Hydraulische vervalberekeningen

Transcriptie

1 Hydraulische vervalberekeningen Bijlage V Uitbreiding rwzi Numansdorp in het kader van course 15/16 Begeleiders namens: Hogeschool van Arnhem & Nijmegen Dhr. A.C. de Wit Waterschap Hollandse Delta Dhr. R.A. Leurs Student: Wijnand Rijnders Studienummer: Rotterdam, februari

2 Inhoudsopgave 1 Inleiding Inleiding Overzicht 2 2 Berekenen leidingen Inleiding Stroomsnelheid Viscositeit Wandruwheid Bochtcoëfficiënten Intrede- en uittredeverlies Berekeningen Berekeningen 4 3 Berekening overstorten Inleiding Formule overstorten Berekening overstorten 8 4 Berekening nabezinktank Inleiding Overlaat nabezinktank Omloopgoot Berekening 11 5 Hydraulisch verval totaal Hydraulisch verval totaal 13 Noten 14 Literatuur 15 Colofon 16 1

3 1 Inleiding 1.1 Inleiding In deze bijlage zijn de berekeningen opgenomen van de leidingen, overstorten en goten voor de berekening van het hydraulisch verval van de uitbreiding van de rwzi Numansdorp. 1.2 Overzicht nr. Van Naar 1 Leiding Ontvangwerk Selector/anaerobetank A Verdronken overlaat Voordenitificatietank Beluchtingstank 2 Leiding Beluchtingtank Overstortput B Verdronken overlaat Overstortput Nabezinktank 3 Leiding Overstortput Nabezinktank C Thomsonstuw + goot Nabezinktank Goot nabezinktank 4 Leiding Goot nabezinktank Effuentgemaal Overzicht leidingen en overstorten uitbreiding rwzi Numansdorp 2

4 2 Berekenen leidingen 2.1 Inleiding Indien het water door leidingen stroomt, moet u de leidingweerstand berekenen. Hierbij zijn verschillende aspecten van belang: stroomsnelheid; viscositeit; lengte van de leiding; diameter van de leiding, wandruwheid, bochten en andere obstakels, intree- en uittredeverliezen. 2.2 Stroomsnelheid De stroomsnelheid is bepalend voor het dynamische verval. Hoe hoger de snelheid, hoe hoger het verval. De stroomsnelheid door een leiding is echter aan grenzen gebonden. De ondergrens wordt bepaald door de wens om bezinking te voorkomen. Bijvoorbeeld actiefslib mag in een leiding niet bezinken, waardoor er ophoping in de leiding zou kunnen ontstaan. Ook is er een zekere bovengrens voor te hanteren stroomsnelheden. Bij actiefslib met een concentratie van 4 kg/m 3 wordt een minimale snelheid van 0,1 à 0,2 m/s aangehouden. Voor een maximale snelheid kunnen we 0,8 à 1,5 m/s aanhouden omdat energieverliezen dan te hoog worden. 2.3 Viscositeit De viscositeit van water zal op een rwzi met name worden bepaald door de slibconcentratie. De viscositeit bij slibconcentraties tot en met retourslibkwaliteit kunnen we gelijk stellen aan water. Bij hogere slibconcentraties neemt de viscositeit toe. Stromen met hogere slibconcentraties worden verpompt, en worden niet onder vrijverval getransporteerd. Daarom zal er niet snel sprake zijn van beperkingen in het beschikbare verval. 2.4 Wandruwheid Deze hangt af van het gebruikte materiaal. De ruwheid is één van de meest onzekere factoren in de berekening van leidingverliezen. Ook kan de leidingweerstand in de praktijk veranderen ten gevolge van aangroei, vervuiling en dergelijke. Voor beton en staal houden we doorgaans een ruwheid aan die twee maal zo hoog is dan bij toepassing van diverse kunststoffen. 2.5 Bochtcoëfficiënten Voor bochten worden de minder gunstige verliescoëfficiënten voor knikken en voor ruwe buis aangehouden uit Stroomingsweerstanden in leidingen [1] Ruwe buis 0,17 0,32 0,68 1, Intrede- en uittredeverlies Voor intrede- en uittredeverliezen kan respectievelijk 0,5 en 1,1 worden aangehouden. Daarnaast zijn er geringe verliezen te verwachten bij schuifafsluiters (sponningen) en andere oneffenheden en doorsnedeveranderingen. 3

