Hydrodynamický model tlakové kanalizace

Úvod

Systém gravitační kanalizace je tradiční systém používaný pro odvod splaškových vod v městech. V tomto systému je gravitační síla hnací silou toku odpadních vod z domácností odváděných do potrubního systému kanalizace. Problémem gravitačního kanalizačního systému je nutnost vytvoření dostatečného spádu pro zajištění odtoku, který se projeví velkou hloubkou výkopů, v nichž je potrubní kanalizační systém umístěn. V případech malých, řídkých kanalizačních sítí umístěných často v terénu s většími výškovými rozdíly se ukazuje, že efektivnějším řešením by mohla být kanalizační síť tlakové kanalizace – potrubní síť o relativně malém průřezu umístěná v nezámrzné hloubce pod zemí, do níž jsou s pomocí čerpadel čerpány odpadní vody z odpadních jímek jednotlivých připojených objektů (domácností, firem) , kterou jsou odváděny zpravidla do čistírny odpadních vod.  Toto čerpání musí probíhat ve vhodných časových intervalech a za nastavených podmínek zaplněnosti jímky. V případě tlakové kanalizace však vyvstává snad ještě důrazněji nutnost správného návrhu a dimenzování jednotlivých prvků potrubní kanalizační sítě. Současná a často náhodná, vzhledem k náhodnosti tvorby odpadních vod, součinnost několika čerpadel čerpajících odpadní vodu do potrubní sítě ovlivňuje hydrodynamické chování potrubní sítě a může vést ke vzniku hazardních hydrodynamických stavů, kdy by mohlo dojít k přetížení některé části potrubní sítě. Pověstnou třešničkou na dortu je pak optimalizace vyprazdňování jednotlivých jímek vedoucí k rovnoměrnějšímu nátoku odpadních vod na čistírnu odpadních vod, jejímž důsledkem je snížení investičních nákladů na stavbu čistírny odpadních vod.

Hydrodynamický model potrubní sítě

Hydrodynamický model potrubní kanalizační sítě je vytvářen s ohledem na možnost sledování rychlostních a tlakových poměrů v potrubní síti a s ohledem na sledování nerovnoměrností v nátoku odpadních vod na ČOV. Průtoky či střední objemové rychlosti jednotlivými větvemi jsou důležitým parametrem pro posouzení správného návrhu potrubní sítě (proplachovací rychlosti). Tlakové ztráty či rozložení tlaků v jednotlivých uzlech potrubní sítě jsou zase velice důležité pro dimenzování a kontrolu čerpadel a dimenzování jednotlivých elementů potrubní sítě (jmenovitý tlak). Časové měřítko dějů probíhajících v potrubní síti, které nás s ohledem na výše uvedené výstupy zajímá, se pohybuje v řádech hodin či spíše dnů. Vzhledem k tomuto faktu je pak možné zanedbat stlačitelnost dopravovaného média a řešit potrubní síť aplikací klasického stacionárního (či kvazistacionárního přístupu) založeného na aplikaci rovnice kontinuity a Darcy-Weisbachovy rovnice, kdy se problém zredukuje pouze na řešení velkého systému nelineárních algebraických rovnic.

Tlaková kanalizační síť „Kojetice“

Použití hydrodynamického modelu bylo testováno na reálné kanalizační síti, která obsahuje 694 uzlových bodů a 693 větví.

Topologie řešené potrubní kanalizační sítě (černými tečkami jsou zobrazeny uzlové body a modrými čárami jednotlivé potrubní elementy – větve) a letecký snímek simulované lokality (http://mapy.seznam.cz).

 

Nátok odpadních vod na ČOV jako výsledek simulace proudění v potrubní síti s použitím různých modelů vyprazdňování jímek. Ilustrativní tlakové profily v řešené kanalizační potrubní síti (vpravo) a relativní četnost výskytu proudění o dané střední rychlosti ve všech větvích potrubní sítě (vlevo).

Použití

• Výpočet rychlostních a tlakových poměrů v potrubní síti potřebných pro kontrolu správné funkce i dimenzování kanalizační potrubní sítě.

• Simulace nátoku odpadních vod na čistírnu odpadních vod pro zvolené modely vyprazdňování jímek.

• Optimalizace průměru větví potrubní sítě z hlediska její správné funkce (proplachovací rychlosti) a z hlediska rovnoměrnosti nátoku odpadních vod na čistírnu odpadních vod s důsledkem investičních úspor při její stavbě (model vyprazdňování).

Kontakt

Poděkování

Tato práce vznikla za podpory výzkumného projektu TA02011201 Technologické agentury České republiky s názvem „Optimalizace systémů tlakových kanalizací pomocí matematického modelování jejich provozních stavů“.

Reference

Krbec, A., Jirout, T., Dostál, M., Petera, K. Optimalizace systémů tlakových kanalizací pomocí matematického modelování jejich provozních stavů: hydrodynamický model potrubní sítě.
SOVAK, Časopis oboru vodovodů a kanalizací. 24, 2015, No. 3, pp. 6-11.