1

TEHNIČKO REŠENJE:

CEVOVOD GRAVITACIONOG DOVODA VODE BEZ PREKIDNIH KOMORA

OD IZVORIŠTA DO FABRIKE ZA FLAŠIRANJE VODE

Rukovodilac projekta i odgovorno lice: Prof. dr Božidar BogdanovićAutori: dr Božidar Bogdanović, red. prof, dr Gradimir Ilić, red. prof., Jasmina Bogdanović-Jovanović, asistent i mr Živan Spasić, asistent.Razvijeno: za potrebe fabrika za flaširanje vodeGodina: 2006.Primena: 2006.

KRATAK OPIS

Gravitacioni cevovodi za dovod vode do fabrika za flaširanje planinskih izvorskih voda običnose projektuju sa prekidnim komorama pritiska, po analogiji sa gravitacionim cevovodima zanapajanja gradskih vodovodnih mreža. Pri tom se ne vodi računa o funkcionalnim razlikama ovadva vodovoda i zanemaruju se strogi zahtevi očuvanja kvaliteta izvorske vode koja se flašira. Usistemima gravitacionih gradskih vodovoda, prekidne komore na trasi napojnog cevovoda imajuzadatak da ograniče najveći pritisak u cevovodu, koji nastaje kada potrošači ne troše vodu ili jepotrošnja vode mala. U prekidnim komorama pritiska, kao i u deonicama cevovoda u kojimavoda struji ne ispunjavajući pun protočni presek, voda je u dodiru sa vazduhom, što pretstavljamogućnost njenog bakteriološkog zagađenja.

Cevovоd gravitacionog dovoda vode bez prekidnih komora je novo tehničko rešenje kojeomogućava transport vode tako da se ona na transportnom putu od izvorišta do fabrike zaflaširanje biološki ne zagaditi. Napojni cevovod treba projektovati tako da se eliminišu sva mestamogućeg dodira vode sa vazduhom, kao što su prekidne komore, ali i strujanje vode u cevimakada nije ispunjen poprečni presek cevi.

Tehničke karakteristike:

Gravitacioni sistem bez prekidnih komora za transport čiste vode sastoji se iz gravitacionogcevovoda koji u svom sastavu ima regulacioni ventil (koji se može potpuno zatvoriti), ventilesigurnosti, normirane blende za ostvarivanje strujanja vode sa punim protočnim presekomcevovda i trokraku slavinu na izlazu iz cevovoda, čiji je jedan krak povezan sa cevovodom kojimse voda odvodi u fabrički rezervoar, a drugi krak je povezan sa cevovodom kojim se voda odvodiu okolinu.

Tehničke mogućnosti:

Cevovod gravitacionog dovoda vode bez prekidnih komora omogućava transport vode odizvorišta do fabrike za flaširanje vode, tako da se izbegne da voda na svom transportnom putubude u kontaktu sa vazduhom, a da su pritom ostvarene sve funkcije kontinulanog snabdevanjavodom, regulacija protoka i preusmeravanje protoka vode trokrakom slavinom u slučaju remontafabričkog rezervoara.

Realizatori projekta: Mašinski fakultet Niš

Korisnici: FIN Invest Podgorica.

2

CEVOVOD GRAVITACIONOG DOVODA VODE BEZ PREKIDNIH KOMORA

OD IZVORIŠTA DO FABRIKE ZA FLAŠIRANJE VODE

Cevovod gravitacionog dovoda vode bez prekidnih komora od izvorišta do fabrike za flaširanječiste izvorske vode je novo tehničko rešenje kojim se ostvaruje transport vode, bez mogućnostinjenog bakteriološkog zagađenja, a da su pri tom ostvarene sve potrebne funkcije kontinualnogsnabdevanja vodom. Osim zadovoljavanja kriterijuma očuvanja kvaliteta čiste izvorske vode,ovakvo rešenje je i ekonomski isplativije, jer ne zahteva izgradnju prekidnih komora koje uovom slučaju moraju biti izrađene od prohroma ili sličnih nekorozivnih materijala, kao i pratećuarmaturu koja se specijalno proizvodi da bi se obezbedilo odsustvo moguće kontaminacije vode.

Da bi se izbegla ugradnja prekidnih komora pritiska, a, sa druge strane, da bi se izbegla ugradnjaskupih debelozidnih cevi, regulacioni ventil treba ugraditi na poziciji koja nije mnogo niža odkote izvorišta, a na nizvodnoj strani cevovoda (od regulacionog ventila) ne smeju biti ugrađenizatvarači.

