Как работает домашняя канализация

Канализация — это сеть инженерных сооружений, предназначенных для отведения и переработки жидких продуктов  жизнедеятельности человека, дождевых стоков и промышленных сточных вод. В жилищном строительстве как правило используются сети безнапорной канализации, в которых все нечистоты и бытовые стоки перемещаются под действием силы тяжести. Если вам надоело ходить в уличный туалет на даче, и вы хотите оборудовать свой дом автономной системой канализации, я рекомендую обязательно прочитать до конца эту познавательную статью.

Схема канализации жилого дома
Схема канализации жилого дома

Движение сточных вод по трубам

Сточные воды со всем содержимым перемещаются по канализационным трубам под действием силы тяжести, а если более точно, то под действием вертикальной составляющей силы тяжести. Именно для этого горизонтально проложенным канализационным трубам и нужен уклон. И если в вертикальных канализационных стояках сточные воды перемещаются с ускорением, условно равным ускорению свободного падения g = 9.81 м/с2, что в итоге и позволяет определить скорость движения сточных вод на любом участке трубы стояка, то в канализационных отводах (на горизонтальных участках) ускорение движения намного меньше и зависит от уклона.

Если вы думаете, что учили в школе геометрию только для того, чтобы сдать экзамен и получить за то от родителей новый мобильный телефон, то вы глубоко ошибаетесь, потому что именно знание геометрии позволяет определить эту самую вертикальную составляющую ускорения. При уклоне 2 см на 1 м значение вертикальной составляющей силы тяжести будет составлять ~ 0.02 и тогда ускорение движения сточных вод будет составлять ~ 0.1962 м/с2 (здесь и далее даются приближенные значения вертикальной составляющей ускорения свободного падения). Соответственно при уклоне 1 см/м вертикальная составляющая ускорения свободного падения составит ~ 0.0981 м/с2, а при уклоне 3 см/м — 0.2943 м/с2.

Схема централизованной канализации многоэтажного дома
Схема централизованной канализации многоэтажного дома

Ламинарный поток жидкости

Если внимательно посмотреть на фотографию 1, то можно увидеть много чего. Например то, что диаметр струи, максимальный у излива, уменьшается по ходу струи. Причем это изменение диаметра струи и отражает изменение скорости потока.

Некоторый объем воды за определенное время вытекает из излива. Это называется расходом воды q и как правило измеряется в литрах в секунду, но расход воды можно измерять в чем угодно, например в см3/с. Так расход q = 1 л/с условно равен q = 1000 см3/с.

Любая водопроводная или канализационная  труба имеет определенную пропускную способность. Чтобы определить эту пропускную способность, нужно для начала знать площадь поперечного сечения трубы. Определить площадь несложно, если известен внутренний диаметр трубы. Площадь может измеряться в см2. И если мы умножим площадь поперечного сечения трубы на скорость потока, то как раз и получим пропускную способность трубы.

Например, при внутреннем диаметре трубы 3/8 дюйма, что при переводе в метрическую систему означает примерно 10 мм или 1 см, площадь сечения составит:

ω = пd2/4 = 3.14·12/4 = 0.785 см2.

   Примечание: площадь может обозначаться как угодно, чаще всего для этого используются литеры F, S, A, однако при гидравлических расчетах принято использовать литеру ω. 

Тогда при скорости потока 1 м/с или 100 см/с пропускная способность трубы составит:

q = ωv = 0.785·100 = 78.5 см3/с или 0.0785 л/с

Соответственно увеличение скорости потока в два раза в результате действия ускорения приведет к увеличению пропускной способности трубы в 2 раза. При этом для прохождения того же объема жидкости потребуется в два раза меньшая площадь сечения, а требуемый диаметр трубы при этом составит:

d = √(4ω/п) = √(4·0.3927/3.14) = 0.707 см

Подобное изменение диаметра мы и наблюдаем на фотографии 1. Рассматривая далее эту фотографию , мы видим, что почти сразу поток воды становится неоднородным, т.е. частицы воды начинают двигаться с разной скоростью, что влияет на диаметр струи, при этом чем больше скорость потока тем более близкими к шарообразной форме становятся скопления воды. Таким образом мы наблюдаем два вида движения жидкости, сначала ламинарное — спокойное, переходящее в турбулентное — неравномерное.

