OLITECNIA CZĘSTOCOWSA WYDZIAŁ INŻYNIERII I OCRONY ŚRODOWISA INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISA mgr inż. Robert MALMUR Teoretyczno - ekserymentalna analiza hydraulicznego działania zbiorników retencyjno rzerzutowych ROZRAWA DOTORSA STRESZCZENIE romotor: dr hab. inż. Adam ISIEL, rof.. Cz. Częstochowa, 2006
1. WSTĘ Rozwój cywilizacji sowodował między innymi to, że ośrodki miejskie ozbawione zostały nuralnej retencji zwłaszcza w odniesieniu do ścieków ochodzących z oadów deszczu oraz tonienia śniegu. Istniejące systemy kanalizacyjne w większości rzyadków nie są w stanie odrowadzić ścieków o dużym nężeniu rzeływu i dlego odejmowane są różnego rodzaju zabiegi techniczne, zmierzające do rzechwycenia i czasowego zrzymania tej nadwyżki rzeływu, której nie jest w stanie efektywnie odrowadzić system kanalizacji. W aglomeracjach miejskich retencjonowanie ścieków realizowane jest za ośrednictwem różnego rodzaju zbiorników kanalizacyjnych. W okresie nawalnych oadów czy intensywnych wiosennych roztoów lokalne odtoienia terenów zurbanizowanych mogą wystąić rzede wszystkim z niedostosowania do takich obciążeń hydraulicznych kanalizacji deszczowej, ale także często z niesrawnie działających rzeustów, których zadaniem jest odrowadzanie ścieków ochodzących z oadów mosferycznych bezośrednio do odbiornika wodnego. roblem rzerzutu ścieków rozwiązywany jest odmiennie w różnych krajach. Znane są rozwiązania w ostaci rzeomowni stacjonarnych, a także jak n. w Chinach rzeomowni ruchomych. Jednak najczęściej odływ nadmiaru ścieków ochodzących z oadów mosferycznych odbywa się grawitacyjnie orzez kolektory odływowe łączące rzelewy burzowe z ciekiem wodnym. Na wylocie kolektorów odływowych instaluje się najczęściej zwrotny zawór klaowy (fot. 1.1), mający na celu niedouszczenie do odtoienia terenów chronionych. Jednak w raktyce nie zawsze zawory takie są stosowane, nomiast tam, gdzie zostały zainstalowane, często ozbawione są właściwego nadzoru i konserwacji. W konsekwencji tego ich stan techniczny z reguły uniemożliwia rawidłowe działanie tych zaworów. Niezabezieczone zamknięciem wyloty kolektorów zrzutowych względnie niesrawnie działające zawory klaowe były w ostnich lach rzyczyną licznych odtoień terenów i dzielnic mieszkalnych w wielu miastach olski, takich jak Sosnowiec, raków, Częstochowa, Mysłowice. Szkody i stry merialne owstałe w wyniku tych odtoień były znaczne. Na terenach miejskich roblemyka ograniczania skutków odtoień wynikających z nawalnych deszczów czy intensywnych roztoów może być realizowana rzez budowę odowiednich zbiorników retencyjnych na sieci kanalizacyjnej, których zadaniem byłaby stosowna redukcja nężenia rzeływu ścieków. Na terenach odmiejskich z reguły o wolno stojącej zabudowie odwodnienie zlewni może być realizowane także owierzchniowo dzięki systemowi rowów melioracyjnych. W każdym rzyadku, jeżeli wody owierzchniowe (zwane również ściekami ochodzącymi z oadów mosferycznych) odrowadzane będą bezośrednio do odbiornika wodnego (rzeki), to stosowne zabezieczenia w ostaci kla instalowanych za wałem rzeciwowodziowym od strony rzeki muszą być oddawane bieżącej kontroli i konserwacji. Nie zmienia to faktu, że odczas wezbrania w rzecze niemożliwy jest do nich dostę, jeżeli na rzykład zaszłaby taka otrzeba. W rzyadku długotrwałych oadów deszczu, którym towarzyszą z reguły wysokie stany naełnień w odbiornikach wodnych, rawidłowe działanie zaworu zwrotnego zabeziecza sieć kanalizacyjną rzed naływem do niej wody z odbiornika, ale i równocześnie uniemożliwia grawitacyjny odływ ścieków ze zlewni chronionej. Wystąienie w rzece takich stanów naełnień, rzy których grawitacyjny odływ nie jest możliwy, wymusza otrzebę budowy właściwego systemu rzerzutowego ścieków terenu chronionego do odbiornika wodnego. rzegląd stosowanych sosobów rzerzutu ścieków oadowych z chronionej zlewni do odbiornika w okresach jego wysokich naełnień nie wyłonił rozwiązania uniwersalnego i niezawodnego, które mogłoby mieć szerokie zastosowanie w raktyce, rzy niewielkich zmianach adacyjnych. odjęty został zem roblem oracowania takiego rozwiązania hydraulicznego sosobu odrowadzania ścieków ochodzących z oadów mosferycznych do odbiornika, które zaewniłoby ich swobodny, grawitacyjny odływ w okresach stanów niskich i średnich 2
naełnień w rzece, a w okresie wezbrań ich wymuszony rzerzut. Idea tych rozwiązań olega na tym, by obiekt konstrukcyjny rzerzutu ścieków oadowych do odbiornika zlokalizowany był od strony chronionej zlewni. Takie rozwiązania zaewniałyby ewentualne awaryjne narawy nawet wówczas, gdy w odbiorniku rzece wystęowałyby wysokie stany naełnień. Uwzględniano również to, by ich ukształtowanie i wkomonowanie w nuralne środowisko nie dekomonowało architektury krajobrazu. Fot. 1.1. a) i b) Wylot kolektora zrzutowego zabezieczonego zaworem klaowym, c) i d) stosowane w raktyce zawory klaowe, e) zabezieczony krą wylot kolektora zrzutowego, f) niezabezieczony wylot kolektora zrzutowego 2. Tezy racy, jej zakres oraz rzyjęte metody badawcze rzedstawiony w racy zbiornik retencyjno rzerzutowy w swym rozwiązaniu odstawowym rzeznaczony jest dla umożliwienia swobodnego względnie wymuszonego odływu ścieków ochodzących z oadów mosferycznych do odbiornika. Stanowi on 3
rozwiązanie bardziej niezawodne od dotychczasowych rozwiązań tego tyu, głównie z racji umiejscowienia jego konstrukcji rzy wale rzeciwowodziowym o stronie chronionej zlewni. Wstęne analizy hydraulicznego działania zbiornika retencyjno rzerzutowego, a także dokonane rozoznanie co do technicznych możliwości jego realizacji ozwoliły na sformułowanie nastęujących tez: Możliwe jest rzemieszczenie cieczy zawartej w gazoszczelnej komorze zbiorczej zbiornika retencyjno rzerzutowego na wyższy oziom energetyczny za ośrednictwem srężonego w niej owietrza, czyli uzyskanie efektu działania hydroforu w makroskali wynikającej z kubury tego zbiornika. Uzyskanie najefektywniejszego sosobu rzerzutu cieczy na wyższy oziom energetyczny zaewnić mogą, narzemiennie działające w rocesach naełniania i oróżniania, dwie komory zbiorcze zbiornika retencyjno rzerzutowego. Ciągłość narzemiennego działania komór zbiorczych zbiornika retencyjno rzerzutowego może być zaewniona rzez rzetrzymanie srężonego owietrza w komorze urzednio oróżnionej z cieczy do czasu całkowitego wyełnienia cieczą drugiej komory. Uzyskanie efektu oszczędności energii elektrycznej, która jest niezbędna do sowodowania oróżnienia całkowicie wyełnionej cieczą komory zbiorczej, może zostać osiągnięte rzez wyrównywanie ciśnienia owietrza zawartego w obydwu odciętych od mosfery komorach zbiorczych ocząwszy od chwili, w której nastąiło całkowite wyełnienie cieczą jednej z komór rzy utrzymanym srężonym owietrzu we wnętrzu komory drugiej, urzednio oróżnionej. Wymogiem eksloacyjnym energooszczędnego działania zbiornika retencyjno rzerzutowego będzie konieczność zaewnienia dodkowej ojemności retencyjnej na zewnątrz zbiornika do rzechwycenia i rzetrzymania doływu cieczy do zbiornika w czasie trwania wyrównywania ciśnienia owietrza w obydwu komorach zbiorczych. Dla tak sformułowanych tez zakres racy objął roblemykę ściśle związaną z efektywnym i niezawodnym działaniem tego zbiornika. odjęto zem zadanie olegające na rozwiązaniu wzajemnego usytuowania komór zbiornika oraz określenia ich roli odczas realizacji rocesów naełniania i oróżniania zbiornika. rzyjęto jako konieczne oracowanie idealnego (modelowego) sosobu działania zbiornika rzy założeniu stałych wartości nężenia doływu cieczy i wydku objętościowego srężarek. Oracowany taki idealny w działaniu model zbiornika stanowił odstawę dla rozwiązania raktycznego, uwzględniającego zmienne warunki doływu cieczy do zbiornika. Jako szczególne zadanie rzyjęto możliwość rozwiązania i określenia warunków energooszczędnego sosobu działania zbiornika w rocesie rzerzutu cieczy do odbiornika. Rozwiązania konstrukcyjne zbiorników retencyjno rzerzutowych określają rodzaj i układ komór oraz ich wzajemne wsółdziałanie odczas akumulacji i rzerzutu cieczy do odbiornika. W energooszczędnym rozwiązaniu uwzględniona została dodkowa ojemność, niezbędna dla całkowitej akumulacji cieczy doływającej do zbiornika odczas wyrównania ciśnienia owietrza w obydwu komorach zbiorczych tego zbiornika. Oracowany memyczny model działania zbiornika retencyjno rzerzutowego umożliwia obliczanie niektórych arametrów zbiornika niezbędnych dla ostecznego jego zwymiarowania w rocesie jego rojektowania. Wyznaczenie czasów wyrównywania ciśnienia owietrza w obydwu komorach zbiorczych dla różnych rzyadków eksloacyjnych ozwala na ocenę efektywnego oróżniania całkowicie wyełnionej cieczą komory zbiorczej oraz na 4
określenie niezbędnej ojemności dodkowej, rzechwytującej w tym czasie doływ do zbiornika. Badania rowadzone były w dwóch obszarach: ierwszym teoretycznym oraz drugim ekserymentalnym. W rozważaniach teoretycznych rzeanalizowano odstawy hydrauliczne założonych rocesów działania zbiornika, według których oracowany został memyczny model działania zbiornika. Realizacja modelu fizycznego zbiornika umożliwiła z kolei srawdzenie od względem orawności hydraulicznej wszystkich elementarnych rocesów działania zbiornika. Badania ekserymentalne zbiornika rowadzone były zem od kątem weryfikacji rzyjętego sosobu jego hydraulicznego działania w obydwu odstawowych rocesach: naełniania i oróżniania. Umożliwiły one również srawdzenie założonych efektów działania zbiornika w wersji jego rozwiązania raktycznego oraz energooszczędnego. 3. MODEL MATEMATYCZNY DZIAŁANIA ZBIORNIA RETENCYJNO RZERZUTOWEGO 3.1. Założenia i raktycznie uzasadnione uroszczenia rzyjęte w memycznym oisie działania zbiornika retencyjno rzerzutowego Do oracowania modelu memycznego działania komór zbiorczych zbiornika retencyjno rzerzutowego rzyjęto nastęujące założenia: w rocesie oróżniania komory zbiorczej zbiornika za ośrednictwem srężonego owietrza rędkość oadania zwierciadła cieczy w komorze jest niewielka i zmiana objętości i ciśnienia owietrza nastęuje zgodnie z izotermicznym rawem Boyle a - Mariotte a: szybkość oadania oziomu zwierciadła cieczy w komorze jest bardzo mała, z reguły nierzekraczająca wartości 0,002 m s. W efekcie tego nastęuje również owolna zmiana objętości i ciśnienia zawartego w niej owietrza, ściany komór zbiorczych zbiornika nie są izolowane cielnie, rzez co umożliwiają swobodną wymianę cieła między otoczeniem a owietrzem zawartym w tej komorze. Ściany te dobrze rzewodzą cieło i są gwarantem utrzymania w niej stałej temerury owietrza. w rozwiązaniu konstrukcyjnym zbiornika rzyjęto, że oróżnienie komory zbiorczej zbiornika stanowi obniżenie w niej zwierciadła cieczy z maksymalnego ołożenia (strefa odstroowa komory) do rzędnej odowiadającej górnym krawędziom otworów klaowych, w oisie memycznym działania zbiornika douszczono nastęujące uroszczenia: w rocesie oróżniania komór zbiorczych zbiornika ołożenie zwierciadła cieczy w komorze wieżowej ozostaje niezmienne (stałe), rzeływy cieczy rzez zawory klaowe obliczane są dla otworów, które ozbawione są kla, rzy czym dla nężenia rzeływu miarodajnego jako maksymalnego wymiarowane są świła tych otworów rzy założeniu minimalnej różnicy ołożenia zwierciadeł cieczy rzed i za otworem, z reguły około 0,01 m, 5
doływ cieczy do zbiornika odczas trwania rocesu wyrównywania ciśnienia owietrza w komorach zbiorczych nie owoduje znaczącego siętrzenia zwierciadła cieczy w doływie do zbiornika i dlego w obliczeniach rzyjęte jest ono jako stałe. 3.2. ydrauliczne arametry charakterystycznych stanów wystęujących w rocesie wyrównania ciśnienia owietrza w obydwu odciętych od mosfery komorach zbiorczych zbiornika 3.2.1. rzyadek, w którym naełnienie w komorze wieżowej jest takie, że 1, co raktycznie uniemożliwia doływ cieczy do urzednio oróżnionej komory w czasie rocesu wyrównywania ciśnienia owietrza w obydwu odciętych od mosfery komorach zbiornika W rozważanym rzyadku komory zbiornika zostały rzyjęte jako rostoadłościenne, z czego wynika, że: Fh F. (O) (Z) (O) (Z) (Z) (2) (1) F F, m, Rys. 3.1. Stan oczątkowy zaistniały o oróżnieniu komory (1) i rzy całkowitym wyełnieniu komory (2), rzy naełnieniu komory wieżowej o owyżej maksymalnego ołożenia zwierciadła cieczy w komorach zbiornika Ciśnienie owietrza w komorze (1) bezośrednio o jej oróżnieniu wynosi: (3.1) rzy czym masa zamkniętego srężonego w niej owietrza jest równa: m F (3.2) onieważ z rzemiany izotermicznej stanu gazu wynika związek: 0 (3.3) to masa zamkniętego srężonego owietrza w komorze (1) wyrażona może być obecnie nastęująco: (3.4) 0 m F 6
