гори-
зонталях в масштабе (примерно) ^зоо—1/1ооо с сечением горизонталей через
0,5—1,0 м.
В местах расположения плотины и водозабора производится высотно-плано-
вая съемка в масштабе (примерно) 1/200—11аоо с сечением горизонталей через
0,5—1,0 м, а также разбивка и нивелировка не менее трех створов: одного по оси
плотины и водозабора и по одному створу выше и ниже оси на расстоянии 20—50 м.
По створам, разбитым в месте расположения плотины и водозабора, составляются
продольные профили в масштабах: горизонтальном (примерно)1^— г/к>оо
и вертикальном (примерно) х/1оо —Угоо-
При постановке в качестве варианта вопроса об углублении русла реки
в результате топографических работ должен быть получен план места забора
воды с указанием перекатов, островов и пр., глубин в различных местах, направ-
ления основного течения реки и т. д.
При устройстве водозаборных сооружений на больших реках, обычно изу-
ченных в гидрологическом отношении, с достаточными минимальными расходами
и глубинами изыскания упрощаются, съемка реки не производится; показывают-
ся места намечаемых водопроводных сооружений. Топографические изыскания
ограничиваются высотно-плановыми съемками в месте расположения водозабора
на длине примерно 200—500 м выше и ниже водозабора.
Намечаемое место водозабора должно быть в этих случаях согласовано с
соответствующими органами.
При неустойчивых и подверженных размыву берегах топографические изы-
скания вверх и вниз по реке распространяются до пределов, подлежащих регу-
лированию, и пределов необходимых берегоукрепительных работ.
В случае небольшой ширины реки — 100—200 м — последняя охватывается
съемкой по всей ее ширине с береговой полосой вдоль реки шириной 50—100 м.
При большей ширине реки и береговом типе водозабора производится съемка
на ширине 100—200 м от уреза воды.
В месте расположения водозабора дополнительно производятся разбивка
и нивелировка не меньше трех поперечников: одного по оси водозабора и по од-
ному выше и ниже на расстоянии 20—50 м.
Перечисленные топографические работы независимо от способа съемки огра-
ничиваются урезами воды, в пределах которых производятся промеры глубин
воды зимой со льда, а летом — с лодки или вброд. Промеры в зависимости от
ширины реки производятся через 2—10 м.
Все высотно-плановые съемки и разбивка осей сооружений на месте обяза-
тельно закрепляются установкой плановых и высотных знаков — столбов и ре-
перов, которые связываются с опорной сетью общегосударственной съемки. При
проведении топографических изысканий в плановом и высотном отношении от-
мечаются и снимаются встречающиеся реперы, марки на сооружениях, водомер-
ные посты и гидрометрические створы, отметки горизонтов высоких вод на
жел.-дор. и иных мостах, горизонты ледоходов и др.
Топографические изыскания привязываются к знакам общегосударственной
съемки; в результате работы составляются:
1) отчет о целях и характере произведенных топографических изысканий;
2) планы в горизонталях;
3) продольные и поперечные профили по осям сооружений.
При предварительных изысканиях составляется план территории с нанесе-
нием на нем станции и предполагаемых мест основных водопроводных сооруже-
ний, как то: места забора воды, плотины, насосных станций, сооружений для об-
работки воды, подземных и напорных резервуаров и трассы напорного водовода;
в результате детальных изысканий составляется более подробный план с нанесе-
нием жел.-дор. узла, с подробным указанием всех станционных сооружений —
депо, вагоно- и паровозоремонтных заводов, пассажирских и других зданий со
всем путевым хозяйством станции — стрелками, контрольными столбиками и т. д.
На плане должны быть нанесены все здания производственного значения, наме-
чаемые кварталы жел.-дор. поселков и близрасположенных населенных мест,
если последние намечается охватить водоснабжением; на плане же наносятся
существующие скважины или колодцы и иные водопроводные устройства, если
таковые имеются.
Инженерно-геологические и гидрогеологические
исследования
Инженерно-геологические исследования дают общую оценку условий воз-
ведения сооружений при использовании открытых источников водоснабжения
и характеристику мест, наиболее пригодных для устройства водохранилищ, узлов,
сооружений и т. д, Они достаточно полно осуществляются при проектировании
и устройстве водохранилищ и предусматривают выполнение:
1) инженерно-геологической съемки чаши водохранилища и района располо-
жения гидротехнических сооружений;
2) опытно-полевых инженерно-геологических и гидрогеологических исследо-
ваний;
3) лабораторных исследований;
4) отчета с обработкой данных.
Задачей инженерно-геологических съемок по чаше водохранилища и в рай-
оне расположения сооружений является выяснение основных геологических
характеристик района и гидрогеологических особенностей с характеристикой
режима подземных вод. Особенное внимание должно быть обращено на изучение
оползневых и карстовых явлений, если таковые имеют место в районе изысканий.
Характеристика современных речных отложений представляет существен-
ный интерес. При наличии сейсмических явлений в районе это обязательно дол-
жно учитываться.
При составлении технических проектов используются результаты геологи-
ческой съемки, которая базируется на буровых и шурфовых работах и описании
обнажений в районе съемки.
В местах расположения плотины водосбросных и водозаборных сооружений,
так же как и по чаше водохранилища, производятся геологические разведки
с применением разведочных выработок буровых скважин, шурфов, канав, што-
лен и др., заглубляемых до коренных водонепроницаемых пород — глины, скалы
и пр.
Важным является проведение тщательных разведок местных строительных
материалов — глины, песка, камня, гравия и др. с целью выяснения запасов
и качества материалов.
Геологические разведки под плотину производятся обычно по трем основным
створам с заложением по основному створу выработок на расстоянии в сред-
нем 10—50 м в зависимости от однородности геологического строения, а по осталь-
ным створам — несколько реже.
При разбивке в месте расположения водозабора трех створов расположение
геологических выработок приурочивается к последним, причем наибольшее коли-
чество выработок располагается на основном створе. Геологические выработки
по осям водосбросных и водозаборных сооружений располагаются на расстоянии
в среднем 10—50 м с заглублением обычно до коренных пород.
Опытно-полевые инженерно-геологические и гидрогеологические исследо-
вания заключаются:
1) в выяснении фильтрационных свойств грунтов в основании сооружений;
2) в изучении физико-механических и строительных свойств пород в местах
расположения сооружений.
То и другое требует:
а) проведения опытных откачек, а иногда нагнетания воды на специальных
опытных участках или же в отдельных скважинах;
б) изучения режима подземных вод с целью установления направления и ско-
ростей потока;
в) постановки специальных полевых опытов по определению фильтрацион-
ных свойств пород;
г) опытных исследований физико-механических и строительных свойств по-
род в специальных или разведочных выработках.
Полевые и лабораторные геологические исследования сводятся к изучению:
1) гранулометрического или механического и минералогического состава
пород;
2) физических свойств пород, к каковым относятся: удельный и объемный
вес, пористость, водопроницаемость, влагоемкость, водопоглощаемость и водо-
отдача, водоустойчивость (размокание), пластичность, влажность и др.;
3) механических свойств пород, к каковым относятся: коэфициент внутрен-
него трения, угол естественного откоса, сопротивление сдвигу и др.;
4) химических свойств грунтов и анализа воды;
5) строительных свойств грунтов — допускаемые давления.
Все материалы полевых и лабораторных инженерно-геологических исследо-
ваний подвергаются дополнительной камеральной обработке, после чего состав-
ляется специальный отчет.
При устройстве водозабора на реках с регулированием только горизонтов
воды часто объем инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий
сокращается.
При устройстве водозабора при естественном режиме реки инженерно-геоло-
гические и гидрогеологические исследования ведутся в месте расположения водо-
забора.
В результате проведения инженерно-геологических и гидрогеологических
исследований составляются:
1) отчет об исследованиях, включающий в себя описание района, характери-
стику и результаты произведенных геологических разведок, полевых и лабора-
торных исследований и основные выводы;
2) карта инженерно-геологической съемки района и чаши водохранилища
в масштабе (примерно) 76 ооо—Умом»;
3) гидрогеологические профили по осям сооружений и по чаше водохранилища
в масштабе: .горизонтальном 1/5М0 и вертикальном 1/100—1/50й с нанесением гори-
зонта грунтовых вод;
4) геологические профили в месте расположения плотины в масштабе:
горизонтальном У2 ооо-76 000» вертикальном 1/200—1/аоо с нанесением горизон-
тов грунтовых вод.
Гидрологические исследования
В задачу гидрологических исследований входят ознакомление с существую-
щими гидрометрическими постами и метеорологическими станциями, сбор мате-
риалов наблюдений, их систематизация и дополнительная обработка. На осно-
вании этих материалов, если они окажутся достаточными, делаются основные
выводы о водоносности и условиях использования поверхностных источников
водоснабжения. Выводы эти служат основанием для разработки схемы водоснаб-
жения и проектного задания. Одновременно, если в этом есть необходимость,
составляется программа дополнительных изысканий с организацией новых водо-
мерных постов и метеорологических станций для проведения наблюдений в тече-
ние годичного периода.
В результате обработки материалов гидрометрических и метеорологических
наблюдений составляются подробные гидрологические и климатичес-
кие очерки с полной оценкой источников, имеющихся в обследуемом районе.
Таким образом, по своему содержанию гидрологические исследования могут
быть разделены на гидрометрические работы и собственно гидрологические ис-
следования.