   Обратите внимание! В качестве примера, на изливе домашнего смесителя можно увидеть аэратор — специальную конструкцию, которая намеренно превращает ламинарный поток в турбулентный. При этом, чем больше напор, тем больше будет скорость истечения воды и тем меньше будет скопления воды, что позволяет немного рассеивать силу гидроудара (о нем речь будет идти ниже).

Слив с бытовых сантехнических приборов выполняется через гидрозатвор
Слив с бытовых сантехнических приборов выполняется через гидрозатвор

Практический расчет системы канализации

Благодаря основным формулам кинематики мы можем приблизительно определить скорость воды в точке дна ванны. Высота струи от излива до дна ванны составляет около 80 см. Для упрощенного расчета можно принять начальную скорость движения воды равной нулю vo = 0, тогда время, за которое вода проходит расстояние 80 см (0.8 м), составит:

t = √(2s/g) = √(2·0.8/9.81) = 0.404 с

В нашем случае центробежная сила в момент изменения траектории совпадает по направлению с силой тяжести. В итоге при очень малых радиусах скорость тела падает значительно, а если радиус стремится к нулю, то и скорость движения тела стремится к нулю. А если радиус траектории стремится к бесконечности, то значение центробежного ускорения стремится к нулю, и таким образом криволинейное движение превращается в рассматривавшееся нами прямолинейное.

Например, даже прямой отвод чугунной канализации имеет некий радиус перехода из вертикали в горизонталь, зависящий от диаметра труб. Но для внутреннего диаметра 100 мм этот радиус не может более 10 см, а если учесть что часть воды все равно соударяется с перпендикулярным препятствием, то условный радус траектории движения составит не более 3-4 см. Использование двух косых отводов увеличивает условный радиус перехода до 30-35 см.

Пластиковые канализационные фитинги
Пластиковые канализационные фитинги

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что идеальная канализация и гидрозатвор должна иметь изменяющийся по длине диаметр, соответствующий скорости жидкости, а трасса труб быть как можно более плавной, при этом чем больше радиус траектории, тем лучше (впрочем радиус может также изменяться от малого к большому по мере увеличения скорости потока).

Однако не нужно быть Эйнштейном, чтобы понять, что в реальных условиях сделать такую канализацию от сантехприбора до очистного сооружения практически не реально. Во-первых, никто (во всяком случае пока) не будет менять дизайн и вместо привычных параллелепипедов, ныне именуемых домами, возводить геометрически сложные конструкции в угоду канализационным трубам. Да и вообще, человек не любит приспосабливать свои потребности под существующие условия и требования, а наоборот, хочет приспосабливать существующие условия под свои потребности.

Во-вторых, литье труб с изменяющимся диаметром — сама по себе не простая задача, а еще каждая такая труба будет уникальной, выполняемой по индивидуальному расчету, а значит цена такой канализации будет нецелесообразно большой и выполняться такая канализация будет очень-очень долго. А еще такая канализация будет идеальной только для одного сантехприбора, а таковых сейчас даже в небольшом дачном домике может быть до 5-8. Это означает, что подключение сантехприборов следует рассматривать уже в трехмерной проекции, при этом точно знать расход воды от сантехприборов каждую секунду. А так как мы пользуемся сантехприборами не постоянно и с разной степенью интенсивности, то идеальная канализация должна иметь еще и диаметр, изменяющийся во времени в зависимости от расхода воды.

 

   Вывод: Не смотря на то, что выполнить эти условия в современных реалиях практически невозможно, стремиться к идеалу все-таки нужно. Например, проектировать канализацию нужно так, чтобы на трассе было как можно меньше ненужных поворотов (для горизонтальных участков) или отступов (для стояков). 

Схема соединения труб канализации
Схема соединения труб канализации

Самоочищающая способность канализации

Так как вся автономная канализация в жилых домах по возможности надежно прячется в землю, и даже в квартирах зашивается так, чтобы ничего не напоминало о ее существовании, то можно сделать вполне логичный вывод: хорошая канализация должна очищаться сама. И это действительно происходит при турбулентном течении сточных вод в трубах, т.е. когда скорость потока не позволяет твердым тяжелым частицам, содержащимся в воде, оседать на дно труб.