(Z) (Z) 2 (Z) (O) (Z) (2) (1) F F 1,, Rys. 3.2. Stan końcowy rocesu wyrównania ciśnienia owietrza w komorach zbiorczych zbiornika dla warunku: 2 o wyrównaniu ciśnienia owietrza w obydwu odciętych od mosfery komorach zbiornika jego końcowa wartość ciśnienia owietrza wyniesie: według arametrów w komorze (1) (3.5) według arametrów w komorze (2) 1 (3.6) Masa zamkniętego owietrza w obydwu komorach zbiornika jest równa: 0 m 1F 1F (3.7) Z niezmienności wartości tej masy na oczątku i na końcu rocesu wyrównania ciśnienia owietrza m m otrzymano: F F 0 0 1 1 (3.8) Uwzględniając w równaniu (3.8) wyrażenia (3.1) i (3.6) oraz o dokonaniu odowiednich rzekształceń: 1 1 (3.9) otrzymano nastęującą zależność: 1 1 11 (3.10) 7
rzyjmując obecnie bezwymiarowe arametry: (3.11) 1 A, B, C zależność (3.10) rzyjmie kolejną ostać: 1 C 1 1 A 1 AC B B która o uorządkowaniu jest równaniem kwadrowym ze względu na arametr A : A A1 C10 B 2 1 (3.12) (3.13) Rozwiązaniem owyższego równania kwadrowego jest wzór: 1 1 4 A 1 C 1 2 2 B 1 1 (3.14) 1 C B Graficzny obraz równania (3.14) jako funkcji A f B może być rzedstawiony dla C rzy uwzględnieniu warunku oczątkowego, dla którego różnych wartości arametru 1 (rys. 3.3). A = 1 0,28 0,26 0,24 0,22 0,20 0,18 dla C = 0,1 dla C = 0,2 dla C = 0,5 dla C = 0,75 dla C = 1,0 0,16 0,14 0,12 0,10 0,15 0,175 0,2 0,225 0,25 0,275 0,3 0,325 0,35 0,375 0,4 B = Rys. 3.3. Graficzne rzedstawienie wzoru (3.14) jako funkcji A f B dla różnych wartości arametru C 8
3.2.2. rzyadek, w którym naełnienie komory wieżowej jest wyższe o wartość 0 od maksymalnego ołożenia zwierciadła cieczy w komorach zbiornika, rzy czym 1 omory zbiornika zostały rzyjęte jak orzednio jako rostoadłościenne, zem ich rzekrój oziomy jest stały, nie zależny od oziomu naełnienia i wynosi: F F. Ciśnienie owietrza w komorze (1) bezośrednio o jej oróżnieniu wynosi: (3.15) h (O) (Z) (O) (Z) (Z) (2) (1) F F, m, Rys. 3.4. Stan oczątkowy zaistniały o oróżnieniu komory (1) i rzy całkowitym wyełnieniu komory (2), dla naełnienia komory wieżowej o owyżej maksymalnego stanu naełnienia komór zbiornika Nomiast masa zamkniętego w niej srężonego owietrza jest równa: (3.16) m F Uwzględniając w równaniu (3.16) związek wynikający z izotermicznej rzemiany stanu owietrza: 0 (3.17) otrzymano wzór określający wartość masy zamkniętego w komorze (1) owietrza: m F (3.18) 0 o wyrównaniu ciśnienia owietrza w obydwu odciętych od mosfery komorach zbiorczych zbiornika, jego wartość końcowa wynosi: według arametrów w komorze (1) 2 (3.19) według arametrów w komorze (2) 3 (3.20) 9
(Z) (Z) (Z) (O) (Z) (2) (1) 2 F F 1,, 3 Rys. 3.5. Stan końcowy rocesu wyrównania ciśnienia owietrza w komorach zbiorczych zbiornika warunku: 2 Z orównania wzorów (3.19) i (3.20) wynika, że: 2 3 1 Masa zamkniętego owietrza srężonego w obydwu komorach jest równa: 0 m 3 1F 3 1F (3.21) Z niezmienności wartości masy owietrza na oczątku i na końcu rocesu wyrównania ciśnienia owietrza w obydwu odciętych od mosfery komorach zbiornika, m m, wynika nastęujący związek: dla F F 0 0 3 1 3 1 (3.22) o uwzględnieniu w równaniu (3.22) związków określonych wzorami (3.15) i (3.20) i dokonaniu odowiednich rzekształceń: 3 1 3 (3.23) otrzymano nastęującą ostać równania (3.22): 3 2 1 3 1 (3.24) 3 U względniając w równaniu (3.24), że 3 1, otrzymano kolejną ostać równania tr : (3.22), w którym wyeliminowano arame 3 2 1 1 1 1 (3.25) Dokonując odowiednich kolejnych rzekształceń, ostecznie równanie (3.25) można zaisać nastęująco: 10
2 3 2 (3.26) 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2 2 rzyjmując z kolei jak orzednio bezwymiarowe arametry: (3.27) 1 A, B, C I o uwzględnieniu ich w równaniu (3.26) otrzymano bezwymiarową ostać tego równania: 1 2 B 2 2 1C 2A 3AC C A C B B które o uorządkowaniu jest kwadrowym równaniem ze względu na arametr A : (3.28) 2 2 3 1 C 1 C 1 1 A A C 1 C 2 B 2 2 B 2 B Rozwiązaniem bezwymiarowego równania kwadrowego jest wzór: 2 1 C 1 3 1C C A CB 1 1 B 1 2 2 2B 2 1 3 2 CB 1 2B 2 0 (3.29) (3.30) rzedstawienie graficzne wzoru (3.30) jako funkcji A f B rzy zadanej wartości C arametru może być dokonane z uwzględnieniem warunku oczątkowego: 1 Z (rys. 3.6). A = 1 0,60 0,50 dla C = 0,1 dla C = 0,2 0,40 dla C = 0,5 0,30 0,20 dla C = 0,75 dla C = 0,8 dla C = 0,85 0,10 0 0,15 0,175 0,2 0,225 0,25 0,275 0,3 0,325 0,35 0,375 0,4 B = Rys. 3.6. Graficzne rzedstawienie wzoru (3.30) jako funkcji A f B dla różnych wartości arametru C 11
3.3. Model memyczny rocesu oróżniania komory zbiorczej w trakcie wyrównywania ciśnienia owietrza zamkniętego w obydwu odciętych od mosfery komorach zbiornika Równanie różniczkowe, oisujące oróżnianie komory zbiorczej zbiornika za rzyczyną rzyrostu ciśnienia owietrza nad swobodnym zwierciadłem cieczy w tej komorze, osiada ostać: Q dt dv F dy (3.31) Z w której: QZ 0 f0 2g y 0 f0 2g y (3.32) nomiast: 2 y gdy nie nastęuje doływ cieczy do urzednio oróżnionej komory, 2 y x gdy doływ cieczy do urzednio oróżnionej komory nastęuje, jest oczątkową wartością ciśnienia owietrza w oróżnionej komorze. Gdy nie nastęuje doływ cieczy do urzednio oróżnionej komory, chwilowe nężenie odływu cieczy z komory aktualnie oróżnianej jest równe: Q f 2g y f 2g y y Z 0 0 0 0 2 y (3.33) nomiast równanie różniczkowe (3.31) rzyjmuje nastęującą ostać: dt F dy 0 f0 2g y y 2 y (3.34) Gdy z kolei nastęuje doływ cieczy do urzednio oróżnionej komory, chwilowe nężenie odływu cieczy z komory aktualnie oróżnianej jest równe: y x QZ 0 f0 2g y 0 f0 2g y 2 y x (3.35) W tym rzyadku równanie różniczkowe (3.31) osiada nastęującą ostać: dt F dy 0 f0 2g y x y 2 y x (3.36) 12
Oba rzedstawione rzyadki obliczeniowe cechuje ewna trudność w dokonywaniu niezbędnych obliczeń. Dlego rzyjęty został uroszczony schem obliczeniowy umożliwiający rowadzenie stosownych obliczeń, a jako wystarczająco dokładny rekomendowany jest do stosowania w raktyce inżynierskiej. Uroszczony model memycznego wyrównywania ciśnienia owietrza w komorach zbiorczych zbiornika zakłada zem stałą wartość ciśnienia owietrza w komorze odczas oróżniania w niej określonej warstwy cieczy. rzyjmowane jest ono jako ciśnienie średnie z jego wartości oczątkowej i końcowej. 