Σωληνώσεις Γενικά Σιφώνια

Transcript

1 Κεφάλαιο 9 Σωληνώσεις 9.1. Γενικά Η χρησιμοποίηση σωλήνων ποικίλων μεγεθών, διαμέτρων και υλικών κατασκευής στις εγκαταστάσεις των υδατοκαλλιεργειών είναι, σε όλες τις περιπτώσεις, αναγκαία. Η αποκλειστική χρήση των σωλήνων (μεταφορά του νερού) επιτυγχάνεται είτε με βαρύτητα, είτε με μηχανική πίεση, είτε με σιφωνισμό Σιφώνια Οι εξισώσεις με τις οποίες προσδιορίζονται τα διάφορα μεγέθη (διαστάσεις, παροχές, επιφάνειες κ.τ.λ.) που καθορίζουν τη λειτουργία των σιφωνίων (εικ. 9-1α, β) (Kövari, 1984) είναι: Όπου: C = συντελεστής εκροής A = επιφάνεια διατομής του σωλήνα (m 2 ) Η = ύψος πιέσεως (m) (9-1) Ο συντελεστής εκροής C μπορεί να προσδιορισθεί από την εξίσωση: (9-2)

2 362 Σωφρόνιος Ε. Παπουτσόγλου 550,00 l4 h0 545,00 l2 α l5 543,00 l1 l6 A h β ( ιαστάσεις σε mm) Εικόνα 9-1α,β. Σχηματικές παραστάσεις σιφωνίων (Kövari, 1984, τροποπ.). Όπου: λ = συντελεστής τριβών (0,02 σε μεταλλικούς σωλήνες) = μήκος σιφωνίου (m) d = διάμετρος σιφωνίου (m) Σ k = σύνολο συντελεστών απωλειών σε όλο το μήκος του σωλήνα (οι συντελεστές των πιο συνηθισμένων τεχνικών απωλειών, δίνονται στην εικόνα 9-2). Η τιμή του συντελεστή εκροής C μπορεί, γενικά, να προσδιορισθεί και από τον πίνακα 9-1. Το επιτρεπτό ύψος πιέσεως για τα σιφώνια προσδιορίζεται από την εξίσωση: (9-3)

3 Κατασκευές Υδατοκαλλιεργειών 363 Πίνακας 9-1. Αντιστοιχία μεταξύ διαμέτρου του σωλήνα του σιφωνίου και τιμών του συντελεστή εκροής C (Kövari, 1984, τροποπ.). Όπου: Τύπος σιφωνίου ιάμετρος mm Συντελεστής εκροής Μέσο Μεγάλο ,4-0,6 0,6-0,8 = ατμοσφαιρική πίεση στην περιοχή (m) Τιμές του για διάφορα υψόμετρα δίνονται στον πίνακα 9-2. Πίνακας 9-2. Αντιστοιχία μεταξύ υψομέτρου και τιμών του (Kövari, 1984, τροποπ.). Υψόμετρο ,3 9,8 9,2 8,6 8,1 7,2 Όπου: = πίεση εξατμίσεως του νερού (m). Η τιμή της καθορίζεται από τη θερμοκρασία του νερού (πίν. 9-3)

4 364 Σωφρόνιος Ε. Παπουτσόγλου Πίνακας 9-3. Σχέσεις μεταξύ θερμοκρασίας του νερού και τιμής του (Kövari, 1984, τροποπ.). o C ,123 0,24 0,43 Το μεγαλύτερο δυνατό ύψος πιέσεως κατά την αναρρόφηση των σιφωνίων υπολογίζεται από την εξίσωση: (9-4) Όπου: V = ταχύτητα νερού μέσα στο σωλήνα (m/s) Σh l1 = σύνολο απωλειών (ενέργειας) κατά μήκος του σωλήνα μέχρι του σημείου κάμψεως του (m) Το μεγαλύτερο δυνατό ύψος πιέσεως κατά την εκροή του σιφωνίου υπολογίζεται από την εξίσωση: (9-5) Όπου: Σh l2 = σύνολο απωλειών (ενέργεια) κατά μήκος του σωλήνα μετά το σημείο κάμψεως του (m) Το βάθος ή το ύψος του νερού επάνω από το στόμιο εισόδου του νερού στο σιφώνιο καθορίζεται από τις τιμές διάφορων παραγόντων, όπως η ταχύτητα του νερού και η διάμετρος του σωλήνα, κυρίως όμως από τον άξονα του στομίου από την άποψη της σχέσεως του επιπέδου του με τη στάθμη του νερού (οριζόντιος, κάθετος κ.τ.λ.). Στις περιπτώσεις που ο άξονας του στομίου είναι κάθετος οι σχέσεις αυτών των τριών μεγεθών δίνονται από τον πίνακα 9-4.

5 Κατασκευές Υδατοκαλλιεργειών 365 Πίνακας 9-4. Σχέσεις μεταξύ ταχύτητας ροής του νερού (V), διαμέτρου του σωλήνα (D) και ύψους του νερού (ho) επάνω από το στόμιο της εισόδου του νερού στο σιφώνιο, όταν ο άξονας του στομίου είναι κάθετος προς τη στάθμη του νερού (Kövari, 1984, τροποπ.). V m/s 1,5 1,5-2,5 >2,5 D m 0,1-0,3 0,3-0,8 >1,0 ho m 2D, ελάχιστο 0,3 ID, ελάχιστο 0,7 1,7 D, ελάχιστο 2,0 Στις περιπτώσεις που ο άξονας του στομίου είναι οριζόντιος ή παράλληλος προς τη στάθμη του νερού, τότε το ύψος του νερού επάνω από το στόμιο εισόδου δίνεται από την εξίσωση: Όπου: ke = συντελεστής απωλειών στην είσοδο του νερού (9-6) Στις περιπτώσεις, τέλος, που ο άξονας του στομίου είναι κεκλιμένος και δημιουργεί γωνία με το επίπεδο της στάθμης του νερού, τότε το ύψος του νερού επάνω από το στόμιο εισόδου υπολογίζεται από την εξίσωση: (9-7) Όπου: α = γωνία κλίσεως (μοίρες) Γενικά, για τον προσδιορισμό των σχέσεων μεταξύ της διαμέτρου, του μήκους και της παροχής των σιφωνίων, κρίνεται σκόπιμη η χρήση των τιμών που δίνονται στον πίνακα 9-5.

6 366 Σωφρόνιος Ε. Παπουτσόγλου Πίνακας 9-5. Τύποι σιφωνίων (Kövari, 1984, τροποπ.). Τύποι σιφωνίων ιάμετρος mm Μήκος m Παροχή m 3 /s Μικρό, κινητό Μέσου μεγέθους που μπορεί να κινηθεί Μεγάλο, ακίνητο <5 <10 <100 0, ,015 0,015-0,050 0,050-3,10 Οι ελάχιστες ταχύτητες ροής του νερού για σωλήνες σιφωνίων δίνονται στον πίνακα 9-6. Πίνακας 9-6. Αντιστοιχία μεταξύ διαμέτρου του σωλήνα και ελάχιστων ταχυτήτων ροής του νερού σε σιφώνια (Kövari, 1984, τροποπ.). ιάμετρος σωλήνα mm Ελάχιστες ταχύτητες m/s 1,0 1,5 1,55 1,6 1,7 1,8 1,9 2,2 2,4 2,6 2,6 Για την πληρέστερη κατανόηση του τρόπου χρήσεως όλων των παραπάνω εξισώσεων σχετικά με τις κατασκευαστικές λεπτομέρειες και τη λειτουργία των σιφωνίων δίνεται παράδειγμα με τη μορφή του ακόλουθου προβλήματος (Kövari, 1984): Να υπολογισθούν οι τιμές των μεγεθών που αφορούν στη λειτουργία και στην κατασκευή ενός μεταλλικού σιφωνίου, όπως αυτό της εικόνας 9-1α,β, ικανό για παροχή 350 t/s νερού θερμοκρασίας 30 ο C.

