WYKORZYSTANIE CYLINDRYCZNYCH REGULATORÓW WIROWYCH DO DŁAWIENIA ODPŁYWU W PRZELEWACH BURZOWYCH

Transkrypt

1 regulatory wirowe, przelewy burzowe, kanalizacja ogólnospławna, ławienie przepływu Bartosz KAŹMIERCZAK* WYKORZYSTANIE CYLINDRYCZNYCH REGULATORÓW WIROWYCH DO DŁAWIENIA ODPŁYWU W PRZELEWACH BURZOWYCH W pracy przestawiono możliwość wykorzystania cylrycznych regulatorów wirowych o ławienia opływu ścieków w przelewach burzowych o uoskonalonej konstrukcji, zlokalizowanych na kanalizacji ogólnospławnej. W regulatorze o kształcie cylra, ciecz opływa o urzązenia przez króciec opływowy, styczny o tworzącej cylra, zięki czemu naawany jest jej ruch wirowy. W ruchu tym prękość obwoowa zwiększa się wraz ze zbliżaniem się o osi cylra, a zięki sile ośrokowej, w komorze wirowej ciśnienie maleje w kierunku jej osi, aby na powierzchni rzenia powietrznego osiągnąć ciśnienie otoczenia. Przeprowazona w pracy przykłaowa analiza wykazała barzo obrą ochronę oczyszczalni ścieków prze przeciążeniem hyraulicznym przy zastosowaniu na przelewach burzowych cylrycznych regulatorów wirowych. 1. WSTĘP Przelewy burzowe stosowane są głównie na kanalizacji ogólnospławnej w celu zabezpieczenia oczyszczalni ścieków prze przeciążeniem hyraulicznym w czasie eszczy nawalnych oraz zmniejszenia wymiarów kolektora za przelewem [, 4, 5]. Zaaniem hyraulicznym przelewu burzowego jest poział maksymalnego strumienia opływu Q ścieków o obiektu na wa strumienie, tj.: opływu o oczyszczalni Q o oraz opływu o obiornika Q. Ze wzglęu na orientację krawęzi przelewowej przelewy pozielić można na: czołowe, ukośne oraz boczne. Po wzglęem hyraulicznym, każy z przelewów może ziałać w warunkach: niezatopienia lub zatopienia krawęzi przelewowej. Zarówno orientacja krawęzi przelewowej, jak i warunki ziałania, ecyują o sprawności * Instytut Inżynierii Ochrony Śroowiska Politechniki Wrocławskiej, Zakła Naukowy Usuwania Ścieków, pl. Grunwalzki 9, Wrocław, bartosz.kazmierczak@pwr.wroc.pl

2 54 B. KAŹMIERCZAK hyraulicznej przelewu i wpływają na obór metoy wymiarowania. Ze wzglęów praktycznych, tj. uproszczenia konstrukcji i obniżenia kosztów buowy, w systemach kanalizacyjnych stosowane są najczęściej przelewy boczne [4, 10]. Przy projektowaniu przelewów należy uwzglęniać ilościowe i/lub jakościowe kryteria ochrony wó obiornika prze zanieczyszczeniem, wyrażone bąź to opuszczalną liczbą zrzutów burzowych w ciągu roku, bąź też opuszczalnym stężeniem i/lub łaunkiem zanieczyszczeń, oprowazanych w zrzutach burzowych o obiornika. Ochrona śroowiska powna tutaj polegać na oprowazeniu o wó ścieków o łaunkach zanieczyszczeń opuszczalnych z punktu wizenia zachowania w śroowisku zolności o samooczyszczenia [1]. Obligatoryjnym kryterium ilościowym w Polsce jest limitowana wartość śreniej rocznej liczby zrzutów ścieków, uzależniona o rozaju kanalizacji oraz obiornika. Przykłaowo, w komunalnej kanalizacji ogólnospławnej, ścieki z przelewów burzowych mogą być oprowazane o śróląowych wó powierzchniowych płynących lub przybrzeżnych, o ile śrenia roczna liczba zaziałań poszczególnych przelewów nie przekracza 10 - wg RMŚ z 006 r. [13]. Z braku anych projektowych potrzebnych o weryfikacji powyższego kryterium, ścieki z przelewów burzowych na komunalnej kanalizacji ogólnospławnej mogą być wprowazane o wó, jeżeli kanalizacja ta oprowaza ścieki o oczyszczalni o RLM poniżej , a w chwili rozpoczęcia ziałania przelewu, strumień objętości zmieszanych ścieków opływających o przelewu jest co najmniej czterokrotnie większy, niż śreni obowy w roku strumień ścieków w okresie pogoy bezopaowej Q śc. Uwzglęniając powyższe kryteria, wartość granicznego strumienia objętości Q gr w kanale prze przelewem, warunkującego rozpoczęcie zrzutu ścieków o obiornika, określić można ze wzoru: Q gr Q Q (1) śc gr Wartość granicznego strumienia opływu ścieków eszczowych Q gr wyznaczyć można m.. metoą rozcieńczeń, której istotą jest współczynnik początkowego rozcieńczenia ścieków n rp, efiowany jako: Qgr nrp () Q Przy granicznej wartości strumienia opływu ścieków o przelewu burzowego, wszystkie ścieki kierowane są więc o oczyszczalni. Przy maksymalnym strumieniu opływu ścieków o przelewu Q max występuje maksymalny zrzut ścieków Q max przez krawęź przelewową. Na wartość Q max projektowany jest wymiar kanału burzowego, oprowazającego ścieki o obiornika. Schemat bocznego przelewu burzowego z elementem ławiącym (w postaci rury ławiącej) przestawiono na rysunku 1. śc