3.3.1. Uroszczony model memyczny rocesu oróżniania komory zbiorczej, gdy odczas wyrównania ciśnienia owietrza w obydwu komorach zbiornika nie nastąi naływ cieczy do jego komory urzednio oróżnionej W omawianym rzyadku, by nie nastęował naływ cieczy do komory urzednio oróżnionej, sełniony musi być warunek: y 1 ys dla: y 1 A. onadto rzyjmuje się, że oziom zwierciadła cieczy w komorze rzeływowej w trakcie wyrównywania ciśnienia owietrza w komorach zbiorczych zbiornika jest stały, co oznacza, że głębokość jej naełnienia liczona od rzyjętego oziomu obliczeniowego jest równa. rzyjęty oziom obliczeniowy, od którego określane są głębokości naełnień w komorach zbiorczych znajduje się na rzędnej górnej krawędzi otworów klaowych. Czas obniżenia warstwy cieczy od głębokości i y do głębokości w oróżnianej komorze zbiorczej zbiornika yi yi 1 obliczony zostanie z oniższego równania różniczkowego: yi 1 t i yi1 yi F dy F dy (3.37) 0 f0 2g y i 0 f0 2g y i 1 śri y y Zgodnie z rzyjętym uroszczeniem wartość średniego ciśnienia owietrza może być określona jako średnia całkowa (ważona) względnie, co rościej, jako średnia arytmetyczna. Wartość średnia ciśnienia owietrza wyznaczona jako średnia całkowa (ważona) jest równa: 2 y ln y y 2 y śri i1 i i1 i (3.38) Nomiast wartość średnia ciśnienia owietrza wyznaczona jako średnia arytmetyczna wynosi: śri i i 1 (3.39) 2 gdzie: 2 i y i1 2 y i1 i (3.40) (3.41) 13
Czas oróżnienia określonej warstwy cieczy w komorze jest zem równy: 2F śri śri ti yi yi1 0 f0 2g (3.42) lub uwzględniając równanie (3.42) rzyjmuje nastęująca ostać: 2F śri śri ti yi yi1 0 f0 2g (3.43) Wartość nężenia wyływu cieczy jej naełnieniu równym i Q Zi z oróżnianej komory zbiorczej zbiornika rzy y i odowiadającemu ciśnieniu owietrza jest równa: i i i QZi 0 f0 2g yi 0 f0 2g yi (3.44) gdzie: 2 i y i (3.45) 3.3.2. Uroszczony model memyczny rocesu oróżniania komory zbiorczej, gdy odczas wyrównania ciśnienia owietrza w obydwu komorach zbiornika nastęować będzie naływ cieczy do komory urzednio oróżnionej W omawianym obecnie rzyadku, by możliwy był naływ cieczy do komory urzednio oróżnionej sełniony musi być z kolei warunek: y 1 ys dla: y 1 A. Oróżnianie komory zbiorczej w trakcie rocesu wyrównania ciśnienia owietrza w obydwu odciętych od mosfery komorach zbiornika odzielone zostanie na trzy etay: W ierwszym etaie oróżnianie całkowicie wyełnionej cieczą komory nastęować będzie do chwili osiągnięcia w rozrężanym owietrzu ciśnienia równego S, co odowiada obniżeniu warstwy cieczy w oróżnianej komorze o wartość Z ys. W tym etaie doływ cieczy do urzednio oróżnionej komory nie będzie możliwy x 0, a obliczenia rowadzone będą odobnie jak dla orzedniego rzyadku rzedstawionego w odrozdziale 3.3.1. W drugim etaie będzie nastęował doływ cieczy do komory urzednio oróżnionej, która będzie sukcesywnie naełniana cieczą, a więc x 0. W etaie tym odnoszenie się zwierciadła cieczy x w komorze urzednio oróżnionej, owodowane sadkiem ciśnienia w rozrężanym owietrzu w obydwu komorach będzie wolniejsze od rędkości oadania zwierciadła cieczy w oróżnianej komorze. Odływ z oróżnianej komory Q Z będzie zem decydował o wartości odnoszenia się zwierciadła cieczy x w komorze urzednio oróżnionej. rocedura obliczeniowa olega na iteracyjnym wyznaczeniu czasu t, rzy którym obniżenie określonej niewielkiej warstwy cieczy w oróżnianej komorze 14
y nastąi równocześnie z odowiednim wzniesieniem warstwy cieczy x w komorze urzednio oróżnionej. onieważ y x, to nastęować będzie sukcesywne zwiększanie objętości zamkniętego owietrza w obydwu komorach i jego rozrężanie do W wartości Z yw, rzy której ustanie odływ cieczy z komory oróżnianej Q 0. Tak zakończony drugi eta, zakłada na tę chwilę, że ustanie doływ Z cieczy do zbiornika Q M 0, co znajduje uzasadnienie w trzecim etaie rocesu wyrównywania ciśnienia owietrza w komorach zbiorczych zbiornika rzy założeniu, że doływ cieczy do zbiornika jest kontynuowany. odczas trwania tego etau naełnienie w komorze rzeływowej obniżone zostaje do takiej wartości, by sełnione było równanie: x hz x. W obliczeniach jednak omijamy wartość 2 M hz 2 2 0 0 Q, która jako mała w odniesieniu do ojemności całkowitej komory zbiorczej f 2g oraz wystęujących w niej naełnień nie osiada znaczącego wływu na wyniki obliczeń, a jedynie niekorzystnie wływa na ich rzejrzystość. W trzecim etaie dalsze oróżnianie komory zbiorczej nastęować będzie na skutek kontynuacji doływu QM do zbiornika, które odnosząc zwierciadło cieczy w komorze rzeływowej wymusi naływ cieczy do komory urzednio oróżnionej. Eta ten, zgodnie z warunkami końcowymi rzedstawionymi w odrozdziale 3.2.2 zakończony zostanie wówczas, gdy głębokość naełnienia komory rzeływowej osiągnie wartość, czyli gdy oziom jej naełnienia zrówna się z rzędną oziomu cieczy, która całkowicie wyełnia komorę zbiorczą. W tym etaie rzyrost naełnienia w komorze urzednio oróżnionej x, owodując wzrost ciśnienia owietrza zamkniętego w obydwu komorach, wymusi dalsze obniżanie się warstwy naełnienia w komorze oróżnianej y, rzy czym tym razem x y. rocedura obliczeniowa zakłada zadany odowiednio niewielki rzyrost naełnienia x w komorze urzednio oróżnionej, a obecnie naełnianej cieczą i wyznaczenie właściwej warstwy obniżenia naełnienia y w komorze oróżnianej. Zakończenie etau trzeciego kończy również oróżnianie komory zbiorczej w trakcie rocesu wyrównywania ciśnienia owietrza w obydwu odciętych od mosfery komorach zbiorczych zbiornika. Obliczenia w ierwszym etaie oróżniania komory zbiorczej zbiornika rowadzone są w odobny sosób, jak to rzedstawiono w odrozdziale 3.3.1 dla rzyadku, gdy naływ cieczy do komory urzednio oróżnionej jest niemożliwy z wyjątkiem obliczenia wartości nężenia odływu cieczy Q Zi. Wartość nężenia odływu cieczy rzybliżonego rozwiązania wzorem: Q Zi z oróżnianej komory wyliczana jest według Q f 2g y f 2g y śri śri Zi 0 0 śri 0 0 śri (3.46) 15
gdzie: y śri y y 2 i i1 (3.47) oraz: śri i i 1 (3.48) 2 dla: 2 i y i1 2 y i1 i (3.49) (3.50) Obliczenia w drugim etaie oróżniania komory zbiorczej zbiornika rowadzone są o uwzględnieniu zależności: x hz, w której wartość h Z jako małą w odniesieniu do ozostałych ominięto. Wartość ciśnienia owietrza i wystęującego rzy głębokości naełnienia y i oróżnianej komory oraz odowiadającej głębokości naełnienia x i równocześnie wyełnianej komory drugiej wyznaczona jest iteracyjnie z układu równań: i n n Q M 2 ys yi1xs xi1 ti1 i1 i1 F 2F śri1 śri1 ti1 yi1 yi 0 f0 2g (3.51) gdzie: śri 1 i1 i 2 (3.52) dla: i 1 jako wartości znanej odowiadającej naełnieniu yi 1 w oróżnianej komorze. W ierwszym kroku iteracyjnym oczątkowe wartości stanowią wartości końcowe i1 S ierwszego etau: yi1 ysoraz. Dla ierwszej rzyjętej warstwy obliczeniowej y i 1 obniżenia głębokości naełnienia w oróżnianej komorze w drugim etaie obliczeń wyznaczone zostają iteracyjnie nastęujące i wartości: ti 1, oraz xi 1 xi. 16
rzy obniżeniu kolejnej warstwy cieczy y i wyznaczone iteracyjnie wartości obecnie i 1 stanowią ti, oraz x, rzy czym i xi xi1 xi 1. rzyrost naełnienia x i wyznaczany jest ze wzoru: Q M xi ti (3.53) F Naełnienie cieczą w komorze rzeływowej odczas trwania tego etau dla każdego naełnienia komory urzednio oróżnionej x i wyznaczane jest ze wzoru: i i i xi hz xi (3.54) Obliczony iteracyjnie czas ozwala onadto wyznaczyć wartości nężenia odływu cieczy z oróżnianej komory według rzybliżonego rozwiązania wzorem: śri śri QZi 0 f0 2g y śri 0 f0 2g y śri (3.55) gdzie: y śri y y 2 i i1 (3.56) Obliczenia w trzecim etaie oróżniania komory zbiorczej zbiornika rowadzone są dla zakładanych niewielkich rzyrostów naełnień x i w komorze urzednio oróżnionej, od których wyznaczane są odowiadające im głębokości w oróżnianej komorze zbiorczej yi1 yi yi, rzy czym w każdym rzyadku xi yi. W etaie tym osłużono się zasadą suerozycji, która zakłada, że w wyniku doływu cieczy do zbiornika rzyjęty wzrost naełnienia w aktualnie naełnianej cieczą komorze xi xi1 xi 1 sowoduje srężenie owietrza wewnątrz komór zbiorczych, a tym samym wymusi wyływ cieczy z komory oróżnianej aż do osiągnięcia w niej takiej głębokości, rzy której na skutek rozrężenia owietrza odływ ten ustanie. Taki sosób obliczeń nie zachowuje jednak rzeczywistej ciągłości doływu i odływu cieczy ze zbiornika, dlego dla określenia chwilowych nężeń odływu wyznaczana jest ich wartość średnia. rzyorządkowana ona jest dla każdej oróżnionej warstwy y i i rzyisana w ołowie czasu trwania efektywnego obniżenia głębokości naełnienia w tej komorze. rzyjmując zem niewielki rzyrost głębokości naełnienia x w komorze aktualnie naełnianej, sowodowany doływem cieczy o stałym miarodajnym nężeniu i QM Q w określonym rzedziale czasowym M wyznaczana jest wartość ciśnienia srężonego owietrza w obydwu komorach oraz odowiednie obniżenie zwierciadła cieczy w oróżnianej komorze y i, rzy którym nastąi zrzymanie z niej odływu. Dalsze obniżenie zwierciadła cieczy w oróżnianej komorze sowoduje kolejny rzyrost głębokości naełnienia w komorze aktualnie naełnianej. W ten sosób nastęować będzie sukcesywne oróżnianie komory zbiorczej w rocesie wyrównywania ciśnienia owietrza zawartego wewnątrz obydwu komór zbiorczych zbiornika t, i 17
aż do chwili, gdy naełnienie w komorze rzeływowej osiągnie głębokość równą, a odływ cieczy z oróżnianej komory ustanie na skutek wyrównania wysokości ciśnienia owietrza na zewnątrz w komorze wieżowej i wewnątrz w komorze oróż nianej zgodnie z warunkiem oczątkowym: y (3.57) Z oniższego u kładu równań o odowiednich rzekształceniach wyznaczona jest wartość naełnienia y i w oróżnianej komorze zbiorczej, odowiadająca każdemu aktualnemu naełnieniu cieczą w komorze urzednio oróżnionej, wynikającemu z rzyrostu tego naełnienia wskutek stałego doływu do niej cieczy w określonym rzedziale czasowym: xi 1 xi i 2 yi xi i i yi y i (3.58) Zem o rzyrównaniu wartości i z obydwu równań otrzymamy: y i 2 y i x i (3.59) Dokonując odowiednich rzekształceń i o uorządkowaniu uzyskano równanie kwadrowe z e względu na nastęującej ostaci: y i 2 yi yi2 xi xi0 (3.60) którego rozwiązaniem jest: 4 xi yi 0,52 xi 1 1 2 2 x i (3.61) ońcowa wartość ciśnienia owietrza i w komorach zbiorczych zbiornika o wymuszonym odływie cieczy z oróżnianej komory i sowodowanym obniżeniu w niej głębokości naełnienia o wynosi: y i1 i 2 y x i i (3.62) 18
Wartość średniego ciśnienia owietrza jest zem równa: 2 i1 i śri (3.63) Czas obniżenia warstwy cieczy w oróżnianej komorze w trzecim etaie określony jest wzorem: y i 2F t y y 0 f0 2g śri śri i i i1 onieważ: śri yi1 0 to ostecznie: (3.64) (3.65) t 2F f 2g śri i yi1 (3.66) 0 0 onieważ we wzorze (3.66) wystęuje średnia wysokość ciśnienia owietrza, która w tym etaie obliczeniowym zeruje drugi człon odierwiastkowy, to owoduje, że wyznaczane czasy za ośrednictwem tego wzoru mają wartości nieco zawyżone od rzeczywistych. Rzeczywisty czas ti rzyrostu naełnienia cieczą x i komory urzednio oróżnionej o owierzchni F Z rzy określonym, miarodajnym nężeniu doływu cieczy t Q M do zbiornika jest równy: xf i i (3.67) QM Wartość nężenia odływu cieczy Q Zi z oróżnianej komory zbiorczej dla wyznaczonej warstwy obliczeniowej y i wynosi: Q Zi y F t i (3.68) i Uwzględniając we wzorze (3.68) zależność (3.67), otrzymujemy: Q y Q i Zi M (3.69) xi Naełnienie cieczą w komorze rzeływowej odczas trwania tego etau dla k ażdego naełnienia komory urzednio oróżnionej x i wyznaczane jest ze wzoru: x h x i i i i Z i (3.70) 19
3.4. Fazy działania zbiornika w trakcie rocesu wyrównywania ciśnienia owietrza w obydwu odciętych od mosfery jego komorach zbiorczych w rzyadku, gdy uniemożliwiony jest doływ cieczy do komory urzednio oróżnionej 1. Stan oczątkowy rocesu wyrównywania ciśnienia owietrza w komorach zbiorczych zbiornika Q Z = 0 (O) (Z) (O) (Z) (Z) (2) (1) F Q R = 0 F 0 Q 0 Z Q 0 R y x 0 2. Faza oróżniania z cieczy komory zbiorczej (2) Q Z (Z) (Z) (Z) (O) (Z) (2) (1) F F y Q R = 0 2 y 0 QZ 0 f0 2g y QR 0 y y x 0 3. Stan końcowy oróżniania komory zbiorczej (2) odczas wyrównywania ciśnienia owietrza w obydwu komorach Q Z = 0 (Z) (Z) (Z) (O) (Z) (2) (1) F F y Q R = 0 2 y 0 QZ 0 Q 0 R y y x 0 20
4. ontynuacja oróżniania komory zbiorczej (2) rzy udziale srężarki owietrza i rozoczęcie naełniania cieczą komory zbiorczej (1) rzy jej otwarciu do mosfery Q Z (O) (Z) (Z) (2) (1) F y Q S > Q S (Z) (O) F Q R Q 2 S y Q Z Q Q Q R DO M y y 0 x 0 1 5. Stan końcowy o oróżnieniu komory zbiorczej (2) Q Z = 0 (Z) (O) (Z) (Z) (Z) (2) (1) F F Q R 0 Q 0 Z Q Q Q y 0 x 0 R DO M 3.5. Fazy działania zbiornika w trakcie rocesu wyrównywania ciśnienia owietrza w obydwu odciętych od mosfery jego komorach zbiorczych w rzyadku, gdy nastęuje doływ cieczy do komory zbiorczej urzednio oróżnionej 1. Stan oczątkowy rocesu wyrównywania ciśnienia owietrza w komorach zbiorczych zbiornika i rozoczęcie I etau jego wyrównywania Q Z = 0 (O) (Z) (Z) (2) (1) F (O) (Z) Q R = 0 F 0 Q 0 Z Q 0 R y x 0 21
2. Faza oróżniania z cieczy komory zbiorczej (2) w zakresie ciśnień omiędzy S (I eta wyrównywania ciśnienia owietrza) Q Z (Z) (Z) (Z) (O) (Z) (2) (1) F y > > >> Q R = 0 S S F 2 y 0 QZ 0 f0 2g y QR 0 y ys x 0 3. Stan chwilowy, ocząwszy od którego umożliwiony będzie doływ cieczy do komory zbiorczej (1) i rozoczęcie II etau wyrównywania ciśnienia owietrza Q Z (Z) (Z) (Z) (O) (Z) (2) (1) F S S S y Q R = 0 S S F S 0 S S QZ 0 f0 2g y QR 0 y ys 1 x xs 0 4. Faza oróżniania z cieczy komory zbiorczej (2) w zakresie ciśnień omiędzy (II eta wyrównywania ciśnienia owietrza) S W Q Z > > S W (Z) (O) (Z) (2) (1) F >> S W y (Z) (Z) > > S Q R W >> S W x F 2 y x 0 QZ 0 f0 2g y Q Q Q R DO M y y y S 0 x x W W 22