Таким образом, если песок или другие химически инертные частицы можно удалить со дна трубы, используя различные методы прочистки, то химически активные соединения, которых в современных сточных водах все больше, оседая на дно трубы, образуют со временем известковый нарост. При этом они не только уменьшают эффективный диаметр отверстия, но и создают дополнительные препятствия на пути движения жидкости и потому увеличивают риск засорения трубы.

Схема правильного обустройства домашней канализации
Схема правильного обустройства домашней канализации

Ныне действующими строительными нормами, а именно СНиП 2.04.01-85 (2000) «Внутренний водопровод и канализация зданий» рекомендуется принимать минимальное значение скорости, необходимой для самоочищения канализации vmin ≥ 0.7 м/с. При этом заполнение трубы должно быть не менее 0.3d. Такие требования основаны на результатах многочисленных опытов и экспериментов. Американцы подходят к этой проблеме несколько по другому, допуская минимальную скорость 0.6 м/с в среднем, но при этом 1-2 раза в сутки стоки должны достигать скорости 0.75-1.05 м/с.

Конечно же, минимальная скорость движения потока, необходимая для самоочищения, зависит не только от скорости потока, но и от процентного содержания взвешенных частиц и от шероховатости стенок трубы и даже от изменений скорости потока, которые возникают в местах изменения траектории движения или в местах изменения диаметра трубы, поэтому самоочищающая способность канализации зависит от многих факторов.

Вода, как и любое другое тело, обладающее инерцией, препятствий не любит, тем более таких явных, расположенных перпендикулярно траектории движения. Такие препятствия приводят к резкому уменьшению скорости, а значит и резкому повышению давления на препятствие. Наиболее наглядно гидравлический удар характеризует импульс — количество движения

Импульс — это инерционная масса, умноженная на скорость движения, т.е. чем больше скорость движения жидкости тем сильнее будет гидравлический удар при столкновении с препятствием. Чтобы уменьшить влияние гидравлического удара, на водопроводах большого диаметра устанавливают специальные задвижки, позволяющие постепенно уменьшать диаметр проходного отверстия, за счет этого постепенно снижается скорость основного потока жидкости и к моменту, когда задвижка закрыта полностью, гидравлический удар уже минимальный.

Устройство различных типов гидрозатвора
Устройство различных типов гидрозатвора

Заключение

Прочитав данную статью, можно сделать несколько выводов:

  1. Пропускная способность стояков ограничивается не только площадью поперечного сечения, но также высотой стояка. Сточные воды, двигаясь по стояку, не могут увеличивать скорость своего движения до бесконечности, особенно если вода заполняет все сечение трубы и приходится не просто падать, а заодно и работать поршнем.  Кроме того при увеличении скорости потока увеличивается сопротивление воздуха и трение о стенки трубы. В результате скорость движения жидкости достигает некоторого максимального значения (около 4 м/с) и больше увеличиваться не может, происходит это на высоте приблизительно равной 90 диаметрам стояка. Это позволяет использовать канализационные сети в зданиях большой высоты.
  2. Пропускная способность стояка также зависит от угла подсоединения канализационного отвода к стояку. На рисунках 2 и 3 показаны отводы, подсоединенные к стояку под углом 87.5о, как мы уже видели на примере движения идеальной жидкости, такое подключение самое неблагоприятное. Подключение отводов под углом 60о увеличивает пропускную способность стояка в 1.3 раза, а под углом 45о — в 1.7 раза при прочих равных условиях.
  3. Пропускная способность горизонтальных участков канализации зависит не только от уклона и начальной скорости движения, но и от высоты заполнения трубы, коэффициента шероховатости стенок трубы, вязкости воды, количества твердых частиц и некоторых других факторов

Как правило, горизонтальные участки рассчитываются на равномерное движение сточных вод, т.е. с постоянной скоростью. А уклон горизонтальным участкам нужен для преодоления силы трения и сопротивления воздуха. Чем меньше диаметр трубы, тем больший требуется уклон для преодоления указанных сил.

Чтобы наглядно посмотреть устройство канализации, я рекомендую просмотреть приложенное видео в этой статье, а если у читателя возникнут вопросы, их всегда можно обсудить в форме для комментариев.

3 thoughts on “Как работает домашняя канализация

  1. Чтобы убедиться в правильности выбранного наклона трубы, можно использовать секундомер в моб. телефоне. Зная примерную длину трубы, несложно вычислить ее скорость, которая должна быть около 2 м/с.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *