31. Дренажные системы скорых фильтров, расчет.

Дренажная система фильтра является одним из важнейших его элементов. Дренаж должен обеспечить равномерный по всей площади фильтра отвод фильтруемой воды, предотвратить унос зерен фильтрующего материала и, что важнее всего, обеспечить равномерное распределение по всей площади фильтра промывной воды (в связи с чем эти системы называют также распределительными).

Неравномерное поступление промывной воды, подаваемой с большими скоростями, может привести к неравномерной и неудовлетворительной промывке фильтра, вызвать сдвиг поддерживающих слоев и нарушить правильную работу фильтра.

Для обеспечения равномерности подачи промывной воды, т. е. одинаковой интенсивности промывки по всей площади фильтра, были предложены различные методы и различные конструкции дренажей. Достаточная степень равномерности промывки может быть достигнута при устройстве дренажей большого сопротивления.

Принцип действия дренажей большого сопротивления

Рассмотрим схематический вертикальный разрез фильтра (рис. V.36). Вода, подаваемая для промывки, идет по распределительной системе и проходит последовательно отверстия в дренажных устройствах, поддерживающий слой и слой фильтрующего материала. Рассмотрим два произвольно выбранных пути промывной воды ОА и ОБ от точки ввода О до поверхности фильтра.

Одинаковая интенсивность промывки фильтра на путях О А (/) и ОБ (II) может быть обеспечена только в том случае, если на этих путях вода будет встречать равные сопротивления. Суммарное сопротивление на каждом из намеченных путей воды будет слагаться из сопротивления в распределительной системе дренажа sb сопротивления в отверстиях дренажа s2, сопротивления в поддерживающем слое S3 и сопротивления в слое фильтрующего материала s4 (отнесенных условно к единице площади фильтра).

Сопротивления s3 и s4 в различных местах фильтра неодинаковы ввиду неравномерного загрязнения песка и неоднородности состава поддерживающего слоя. Сопротивление в распределительной системе s1 различно на путях I и II вследствие различной их длины. Только сопротивление s2 будет одинаково на любом пути воды при условии точного выполнения в натуре размеров отверстий в дренажной системе и одинаковых расходов воды через все отверстия.

Таким образом, суммарные величины сопротивлений на пути 1:

и на пути II: при промывке фильтра будут неодинаковы.

Суммарные потери напора H_I и H_II на тех же путях будут равны, так как давление в начальной точке этих путей (в точке О) одинаково, одинаковы также и давления в конечных точках, лежащих в одной горизонтальной плоскости.

Суммарные потери напора на путях I и II могут быть представлены в таком виде:

где — суммарное сопротивление, отнесенное к единице поверхности фильтра;

q— интенсивность промывки (количество воды, подаваемой на 1 м² поверхности фильтра) в л/с.

Так как Н_II=H_I, то , откуда

Так как суммарные сопротивления на различных путях движения боды неодинаковы, то q_I=q_II, т. е. интенсивность промывки не будет равномерна по всей площади фильтра.

Величина , т.е. выражает степень неравномерности распределения промывной воды по площади фильтра.

Увеличивая сопротивление в отверстиях дренажа S₂, можно получить значение , достаточно близкое к единице. Обычно считают приемлемым =0,95.

На изложенном принципе основано устройство дренажей большого сопротивления.

Конструкции дренажей большого сопротивления

Дренажи большого сопротивления имеют наибольшее распространение в современных фильтровальных установках.

Рассмотрим некоторые наиболее широко применяемые конструкции таких дренажей.

Трубчатый дренаж. Этот дренаж (рис. V.37) представляет собой систему труб (чугунных или стальных), складываемых на дно фильтра в нижних слоях гравия. Обычно по дну каждого отдельного фильтра укладывается одна магистральная труба 05 с присоединенными к ней с обеих сторон ответвлениями из труб меньшего диаметра. В ответвлениях имеются отверстия, направленные вниз под углом около 45° к вертикали. Струи воды, вытекающие из отверстий при промывке, ударяются о дно фильтра и, отражаясь, создают равномерно восходящие токи воды в толще поддерживающего материала и песка.