5. Stan chwilowy, ocząwszy od którego rozoczyna się III eta wyrównywania ciśnienia owietrza w komorach zbiornika Q Z (Z) (Z) (Z) (O) (Z) (2) (1) F W W W y W Q R W x F W W 2 y W x W 0 W QZ 0 f0 2g y Q Q Q R DO M y y W x x W 6. Oróżnianie komory zbiorczej (2) rzy równoczesnym naełnianiu cieczą komory zbiorczej (1) (III eta wyrównywania ciśnienia owietrza) Q Z (Z) (Z) (Z) (O) (Z) (2) (1) F y Q R x F 2 y x 0 QZ 0 f0 2g y Q Q Q R DO M y y y W x x x W 7. Stan końcowy o wyrównaniu ciśnienia owietrza w komorach zbiorczych Q Z = 0 (Z) (Z) (Z) (O) (Z) (2) (1) F y x Q R = 0 F 2 y x 0 QZ 0 Q 0 R y y x x 23
8. ontynuacja oróżniania komory zbiorczej (2) rzy użyciu srężarki owietrza oraz dalsze naełnianie komory zbiorczej (1) rzy jej otwarciu do mosfery Q Z (O) (Z) (Z) (2) (1) F y Q S Q S (Z) (O) Q R 0 x F Q 2 S y Q Z Q Q Q R DO M y y 0 x 0 1 9. Stan końcowy o całkowitym oróżnieniu komory zbiorczej (2) Q Z = 0 (Z) (Z) (Z) (2) (1) F (Z) (O) Q R F 0 0 Q 0 Z Q Q Q y 0 x 0 R DO M 4. Ois rzerowadzonych badań ekserymentalnych na modelu fizycznym zbiornika retencyjno rzerzutowego W rzerowadzonych badaniach modelowych na zbiorniku retencyjno rzerzutowym (fot. 4.1) istotnymi omiarami do oceny srawności działania zbiornika były wzajemne relacje czasów naełniania i oróżniania jego komór, których ojemności są znane. Ważne z unktu widzenia uwiarygodnienia jego niezawodności działania, była zadawana losowa zmienność wartości nężenia doływu rzy różnych stanach naełnienia komory wieżowej. Ekserymenty tego rodzaju miały wykazać wływ niecyklicznego działania komór zbiornika na jego zdolność do zaewnienia ciągłego rzerzutu cieczy do odbiornika. odstawowe badania rowadzone były zem od kątem weryfikacji założonych rocesów hydraulicznych, których sełnienie było niezbędnym warunkiem do rawidłowego funkcjonowania zbiornika. ierwszy eta badań olegał na założonym narzemiennym naełnianiu i oróżnianiu komór zbiornika rzy utrzymaniu w miarę stałego doływu wody do zbiornika. rzy tak ustalonym sosobie rzerzutu cieczy do komory wieżowej i dalej do odbiornika, najierw naełniała się ierwsza komora zbiorcza aż do maksymalnego oziomu, rzy którym (niezbędnym warunku) uruchamiana była srężarka owietrza, owodując roces oróżniania tej komory. Równocześnie w czasie oróżniania komory ierwszej, naełniana była druga komora zbiorcza. o całkowitym naełnieniu drugiej komory osiągnięty w niej maksymalny oziom cieczy umożliwiał za ośrednictwem czujnika (umownego na modelu) skierowanie naływu srężonego owietrza do wnętrza komory, rozoczynając tym samym jej oróżnianie. Taki narzemienny cykl działania komór zbiornika jest możliwy, jeżeli sełniona będzie równość czasów naełniania i oróżniania obydwu komór. W raktyce sełnienie takiego warunku jest niemożliwe, nie tylko, co najistotniejsze, ze względu na zmienność nężenia doływu cieczy do zbiornika, ale także z uwagi na trudne do osiągnięcia zaewnienie równomiernego rzerzutu tej cieczy za ośrednictwem instalowanych srężarek. 24
Fot. 4.1. Model badawczy zbiornika retencyjno rzerzutowego tyu GEMINUS ET Sosób rzerzutu cieczy, w którym założono, że roces oróżniania komory może nastęować tylko o jej całkowitym wyełnieniu, jest możliwy w rozwiązaniu raktycznym, od warunkiem zaewnienia rezerwy retencyjnej w rzyadku wystąienia równoczesnego rocesu oróżniania obydwu komór zbiorczych zbiornika. Możliwość taka, rozważona teoretycznie, została otwierdzona w wielu ekserymentach rzerowadzonych na modelu zbiornika. rowadzone badania teoretyczne i ekserymentalne dorowadziły do stworzenia znacznie efektywniejszego sosobu działania zbiornika rzerzutowego. Oracowano nową metodę sterowania rocesami naełniania i oróżniania komór zbiorczych zbiornika, a co za tym idzie zostały określone warunki racy srężarek. Ustalono, że o oróżnieniu komory ierwszej utrzymywane jest w niej srężone owietrze do chwili wyełnienia komory drugiej, jednocześnie uniemożliwiając akumulację cieczy w oróżnionej komorze. o całkowitym wyełnieniu komory drugiej otwarty zostaje zawór odcinający na rzewodzie łączącym obie komory i nastęuje roces wyrównywania ciśnienia owietrza w obydwu komorach. W trakcie rocesu wyrównywania ciśnienia owietrza w komorach zbiorczych zbiornika, w zależności od stanu naełnienia w odbiorniku, który jest identyczny z naełnieniem w komorze wieżowej, możliwe jest w większości rzyadków równoczesne naełnianie komory urzednio oróżnionej. Zastosowanie takiego ołączenia i odowiedniego sterowania zaworami odcinającymi dorowadziło do umożliwienia częściowego oróżniania komory zbiorczej bez otrzeby włączania srężarki, a co za tym idzie zaoszczędzenia energii. W roonowanym rozwiązaniu srężarki owietrza owinny się charakteryzować dużą wydajnością objętościową tłocznego owietrza rzy odnośnym niewielkim ciśnieniu. Będą one zem w swej konstrukcji i arametrach technicznych bardziej rzyominać turbiny czy dmuchawy owietrza, a nie tyowe srężarki tłokowe czy olejowe, które z reguły charakteryzują się niewielką wydajnością objętościową tłoczonego owietrza, lecz dużym wytwarzanym ciśnieniem. 25
5. ODSUMOWANIE I WNIOSI rzedstawiony w niniejszej racy zbiornik retencyjno rzerzutowy cieczy stanowi alternywne rozwiązanie w stosunku do rzeomowni. Zaewnia on, oczekiwaną efektywność i niezawodność w działaniu. Jest rozwiązaniem rostym ozwalającym na ich właściwe wkomonowanie w otoczenie nuralnego środowiska. Umożliwia on bezwarunkowe odrowadzenie ścieków ochodzących z oadów mosferycznych do odbiornika, niezależnie od chwilowego stanu jego naełnienia. Rozwiązanie tego tyu może również znaleźć zastosowanie w rzerzucie ścieków do zlewni o wyższym ołożeniu wysokościowym, a także stanowić zbiorczy zbiornik rzed oczyszczalnią, z którego ścieki odrowadzane będą do technologicznego rocesu ich oczyszczania. rzerowadzona analiza teoretyczna i badania emiryczne rzedstawionego w racy rozwiązania zbiornika retencyjno rzerzutowego tyu GEMINUS ozwoliły na uściślenie hydraulicznych odstaw i warunków jego działania. Na ostawie założonego modelowego (idealnego) działania zbiornika oracowano jego dwie