Po otvаranju zatvarača napojnog cevovoda (koji je kod izvorišta) cevovod je stalno protočan.

Na kraju napojnog (dovodnog) cevovoda ugrađuje se trokraka slavina, čiji je jedan krak povezansa fabričkim rezervoarom, a drugi krak je povezan sa cevovodom kojim se voda odvodi uokolinu. Trokrakom slavinom ne može se prekinuti protok kroz napojni cevovod (protok semože samo preusmeriti, ili u fabrički rezervoar, ili u okolinu).

Preusmeravanje protoka trokrakom slavinom (u okolinu) vrši se samo u slučaju remontnihradova na fabričkom rezervoaru.

Fabrički rezervoar je zatvorenog tipa, potpuno ispunjen vodom (sa prelivnim odvodom viškavode). Funkcija ovog rezervoara je da obezbedi konstantan pritisak napajanja fabrike vodom. Uslučaju prekida proizvodnje, napajanje fabrike vodom prekida se korišćenjem zatvarača nacevovodu kojim je ovaj rezervoar povezan sa fabrikom.

Geoliški i spoljašnji uticaji mogu da izazovu lokalnu deformaciju i smanjenje protočnog presekacevi, što, u ekstremnom slučaju, može da dovede do velikog smanjenja (pa i prekida) protoka ivelikog povećanja pritiska ucevovodu. Radi obezbeđenja cevovoda i od ovakvih, maloočekivanih, uzroka nedozvoljenog povećanja pritiska, na odgovarajućim pozicijama cevovoda(prema nazivnim pritiscima izabranih cevi) ugrađuju se ventili sigurnosti.

Eliminisanjem prekidnih komora izbegnuta je jedna od mogućnosti kontakta transportovanevode sa vazduhom. Druga mogućnost kontakta transportovane vode i vazduha je sam cevovod –ako voda u njemu struji sa slobodnom površinom (sa nepotpuno ispunjenim protočnim presekomcevovoda).

Da bi strujanje u cevovodu bilo pod nadpritiskom (sa potpuno ispunjenim protočnim presekomcevi) izbor prečnika cevi treba izvršiti tako da pijezometarska linija cevovoda uvek bude iznadlinije gornje kote cevi (pijezometarskom linijom cevovoda zove se linija koja povezujepijezometarske visine u presecima cevovoda, a pijezometarskom visinom u posmatranompreseku cevovoda zove se visinski ekvivalent natpritiska vode u posmatranom presekucevovoda).

U cilju ostvarivanja uslova strujanja vode u cevima pod nadpritiskom, u vodovodni sistem seugrađuju normirane prigušne blende. Prečnici otvora prigušnih blendi zavise od veličineregulisanog protoka kroz cevovod.

3

Radi udaljavanja vazduha iz cevovoda (specijalno u fazi puštanja vodovoda u rad) izaregulacionog ventila i prigušnih blendi postavljaju se odzračni vazdušni ventili.

Hidraulički proračun cevovoda gravitacionog dovoda bez prekidnih komora

Za izračunavanje gubitka napora u pravolinijskim deonicama cevovoda konstantnog prečnika(D=const.), u kojima je strujanje pod natpritiskom, može se koristiti Darsijeva formula,

2

LL chD 2g

D = l , (1)

gde su: l - Darsijev koeficijent trenja, D – unutrašnji prečnik cevi (D=const.), L – dužina

cevovoda, 24QcD

=p

- brzina strujanja vode, Q – zapreminski protok vode, g=9,81 m/s2.

Od brojnih formula za izračunavanje koeficijenta l , kao dovoljno pouzdanu, a jednostavnu,izdvajamo formulu Altšula

0,2568,50,11Re

æ öl = + dç ÷è ø

,

gde je / Dd = d - relativna hrapavost unutrašnjeg zida cevi, a Re cD /= n - Rejnoldsov broj (n -kinematička viskoznost, 61,3 10-n = × m2/s za vodu temperature 10oC).

Lokalni gubici napora u kolenima (prelomima trase cevovoda), regulacionom ventilu i drugi,računaju se korišćenjem formule

2

lokch2g

D = x , (2)

gde je x - koeficijent lokalnog gubitka napora (koji zavisi od vrste lokalnog otpora).

Gubitak napora u deonici cevovoda između protočnih preseka 1 i 2 je:

L lok1 2 1 2 1 2

h h h- - -

D = D + Då å å , (3)

a ako je strujanje u ovoj deonici cevovoda sa punim protočnim presekom (sa natpritiskom, kodgravitacionih cevovoda), gubici napora se računaju korišćenjem formula (1) i (2).

Pri proračunu gubitka napora korišćenjem formula (1) i (2) treba računati na greške u dobijenimrezultatima, u granicama od ±3%, kao i na mogućnost kompenzacija ovih grešaka regulacionimventilom (pri puštanju cevovoda u rad).

Potrebna pijezometarska visina na kraju cevovoda je:

( )KC

m.Rp R KC

KC R

pH z z hg-

= - + D +rå , (4)

gde su:Rz - najveća kota vode u fabričkom rezervoaru,

KCz - kota kraja cevovoda,

4

KC Rh

-

Då - gubitak napora u trokrakoj slavini na kraju cevovoda i u cevi kojim se ova spaja sa

rezervoarom,

m.Rp - traženi natpritisak vode u rezervoaru.

Označavajući sa zo kotu nivoa vode u rezervoaru kaptaže izvorišta (a ako ovaj podatak nijepoznat, kotu početka cevovoda), a sa zx – kotu cevovoda u proizvoljno izabranom preseku (x),korišćenjem energijskih jednačina za strujni tok od izvorišta do preseka x i za strujanje odpreseka x do kraja cevovoda (KC), dolazi se do jednačine ravnoteže gubitka napora:

( )KCo KC p

0 x x KCh h z z H

- -

D + D = - +å å , (5)

gde su:

0 xh

-

Då - gubici napora od početka cevovoda do proizvoljno izabranog preseka na trasi (x),

x KCh

-

Då - gubici napora od preseka x do kraja cevovoda.

Da bi strujanje u cevovodu bilo sa potpuno ispunjenim protočnim presecima cevi, jednačinaravnoteže gubitaka napora (3) mora, u svim protočnim presecima cevovoda, biti zadovoljena sagubicima napora računatim korišćenjem formula (1) i (2). Jednačinu (5), sa gubicima naporaračunatim korišćenjem formula (1) i (2), zovemo jednačinom ravnoteže gubitaka napora zastrujanje sa potpuno ispunjenim protočnim presecima cevovoda.

Teorijski gledano, podelom cevovoda na veći broj deonica i odgovarajućim izborom njihovihprotočnih preseka, mogli bismo da dimenzionišemo cevovod tako da jednačina ravnotežegubitaka napora za strujanje sa potpuno ispunjenim presecima cevovoda bude zadovoljena usvim protočnim presecima. Do ovakvog rešenja bi se došlo iterativnim proračunom (promenomdužina deonica i njihovog broja). Čak i da se zanemare greške u proračunu (zbog približnoodređenih koeficijenata koji figurišu u formulama (1) i (2)), ovakav cevovod bi bio sa vrlovelikim brojem deonica različitog prečnika cevi i, što je važnije, kroz ovakav cevovod se ne bimogao povećati protok, ako bi se priključenjem drugog izvorišta želeo da poveća kapacitet radafabrike za flaširanje vode.

Realno, zbog poznate greške u proračunu, a i zbog mogućeg povećanja protoka kroz cevovod (zašta projektantu treba dati podatke), cevovod se projektuje sa nekoliko deonica različitih prečnikacevi, a osim regulisanog gubitka napora u regulacionom ventilu, dopunski lokalni gubici napora,koji bi zadovoljili jednačinu ravnoteže gubitka napora za strujanje sa potpuno ispunjenimprotočnim presecima cevovoda, koriste se prigušne blende, na čiji se rad ne može spolja uticati.

Kao prigušne blende koriste se normirane blende (prema nemačkim VDI 2040 normama iz 1971.godine), čija je osnovna namena prigušnih merača protoka u cevovodu, a o kojima postojepouzdani podaci o koeficijentu protoka i koeficijentima gubitka napora koje ove blende stvaraju.

Prema izmerenom padu pritiska u normiranoj blendi ( blpD ), protok se izračunava formulom:

2 2bl bl2 p 2 pD dQ m

4 4D Dp p

= a × = a ×r r

, (6)

gde su: D – unutrašnji prečnik cevovoda u koji se ugrađuje blenda, d – prečnik otvora blende,m=(d/D)2–koeficijent otvora prigušne blende, a–koeficijent protoka normirane blende.

5

Za unutrašnje prečnike cevovoda 50 D 1000 mm£ £ i koeficijente otvora 0,05 m 0,64£ £ , naslici 1 date su dimenzije normirane blende, a u tablicama datim u stručnoj literaturi tabelarno sudati koeficijenti protoka (prema VDI normama).

Slika 1 Normirana blenda Slika 2 Dijagram koeficijenta protoka

Gubitak pritiska koji izaziva normirana blenda ( g.blpD ), odnosno gubitak napora koji izaziva

normirana blenda ( bl g.blh p /( g)D = D r ) izračunava se korišćenjem formule:

g.bl blg.bl g bl bl g

p pp p , h

g gD D

D = j ×D D = = jr r

, (7)

gde je jg - koeficijent gubitka pritiska u blendi.

Prema tabelarno datim podacima, u stručnoj literaturi, za g g (m)j = j , na slici 2 je interpolirangrafik funkcije g g (m)j = j .

S obzirom na jednačine (6) i (7), formula za izračunvanje gubitka napora u normiranoj prigušnojblendi može se napisati u obliku:

( )g g2 2

bl 2 2 2 4 2 4

8 0,08271h Q Q

g m D m D

×j ×jD = =

p a a. (8)

Svođenje formule (8) na oblik formule (2), gde je c – brzina vode u cevi u koju je ugrađenablenda, dobilo bi se da je

gbl 2 2m

jx =

a. (8’)

6

PRIMENA CEVOVODA GRAVITACIONOG DOVODA VODE BEZ PREKIDNIHKOMORA OD IZVORIŠTA DO FABRIKE ZA FLAŠIRANJE VODE

Napojni cevovod od izvorišta Ropušica do rezervoara ispred fabrike za flaširanje vode uokolini Kolašina (projekat rađen za firmu FIN INVEST, Podgorica)

Traženi zapreminski protok vode kroz cevovod je 8 l/s. Voda se transportuje cevovodom odKDC 1364 m (gde je KDC kota dna cevovoda) do KDC 951 m, što daje ukupan pad od 414 m.

U ovom slučaju reč je o promeni postojećeg projekta, prema kome su bile predviđene dveprekidne komore, na pozicijama KM2+612m i KM4+830m (prema dužinskim pozicijama datimna slici 3). Cevi su bile već nabavljene, pa je rekonstrukcija izvršena sa prečnicima deonicacevovoda i nazivnim pritiscima izabranih cevi iz prethodnog projekta.

Slika 3. Napojni cevovod od izvora Ropušica do rezervoara u okolini Kolašina

Pozicije na slici 3:

TSL – Trokraka slavina na kraju cevovoda;

RV – Regulacioni ventil;

A – Normirana prigušna blenda sa odzračnim ventilom (D/d=90/22,4 mm);

B – Normirana prigušna blenda (D/d=97/22,5 mm), ugrađena ispred vazdušnog ventila

(u šahti š4);

C – Normirana prigušna blenda sa odzračnim ventilom (D/d=110,2/23,4 mm);

D – Normirana prigušna blenda sa odzračnim ventilom (D/d=114,6/23 mm);

E – Normirana prigušna blenda sa odzračnim ventilom (D/d=123,4/24,7 mm);

F – Normirana prigušna blenda (D/d=130,8/26,2 mm), ugrađena ispred vazdušnog ventila(ugrađena ispred vazdušnog ventila u šahti š23);

VS – Ventili sigurnosti (kom.2), pritiska otvaranja 5 bara, propusne moći 8 l/s;

7

Da bi strujanje kroz cevovod bilo sa punim protočnim presekom cevovoda, pri zapreminskomprotoku Q=8 l/s, ugrađuje se šest prigušnih blendi, na pozicijama prikazanim na slici 3, čime seostvaruju sledeća lokalna prigušenja:

- prigušenje normiranom blendom, na poziciji KM 1+600 m, (pozicija A na slici 3), koja bistvarala gubitak napora blh 55 mD = (D=90 mm, c=1,258 m/s, ReD=87100, m=0,0620,a=0,5991, jg=0,918, d/D=0,249, d=22,4 mm), DN110/90 mm, NP16, E=8 mm, e=1,5 mm;

- prigušenje normiranom blendom, postavljenoj na poziciji KM 2+428 m (u šahti vazdušnogventila, pozicija B na slici 3), koja bi stvarala gubitak napora blh 55 mD = (D=97 mm,c=1,083 m/s, ReD=80800, m=0,054, a=0,5985, jg=0,926, d/D=0,232, d=22,5 mm),DN 125/97 mm, NP20, E=8 mm, e=2 mm;

- prigušenje regulacijskim ventilom, postavljenim na poziciji KM 2+642 m (na mestu gde jepo prethodnom projektu predviđena prekidna komora PK1, pozicija RV na slici 3), koji bistvarao gubitak napora RVh 20 mD = ;

- prigušenje normiranom blendom, na poziciji KM 3, (pozicija C na slici 3), koja bi stvaralagubitak napora blh 50 mD = (D=110,2 mm, c=0,839 m/s, ReD=71100, m=0,045, a=0,5982,jg=0,94, d/D=0,212, d=23,4 mm), DN 125/110,2 mm, NP10, E=10 mm, e=2 mm;

- prigušenje normiranom blendom, na poziciji KM 4, (pozicija D na slici 3), koja bi stvaralagubitak napora blh 50 mD = (D=114,6 mm, c=0,776 m/s, ReD=68400, m=0,040, a=0,598,jg=0,94, d/D=0,2, d=23 mm), DN 140/114,6 mm, NP16, E=10 mm, e=2 mm;

- prigušenje normiranom blendom, na poziciji KM 6, (pozicija E na slici 3), koja bi stvaralagubitak napora blh 50 mD = (D=123,4 mm, c=0,669 m/s, ReD=63500, m=0,040, a=0,5980,jg=0,94, d/D=0,2, d=24,7 mm), DN 140/123,4 mm, NP10, E=10 mm, e=2,5 mm i

- prigušenje normiranom blendom, postavljenoj na poziciji KM 11+864 m (u šahtivazdušnog ventila, pozicija F na slici 3), koja bi stvarala gubitak napora blh 30 mD =

(D=130,8 mm, c=0,596 m/s, ReD=60000, m=0,040, a=0,5980, jg=0,94, d/D=0,2,d=26,2mm), DN 160/130,8 mm, NP16, E=10 mm, e=2,5 mm.

Na slici 4.a prikazana je šema ugradnje prigušnih blendi, dok je na slici 4.b dat crtež blende.

Slika 4. a) ugradnja prigušnih blendi; b) crtež prigušne blende;

8

Dimenzije Dp, Dr i dp, kao i broj rupa n (na slici 4.b) definisane su dimenzijama prirubnicaizmeđu kojih se blenda postavlja. Materijal za izradu blendi je nerđajući čelik.

Za uspostavljanje protoka od 8 l/s predviđeno je prigušenje u regulacionom ventilu, koje bistvorilo gubitak napora od oko 20 m.

Cevovod je pušten u rad i funkcioniše kako je i predviđeno.

Skidanjem pet prigušnih blendi (sa pozicija A,B,C, E i F, na slici 3), zamene bledne na poziciji D(stavljanjem blende 114,6/30,5 mm, umesto blende 114,6/23 mm) i stvaranjem prigušenja uregulacionom ventilu koje bi izazvalo gubitak napora od oko 41 m, kroz cevovod bi se moglopropustiti i 16 l/s, a da strujanje u cevovodu bude sa potpuno ispunjenim protočnim presekom.Na ovaj nači omogućeno je dvostruko povećanje zapreminskog protoka, u slučaju potrebeproširenja kapaciteta proizvodnje flaširane izvorske vode.

Napominjemo da je analiza prethodnog projekta cevovoda, sa prekidnim komorama, pokazala,da bi, pri protoku od 8 l/s, strujanje na dužini od oko 7,1 km bilo sa nepotpuno ispunjenimprotočnim presekom, što je više od polovine ukupne dužine cevovoda (12,6 km).

CEVOVOD GRAVITACIONOG DOVODA VODE BEZ PREKIDNIH KOMORA ODIZVORIŠTA DO FABRIKE ZA FLAŠIRANJE VODE

je razvijen na Mašinskom fakultetu u Nišu za potrebe industrije za flaširanje izvorskevode.

Štampano: Maj 2010.