Гидрометрические работы включают:
1) сбор гидрометрических и гидрологических материалов по исследуемой реке
и по ряду соседних бассейнов, находящихся в сходных с изучаемой рекой клима-
тических и гидрологических условиях;
31 Водоснабжение
481
2) устройство новых водомерных постов и гидрометрических створов и орга-
низация на них водомерных наблюдений;
3) периодическое определение скоростей движения воды и расходов реки;
4) изучение наносов, переносимых рекой в различные периоды года;
5) организация и ведение наблюдений над испарением с водной поверхности,
температурным режимом, замерзанием реки, зимним стоянием ледяного покрова,
вскрытием реки и ледоходом;
6) приведение всех водомерных наблюдений на одной и той же реке к услов-
ному горизонту, вычисление уклонов и определение мгновенных уровней;
7) обработку данных гидрометрических наблюдений и составление отчета
о проведенных гидрометрических работах с приложением всех полевых мате-
риалов.
Гидрологические исследования предусматривают:
1) оценку данных гидрометрических наблюдений с точки зрения их досто-
верности и дополнительную гидрологическую обработку;
2) составление климатического и гидрологического очерков реки и ее бас-
сейна с установлением основных климатических и гидрологических характери-
стик.
Составляя описание реки, используемой в качестве источника водоснабжения,
необходимо иметь данные о нормах стока, годовых отклонениях стока от нормы
и о характерных расходах реки (максимальном и минимальном) и скоро-
стях течения воды при различных горизонтах в сечении, намеченном для устрой-
ства водозаборных сооружений. Для проектирования плотины, водозабора, насос-
ных станций весьма существенно определение характерных горизонтов (горизонт
самых высоких вод, меженний горизонт, горизонт самых низких вод, горизонт
ледостава и его начало, горизонт ледохода и его длительность).
Большое значение при определении величины стока имеют гидрометеорологи-
ческие данные, касающиеся осадков, величины снегового покрова, плотности
снега и продолжительности снеготаяния, испарения с водной поверхности, темпе-
ратуры воздуха, силы ветра, влажности и пр. При мелководных реках с малыми
расходами и вероятном устройстве водохранилища данные эти весьма важны для
характеристики общей водоносности реки, нормы стока, отклонения годовых
объемов стока от нормы и др.
Для мелководных рек, но с дебитом, обеспечивающим потребность станции
в воде, изыскания должны дать материал о глубинах реки на характерных ее
участках — плессах и перекатах с характеристикой перемещения последних
вдоль реки. Должно быть также изучено направление течения реки в выбранном
месте (при помощи поплавков) и получены данные о возможных наносах, в осо-
бенности донных. Изыскания для мелководных рек, касающиеся определения
стока, имеют так же большое значение и при использовании оврага или балки
для создания водохранилища. Весь этот изыскательский материал позволит дать
рациональную схему и конструкцию водозаборного сооружения. В случае забора
воды из большой реки гидрологические изыскания упрощаются, так как на таких
реках имеются водомерные посты и гидрометрические станции с многолетним
периодом наблюдений, результаты которых частично приводятся в справочниках
по водным ресурсам и могут находиться в соответствующих организациях. Здесь
лишь приходится увязать отметки места водозабора с существующими отметками
водомерных постов. Весьма существенны данные о шуге — донном льде.
При предполагаемом заборе воды из озер изыскания должны дать материал
о размерах и емкости водоема при различных отметках воды, площади зеркала
водоема и глубинах, данные о балансе воды в годы обычные, маловодные и много-
водные и, следоватольно, гидрологическую характеристику источников, питаю-
щих озеро. Кроме того, здесь важны данные о заилении.
При компоновке сооружений в процессе проектирования необходимо иметь
сведения о силе и направлении ветра. Распределение ветров по их направлению,
скорости и повторяемости представляется на топографическом плане в виде розы
ветров. Производственные приемы по гидрологическим исследованиям и гидроме-
трическим работам были изложены выше.
Описание характера и объема санитарно-технических, экономических и орга-
низационно-строительных изысканий дается ниже применительно ко всем видам
источников для целей водоснабжения.
§ 5. Источники водоснабжения—подземные воды
Подземные воды при достаточном дебите чаще всего используются для питье-
вых целей. При небольшой жесткости или невысокой стоимости обработки в це-
лом ряде случаев они являются предпочтительными (соображения оборон-
ного порядка)перед другими источниками и для питания паровозов.
Эти обстоятельства послужили основанием к более подробному освещению
вопросов, связанных с изысканиями этих вод.
Характеристика рассматриваемых источников водоснабжения и характери-
стика геологических и гидрогеологических условий исследуемых подземных вод
даются предварительно на основании данных ранее произведенных исследований,
литературных источников и рекогносцировочного обследования (объезд и осмотр
имеющихся глубоких скважин, обнажений, шахтных выработок и пр.). В соответ-
ствии с данными геологических и гидрогеологических исследований могут быть
намечены общая схема использования источников, схема сооружений и устройств,
а также разработана программа изысканий по отдельным объектам общей схемы:
1. Топографические изыскания. Топографические изыскания в
районах, где имеются подземные (чаще артезианские) воды, сводятся к планово-
высотной съемке с составлением плана в горизонталях в масштабе 71ооо—
с сечением горизонталей через 0,5—1,0 м. В местах расположения отдельных
скважин и насосных станций производится более подробная планово-высотная
съемка в масштабе 1/200—’/зоо с сечением горизонталей через 0,5—1,0 м.
2. Гидрогеологические изыскания. Гидрогеологические изыскания
позволяют в достаточной степени изучить режим подземных вод — направление
потока, дебит и качество воды.
При наличии вод, залегающих на глубине до 40—50 м, могут быть воды без-
напорные и напорные; при больших глубинах — это обычно напорные воды.
Исследования требуют ряда подготовительных работ, подробного рассмотре-
ния и изучения имеющегося материала по геологии, гидрологии и гидрогеологии
района, подробного изучения имеющихся скважин и т. д.
Если имеющихся материалов для суждения о наличии подземых вод недо-
статочно, то производится гидрогеологическая съемка, устанавливающая состав
и мощность пород и характер напластования водоносных и водонепроницаемых
пород. Изучаются естественные обнажения пород в обрывах, оврагах, склонах
гор, карьерах и иногда производится шурфование. Одновременно выясняется
и палеонтологический характер, позволяющий иметь суждение о возрасте отло-
жений.
Характер залегания пород позволяет ориентироваться в вопросе наличия
и распространения подземных вод.
Вместе с геологическим строением местности изучаются и выходы ключей.
На составляемой топографической карте наносятся данные о геологическом строе-
нии в результате изучения его по колодцам, шахтам, исследованиям обнаже-
ний пород и иногда небольших обследований с использованием бурового инстру-
мента. Отмечаются породы, характер залегания, степень выветривания, трещино-
ватость, падение, простирание и водоносность пластов. Отмечаются наличие
сбросов, оползней, обвалов, общий рельеф, особо подробно выходы подземных и
грунтовых вод, поверхностные источники и т. д.
По выполнении гидрогеологической съемки составляются продольные про-
фили (разрезы) с показанием водоносных пород и горизонтов, позволяющие ориен-
тироваться при определении водоносного горизонта района съемки в радиусе
в нескольких километрах от станции и дающие возможность выбора точек для
заложения разведочных и разведочно-зксплуатационных скважин.
При глубоком залегании подземных вод (примерно более 60—70 м) и малой
обнаженности района (не в горной местности) гидрогеологическая съемка имеет
меньшее значение. В этом последнем случае для ориентировочного обследования
может быть применена электроразведка. Один из методов электроразведки —
метод сопротивлений — основан на том, что при наличии подземных вод сопро-
тивление грунта при прохождении через него электрического тока уменьшается.
Для безнапорных вод для случая движения подземного потока в песках
с диаметром зерен меньше 1 мм изыскания ограничиваются определением попе-
речного сечения водоносного слоя, его пористости и скорости течения потока:
ф = р Т7 • п,
где <2— расход;
р — коэфициент пористости;
Г— площадь поперечного сечения потока;
и — скорость движения потока.
Расход определяется также путем откачки из одной или двух скважин и на-
блюдения за влиянием откачки на рядом расположенные (наблюдательные) сква-
жины.
При нахождении водоносного слоя на глубине примерно до 50—60 м можно
заложить три скважины, располагаемые в вершинах треугольника со сторонами
50—100 м и более.
Замеряя одновременно уровни воды в указанных скважинах, можно по от-
меткам воды построить карту гидроизогипс — линий с одинаковыми отметками
уровня воды.
Направление потока перпендикулярно направлению гидроизогипс. Из тре-
угольника может быть определен и уклон потока. Например, отметки уровня
воды (фиг. 500):
В скважине 1-й — 104 м
» 2-й — 107 »
» 3-й— 101 »
Превышение уровня в скважине 2-й над уровнем в скважине 3-й равно 6 м.
точкой, имеющей отметку 4-104, получаем гидроизогипсу,
потока определяется наблюдениями за движением растворов
Соединяя 1 с
Скорость течения
красящего вещества (флюоресцеина, флюорант-
рона или специальных красок — голубой ани-
линовой и других) в направлении по падению
потока, нормальном к гидроизогипсам. То или
иное красящее вещество применяется в зависи-
мости от свойств воды. Можно использовать и
растворы поваренной соли; раствор запускается
в центральную скважину; далее появление
раствора наблюдается в одной из наблюдатель-
ных скважин, расположенных на 0,5—3 м, в за-
висимости от водопроницаемости породы.
Отбор проб для определения скорости те-
чения потока производится через определенные
промежутки: от нескольких минут для трещиноватых пород до 1—5 час.
и более для зернистых пород вплоть до появ ления воды, хорошо окрашенной или
с увеличенным содержанием хлоридов. Тогда
I
Т
где I — расстояние между скважинами;
Т — время.
Коэф: ц :ент пористости водоносного слоя определяется измерением объема
воды, вливаемым в образец грунта из водоносного слоя. Для определения рас-
хода необходимо измерить поперечное сечение водоносного слоя в направлении,
нормальном к направлению движения воды. Для этого составляется поперечный
профиль по гидроизогипсе, после чего и определяется поперечное сечение потока
(фиг. 500а).