7 Κατασκευές Υδατοκαλλιεργειών 367 Λύση Εφόσον η επιθυμητή παροχή είναι 0,35 m 3 /s, το υπό μελέτη σιφώνιο θεωρείται μεγάλο και σύμφωνα με τον πίνακα 9-5 η διάμετρός του πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 200 mm. Αν υποθέσουμε ότι είναι 400 mm, τότε, χρησιμοποιώντας τη γνωστή εξίσωση ταχύτητα ροής του νερού:, υπολογίζουμε την Η ταχύτητα που προσδιορίσθηκε είναι μεγαλύτερη από τις ελάχιστες τιμές των ταχυτήτων που δίνονται στον πίνακα 9-6 για σωλήνες της ίδιας διαμέτρου, και επομένως η επιλεγείσα διάμετρος του σωλήνα θεωρείται ικανοποιητική. Στη συνέχεια θα πρέπει να υπολογισθεί το ύψος του νερού επάνω από το στόμιο εισόδου του νερού στο σιφώνιο με την εξίσωση 9-6, γνωρίζοντας την ταχύτητα 2,79 m και τον συντελεστή απωλειών εισόδου ke = 0,l (από την εικ. 9-2). Οπότε έχουμε: Ακολουθεί ο προσδιορισμός της τιμής του συντελεστή εκροής από την εξίσωση 9-2, έχοντας ως γνωστά: Την τιμή του λ = 0,02 Τη διάμετρο του σωλήνα = 0,40 m Την τιμή του l = l 1 + l 2 + l 3 + l 4 + l 5 + l 6 = 1,80 +14,0 + 8,70+ 13,0 + 5,0 + 1,50= 44 m

8 368 Σωφρόνιος Ε. Παπουτσόγλου 1. Κάθετη (κατακόρυφη) τετράγωνη είσοδος κ = 0,50 2. Κάθετη (κατακόρυφη) κυκλική είσοδος R/d 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 k 0,25 0,17 0,08 0,05 0,04 3. Κάθετη (κατακόρυφη) εισέχουσα είσοδος κ = 0,8 4. Λοξή είσοδος κ = 0,5 + 0,3 sin a + 0,2 sin 2 a 5. Σωλήνας αναρροφήσεως με κωνικό στόμιο Χωρίς κωνικό στόμιο: Πλάτος φρεατίου: 3,5D 6. Κιβώτιο φίλτρου: κ = 10 με βαλβίδα κ = 5,5 χωρίς βαλβίδα 7. Είσοδος σε μικρότερο αγωγό κ = 1,3

9 Κατασκευές Υδατοκαλλιεργειών Απότομη στένωση: (d/d) 2 0,01 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 Κ 0,5 0,5 0,42 0,33 0,25 0,15 9. Απότομη διεύρυνση: 10. Ομαλή διεύρυνση a o κ 0,20 0,28 0,32 0, Ομαλή στένωση: a o k D = 3d 0,05 0,15 0,49 0,60 for D = 2d 0,011 0,21 0,51 0, Απότομη γωνία: a o k 0,024 0,108 0,26 0,49 1,17

10 370 Σωφρόνιος Ε. Παπουτσόγλου 13. Κυκλική κίνηση (κόμβος) a o k for R/d =l 0,01 0,09 0,17 0,27 0,53 R/d >3 0,01 0,03 0,12 0,20 0, Συρταρωτό επιστόμιο (βάνα) e/d 0 1/3 1/4 1/2 3/4 k 0 0,07 0,26 2,06 17,0 15. Ομαλή στένωση εξόδου: d/d 0,5 0,6 0,8 0,9 k 5,5 4 2,55 1,1 16. Έξοδος από σωλήνα σε ήρεμα νερά: k=l,0 17. ιεύρυνση εξόδου για D/d > 2 a o k 0,05 0,18 0,5 0,6 Εικόνα 9-2. Συντελεστές απωλειών σε σχέση με τον τύπο (σχήμα) της εξόδου του αγωγού του σιφωνίου (Kövari, 1984, τροποπ.).