На рис. V.38 показана схема устройства трубчатой дренажной системы большого сопротивления без горизонтальной компенсации.

Разновидностью трубчатого дренажа, допускающей укладку фильтрующего материала без поддерживающих слоев, является щелевой трубчатый дренаж, в котором в стенках труб ответвлений устроены щели шириной около 0,6 мм. Во избежание коррозии и зарастания щелей ответвления такого дренажа должны изготовляться из нержавеющей стали или из прочной пластмассы.

Колпачковые дренажи. При этой системе дренажа для распределения промывной воды используются колпачки той или иной конструкции, которые или навинчиваются на присоединенные к трубчатой системе, подобной обычному дренажу, вертикальные штуцера, или укрепляются в верхнем днище фильтра, отделяющем фильтр от междудонного пространства, или ввинчиваются в заложенные в бетонные плиты закладные детали.

На рис. V.39, а показана деталь установки колпачка в бетонном днище фильтра, а на рис. V.39, б дан общий вид пластмассового колпачка для водовоздушной промывки.

В практике строительства фильтров применяются различные виды колпачковых дренажей, а также пористые плиты, образующие дренажное днище фильтров.

Расчет дренажей большого сопротивления

При расчете дренажей большого сопротивления необходимо подобрать сопротивление в отверстиях дренажной системы, обеспечивающее требуемую равномерность подачи промывной воды, определить величину потерь напора в дренаже и найти размеры всех элементов дренажной системы (диаметры труб, число, взаимное расстояние и размеры отверстий).

Расчетные расходы промывной воды определяются принятой интенсивностью промывки и площадью фильтра. Интенсивность промывки принимается в зависимости от характеристики фильтрующего материала.

Опыт эксплуатации фильтров и специальные исследования показали, что требуемая степень равномерности подачи промывной воды достигается при условии, если площадь отверстий в дренажной системе составляет 0,2—0,25% площади фильтра. При этом значение отношения получается близким к 0,9.

Установим зависимость между напором Но, под которым должно происходить истечение воды из отверстий дренажа, интенсивностью промывки q и суммарной площадью отверстий в дренаже .

Количество воды, вытекающей из одного отверстия площадью (при Но в м и в м²):

, м³/с.

У множив обе части этого равенства на число отверстий n, приходящихся на один фильтр, и разделив их на площадь фильтра F, получим .

Умножив величину qon\F на 1000, получим интенсивность промывки q в л/с на 1 м² площади фильтра. Таким образом: .

В еличина есть отношение суммарной площади отверстий дренажа к площади фильтра. Выразив это отношение в процентах и обозначив его через р, получим .

Отсюда

Подставив сюда заданную величину q, а также р в указанных выше пределах, получим искомую величину Но. Величина коэффициента расхода ? принимается в зависимости от отношения диаметра отверстия do к толщине стенок дренажных труб .

Для щелей принимают =0,65.

Зная площадь фильтра и приняв величину р, можно определить общую площадь отверстий дренажа (в м²): .

Задаваясь диаметром отверстий (в пределах 10—12 мм), можно найти общее число отверстий и распределить их по длине дренажных труб.

При устройстве щелей их ширину принимают по размеру наименьших зерен фильтрующего материала.

Диаметр дренажных труб определяют по скорости 1,5—2 м/с. Для определения потерь напора в дренажной системе СНиП рекомендуют эмпирическую формулу .

где K — коэффициент, равный отношению суммарной площади всех

отверстий распределительной системы к площади поперечного сечения общего коллектора;

v_k и v_б.о. — скорости соответственно в начале коллектора и в боковых ответвлениях распределительной системы.

Эта формула дает величину h, обеспечивающую равномерность подачи промывной воды около 0,9, что является приемлемым. Значение К для указанной степени равномерности подачи воды следует принимать равным 0,35.

Как видим, в рекомендуемой формуле вместо отношения суммарной площади отверстий к площади фильтра p использовано отношение площади отверстий к поперечному сечению коллектора. Такой подход к расчету в принципе более логичен.