wersje, które mogą być stosowane w raktyce inżynierskiej. Wersja ierwsza dla zaewnienia narzemiennego działania komór zbiorczych zakłada o każdorazowym oróżnieniu komory ierwszej zrzymanie w niej srężonego owietrza do chwili całkowitego naełnienia komory drugiej i na odwrót. Wersja druga, energooszczędna, zakłada wykorzystanie zrzymanego srężonego owietrza w oróżnionej ierwszej komorze zbiorczej do częściowego oróżnienia całkowicie naełnionej komory drugiej i odwrotnie. Efektywna wartość częściowego oróżnienia całkowicie naełnionej cieczą komory zbiorczej uzyskana odczas rocesu wyrównania ciśnienia owietrza w obydwu odciętych od mosfery komorach uzależniona jest od możliwości równoczesnego naełniania cieczą urzednio oróżnionej komory. Badania wykazały, że wystąić mogą dwa rzyadki rzebiegu rocesu wyrównywania ciśnienia owietrza, w którym komory zbiorcze zbiornika są odcięte od mosfery: gdy naływ cieczy do urzednio oróżnionej komory zbiorczej nie będzie możliwy, gdy będzie nastęował naływ cieczy do urzednio oróżnionej komory zbiorczej. O wystąieniu ierwszego bądź drugiego rzyadku decyduje wartość rzewyższenia naełnienia komory wieżowej onad maksymalny oziom naełnienia komory zbiorczej oraz sama wartość jako użytkowa wysokość komory zbiorczej. W ierwszym rzyadku dla C dla różnych możliwych wartości B, gdy naływ cieczy do urzednio oróżnionej komory zbiorczej nie będzie możliwy, efektywna wartość częściowego oróżnienia całkowicie naełnionej cieczą komory zbiorczej odczas rocesu wyrównywania ciśnienia owietrza jest niewielka, bo stanowi nie więcej niż 1 A 100 % 22 % jej ojemności. W rzyadku drugim dla C 0 wyróżnione zostały trzy etay rocesu wyrównania ciśnienia owietrza zamkniętego w obydwu odciętych od mosfery komorach zbiorczych zbiornika: w ierwszym, krótkotrwałe oróżnianie komory zbiorczej nastęuje rzy braku naływu cieczy do komory urzednio oróżnionej. Jest to eta od względem hydraulicznym identyczny z rzyadkiem ierwszym; 26
w drugim, gdy sadek ciśnienia rozrężanego owietrza w komorach zbiorczych zbiornika umożliwi naływ cieczy do komory urzednio oróżnionej, dynamika oróżniania komory wzrasta i kończy się hiotetycznie o uzyskaniu ciśnienia owietrza, rzy którym nastęuje ierwsze zrównoważenie wysokości W ciśnień na otworze odływowym od strony komory wieżowej i komory zbiorczej. Tak zakończony zostałby ten roces, gdyby równocześnie ustał doływ cieczy do zbiornika. odczas trwania drugiego etau naełnienie w komorze rzeływowej zostaje na tyle obniżone, by zaewnić ono mogło naływ cieczy o określonym nężeniu do komory zbiorczej; w trzecim, kontynuowane jest oróżnianie komory zbiorczej na skutek ciągłego doływu cieczy do zbiornika, który, zwiększając naełnienie w komorze rzeływowej, wymusza dalszy naływ cieczy do komory urzednio oróżnionej. W układzie, w którym komory zbiorcze są odcięte od mosfery rzyrost naełnienia w komorze obecnie naełnianej sręża zamknięte w nich owietrze, wymuszając dalszy odływ cieczy z komory oróżnianej. Eta trzeci zakończony zostaje w chwili, gdy naełnienie komory rzeływowej osiągnie założoną wartość maksymalną, która nie zostaje zwiększona mimo dalszego doływu cieczy do zbiornika. W raktyce zakończenie trzeciego etau uruchamia srężarkę w celu dokończenia oróżniania komory zbiorczej, nomiast komora naełniana rzez otwarcie odowiedniego zaworu, zostaje ołączona z mosferą w celu zaewnienia niczym nie uwarunkowanej kontynuacji jej wyełniania cieczą. W rzyadku drugim dla C 0 efektywna wartość częściowego oróżnienia 1 komory zbiorczej zawiera się w granicach 22 % A 100 % 52 %. Gdy nomiast C 0, to nie wystęuje eta ierwszy w rocesie wyrównywania ciśnienia owietrza zamkniętego w obydwu odciętych od mosfery komorach zbiorczych, onieważ naływ cieczy do komory urzednio oróżnionej zaczyna się z chwilą rozoczęcia tego rocesu. Energooszczędne działanie zbiornika retencyjno rzerzutowego uzależnione jest zem od aktualnego stanu naełnienia w odbiorniku (rzece), które odowiada ołożeniu zwierciadła cieczy w jego komorze wieżowej. Niezależnie od tego, czy rozważany jest zbiornik w wersji energooszczędnej względnie czy jest to zbiornik w wersji odstawowej, zużycie energii elektrycznej wzrasta wraz z oziomem naełnienia komory wieżowej. Dla rzyadków, w których naływ cieczy do urzednio oróżnionej komory jest niemożliwy, charakterystyczne jest to, że czasy wyrównania ciśnienia owietrza w obydwu komorach są stosunkowo krótkie i mają zbliżone wartości. Także efekt częściowego oróżnienia naełnionej cieczą komory zbiorczej jest niewielki i mało zróżnicowany. Z rzerowadzonych badań wynika również to, że otrzeba zaewnienia dodkowej ojemności retencyjnej w zbiorniku, która akumulowałaby doływ cieczy do zbiornika wówczas, gdy nie będzie możliwe rzyjęcie tego doływu rzez komory zbiorcze, jest uzasadniona jedynie w tych rzyadkach, gdy odczas wyrównywania ciśnienia owietrza w obydwu komorach naływ cieczy do urzednio oróżnionej komory nie będzie możliwy. Czasy trwania rzyadku ierwszego oraz czasy ierwszego etau w rzyadku drugim są krótkie, dlego dodkowa ojemność retencyjna jako niewielka nie wymaga realizacji osobnej komory, onieważ rolę taką może sełniać na rzykład zabezieczona o obwodzie owierzchnia górna stroów komór zbiorczych zbiornika. 27
rawidłowe działanie zbiornika retencyjno rzerzutowego wymaga zaewnienia, by najierw nastęowało ełne oróżnienie jednej komory zbiorczej, a doiero óźniej całkowite naełnienie cieczą drugiej komory. Stosownie do tego warunku w oróżnionej komorze utrzymywane jest srężone owietrze do chwili całkowitego naełnienia komory drugiej i rozoczęcia rocesu wyrównywania ciśnienia owietrza w obydwu komorach zbiorczych zbiornika. Ten wymóg jako niezbędny do efektywnego działania zbiornika retencyjno rzerzutowego w jego wersji energooszczędnej jest sełniony w roonowanym rozwiązaniu. Ustalono, że różnica omiędzy czasem racy srężarki niezbędnym do oróżnienia całkowicie naełnionej komory zbiorczej rzy obliczeniowym założeniu, że zaewnia ona stały odływ cieczy z komory równy rzeływowi miarodajnemu, a czasem otrzebnym do odrowadzenia objętości cieczy ozostałej o zakończeniu rocesu wyrównania ciśnienia owietrza w obydwu komorach jest efektem energooszczędnym, olegającym na skróceniu racy srężarki (rys. 5.1). t [s] 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 OSZCZĘDNOŚĆ CZASU RACY SRĘŻARI CZAS RACY SRĘŻARI 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 T S T SD T S C= Z NAEŁNIANIEM CIECZĄ URZEDNIO ORÓŻNIONEJ OMORY BEZ NAEŁNIANIA Rys. 5.1. Wykres oszczędności czasu racy srężarki jako efektu wyrównania ciśnienia owietrza zamkniętego w obydwu komorach zbiorczych zbiornika w zależności od naełnienia komory wieżowej Dobór technicznych arametrów srężarek owietrza rzewidzianych dla każdej rostoadłościennej komory zbiorczej zbiornika owinien zaewniać taką wydajność objętościową Q S wtłaczanego owietrza do komory oraz taki rzyrost jego ciśnienia, by zagwarantowany był odływ cieczy z komory zbiorczej do komory wieżowej i dalej do odbiornika wodnego o zadanym nężeniu Q nie mniejszym od wartości doływu miarodajnego QM Z. Wykazano w racy, że zmiana objętościowej wydajności owietrza wtłaczanego do wnętrza oróżnianej z cieczy komory zbiorczej jako z obniżanym w niej naełnieniem od wartości oczątkowej h naełnienia rzy ciśnieniu owietrza h 0 rzy ciśnieniu srężonego owietrza Q Q S Z Q Q S Z rośnie liniowo wraz CB 1 dla naełnienia QS do wartości końcowej B2 C 1 Q dla. Z 28
race badawcze na fizycznym modelu zbiornika tyu GEMINUS rzerowadzone zostały jako badania jakościowe założonych hydraulicznych rocesów naełniania i oróżniania komór zbiornika. onieważ dla modelu zbiornika oraz zbiornika realizowanego w warunkach nuralnych zewnętrzne ciśnienie owietrza jako mosferyczne jest takie samo, nie istniało rzeniesienie wartości omierzonych na modelu na odowiadające wartości w nurze i odwrotnie. Można wówczas traktować taki model jako obiekt w skali 1:1, a wyniki obliczeń memycznych dla arametrów geometrycznych i hydraulicznych zgodnych z modelem fizycznym weryfikować bezośrednio z wynikami otrzymanymi z omiarów. Badania emiryczne otwierdziły rawidłowość oisu memycznego działania zbiornika omimo uroszczeń, jakie wrowadzone zostały do tego oisu. odsumowując rzerowadzone badania analityczne i doświadczalne można stwierdzić, co nastęuje: w skali technicznej rzemieszczenie cieczy zawartej w gazoszczelnej komorze zbiorczej zbiornika retencyjno rzerzutowego na wyższy oziom energetyczny za ośrednictwem srężonego w niej owietrza jest możliwe dzięki zastosowaniu odowiedniej konstrukcji dmuchawy (turbiny owietrznej), którą charakteryzowałby duży wydek objętościowy owietrza rzy niewielkich wartościach ciśnienia (n. 0,5 m 3 /s rzy = 0,4 m.), wykazano, że narzemiennie działające w rocesach naełniania i oróżniania dwie komory zbiorcze zbiornika zaewniają efektywny i niezawodny sosób rzerzutu cieczy na wyższy oziom energetyczny, w zbiorniku rekomendowanym do stosowania w raktyce inżynierskiej ciągłość narzemiennego działania komór zbiorczych zbiornika zaewniona jest rzez rzetrzymanie srężonego owietrza w komorze urzednio oróżnionej z cieczy do czasu całkowitego wyełnienia cieczą drugiej komory, wymierna oszczędność energii eklektycznej, która jest niezbędna do owodowania oróżnienia całkowicie wyełnionej cieczą komory zbiorczej, osiągnięta została rzez umożliwienie rocesu wyrównywania ciśnienia owietrza zamkniętego w obydwu odciętych od mosfery komorach zbiorczych, ocząwszy od chwili, w której nastąiło całkowite wyełnienie cieczą jednej z komór rzy utrzymanym srężonym owietrzu we wnętrzu komory drugiej urzednio oróżnionej, eksloacyjny wymóg energooszczędnego działania zbiornika, którym jest konieczność zaewnienia dodkowej ojemności retencyjnej na zewnątrz zbiornika, do rzechwycenia i rzetrzymania doływu cieczy do zbiornika w czasie trwania wyrównywania ciśnienia owietrza w obydwu komorach zbiorczych nie wymaga realizacji osobnej komory, onieważ ojemność ta jest niewielka, oracowane rozwiązanie zbiornika retencyjno rzerzutowego może być również wykorzystane dla rzemieszczania objętości cieczy ze zlewni o niższym ołożeniu wysokościowym do zlewni o ołożeniu wyższym. 29
SERWIS FOTOGRAFICZNY Fot. 1. Widok ogólny modelu zbiornika retencyjno rzerzutowego ścieków ochodzących z oadów mosferycznych Fot. 2. Usytuowany rzy wale rzeciwowodziowym odbiornika wodnego zbiornik retencyjno rzerzutowy ścieków ochodzących z oadów mosferycznych 30
Fot. 3. Naełnianie ierwszej komory zbiorczej rzy grawitacyjnym rzeływie cieczy rzez zbiornik Fot. 4. Otwarty dla tranzytowego rzeływu jeden z zaworów klaowych komory wieżowej odczas grawitacyjnego odrowadzania cieczy do odbiornika 31
Fot. 5. Naełnianie ierwszej komory zbiorczej cieczą odczas wysokiego oziomu naełnienia w odbiorniku wodnym, które uniemożliwia jej grawitacyjny odływ Fot. 6. Wysoki stan naełnienia w odbiorniku wodnym uniemożliwiający grawitacyjny odływ cieczy ze zbiornika retencyjno rzerzutowego 32
Fot. 7. Całkowite naełnienie cieczą ierwszej komory zbiorczej zbiornika retencyjno rzerzutowego, gdy wysoki stan naełnienia w komorze wieżowej uniemożliwia grawitacyjny odływ cieczy do odbiornika wodnego Fot. 8. Oróżnianie neumyczne (srężonym owietrzem) całkowicie naełnionej ierwszej komory zbiorczej, rzy równoczesnym grawitacyjnym naełnianiu komory drugiej 33
Fot. 9. neumyczne oróżnianie ierwszej komory zbiorczej widok działania zaworów klaowych Fot. 10. Całkowite oróżnienie ierwszej komory zbiorczej oraz dalsze wyełnianie drugiej komory zbiorczej 34
Fot. 11. Widok drugiej komory zbiorczej w trakcie jej naełniania cieczą Fot. 12. Oróżnianie drugiej komory zbiorczej srężonym owietrzem zrzymanym w urzednio oróżnionej komorze ierwszej, odczas rocesu wyrównywania ciśnienia owietrza w obydwu komorach 35
Fot. 13. ontynuacja oróżniania drugiej komory zbiorczej za ośrednictwem srężarki owietrza oraz onowne naełnianie cieczą ierwszej komory Fot. 14. Stan całkowitego oróżnienia drugiej komory zbiorczej oraz kontynuacja naełniania ierwszej komory widok instalacji srężonego owietrza 36
Fot. 15. roces oróżniania ierwszej komory zbiorczej srężonym owietrzem zrzymanym z kolei we wcześniej oróżnionej drugiej komorze Fot. 16. Widok kanału doływowego wraz ze ścianką usakajającą strumień cieczy, ołączonego z giętkim rzewodem dorowadzającym wodę z obiegu zamkniętego 37
Fot. 17. Szczegół usytuowania kolektora odływowego łączącego komorę wieżową zbiornika z korytem rzeki w jej obwałowaniu Fot. 18. Szczegół zaworów klaowych łączących komory zbiorcze z komorą wieżową 38
Fot. 19. Widok z góry części doływowej zbiornika retencyjno rzerzutowego z komorami zbiorczymi, komorą rzeływową i rzelewową Fot. 20. Widok z góry komory wieżowej zbiornika retencyjno rzerzutowego wraz z zaworami klaowymi 39