11 Κατασκευές Υδατοκαλλιεργειών 371 Την τιμή του συνόλου των απωλειών (από την εικόνα 9-2), ως ακολούθως: Απώλειες εισόδου... 0,1 Κλάσμα κάμψεως (30 o ) 4 0,09=... 0,36 Κλάσμα κάμψεως (90 o )... 0,34 Βαλβίδας... 0,07 Απώλεια εξόδου... 0,5 Οπότε έχουμε: Σκ = 1,37 Ο προσδιορισμός του επιτρεπτού ύψους πιέσεως κατά την αναρρόφηση του νερού γίνεται με την εξίσωση 9-3, έχοντας ως γνωστά: Την τιμή του = 9,75 (από τον πίνακα 9-2) Την τιμή του = 0,43 (από τον πίνακα 9-3) Οπότε έχουμε: = 0,9. 9,75 0,43 1,0 = 7,35 m Το μεγαλύτερο δυνατό ύψος πιέσεως κατά την αναρρόφηση υπολογίζεται από την εξίσωση 9-4, έχοντας γνωστά:

12 372 Σωφρόνιος Ε. Παπουτσόγλου Την τιμή του = 7,35 m Την τιμή του Οπότε έχουμε: H s = 7,35 1,03 = 6,32 m H effs = = 5,0 m To μεγαλύτερο δυνατό ύψος πιέσεως κατά την εκροή του νερού υπολογίζεται από την εξίσωση 9-5, έχοντας ως γνωστά: Την τιμή του = 7,35 m Την τιμή του Οπότε έχουμε: H r = 7,35 + 0,88 = 8,23 m

13 Κατασκευές Υδατοκαλλιεργειών 373 Η effr = = 7,00 m Σύμφωνα με τα παραπάνω και ιδιαίτερα, επειδή οι τιμές των Η effs και H effr είναι μικρότερες από τις μεγαλύτερες δυνατές τιμές τους, που προσδιορίσθηκαν, ο σχεδιασμός του σιφωνίου κρίνεται ικανοποιητικός. Τέλος, η παροχή του σιφωνίου προσδιορίζεται από την εξίσωση 9-1, έχοντας ως γνωστά: Την τιμή του συντελεστή C = 0,47 Την τιμή του Α = 0,126 m 2 Την τιμή του Η = = 2,0 m Οπότε έχουμε: Η τιμή της παροχής, που προσδιορίσθηκε από την εξίσωση 9-1, θεωρείται ικανοποιητική, επειδή είναι μεγαλύτερη από εκείνη (0,35 m 3 /s) για την οποία σχεδιάσθηκε το σιφώνιο Σωλήνες Οι παράγοντες από τους οποίους καθορίζεται η ροή του νερού μέσα σε κλειστούς σωλήνες είναι η διάμετρος, η παροχή, η ταχύτητα ροής του νερού, καθώς και οι απώλειες της ενέργειας ( κλίση γραμμής ενέργειας) κατά τη ροή του νερού. Ωστόσο, πολύ σημαντικό ρόλο παίζει το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένοι οι σωλήνες και βέβαια το είδος του νερού από την άποψη της πυκνότητάς του (γλυκό, θαλάσσιο, υφάλμυρο). Επίσης, σε ορισμένες περιπτώσεις δεν θα πρέπει να αγνοείται και η θερμοκρασία του νερού. Η μαθηματική σχέση που συνδέει διάφορες τιμές των παραγόντων αυτών και ιδιαίτερα την παροχή και την ταχύτητα ροής του νερού, τη διάμετρο των σωλήνων, καθώς και τις απώλειες της ενέργειας, δίνεται από διάφορες εξισώσεις, ανάλογα με το είδος της ροής, αν, δηλαδή, είναι υπό πίεση ή ελεύθερη ροή, όπως επίσης ανάλογα με το εάν είναι ευθύγραμμη ή μεταβατική ή στροβιλοειδής ροή. Από τους διάφορους τύπους ή τις εξισώσεις αυτές που χαρακτηρίζονται από ευρύτατη χρήση, είναι εκείνες των: Reynolds, Chezy, Blasius, Manning, Strickler, μέθοδος Conveyance