Как определение скорости, так и определение коэфициента пористости, во-
обще говоря, не точны: первое — вследствие возможного неравномерного строе-
ния грунта, второе — вследствие неодинаковых плотностей и расположения
грунта в водоносном пласте и в приборе при определении коэфициента пористости.
При напорных водах и большой глубине скважин о потоке и его мощности
судят по опытной откачке из скважин. Глубина скважины диктуется залеганием
водоносного горизонта. Кроме центральной скважины иногда закладываются
контрольные минимального диаметра на расстоянии 5 и 25 — 30 м и более
в зависимости от ожидаемого радиуса депрессии.
В ряде случаев при глубоком залегании водоносного слоя разведочная сква-
жина проектируется так, чтобы она могла быть и эксплуатационной (конечный
диаметр не менее 150 мм). При наличии в водоносном горизонте песка или мел-
кого гравия скважины оборудуются фильтром, конструкция которого зависит
от породы.
При прохождении скважиной нескольких водоносных горизонтов после ис-
следования одного горизонта последний должен быть изолирован от следующего
горизонта.
Тампонаж скважины производится одним из опи-
санных выше методов.
Во время бурения детально изучается геологи-
ческий разрез, отбираются образцы, указывается
характер образца, глубины взятия и т. д.
При вскрытии водоносного горизонта бурение
вначале^ прекращают, определяют горизонт воды и
далее вновь продолжают на некоторую глубину
и производят наблюдения за уровнем воды и темпе-
ратурой.
V/
Фиг ,500а
Предварительное измерение уровней можно произвести специальным отвесом.
Для установления дебита скважины осуществляются опытные откачки. Де-
бит определяется наполнением водой из скважины какого-либо резервуара, водо-
сливом и т. д.
В случае самоизливающейся скважины опытная откачка может быть произ-
ведена для определения максимального дебита скважины.
Испытание скважины. Опытная или пробная откачка вначале
ведет к очистке скважины от оставшегося после бурения бурового
шлама или очистке мелкого песка в порах водоносного горизонта во-
круг фильтра. Такая откачка должна протекать при достаточном дебите скважины
до полного осветления воды. Далее ведется пробная откачка для установления
дебита, который зависит от мощности водоносного горизонта и соответственного
понижения уровня (динамического) в скважине.
Определение дебита ведется при различных динамических горизонтах.
Пробная откачка позволяет найти зависимость между дебитом и понижением
уровня, необходимую для решения вопросов, связанных с проектированием водо-
снабжения станции или района.
Иногда при неглубоком залегании водоносного горизонта для опреде пения
характера кривой депрессии (понижения) кроме испытуемой скважины устраи-
ваются скважины меньшего диаметра — наблюдательные — на расстоянии при-
мерно 5 и 25 — 30 м от основной.
При проектировании нескольких скважин предварительное определение кри-
вой депрессии позволяет установить экономически выгодное расстояние между
отдельными скважинами.
Возможен случай, когда близко расположенные скважины не влияют друг
на друга, а расположенные на большем расстоянии оказывают влияние. Это может
иметь место при трещиноватых скальных породах, при которых направление
и величина трещин, пройденных скважиной, различны.
В случае самоизливающихся скважин статический уровень может быть опре-
делен манометром, установленным на заглушке у отверстия скважины (фиг. 501 ,а)
Или так, как показано на фиг. 502.
При небольшом напоре статический уровень можно определить, наращивая
трубу (фиг. 501,6). Срезая трубу, дают возможность изливаться воде из сква-
жины; кромка срезанной трубы даст примерную отметку динамического уровня
(фиг. 501,в и г).
Фиг. 501
Определяя при этом дебит скважины (вода стекает в лоток и далее проходит
через водослив или к мерному резервуару), находят зависимость между дебитом
и понижением уровня воды в скважине. То же может быть получено и при уст-
ройстве по схеме, изображенной на фиг. 502. Согласно этой схеме при увеличении
Балансир буроБого станка.
открытия задвижки — различных де-
битах— имеют место различные дина-
БуроБая штанга
—। мические уровни, определяемые при
помощи манометра. При малой про-
изводительности самоизливающейся
скважины испытание может произво-
/4Д_ диться откачкой.
Откачка воды из с к в а-
ж и н. Откачка при незначительном
расстоянии отметки воды от поверх-
ности земли может производиться различными на-
сосами. При небольших производительностях сква-
жины и низко расположенном динамическом уров-
не для пробной откачки можно использовать простой
штанговый поршневой насос, приводимый в дей-
ствие от балансира бурового станка (фиг. 503).
Центробежный насос мало применим для проб-
ной откачки; применение горизонтального центро-
бежного насоса при высоких динамических уров-
нях возможно лишь в пределах высоты всасывания
этих насосов (фиг. 504); при понижении динамиче-
ского уровня работа центробежного насоса ста-
новится невозможной.
Приведение в действие центробежного насоса
Фиг. 503 осуществляется нефтяным двигателем, реже локо-
мобилем и очень редко электродвигателем.
При значительных дебитах для пробной откачки большое удобство представ-
ляет использование эрлифта, приводимого в действие передвижным агрегатом,
состоящим из двигателя и компрессора. Монтаж временной установки эрлифта
прост, притом последний работает бесперебойно, даже при содержании в воде
леска и раздробленной породы (начало откачки).
В процессе откачки приходится изменять погружение форсунки эрлифта,
увеличивать производительность последнего и т. д.
Пробные откачки производятся для трех-четырех различных производитель-
ностей (три-четыре точки кривой зависимости дебита от понижения уровня).
Воду, подаваемую из скважины после замера, отводят от скважины, не давая
возможности проникать ей обратно в скважину.
Производительность скважины
7
Фиг. 504
может определяться мерным резер-
вуаром и по треугольному водосливу
Томсона или четырехугольному —
Фиг. 505
Понсоле, вырезанному в щите из строганых досок. Щит с водосливом устана-
вливается в конце лотка, отводящего воду из скважины. Лоток перед водосливом
должен иметь длину в 4—5 раз большую ширины воДослива; кромки водослива
должны быть гладкими; дно лотка должно бытьстрого горизонтально. Измерение
состоит в определении высоты уровня воды в лотке над кромкой водослива, опре-
деляемой на некотором расстоянии от водослива как разность между ьысоюй
уровня воды над дном лотка и высотой кромки водослива.
На фиг. 505 показано измерение расходов водосливом.
В процессе изысканий вычисления для определения расхода водослива удоб-
нее вести по номограмме фиг. 506. Дебит скважины может определяться и по водо-
меру (при отсутствии песка в воде), устанавливаемому на отводе отскважины.
В отдельных случаях дебит скважины может быть определен обратным путем,
т. е. не откачкой, а нагнетанием в нее воды насосом (фиг. 507).
При наполнении скважины вода поднимается по ней выше статического уров-
ня и тем выше, чем большее количество воды подается в скважину. Здесь сущест-
вует такая зависимость: если при подаче в скважину а л/сек воды уровень под-
нимается на й=Я2—Нг метров выше статического, то при откачке из скважи-
ны а л/сек уровень понизится на ту же величину й метров. Этим методом можно
пользоваться при значительной производительности
скважины и отсутствии соответствующих насосов для
откачки или при малых диаметрах пробной скважины
до 75—100 мм), не позволяющих вследствие стесненности
произвести откачку насосом, а равно при наличии чистой
воды для нагнетания ее в скважину.
Измерения статического и дина-
мического уровней. Определение статического
и динамического уровней
воды в скважине при не-
глубоком положении уров-
ня может быть произве-
дено рейкой или шнуром,
покрываемым легкосмы-
вающейся краской; при
глубоком стоянии уровня
воды существует ряд элек-
троприборов, позволяющих
определять статический и
динамический горизонт;
действие приборов основа-
но на замыкании электро-
цепи при контакте с во-
дой.
Для той же цели мо-
жет быть применен пневма-
тический показатель уров-
ня (фиг. 508), состоящий
из небольшого переносного компрессора воздушного насоса автомобильного
типа, возду лного колпака, выполненного из куска Газовой трубы длиной до
1 м, диаметром 25—50 мм, двух манометров Мг и М2, пробных кранов и соеди-
нительных труб диаметром 12,5.им для подвески воздушного колпака в скважине.
Фиг. 509
Вначале предварительно
определяют положение уров-
ней шнуром и подвешивают
воздушный колокол (колпак)
ниже наиболее низкого дина-
мического уровня (определен-
ного предварительно). После
подвески колокола компрес-
сором создают давление, пре-
вышающее погружение коло-
кола под статическим уровнем,
и перепускают небольшое ко-
личество воздуха в воздуш-
ный колокол, вытесняя из него
и воздушных труб воду. По-
казания манометра Мл будут соответствовать высоте столба воды над воздуш-
ным колоколом.
Определяя ряд таких высот перед откачкой и во время откачки при разных
дебитах, получают понижение динамического уровня в соответствии с разными
дебитами. Для более точных отсчетов устанавливают не пружинные манометры,
а диференциальные.
В результате пробной откачки строится кривая зависимости дебита сква-
жины от понижения уровня воды (фиг. 509).
Кривые депрессии (фиг. 510) могут быть построены в результате наблюдения
за понижениями уровня воды в упомянутых выше наблюдательных скважинах,
располагаемых на расстоянии 5 и 25 м и более в зависимости от предполагаемой
величины радиуса депрессии. Наблюдения за уровнями во всех скважинах
ведутся по возможности одновременно.
ыг
второе 51
понижение
Первое 5,
понижение
/ТЗ
— Я/—
Л/'г
Третье 5Л Та
мйиЖение Г $
НаблюОшпельные
сквткинСи
I - потеря напора в скважине
8-понижение уровня ори откачке
Фиг. 510
Определение производительности скважины по удельному дебиту, получен-
ному в результате откачки при незначительном понижении (значительно меньше
того понижения, которое ожидается для расчетной производительности), может
явиться лишь ориентировочным. При глубоком залегании водоносного горизонта
выполнение ряда наблюдательных скважин является дорогим.