3 Wykorzystanie cylrycznych regulatorów wirowych o ławienia opływu w przelewach Kanał opływowy Stuzienka kontrolna Element ławiący uspokajająca przelewowa Kanał opływowy Q Q Qgr Q Qo Qgr Q Qśc Qśc Rys. 1. Schemat hyrauliczny uoskonalonego przelewu burzowego z ławionym opływem [4] Należy zwrócić uwagę, że element ławiący w postaci klasycznej już rury ławiącej wymaga sporej ilości miejsca. Długość rury ławiącej osiąga bowiem często wartość kilkuziesięciu metrów. Znacznie mniej miejsca zajmą rozwiązania w postaci ukłaów szeregowo połączonych łuków lub kolan [4, 9]. W niejszej pracy przestawiono możliwość wykorzystania cylrycznych regulatorów wirowych o ławienia opływu ścieków w przelewach burzowych na kanalizacji ogólnospławnej.. REGULATORY WIROWE W kanalizacji, regulatory wirowe stosowane mogą być w tych miejscach sieci, gzie wymagana jest ochrona niżej położonych obiektów prze przeciążeniem hyraulicznym. W regulatorach wirowych wykorzystuje się energię potencjalną i ketyczną napływającej cieczy o wymuszenia ruchu wirowego w urzązeniu. Współczynnik oporu miejscowego regulatora cylrycznego osiągać może wartość ζ = 368 (czemu opowiaa wartość współczynnika przepływu μ = 0,05) [7, 8, 15]. Dzięki temu wykorzystanie regulatorów wirowych pozwala znacznie zmniejszyć rozmiar urzązenia ławiącego, np. w porównaniu z klasyczną już rurą ławiącą. Najprostsze cylryczne regulatory wirowe skłaają się z krótkiego przewou (króćca) opływowego, cylrycznej komory wirowej oraz centralnego otworu wylotowego. W regulatorze o kształcie cylra ciecz opływa o urzązenia przez króciec opływowy, styczny o tworzącej cylra, zięki czemu naawany jest jej ruch wirowy. W ruchu tym prękość obwoowa zwiększa się wraz ze zbliżaniem się o osi cylra, a zięki sile ośrokowej, w komorze wirowej ciśnienie maleje w kierunku jej osi, aby na powierzchni rzenia powietrznego osiągnąć ciśnienie otoczenia. Wytwarzający się tutaj rzeń gazowy ma wpływ na skuteczność ławiącego ziałania urzązenia [4, 7]. Schemat hyrauliczny przelewu burzowego z regulatorem wirowym przestawiono na rysunku 3.

4 56 B. KAŹMIERCZAK Kanał opływowy regulatora uspokajająca przelewowa Kanał opływowy Q Q Qgr Q Qśc Qo Qgr Qśc Q Rys.. Schemat hyrauliczny przelewu burzowego z regulatorem wirowym Wymiarowanie cylrycznych regulatorów wirowych należy rozpocząć o oboru śrenicy króćca opływowego la zakłaanego strumienia objętości opływu ścieków o oczyszczalni Q o przy spełnieniu relacji [4, 7]: 16Q 5 o (3) g co zapewni (z kryterium Froue a) zachowanie w regulatorze warunków w pełni rozwiętego ruchu wirowego (Fr > 1), przy czym m = 0,30 m (w kanalizacji ogólnospławnej). Dla przyjętych wartości strumienia Q o i naporu H oraz ustalonej śrenicy króćca opływowego o regulatora, należy obliczyć wymaganą wartość współczynnika przepływu μ z wzoru: 4Qo gh (4) Wysokość (h c ) i śrenicę cylra (D) regulatora należy obrać, z zalecanego w pracach [4, 15] zakresu racjonalnych ich wartości. Mianowicie, efektywna po wzglęem ławienia, konstrukcja regulatora cylrycznego powna zawierać następujące wartości stosunków: h c / [1; 1,5] oraz D/ [3; 4], przy spełnieniu warunku wolnego przelotu kuli ( ) - istotnego zwłaszcza la ścieków. Promień zawirowania cieczy R o na wlocie o regulatora, obliczany jest z wzoru: D Ro (5)

5 Wykorzystanie cylrycznych regulatorów wirowych o ławienia opływu w przelewach Dobór śrenicy otworu opływowego regulatora prowazić należy iteracyjnie. Mianowicie, w pierwszej iteracji należy założyć śrenicę tego otworu równą śrenicy króćca opływowego ( = ) i obliczyć wartość stałej K regulatora cylrycznego, z wzoru postaci: or 3 o 3 R R K (6) r Następnie należy obliczyć, w 1. przybliżeniu, wartość współczynnika przepływu μ (1). Śrenicę otworu wylotowego należy zmieniać yskretnie, aż o momentu uzyskania zgoności wymaganej wartości μ z obliczoną μ (i) - w i-tym kroku iteracyjnym (z przyjętą okłanością). Współczynnik przepływu regulatora, o przyjętych parametrach konstrukcyjnych (h c /, D/, / ), obliczyć można ze wzoru: 0,064 0,019 0,040 0,189 hc a K 0,551tan,97 (7) przy czym stosunek śrenicy rzenia powietrznego o śrenicy otworu opływowego a 0,084 c 1,80 K 0,050 0,0061 0,01 (8) h D oraz tangens kąta γ/ rozpylenia cieczy tan,38k 0,561,16 h c 0,080 D 0,896 (9) Po określeniu współczynnika μ (i) (z ostatniego przybliżenia), przepustowość zaprojektowanego regulatora można wyznaczyć z przekształconego na Q o wzoru (4). 3. PRZELEW BURZOWY Z REGULATOREM WIROWYM Na potrzeby analiz porównawczych zaproponowano przykłaową zlewnię ogólnospławną o powierzchni F = 40 ha oraz współczynniku spływu powierzchniowego ψ = 0,5. Przyjęto przeciętną gęstość zalunienia 100 mieszkańców na hektar. Na postawie zaleceń niemieckich [1, 14], jako miaroajny opływ ścieków bytowogospoarczych przyjęto wskaźnik jenostkowy (na mieszkańca) q j = 0,005 m 3 /s, ską

6 q, m 3 /s ha 58 B. KAŹMIERCZAK ustalono strumień opływu ścieków bytowych z moelowej zlewni na 0,00 m 3 /s. Ponato założono, że czas przepływu w kolektorze miaroajny o wymiarowania przelewu wynosi t = 15 mut. Strumień ścieków eszczowych obliczono ze wzoru na maksymalną wysokość opau (w mm) w warunkach wrocławskich [6], przyjmując częstość eszczu obliczeniowego C = lata [4, 11]: 0,4 0,0 1 0,809 h 4,583 7,41t 97,105t 98,675 ln (10) C Krzywe natężenia eszczu q wyrażonego w m 3 /s ha z przekształconego wzoru (10) przestawiono na rysunku t, m C = 10 lat C = 5 lat C = lata C = 1 rok Rys. 3. Krzywe natężenia eszczu Całkowity strumień objętości opływu ścieków o przelewu burzowego, po oaniu ścieków eszczowych oraz bytowych, wynosi: Q = 1, ,00 = 1,464 m 3 /s. Dla zaanego obciążenia hyraulicznego obliczono parametry konstrukcyjne przelewów burzowych z ławionym opływem w postaci rury ławiącej lub regulatora wirowego. Obliczenia przeprowazono wariantowo, przyjmując współczynnik rozcieńczenia początkowego kolejno o n rp = 4 o n rp = 8. Przyjęto założenie, że maksymalny strumień objętości opływu ścieków w kierunku oczyszczalni ścieków wynosić może Q o max = 1,Q gr. Na postawie założonych strumieni ścieków opływających o przelewu burzowego oraz zaanych współczynników rozcieńczenia początkowego wyznaczono parametry przelewu burzowego przy użyciu autorskiego programu PRZELEW. Program pozwala obierać parametry przelewów burzowych z ławionym opływem w kierunku oczyszczalni ścieków, a także symulować ziałanie przelewów la zaanych hyrogramów opływu ścieków. Przelew burzowy zaprojektowano na ogólnospławnym kanale jajowym o wymiarach 1,0x1,80 m i spaku na i = 1,0. Dla

7 Wykorzystanie cylrycznych regulatorów wirowych o ławienia opływu w przelewach zaanych współczynników rozcieńczenia początkowego obliczono strumień Q gr, powyżej którego następuje zrzut ścieków Q przez krawęź przelewową. W każym z analizowanych przypaków przyjęto wysokość krawęzi przelewowej p = 1,15 m. Obliczenia przeprowazono la wóch wariantów ławienia opływu, tj. z rurą ławiącą o śrenicy 0,3 m i spaku na 3,33 oraz z cylrycznym regulatorem wirowym. Wybrane wyniki obliczeń parametrów konstrukcyjnych oraz eksploatacyjnych przelewów burzowych z ławionym opływem przestawiono w tabeli 1 (gzie: l p ługość krawęzi przelewowej, l r ługość rury ławiącej). Tabela 1. Wybrane parametry konstrukcyjne oraz eksploatacyjne przelewów burzowych n rp Q gr, m 3 /s Q o.max, m 3 /s Q max, m 3 /s cylryczny regulator wirowy l p, l r, m m, h c, D, R o, o, K μ m m m m m 4 0,100 0,10 1,344,8 94,5 0,30 0,45 0,90 0,30 0,40 0,79 0,94 5 0,10 0,144 1,30,69 5,0 0,3 0,48 0,96 0,3 0,485 0,574 0, ,140 1,168 1,96,8 31,0 0,34 0,51 1,0 0,34 0,535 0,513 0,37 7 0,160 0,19 1,7,87 19,0 0,36 0,54 1,08 0,36 0,585 0,466 0, ,180 0,16 1,48 3,0 11,0 0,38 0,57 1,14 0,38 0,630 0,439 0,341 W analizowanym przykłazie ługość rury ławiącej (o śrenicy 0,30 m) niezbęnej o spiętrzenia ścieków w komorze przelewowej zależna jest o żąanego maksymalnego strumienia opływu w kierunku oczyszczalni ścieków, przy czym ługość ta zwiększa się wraz ze spakiem strumienia Q o. W szczególności, la współczynnika rozcieńczenia początkowego n rp = 4 wymagana ługość rury ławiącej wynosi aż 94,5 m. Ten sam efekt ławienia hyraulicznego uzyskuje cylryczny regulator wirowy o śrenicy D = 0,90 m i wysokości cylra 0,45 m. 4. WNIOSKI Zastosowanie w przelewach burzowych regulatorów wirowych o ławienia strumienia opływu w kierunku oczyszczalni ścieków pozwala zmimalizować rozmiary urzązenia ławiącego, przy jenoczesnym zachowaniu wysokiego stopnia ochrony oczyszczalni prze przeciążeniem hyraulicznym Regulatory cylryczne cechują się barzo wysoką efektywnością ławienia strumienia objętości cieczy, co pokreśla ich wysoką przyatność techniczną. W żynierii czy ochronie śroowiska regulatory wirowe mogą znaleźć szerokie zastosowanie o sterowania strumieniami woy i ścieków w obiektach na stacjach uzatniania woy czy oczyszczania ścieków, jak też w obiektach sieciowych typu zbiorniki retencyjne, przelewy burzowe czy separatory.

8 60 B. KAŹMIERCZAK LITERATURA [1] Arbeitsblatt DWA-A118: Hyraulische Bemessung un Nachweis von Entwässerungssystemen. DWA, Hennef 006. [] FIDALA-SZOPE M.: Ochrona wó powierzchniowych prze zrzutami z kanalizacji eszczowej i półrozzielczej. Poranik. Wy. IOŚ, Warszawa [3] KAŹMIERCZAK B., KOTOWSKI A.: Weryfikacja przepustowości kanalizacji eszczowej w moelowaniu hyroynamicznym. Oficyna Wy. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 01. [4] KOTOWSKI A.: Postawy bezpiecznego projektowania kanalizacji. Wy. Seiel-Przywecki, Warszawa 011. [5] KOTOWSKI A.: Postawy wymiarowania bocznych przelewów burzowych z rurą ławiącą. Oficyna Wy. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław [6] KOTOWSKI A., KAŹMIERCZAK B., DANCEWICZ A.: Moelowanie opaów o wymiarowania kanalizacji. Wyawnictwo Polska Akaemia Nauk. Komitet Inżynierii Ląowej i Wonej. Instytut Postawowych Problemów Techniki. Stuia z zakresu żynierii nr 68, Warszawa 010. [7] KOTOWSKI A., WÓJTOWICZ P.: Analysis of hyraulic parameters of cylrical vortex regulators. Environment Protection Engeerg. Vol. 34, nr, (008). [8] KOTOWSKI A., WÓJTOWICZ P.: Analysis of hyraulic parameters of conical vortex regulators. Polish Journal of Environ. Stu. Vol. 19, nr 4, (010). [9] KOTOWSKI A., WÓJTOWICZ P.: The new metho for limitg flow from storm overflows. Environment Protection Engeerg. Vol. 33, nr 4, (007). [10] OLIVETO G., BIGGIERO V., FIORENTINO M.: Hyraulic features of supercritical flow along prismatic weirs. Journal of Hyraulic Research. Vol. 39, nr 1, 73-8 (001). [11] PN-EN 75: Dra an sewer systems sie builgs. PKN, Warszawa 008. [1] PRZYBYŁA C., BYKOWSKI J.: Efektywność funkcjonowania gmnych oczyszczalni ścieków. Rocznik Ochrona Śroowiska. Tom 11, (009). [13] Rozporzązenie Mistra Śroowiska z nia 4 lipca 006 r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowazaniu ścieków o wó lub o ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkoliwych. Dz. U. Nr 137 z nia 31 lipca 006 r. (poz. 984). [14] SCHMITT T.: Kommentar zum Arbeitsblatt A 118 "Hyraulische Bemessung un Nachweis von Entwässerungssystemen". DWA, Hennef 000. [15] WÓJTOWICZ P., KOTOWSKI A.: Influence of esign parameters on throttlg efficiency of cylrical an conical vortex valves. Journal of Hyraulic Research. Vol. 47, nr 5, (009). THE USE OF CYLINDRICAL VORTEX REGULATORS IN STORM OVERFLOWS ON A COMBINED SEWAGE SYSTEM A simulation of the functiong of a moern overflows with a cylrical vortex regulator on a combe sewage system was conucte this work. In a cylrical vortex regulator, liqui flows to the evice through a connector tangent to the cyler generator. From this, the liqui receives a vortex motion, which is matae through the entire chamber with all the way to an let hole on the cyler hea. In the motion, peripheral spee is crease when approachg the cyler axis. Because of the centrifugal force the vortex chamber, the pressure ecreases towars its axis until it reaches an ambient pressure on the air core surface. The simulation of a storm overflow functiong on a combe sewage system prove a high level of sewage-treatment plant protection from a hyraulic overloa by the application of moern overflows with a cylrical vortex regulator.