14 374 Σωφρόνιος Ε. Παπουτσόγλου κ.τ.λ. των οποίων η αναφορά στο βιβλίο αυτό δεν κρίνεται σκόπιμη. Ωστόσο, για τη διευκόλυνση των αναγνωστών παρατίθενται πέντε νομογραφήματα (εικ. 9-3, 9-4, 9-5, 9-6 και 9-7) στα οποία δίνονται οι αντιστοιχίες μεταξύ της διαμέτρου του σωλήνα, της παροχής, της ταχύτητας ροής και της κλίσεως γραμμής ενέργειας για σωλήνες από πέντε διαφορετικά είδη κατασκευαστικών υλικών. Επίσης, για υπολογισμούς που δεν απαιτούν ιδιαίτερη ακρίβεια δίνεται ο πίνακας 9-7 στον οποίο αναφέρονται αντιστοιχίες μεταξύ διαμέτρου του σωλήνα και της ταχύτητας ροής του νερού, ενώ για τον ακριβή υπολογισμό των τοπικών απωλειών ο αναγνώστης παραπέμπεται στην εικόνα 9-2. Πίνακας 9-7. Αντιστοιχία μεταξύ ταχύτητας ροής και διαμέτρου κλειστών σωλήνων, που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά γλυκού νερού, όπως προτείνεται από τον Kövari (1984, τροποπ.). ιάμετρος mm Ταχύτητα m/s ιάμετρος mm Ταχύτητα m/s 1,25 1,40 1,60 1,90 1,95 2,00 2, ,60 0,70 0,75 0,80 0,90 1,00 1,

15 Κατασκευές Υδατοκαλλιεργειών 375 Εικόνα 9-3. Νομογράφημα αντιστοιχίας μεταξύ διαμέτρου D, παροχής Q, ταχύτητας V και κλίσεως γραμμής ενέργειας J (απώλειες) μέσα σε αμιαντοσωλήνες (Scimemi, από Καρακατσούλη, 1985)

16 376 Σωφρόνιος Ε. Παπουτσόγλου Εικόνα Νομογράφημα αντιστοιχίας μεταξύ διαμέτρου D, παροχής Q, ταχύτητας V και κλίσεως γραμμής ενέργειας J (απώλειες) μέσα σε σωλήνες από λείο μπετόν (Scimemi, από Καρακατσούλη, 1985)

17 Κατασκευές Υδατοκαλλιεργειών 377 Εικόνα 9-5. Νομογράφημα αντιστοιχίας μεταξύ διαμέτρου D, παροχής Q, ταχύτητας V και κλίσεως γραμμής ενέργειας J (απώλειες) μέσα σε καινούργιους σιδηροσωλήνες και συγκολλήσεις (Scimemi, από Καρακατσούλη, 1985)

18 378 Σωφρόνιος Ε. Παπουτσόγλου Εικόνα 9-6. Νομογράφημα αντιστοιχίας μεταξύ διαμέτρου D, παροχής Q, ταχύτητας V και κλίσεως γραμμής ενέργειας J (απώλειες) μέσα σε καινούργιους σωλήνες από χυτοσίδηρο (Scimemi, από Καρακατσούλη, 1985)

19 Κατασκευές Υδατοκαλλιεργειών 379 Εικόνα 9-7. Νομογράφημα αντιστοιχίας μεταξύ διαμέτρου D, παροχής Q, ταχύτητας V και κλίσεως γραμμής ενέργειας J (απώλειες) μέσα σε σωλήνες από γαλβανοσίδηρο (Scimemi, από Καρακατσούλη, 1985)