Можно заложить две скважины, как рекомендует проф. Малишевский,
(фиг. 511) на линии, нормальной к направлению потока. Скважины испы-
тываются откачкой вначале поочередно, а затем одновременно. До тех пор
пока скважины не влияют одна на другую, т. е. полосы питания не пришли в со-
прикосновение, уменьшение дебита каждой из скважин при работе обеих не на-
блюдается.
Фиг. 511
3 Палос!» питания пришли
& соприкосновение.
При дальнейшем увеличении дебита каждой скважины и понижении уровня
наступает момент снижения общего дебита двух скважин (полосы питания пересе-
каются); соответствующие этому моменту дебиты скважин и </2 при данном
динамическом уровне позволяют найти максимальный расход подземного потока
при данном динамическом уровне на 1 пог. м ширины потока:
„ 71 + ?2
4 ~ 21 ’
где I — расстояние между скважинами.
Эта величина может служить для определения необходимой ширины потока
для заданного расхода.
В результате изысканий кроме гидрогеологической карты с показанием участ-
ков с наличием подземных вод, глубины их залегания, дебита и т. д. составляются
план расположения разведочных скважин, гидрогеологические профили к пла-
ну с отметками устья, статических и динамических уровней, геологические раз-
резы по скважинам, кривая зависимости дебита от понижения, данные о влиянии
соседних скважин и т. д.
Кроме того, прилагаются анализы воды, описание фильтров, типа водоподъ-
емника и составляются выводы по проведенным гидрогеологическим изыска-
ниям.
При производстве буровых работ особое внимание уделяется подбору буро-
вого инструмента и оборудованию для откачки воды.
Работа начинается с установки вышки над скважиной, рытья неглубокого
(1,5—2,00 м) шурфа и далее установки первого звена обсадных труб. Бурение
производится ручное или механическое.
В качестве источников могут быть использованы грунтовые воды, выходя-
щие на г.озерхность в виде ключей.
Поиски источников и изучение района позволяют обнаружить водоносные
пласты, выклинивающиеся по склону. Нередко на склонах обнаруживаются
туфы, что указывает на наличие источника; иногда можно наблюдать небольшой
ручеек из открытого горизонта, прикрытого какой-либо породой; увлажнение
склонов, специфическая окраска породы и пр. указывают на наличие таких ис-
точников; часто вода выбивается ключом.
Изыскания сводятся к топографическим работам (нивелировка места для
каптажа), буровым работам, необходимым для выяснения мощности горизонта
и направления подземного потока, определению дебита источника и колебаний
э ого дебита в течение года, температуры воды, выяснению возможности промер-
зщия источника зимой, производству анализов воды и т. д.
Топографические изыскания сводятся к проведению пла-
нозо-высотной съемки участков распространения выходов грунтовых вод с со-
ставлением плана в горизонталях в масштабе примерно 71 ооо—Уоооо с сечением
горизонталей через 0,5—1,0 м.
В местах расположения каптажных сооружений производится высотно-
плановая съемка в более крупном масштабе с сечением горизонталей че-
рез 0,5—1,0 м. Места выхода вод нивелируются с привязкой нивелировки к об-
щей съемке.
Геологические и гидрогеологические исследо-
вания. В районе питания и выхода этих вод производится геологическая съем-
ка на имеющейся топографической основе. Проведение геологических разведок —
бурение, шурфование, расчистка склонов, оврагов и др.— имеет целью получе-
ние необходимых материалов для составления геологической карты, выяснения
мощности водоносного горизонта, направления и скорости движения грунтовых
вод. Для изучения мощности потока могут проводиться длительные пробные от-
качки; выясняется существование взаимного влияния грунтовых вод разных гори-
зонтов и поверхностных вод.
При отсутствии выхода грунтовых вод на поверхность организуются дли-
тельные гидрогеологические исследования по изучению их; определяются колеба-
ния уровней, дебит, температура, качество воды и т. д. Вообще желательно по-
вторное определение дебита и температуры воды осенью и зимой и т. д. Места
геологических и гидрогеологических разведок (скважины, шурфы и расчистки),
а также все пункты наблюдений над режимом грунтовых вод должны быть при-
вязаны в плановом и высотном отношении к существующим съемкам.
В результате изысканий составляются план местности, где расположен ис-
точник, с указанием выхода, предполагаемого расположения каптажа, а также
геологический разрез места выхода источника и водоносного горизонта, питаю-
щего источник, а равно выводы об использовании источника в целях водоснаб-
жения с данными, необходимыми для проектирования каптажных сооружений,
с указанием желательного типа каптажного сооружения и мер предохранения
каптажного сооружения от загрязнения.
Связь грунтового потока с поверхностными во-
дами. В отдельных случаях необходимо выяснить наличие взаимного влияния
потока грунтовой воды и поверхностных вод. Такое взаимное влияние может быть
определено построением гидроизогипс. Здесь могут быть следующие случаи:
а) между подземными и поверхностными водами не существует связи, они
являются независимыми; направление гидроизогипс показано на фиг. 512;
б) грунтовые воды поступают в реку; направление
гидроизогипс показано на фиг. 513;
в) река отдает свою воду в грунт; направление гид-
роизогипс показано на фиг. 514;
г) строение берегов таково, что на одном берегу река
получает грунтовую воду, а на другом — отдает свою воду
в грунт; направление гидроизогипс показано на фиг. 515.
Колебания уровней воды и температур ее также могут
позволить установить связь грунтовых вод с поверхност-
ными. При наличии такой связи повышение уровня воды
в реке ведет к одновременному повышению уровня грунто-
вых вод; повышение температуры речной воды летом пове-
дет также к повышению температуры грунтовой воды, и на-
оборот, заметное понижение температур воды в отдельных
местах реки укажет на приток грунтовых вод. Взаимную
связь мекду рекой и грунтовыми водами можно установить
также и по солевому составу воды; лучше всего это наблюдать во время павод-
ков, когда солевой состав речной воды резко изменяется. При большом обмене
воды между рекой и подземным источником это может быть обнаружено опре-
делением расхода воды по двум створам; увеличение расхода реки укажет на
имеющее место питание реки за счет подземных вод, уменьшение — на обратное.
Источник водоснабжения — инфильтрационные
воды
Как указывалось, для целей водоснабжения в отдельных случаях могут
быть использованы речные инфильтрационные воды, которые, проходя через
толщу грунта, собираются в специально устроенных колодцах и галлереях. Харак-
тер и объем изысканий для забора этих вод частично повторяют изыскания от-
крытых источников водоснабжения и частично изыскания грунтовых вод с про-
ведением дополнительных работ в местах расположения водозаборных сооруже-
ний. Здесь тре эуются:
1) устройство разведочных скважин и шурфов с целью изучения геологиче-
ского строения берега реки на длине расположения сборных колодцев и галлереи;
2) проведение пробных откачек с целью изучения фильтрационных свойств
грунтов, скорости фильтрации и расхода потока и степени заиливаемости грун-
тов;
3) выяснение взаимного влияния грунтовых и инфильтрационных вод в за-
висимости от колебания горизонта воды в реке и удаления опытных скважин или
шурфов от уреза воды.
§ 6. Изыскания трассы напорных линий
Изыскания трассы напорных линий ведутся с целью выбора наимень-
шей длины линий и прокладки их в наиболее благоприятных грунтах. Необ-
ходимо избегать прокладки линий в плывунах или скальных грунтах. Таким об-
разом, изыскание трассы выходит за пределы чисто топографических изысканий.
Пересечения трассы линий с речками, балками, ручьями, жел.-дор. полот-
ном и т. д. снимаются подробно, и для такого места составляется профиль пере-
хода линии. Отметки воды при проходе весенних и ливневых вод имеют важное
значение при пересечении трассой балки или оврага.
Напорный водовод желательно трассировать по кратчайшему расстоянию,
но пересечение напорной линией балки или оврагов удорожает производство ра-
бот (в отдельных случаях это может вызвать необходимость постройки дорого-
стоящих акведуков).
Трассировка по населенному месту менее желательна, а в случае неизбеж-
ности таковой, как трасса, так и глубина заложения труб, должны быть увязаны
с уже проложенными или намечаемыми к прокладке электрическими, телефон-
ными кабелями и т. д. Расстояние между двумя напорными линиями должно при-
ниматься значительным и желательно не менее 10—15 м; по специальному зада-
нию это расстояние может приниматься большим.
При трассировке напорной линии расстояние ее должно быть не менее 5 м
от подошвы откоса насыпи.
При неблагоприятных местных условиях приходится составлять несколько
вариантов трассы и производить выбор ее на основании экономического сравне-
ния.
Топографические изыскания по трассам напор-
ных водоводов в первой стадии изысканий сводятся к выбору общего
направления трассы, нивелировке и составлению плана и продольного профиля
трассы и при составлении технического проекта в основном сводятся к уточнению
и некоторой детализации изысканий, произведенных ранее к проектному зада-
нию или схеме.
Направление трассы зависит от места расположения водопотребителей,
рельефа местности и прочих условий, указанных выше. Для трассировки линии
необходимо пользоваться картографическим и плановым материалом и начинать
с рекогносцировочных обследований; съемка трассы должна быть привязана в вы-
сотном и плановом отношении к соответствующим знакам государственной съемки.
В зависимости от числа водоводов и расстояния между ними планово-высот-
ная съемка участка производится вдоль трассы напорных водоводов шириной
в среднем около 20—50 м с составлением плана в масштабе г/2 000—^зооо с сече-
нием горизонталей через 0,5—1,0 м. Продольный профиль трассы составляется
в масштабе: горизонтальном 1/2000—1/5 000 и вертикальном 1/100—1/200.
В местах перехода напорных водоводов через реки, староречья, балки,
овраги, шоссейные дороги, под мостами и пр. производится высотно-плановая
съемка в более крупных масштабах—1/200— 1/500 с сечением горизонталей через
0,5—1,0 м и составлением продольных профилей в масштабе: горизонтальном
х/1оо—1/воо и вертикальном и 1/1и0. Места переходов, встречающиеся по трассе:
строения, огороды, сады и пр. наносятся на общий план.
Геологические и гидрогеологические изыскания.
По трассе напорного водовода необходимо выявить характер грунтов; для этой
цели закладывается ряд разведочных скважин глубиной примерно до 4 м на рас-
стоянии друг от друга 200 м и более в зависимости от характера геологического
492
строения; особо отмечаются заболоченность, глубина залегания грунтовых вод,
установившийся уровень их и качество воды в смысле корродирующего действия.
При наличии одной напорной линии и проектировании другой для проектиро-
вания переключения их снимаются поперечные профили с указанием отметок
заложения труб и пр.
Большое значение при трассировке линии имеют данные о глубине промер-
зания почвы.
В местах переходов через реки, староречья, овраги и пр. геологические раз-
ведки (скважины, шурфы и др.) располагаются на расстоянии 10—30 м и состав-
ляются геологические профили. В местах расположения таких сооружений, как
дюкеры, акведуки и др., скважины и шурфы заглубляются обычно на 3—4 м
ниже основания этих сооружений.
§ 7. Изыскания в районе потребления воды и расположения сооружений
Топографические изыскания. В районе потребления воды,
территории жел.-дор. станции, узла или населенного пункта производится пла-
ново-высотная съемка с составлением плана в горизонталях в масштабе 1/2 000 —
1/ю ооп-
Для отдельных участков, на которых предполагается возведение сооружений
(насосных станций, водонапорных башен, очистных сооружений), высотно-плано-
вая съемка производится в более крупном масштабе — х/гоо — х/1 ооо с сечением
горизонталей через 0,5—1,0 м. Трассы водоводов и всех магистралей сети
разбиваются на месте с составлением продольных профилей и соблюдением
ранее отмеченных условий трассировки.
Геологические и гидрогеологические исследования.
Геологические и гидрогеологические исследования сводятся к уточнению геоло-
гии в местах расположения сооружений. Отмечаются характерные места — ополз-
невые участки, заболоченность и др.; определяются горизонты грунтовых вод.
Далее изучаются физико-механические, химические, строительные и фильтра-
ционные свойства грунтов в основании сооружений и иногда частично по трассе
водоводов.
Перед составлением проектного задания и далее технического проекта необ-
ходимо получить и уточнить ряд данных экономического и статистического по-
рядка. Сюда относятся сведения о всех потребителях воды, особенно по удовлетво-
рению поездных и всех производственных нужд, числе жителей населенного пунк-
та, числе рабочих депо и заводов по цехам и сменам, сведения о перспективах
жилищного строительства, схема планировки населенного пункта с распределе-
нием населения по плотности, этажности и пр., сведения о числе и характере всех
предприятий, потребляющих воду, в том числе общественных и коммунальных,
с указанием коэфициентов неравномерности. Необходимы подробные данные о
существующем водоснабжении (если таковое имеется), об источниках электро-
энергии, стоимости ее, о предполагаемом развитии электрической сети, о ресур-
сах местного топлива, возможности и стоимости подвозки его, о стоимости реа-
гентов и их подвозки. Сюда, наконец, относятся данные о наличии местных
строительных материалов и о возможной доставке их, а равно о заводах, произво-
дящих отдельные строительные материалы, о возможности размещения рабочих,
удовлетворения их бытовых нужд и т. д.
§ 8. Особенности изысканий в районах вечной мерзлоты
Водоснабжение в условиях вечной мерзлоты является сложной задачей.
Использование источников, а равно и изыскания имеют здесь свои особенности.
При устройстве жел.-дор. водоснабжения в качестве источников в условиях веч-
ной мерзлоты могут быть, вообще говоря, использованы реки, грунтовые воды,
ключи, выходящие на дневную поверхность, и артезианские воды.
Значительная часть рек зимой промерзает здесь до дна, протекая в подрусло-
вых наносах. Весенние паводки незначительно повышают горизонты. Летние па-
водки для рек с большими уклонами представляются в этом отношении более
серьезными. В начале зимы в значительной степени наблюдается донный лед,
в мелких местах и перекатах встречаются наледи. Толщина промерзания воды
в реках доходит до 1,5 м. Большинство рек с малыми расходами и притом имею-
щие неблагоприятный зимний режим без зарегулирования не может быть исполь-
зозано в качестве источника водоснабжения, а недостаточная изученность во-
просов постройки плотин в этих условиях (сооружение на мерзлом грунте) за-
ставляет избегать использование таких рек как источников водоснабжения. При
невозможности использования иных источников водоснабжения особо важными
становятся мерзлотно-геологические изыскания вследствие необходимости уст-
ройства плотины (отепляющее действие воды может привести к оттаиванию осно-
вания под плотиной и тогда возможно ее разрушение).
Для предупреждения оттаивания и обеспечения устойчивости основания тре-
буются специальная конструкция плотины, выбор соответствующего материала
и способа производства работ, специальные наблюдения за тепловым режимом
основания, режимом близрасположенных грунтовых вод, если таковые имеются,
режимом реки и мерзлого слоя.
Для устройства водозабора намечается участок с наиболее тонким ледяным
покровом или глубокий плес. Организуются водомерные посты, отмечаются уровни
воды, глубина воды, толщина льда, шуга, дается краткая характеристика
ледяного покрова, замеряются температуры воздуха и воды, производится из-
мерения скорости и расхода поплавками (на непромерзших участках) или опил-
ками, забрасываемыми в лунку одного створа и замечаемыми в лунках другого
створа.
М щсимальные горизонты реки, скорость течения и расходы определяются
и во время ледохода, а также—характер и время окончания последнего. Весь мате-
риал должен охарактеризовать зимний режим реки с начала ледостава и до конца
ледохода в такой степени, чтобы можно было выявить степень надежности источ-
ника и наметить схему водоснабжения и схему сооружений.
Изыскания в месте расположения водохранилища и плотины мало отличаются
от таковых в обычных условиях. Плотины должны предусматриваться усиленной
конструкции, так как паводки несут значительное количество лесных коряг и пр.
Подземные воды имеют в районах вечной мерзлоты большое распростране-
ние. В виде грунтовых вод они обнаруживаются здесь над вечной мерзлотой в тол-
щах речных наносов, в долинах рек деятельного слоя.
Режим межмерзлотных грунтовых вод непостоянен вследствие периодиче-
ского промерзания и оттаивания перекрывающих их слоев. Дебит их и направле-
ние меняются и, несмотря на хорошее качество этих вод, они могут быть использо-
ваны лишь для небольших расходов, не будучи надежными источниками водо-
снабжения. Изыскания обычно производятся в феврале—марте и состоят в гидро-
геологической съемке (изучении условий залегания и выходов), в определении
направления и скорости потока, дебита, уровней и температуры, в выявлении об-
щей геологии (шурфование и бурение) и т. д. При этом следует иметь в виду, что
отклонение потока зимой вследствие промерзания может быть значительным. Эти
воды имеют внешние признаки — бугрь; и вспучивания на поверхности. Приняв
обследованный талик грунтовой воды в качестве источника водоснабжения, наме-
чают наиболее приемлемый тип каптажа, устраиваемого обычно в виде колодцев
или галлерей. Составляется план в масштабе у3 000 с показанием границ талика,
скважин, шурфов и пр., составляются гидрогеологические профили с показа-
нием глубин промерзания, оттаивания, с показанием водоносных горизонтов,
уровней воды и т. д.
Подземные воды в районах вечной мерзлоты встречаются и в виде ключей,
выходящих на дневную поверхность; это — глубокие подмерзлотные артезиан-
ские воды, проникшие через трещины сброса в коренных породах, граните, слан-
цах и известняках, образовавшие талик и вышедшие на поверхность (фиг. 516). У
выхода ключей часто наблюдаются богатая растительность, бугры с наклоненными
деревьями, и зимой мокрые наледи. Дебит ключей постоянен, температура более
высокая (4-1° и выше) и постоянная, и так как при этом дебит часто значителен по
своей величине (до 1 000—2 000 ы3 в сутки), то такие ключи в этих условиях счи-
таются наиболее надежным источником водоснабжения.
Распространение талика в горизонтальном направлении зависит от грунта,
в котором движется поднявшаяся вода. Наполняющая талик вода может, таким
образом, иметь питающим источником подмерзлотную воду. Обычно изыскания
ключей производятся в феврале — марте. Обнаружив наледи и самые ключи,
закладывают скважины, определяют геологический характер места. Колебания
уровня воды в скважинах при бурении могут свидетельствовать о различной сте-
пени глинизации горных пород и о различном насыщении их водой. На схеме
фиг. 517 показано расположение шурфов, заложенных с целью выяснения точных
границ таликовой площадки и выбора наиболее рационального места и типа кап-
тажных сооружений.
В результате изысканий оконтурены таликовые площадки, выбраны типы
каптажных сооружений (шахтные колодцы в месте выхода ключа) и схема водо-
снабжения.
Артезианские воды залегают под вечной
мерзлотой в коренных породах с положитель-
ной температурой; изыскание их произво-
дится при детальном изучении гидрогеологии
района. Техника бурения и испытания сква-
жин здесь имеет свой особенности и сильно
усложняется необходимостью проходки в
слое вечной мерзлоты. В этом случае буро-
вой инструмент приходится предохранять от
примораживания; это достигает-
ся впуском в скважину трубок
с паром от парового котла, бу- ------
рением с промывкой подогре-
той водой, иногда нагретым ин-
струментом, беспрерывной рабо- 517
той инструмента и т. д.
Испытание скважины (откачка) в целях предохранения частей насоса (штан-
гового) от замерзания должно производиться без остановки.
Исследования грунтов под фундаменты насосных станций и прочие сооружения
являются в условиях вечной мерзлоты серьезной задачей. Для основания соору-
жений (плотины, насосные станции и т. д.) наиболее надежными грунтами яв-
ляются скальные породы (если они не выветрены); относительно хорошими гпмн-
тами являются также песчаные, гравелистые и галечные, в особенности если они
не увлажнены водами.
Наиболее неблагоприятными грунтами являются мерзлые глинистые и или-
стые грунты, обычно насыщенные водой (льдом), при замерзании вспучивающие-
ся и при оттаивании разжижающиеся.
Трассировка водоводов в условиях вечной мерзлоты имеет также свои осо-
бенности. При составлении профиля водовода кроме всех прочих данных необ-
ходимо указать границы рыхлых грунтов, коренных пород и вечной мерзлоты,
а также отметить места, где заложены скважины и шурфы. Трассу следует вы-
бирать в грунтах, не подвергаемых увлажнению, ибо последние при оттаивании
могут разжижиться, а водовод подвергнуться разрушению. Если этого избежать
нельзя, то предусматривают отвод воды от трассы (дренаж). Изыскания трассы
сопровождаются заложением шурфов для выявления теплового режима грун-
тов. Измерения температур производятся на разных глубинах (до 3 м). На плане
трассы указываются шурфы и характер покрова (кустарник и пр.).
§ 9. Изыскания, связанные с выпуском сточных вод
Топографические изыскания. При незначительном рассто-
янии от сооружений, спускающих сточные воды, до места сброса этих вод (овраги,
балки, реки и др.) территория, по которой проходит коллектор, включается
в общую съемку площадки.
При значительном расстоянии до места выпуска вод производится трасси-
ровка сбросного коллектора с проведением топографических изысканий, анало-
гичных изысканиям по трассе напорных водоводов.
У самого места выпуска для составления проектного задания необходимо раз-
бить не менее одного створа по оси коллектора через реку или балку с последую-
щей нивелировкой и составлением профиля.
Геологические и гидрогеологические исследо-
вания. Геологические и гидрогеологические изыскания трассы сбросного
коллектора сводятся к производству геологических выработок и составлению
ориентировочного геологического профиля и выполняются в объеме аналогич-
ных изысканий трассы напорного водовода.
Гидрологические исследования и гидрометриче-
ские работы. Гидрологические исследования и гидрометрические работы,
связанные с выпуском сточных вод в реки, озера, балки и пр., сводятся к уста-
новлению основных гидрологических характеристик последних.
Санитарно-технические исследования. При сбросе
сточных вод в водоем необходимо изучить последний с точки зрения использо-
вания его для целей водоснабжения, рыбного хозяйства, транспорта и т. д. как
выше, так и ниже места сброса.
Подробно о санитарно-технических исследованиях сказано далее.
ГЛАВА II
САНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ
§ 10. Исследования водоемов и воды
Санитарно-техническое обследование водоема и исследования воды про-
водятся для решения вопроса о возможности использования источника и при-
годности воды для целей водоснабжения.
Санитарное обследорание водоема (источника) и близлежащей территории
имеет особо важное значение при использовании источника для питьевых целей.
Оно позволяет установить возможные виды загрязнения источника, связь его
с теми или иными предполагаемыми местами загрязнения (свалки, помойные ямы
и поглощающие колодцы, выпуски сточных вод и пр.).
В задачу санитарного обследования входят изучение местных условий, кото-
рые могут оказать вредное влияние на состав воды, изучение вопросов, связанных
с развитием эпидемий водного характера (брюшной тиф, паратиф, дизентерия),
изучение прироста заболеваемости и смертности населения, благоустройства на-
селенного места и т. д.
На основании тщательного обследования близлежащей территории и место-
нахождения самого источника составляется санитарное описание его.
Качество воды определяется в результате исследования физических
свойств воды и ее химического состава в том случае, если вода предназначена
только для поездного водоснабжения, а если вода предназначается и для питьевых
целей, то дополнительно производятся исследования ее бактериологического со-
става; в последнем случае часто проводится и биологическое исследование водоема.
Пригодность воды устанавливается в результате сравнения полученных ре-
зультатов с принимаемыми для данного источника нормами с учетом, естественно,
местных данных геологического, гидрологического, метеорологического и
санитарного характера.
Определения физико-химических свойств воды позволяют установить:
1) наличие в воде солей, ведущих к образованию твердой накипи;
2) наличие в воде растворенного кислорода, свободной СО2, М§С13
и других солей, обусловливающих корродирующее действие;
3) наличие в воде солей, обусловливающих щелочную хругкость металла;
4) наличие в воде значительного количества взвешенных веществ, органиче-
ских веществ и солей, обусловливающих бросание и вспенивание котловой воды;
5) наличие в воде отдельных химических соединений, которые сами по себе
в тех количествах, в которых они найдены, могут быть безвредными, но наличие
которых сигнализирует о возможной связи водоема с некоторыми источниками
загрязнения; сюда относятся: аммиак, азотистая кислота и пр.;
б) наличие таких колебаний физических свойств и химического состава, кото-
рые при определенных условиях указывают на неблагополучие источника в сани-
тарном отношении; например, для глубокозалегающих артезианских вод, обла-
дающих постоянством состава и температуры, колебания химического состава
и температуры могут сигнализировать о возможном неблагополучии источника
с санитарной точки зрения (прорыв воды из другого горизонта);
7) наличие в воде Ге, Мг, На8 и пр., наличие различных комбинаций солей
и физических свойств, предрешающих схему обработки воды, и т. Д- и т. п.
Цикл исследования должен быть годичный (особенно для поверхностных ис-
точников).
Бактериологическое исследование воды сводится
к определению общего числа бактерий и титра СоН. Общее количество колоний
бактерий после посева 1 см3 воды на питательной среде допускалось в питьевых
водах различным (от 50 и выше) и потому могло служить лишь для сравнитель-
ной оценки. Чаще это количество принимали равным 100.
Современные требования: число колоний при отдельных определениях не
выше 75 и среднее за год не выше 30 в 1 см3.
Патогенные бактерии (возбудители брюшного тифа, паратифа, дизентерии)
в силу несовершенности и сложности методики бактериологических исследований
очень редко удавалось выделить из воды (за исключением холерного вибриона,
сравнительно легко выделявшегося бактериологами из проб воды во время холер-
ных эпидемий). Современные требования к воде в бактериологическом отношении
сводятся к определению показателя, фекального загрязнения источников воды —
группы кишечной палочки (постоянно имеющейся в кишечнике человека и живот-
ных). Вода не должна содержать возбудителей инфекционных болезней и ки-
шечной палочки.
Наименьший объем, в котором найдена кишечная палочка (как указывалось),
носит название титра кишечной палочки. Следовательно, необходимо считать,
что титр 10, титр 1, титр 0,1 характеризуют подозрительную, плохую и очень
плохую воду. Вода, используемая для питьевых целей на жел.-дор. транспорте,
должна иметь титр СоН не меньше 300 см3.
Биологическое исследование, проводимое для санитарной
оценки водоема, основано на определенных отношениях между внешней средой,
характером и степенью развития водных организмов.
Биологическое исследование ведет не к изучению воды, а водоема во всем
его целом (вода, дно, берега и т. д.), и должно ответить на вопрос, какова сте-
пень загрязнения водоема, каков характер загрязнения и как протекает процесс
естественного самоочищения в водоеме.
32 Водоснабжение
497
Исследования должны обязательно проводиться при низком стоянии воды,
причем полная картина загрязнения получается при годичном цикле исследо-
вания и во всяком случае в течение второй половины лета, осенью и части зи-
мы. Особое внимание при биологическом исследовании должно уделяться та-
ким местам, как плотины, перекаты и т. д.
Методы биологического исследования водоемов состоят в изучении бентоса,
планктона, флоры высших растений, фауны высших животных и одновременно
физико-химических свойств воды в момент исследования. Одновременно с ка-
чественными и количественными определениями населения водоема и донных
отложений (моллюски, черви, личинки и пр.) собираются сведения о водном
режиме и в частности об этом режиме в момент исследования. По характеру и
степени развития в водоеме определенна у видов растений и животных судят о
загрязнении водоема и его самоочищающейся способности.
По отношению к степени загрязнения различаются: полисапробная группа,
встречающаяся обычно в очень грязных водах (химический и бактериологиче-
ский анализы указывают в этих случаях на загрязнение органическими отбро-
сами,—число бактерий может доходить До 1 млн. в 1 см8 и выше), мезасапроб-
ная группа, встречающаяся в более чистой и более удовлетворительной с сани-
тарной точки зрения воде (в этом случае развивается большее количество
водорослей, число бактерий меньше, вода обладает растворенным кислородом и
способна к самоочищению), и олигосапробная группа, встречающаяся в
чистых водах (высшие организмы более сложного биологического строения).
Все методы исследования являются самостоятельными и при решении во-
проса о загрязненности водоема должны применяться одновременно. Значение
бактериологического исследования подчеркивается при оценке питьевых вод
и для контроля над работой фильтровальных станций; значение химического ис-
следования подчеркивается при оценке вод для снабжения водой паровозов
и удовлетворения производственных нужд, а равно для контроля над работой
умягчительных станций и биологического — при оценке характера загрязнения
водоема (усвоение различными организмами органических веществ, загрязняю-
щих воду, степень разложения этих веществ и т. д.), а также (вместе с химиче-
ским) для контроля работы сооружений по очистке сточных вод.
Биологическое исследование водоема, выполнимое относительно быстро,
дает указания о наиболее целесообразном расположении пунктов взятия в нем
проб, а также позволяет сравнительно быстро предварительно изучить
водоем на большом протяжении перед подробным химическим и бактериологиче-
ским его исследованием.
Отбору проб для анализа должно придаваться серьезное значение; здесь
должны быть устранены элементы случайности.
Оценка воды для строительства
Необходима оценка воды в смысле действия ее на бетон. Такое действие
оказывают агрессивные воды. Вредными для бетона являются сернокислые соли
в воде (М§804), свободная углекислота, гуминовые кислоты и воды с рН меньше 6;
сероводород, сульфиды и сульфаты вредны для бетона.
§11. Изыскания к проектированию санитарных охранных зон
Как уже указывалось, для питьевого жел.-дор. водоснабжения необходимы
мероприятия, охраняющие источник воды и воду в сооружениях от загрязнения.
Организация санитарных охранных зон, предусматриваемая советским законо-
дательством, является основой и комплексом таких мероприятий. Изыскания
к проектированию охранных зон связаны с тремя видами последних:
1) зона строгого режима —территория, на которой расположены места за-
бора воды, водопроводные сооружения, как то: очистные сооружения, установки
для хлорирования, резервуары чистой воды и т. д.;
2) зона ограничения —территория, непосредственно примыкающая к источ-
нику, другие источники, могущие влиять на качество воды данного источника,
и окружающая территория с сооружениями, населением и пр.; в зоне ограничения
осуществляются мероприятия по упорядочению спуска сточных вод, по упорядо-
чению очистки нечистот и отбросов, по благоустройству территорий и регулиро-
ванию пользования ими, по регулированию и использованию самого источника,
по упорядочению самого водоснабжения в охранной зоне и т. д.;
3) зона наблюдений, в которой осуществляются мероприятия, касающиеся
борьбы против желудочно-кишечных (водных) эпидемий.
Составлению проекта предшествует обследование санитарного порядка. Сюда
входит изучение материала, касающегося санитарного состояния бассейна пита-
ния источника, санитарного состояния самого источника, его притоков и других
близких поверхностных и подземных вод и касающегося загрязнений и самоочи-
щающейся способности водоема. Сюда входит непосредственно санитарный осмотр
указанных объектов, а также сооружений, предприятий, населенных мест, могу-
щих повлиять на источник.
На основании указанных исследований составляется проект зоны санитар-
ной охраны1, уточняющий границы зоны и разделение ее на части с указанием
границ; разрабатываются санитарные требования и мероприятия, касающиеся
сооружений и их эксплуатации.
В результате всех проведенных изысканий и исследований составляются
отчетные материалы, содержащие в себе:
1) общий отчет, включающий сведения о цели изысканий, объеме и характере
произведенных работ, основные выводы по отдельным разделам изысканий с
приложением технических документов;
2) отчеты по отдельным видам изысканий: топографическим, геологическим,
гидрогеологическим, гидрологическим, климатологическим, санитарно-техни-
ческим, экономическим и т. д., с указанием объема и методики изысканий, вы-
водами и приложением основных технических документов.
ГЛАВА III
СОСТАВ И СОДЕРЖАНИЕ ПРОЕКТА ВОДОСНАБЖЕНИЯ8
§ 12. Общие положения
Установлены следующие стадии проектирования: а) проектное задание;
б) технический проект со сметой к нему; в) рабочие чертежи.
Проектное задание позволяет выявить техническую возможность и наметить
целесообразную схему нового или реконструкции существующего водоснабже-
ния на основании всесторонних изысканий; оно содержит данные для составления
технического проекта и ориентировочного определения стоимости строительства
и себестоимости воды. Технический проект решает все технические вопросы
строительства, определяет объем и стоимость работ в целом и в отдельных частях
и определяет методы производства строительных работ. Рабочие чертежи дают
детальное решение отдельных конструкций.
§ 13. Состав и содержание проектного задания
Проектное задание водоснабжения составляется после соответствующих
изысканий и изучения (при реконструкции) существующего водоснабжения.
Исходные данные для проектирования
А. Общие данные вне зависимости от типа источника
1) о всех потребителях воды жел.-дор. станции;
2) о существующем водоснабжении жел.-дор. станции, поселка и пр.
3) о наличии промышленных, коммунальных, общественных и иных пред-
приятий в районе проектируемого объекта; 1 2 *
1 Подробно см. «Положение о проектировании зон санитарной охраны» от 7/У 1938 г.
2 Настоящая глава не относится к разделу «Изыскания», однако печатание ее целе-
сообразно после изложения «Изысканий».
4) о численности населения и перспективах его роста;
5) об этажности застройки (станции, поселка) и перспективах дальнейшей
планировки;
б) о наличии электроэнергии, надежности снабжения, силе и напряжении
тока, стоимости 1 кв-ч; о наличии местного топлива;
7) о местных материалах, пригодных для строительства, и их стоимости;
8) общий климатологический и метеорологический очерк района проекти-
рования (осадки, температура, влажность, испарение, ветры и пр.);
9) гидрогеологическое описание района проектирования с указанием возмож-
ности использования открытых и подземных источников воды;
10) о глубине промерзания почвы (глубине залегания вечной мерзлоты и
глубине максимального оттаивания);
11) о грунтах, стоянии грунтовых вод и их химическом составе (в местах уст-
ройства основных сооружений и укладки труб);
12) геологический профиль по трассе напорной линии и геологические ко-
лонки под водонапорные и очистные сооружения, насосную станцию и прочие
сооружения;
13) о качестве воды источников (физико-химический и бактериологический
анализы воды), предполагаемых к использованию;
14) о биологическом обследовании источников, загрязнениях источников
сточными водами и пр.;
15) карта района с указанием возможных источников водоснабжения с на-
несением жел.-дор. путей, шоссейных, грунтовых дорог и населенных пунктов;
16) план станции в горизонталях через 1,0 м в масштабе х/а 000 с нанесением
всех сооружений1;
17) продольный профиль по напорной линии с поперечниками, полосой
примерно 50 м в масштабе у2 000 — 75 ооо!
18) планы по трассе напорных линий в горизонталях через 1 — 2 м с шири-
ной полосы не менее 50 м;
19) план места устройства водозаборных сооружений, насосных станций и
других сооружений в масштабе не менее 1/1 с сечением горизонталей через 1 м.
Б. Данные по источникам водоснабжения
Присоединение к существующим водопроводам:
1) описание существующего жел.-дор. водопровода (коммунального, промы-
шленного, если предполагается присоединение к последним);
2) данные о местах присоединения и диаметре магистралей с отметками их
заложения;
3) данные о количестве воды, которое может быть получено от водопровода,
и минимальных давлениях в местах присоединения;
4) данные о стоимости отпускаемой воды (присоединение к коммунальному и
промышленному водопроводам);
5) данные о качестве воды;
б) согласование присоединения к водопроводу (коммунальному и промыш-
ленному).
Поверхностные источники, не требующие заре-
гулирования:
1) план участка реки в горизонталях через 1—2 мв масштабе ’/гооо—^вооо»
2) профили по створу проектируемого водозабора;
3) данные об уклоне реки на участке проектируемого водозабора;
4) профили живых сечений реки;
5) данные о направлении и скорости течения воды при разных ее горизонтах,
о размыве берегов, образовании и отложении наносов, донном льде;
б) о характере вскрытия рек, влиянии дождей, таянии снегов, данные
о Горизонтах воды (за многолетний период);
1 Масштабы здесь и далее указаны примерные.
7) геологический профиль по створам намечаемого водозабора в масштабе
*/1ОО 1/боо*
Искусственные водохранилища:
1) план участка под водохранилище в горизонталях примерно через 1 м в
масштабе г/6 ооо>
2) профиль по ложу водохранилища и по створу плотин и водозаборных со-
оружений;
3) геологический профиль по створу намечаемых плотин и водозабору в мас-
штабе */1<ю—11&оо и геологическая характеристика по чаше водохранилища;
4) данные о бассейне водохранилища: характер растительности, почва, рельеф
и пр., а также характер питания водохранилища открытыми водотоками и подзем-
ными водами.
Подземные источники
Для неглубоких подземных вод составляется:
1) гидрогеологическая карта опытного участка в масштабе х/х 000 — 1/2 с
нанесением скважин, шурфов, гидроизогипс, ширины грунтового потока и пр.
Для всех случаев:
2) план опытного участка с нанесением разведочных скважин и пр.;
3) гидрогеологические разрезы по разведочным скважинам;
4) графики колебаний уровней воды в скважинах, депрессионные кривые,
кривые откачек и дебит скважин;
5) таблицы температуры воды и пр.
Проектное задание по водоснабжению состоит
из следующих документов:
1. Пояснительная записка, содержащая в себе:
1) обоснование необходимости строительства нового водоснабжения или рекон-
струкции существующего;
2) краткую характеристику объекта водоснабжения;
3) краткое описание природных условий, имеющих существенное значение
при проектировании водоснабжения: рельеф, грунты, грунтовые воды, темпера-
туры, атмосферные осадки и пр.;
4) принятый расчетный год для проектирования;
5) данные о размерах движения, сериях паровозов, весе поездов, размещении
пунктов водоснабжения, расходах воды на перегонах и пр., а также о перспек-
тивах развития движения;
6) данные о прочих потребителях и перспективы роста водопотребления;
7) принятые нормы водопотребления;
8) коэфициента неравномерности расхода воды;
9) подсчет суточного расхода воды на производственные и хозяйственно-
питьевые нужды;
10) данные о системе пожаротушения, числе пожаров, могущих тушиться одно-
временно, пожарных напорах, секундных расходах на каждый пожар и т. д.;
11) данные об источнике водоснабжения: обоснование выбора его с техни-
ческой, экономической, оборонной и санитарной точек зрения;
12) водохозяйственные расчеты (в случае зарегулирования реки);
13) сравнение вариантов; обоснования к выбору наиболее экономического
варианта;
14) обоснование выбора типа, размеров и габаритов сооружений и их места
расположения и описание важнейших проектируемых сооружений и режима их
работы;
15) гидравлические расчеты сооружений;
16) намеченную систему обработки воды; принятые расчетные данные;
17) соображения об энергоснабжении, типах тепловых резервов и т. д.;
18) ориентировочную стоимость строительства водоснабжения по очередям
(по укрупненным измерителям);
19) ориентировочную эксплуатационную смету с определением себестоимости
1 м3 воды.
К пояснительной записке прилагаются систематизированные данные поле-
вых работ и документы о согласовании соответствующих вопросов с санитарным
надзором, пожарной охраной и пр., а также материалы по организации зоны
санитарной охраны источника и основные положения для составления проекта
организации работ.
2. Чертежи:
1) генеральный план расположения всех устройств водоснабжения и основ-
ных сооружений в масштабе не менее 1/5 000;
2) план станции, поселка и предприятий с нанесением водопроводных сетей
и всех сооружений в масштабе г/2 оо<п
3) эскизные чертежи водозаборных сооружений, насосных станций, водона-
порных резервуаров и др. с указанием основных размеров, материала, конструк-
ций и оборудования в масштабе (кроме типовых чертежей с ссылкой на та-
ковые);
4) схемы движения воды (от места забора ее) через все основные соору-
жения.
§ 14. Состав и содержание технического проекта водоснабжения
Технический проект составляется на основе утвержденного проектного
задания и детальных изысканий и должен давать кроме технических и гидрав-
лических расчетов полную конструктивную разработку сооружений с расчетами
конструкций в увязке с местными условиями и методами производства работ.
I. Исходные данные для проектирования
Для составления технического проекта в зависимости от местных условий
должны быть проведены дополнительные изыскания и собраны дополнительные
данные кроме полученных для составления проектного задания.
Общие данные
1. План участка расположения насосной станции, водозаборных и прочих
сооружений в горизонталях через 0,5 м с нанесением всех существующих со-
оружений в масштабе ^зоо-
2. Геологические колонки под водонапорные резервуары и другие сооруже-
ния.
3. Данные о начале и конце строительного сезона.
4. Подробные данные о местных строительных материалах, о карьерах песка,
камня и пр., а также о рабочей силе.
Данные по источникам
а. Поверхностные источники
1. План участка под плотину в горизонталях через 0,5 м с нанесением всех
существующих сооружений, буровых скважин, створов намеченной плотины
в масштабе 1/500.
2. Продольный профиль по створу плотины с показанием горизонтов самых
высоких, самых низких и меженних вод (даты за многолетний период).
3. Продольный профиль по оси водозабора и два вспомогательных (выше и
ниже) с показанием горизонтов самых высоких, самых низких и меженних вод
(даты за многолетний период).
4. Подробные геологические профили по оси водозабора и оси плотины и два
вспомогательных (ниже и выше плотины) с показанием скважин, уровня воды,
отметок устья скважин и пр.
5. Продольный геологический профиль по чаше водохранилища.
6. Данные опытных и лабораторных работ по определению фильтрационной
способности основания плотины и чаши водохранилища.
7. Данные опытных и лабораторных работ по определению углов естествен-
ного откоса грунтов и пр.
6. Подземные источники
1. Данные о разведочно-эксплуатационных скважинах и произведенных от-
качках: места расположения, глубины скважины, гидрогеологические разрезы,
отметки статического уровня, отметки динамического уровня, дебит, температуры
воды и пр.
2. Графики колебания уровня воды в скважинах и депрессионные кривые.
3. Анализы воды из скважин.
И. Технический проект водоснабжения состоит из следующих документов
1. Пояснительная записка, содержащая:
1) краткую характеристику пункта водоснабжения, описание существующих
устройств водоснабжения, подсчет суточного расхода воды, обоснование приня-
того источника, санитарное состояние и пр., принятые в проектном задании с уточ-
нениями, внесенными при разработке технического проекта. При отсутствии
изменений прилагается соответственная часть пояснительной записки к проект-
ному заданию;
2) описание окончательно принятой схемы водоснабжения;
3) подробные технические и гидравлические расчеты всех сооружений и водо-
проводной сети;
4) расчеты по определению типа и мощности механического оборудования и
характеристика оборудования. Подробное описание и расчеты, связанные с энерго-
снабжением, устройством теплового резерва и пр.;
5) расчеты основных сооружений с описанием конструкций и принятых мате-
риалов; в случае проектирования плотины — расчет устойчивости и прочности
последней;
б) краткие обоснования и расчеты отопления и вентиляции; выбор основного
оборудования для устройства отопления и вентиляции;
7) эксплуатационную смету с определением себестоимости 1 м3 воды;
8) обоснования выбранных методов производства строительных работ с ос-
новными расчетами и необходимые материалы по организации строительства —
план осуществления строительства. Подсчеты объемов работ, потребность в ма-
териалах, механизмах, подсобных предприятиях, план обеспечения рабочей си-
лой, культурно-бытовое обслуживание и пр.;
9) необходимую документацию (акты о согласовании проекта с рядом ор-
ганов).
2. Чертежи:
1) генеральный план расположения всех устройств водоснабжения в мас-
штабе не менее
2) план жел.-дор. станции, поселка, заводов, главных мастерских и пр. с го-
ризонталями через I м в масштабе не менее х/г ооо!
3) план источника водоснабжения и участков расположения водозаборных
сооружений, насосных станций, очистных сооружений и пр. в масштабе не менее
1/500 с горизонталями через 0,5 — 1,0 м;
4) план района гидротехнических сооружений в пределах подпора в масштабе
1/ ___1/
/500 /1 000,
5) водозаборные сооружения (планы и разрезы) в масштабе не менее
конструкции в масштабе 11ъ0‘,
6) насосные станции (план, разрезы) с размещением оборудования в масштабе
не менее ^во! фасады в масштабе 11гоо;
7) водонапорные резервуары (планы и разрезы) в масштабе не менее —г1100‘,
8) сооружения для обработки (планы и разрезы) в масштабе 1/50;
9) профиль напорных линий в масштабах: горизонтальном не менее 1/5000—
72 ооо и вертикальном 1/500 — 1/200 с показанием смотровых колодцев, воздушных
вантузов, выпусков и переключений;
10) деталировка напорных линий и разводящих сетей в масштабе 112ооо—Уб ооо!
11) переходы под жел.-дор. путями, дюкеры и другие особые сооружения
в масштабе 76о — Уюо!
12) расчетные схемы водопроводной сети для различных случаев и оче-
редей в масштабе не менее */10
13) гидротехнические сооружения (план, разрезы) в масштабе —111оо‘г
14) чертежи по берегоукрепительным работам, если таковые предусматри-
ваются;
15) планы зон санитарной охраны;
16) генеральные планы площадок некоторых отдельных сооружений в мас-
штабах г/5Оо—71 ото с показанием расположения зданий, трубопроводов, электри-
ческой сети, водопроводной и канализационной сетей этих площадок и т. д.
Содержание чертежей
а) на генеральном плане водоснабжения указываются все водопроводные
сооружения (все головные сооружения, напорные линии, основные магистрали
разводящей сети и водонапорные резервуары) с показанием полосы отчуждения
и с разбивкой на очереди строительства;
б) на плане жел.-дор. станции, поселка и других объектов водоснабжения
должны быть показаны все существующие и проектируемые водопроводные со-
оружения, а также дороги, проезды, канализация и прочие сооружения с раз-
бивкой на очереди строительства с указанием диаметров труб и длины участков;
в) на конструктивных чертежах должны указываться вс е размеры, обеспе-
чивающие исчислейие физических объемов отдельных частей сооружения, ма-
териал конструкций в виде надписей и условных обозначений, марка бетона
и пр. Для железобетонных конструкций указываются насыщенность арматуры
в процентах и предельные диаметры;
г) на разрезах сооружений, а также на профилях трубопроводов должны быть
показаны грунты и горизонты стояния грунтовых вод;
д) чертежи с нанесенными на них трубопроводами, деталями, фасонными
частями и оборудованием должны иметь спецификацию и характеристику обо-
рудования.
Метод производства строительных работ должен
быть разработан для всех сложных сооружений:
а) для гидротехнических сооружений: плотин, струенаправляющих и бере-
гоукрепительных дамб, водозаборов и др.;
б) для сооружений, выполняемых при наличии обильных грунтовых вод или
неустойчивых грунтов;
в) для сооружений, выполняемых опускным или тоннельным способом;
г) для сооружений сложной конструктивной компоновки (водоумягчители
и прочие сооружения для обработки воды, насосные станции); состав проекта ор-
ганизации работ должен отвечать методам производства работ по отдельным
объектам.
3. Техническая смета, являющаяся единственным документом
для определения стоимости.
При составлении проектного задания и технических проектов водоснабже-
ния линии кроме проектов для отдельных станций или других объектов водо-
снабжения составляется общая краткая пояснительная записка по водоснабже-
нию всей линии, содержащая основные установки, гидрологическую и гидрогео-
логическую характеристики района проектирования, размещение пунктов водо-
снабжения, схематический профиль линии с указанием пунктов водоснабжения
и перегонных расходов воды, с ведомостью расходов (суточных) воды по станциям
и кратким описанием схемы водоснабжения отдельных станций.
§ 15. Рабочие чертежи
Рабочие чертежи должны обеспечить возможность монтажа всех деталей и
устройств, конструктивная разработка которых не дана в строительном проекте.
Сюда относятся монтажные чертежи трубопроводов, камер переключения резер-
вуаров и др., переходов по жел.-дор. путям, дюкеров, насосных станций, станций
обработки воды и т. д. и чертежи строительных деталей всех сооружений.
Проектные задания, технические проекты и сметы к ним подлежат утвержде-
нию во всем согласно действующим распоряжениям.