5 2.7 Berekeningen Toegepaste formule De leiding weerstanden worden bepaald met de formule van Darcy-Weisbach: H = λ x L/D x V 2 /2g Waarin: H = energiehoogteverlies in mwk. λ = wrijvingsfaktor, dimensieloos L = lengte van de leiding in m. D = diameter van de leiding in m. V = gemiddelde snelheid in m/s. g = versnelling van de zwaartekracht in m/s 2 (=10 m/s 2 ) Voor turbulente stroming langs hydraulische ruwe wand wordt de λ als volgt bepaald: λ = 0,25/(log 3,7 D/k) 2 Waarin: D = diameter van de leiding in m. K-waarde voor beton = 2 mm. 2.8 Berekeningen Leiding 1 Leiding 1 is een bestaande (kortsluit)leiding Ø 800 mm die van het ontvangwerk naar de nieuwe selector en anaerobetank loopt. De lengte van de leiding is ongeveer 40,0 m1 en het materiaal is gewapend beton. Het debiet in de leiding bedraagt maximaal m Snelheid Q max = m 3 /u = 0,336 m 3 /s Q min = 400 m 3 /u = 0,111 m 3 /s A = 0,25 x x 0,8 2 = 0,502 m 2 V max = Q/A = 0,67 m/s 0,67 m/s < 0,8 à 1,5 m/s; maximum snelheid voldoet. V min = Q/A = 0,22 m/s 0,22 m/s > 0,1 à 0,2 m/s; minimum snelheid voldoet Wrijvingsweerstand λ = 0,25/(log 3,7 x 0,8/0,002) 2 λ = 0,25/3,17 2 λ = 0,025 L/D = 40,0/0,8 = 50,0 ξ w = λ x L/D ξ w = 0,025 x 50 ξ w = 1, Vertragingsverliezen Intrede = 0,50 bocht 90 = 1,27 4

6 Totaal bocht 45 = 0,32 bocht 60 = 0,68 bocht 30 = 0,17 bocht 90 = 1,27 Uitrede = 1,10 + ξ vtot = 5,31 H tot = ξ tot x v 2 /2g ξ tot = ξ w + ξ vtot ξ tot = 1,25 + 5,31 ξ tot = 6,56 V max = 0,67 m/s H tot = 6,56 x (067 2 /20) H tot = 0,15 m Leiding 2 Leiding 2 is de nieuwe leiding die van de beluchtingtank naar de overstortput loopt. De leiding is nieuwe en bestaat uit een gewapend betonnen buis van Ø 1000 mm diameter en 3,0 m 1 lengte. Het debiet in deze leiding bedraagt maximaal m 3 /u en minimaal 800 m 3 /u Snelheid Q max = m 3 /u = 0,569 m 3 /s Q min = 800 m 3 /u = 0,222 m 3 /s A = 0,25 x 1,0 2 = 0,785 m 2 V max = Q/A = 0,72 m/s 0,72 m/s < 0,8 à 1,5 m/s; maximum snelheid voldoet. V min = Q/A = 0,28 m/s 0,28 m/s > 0,1 à 0,2 m/s; minimum snelheid voldoet Wrijvingsweerstand λ = 0,25/(log 3,7 x 1,0/0,002) 2 λ = 0,25/3,27 2 λ = 0,023 L/D = 3,0/1,0 = ξ w = λ x L/D ξ w = 0,023 x 3 ξ w = 0, Vertragingsverliezen Totaal Intrede = 0,50 Uitrede = 1,10 + ξ vtot = 1,60 H tot = ξ tot x v 2 /2g 5

7 ξ tot = ξ w + ξ vtot ξ tot = 0,07 + 1,60 ξ tot = 1,67 V max = 0,72 m/s H tot = 1,67 x /20 H tot = 0,04 m Leiding 3 Leiding 3 is de leiding die van de overstortput naar de nabezinktank loopt. De leiding is nieuw en bestaat uit een gewapend betonnen buis van Ø 1000 mm diameter en 30,0 m 1 lengte. Het debiet in deze leiding bedraagt maximaal m 3 /u en minimaal 800 m 3 /u Snelheid Q max = m 3 /u = 0,569 m 3 /s Q min = 800 m 3 /u = 0,222 m 3 /s A = 0,25 x x 1,0 2 = 0,785 m 2 V max = Q/A = 0,72 m/s 0,72 m/s< 0,8 à 1,5 m/s; maximum snelheid voldoet. V min = Q/A = 0,22 m/s 0,28 m/s > 0,1 à 0,2 m/s; minimum snelheid voldoet Wrijvingsweerstand λ = 0,25/(log 3,7 x 1,0/0,002) 2 λ = 0,25/3,27 2 λ = 0,023 L/D = 30,0/1,0 = 30 ξ w = λ x L/D ξ w = 0,023 x 30 ξ w = 0, Vertragingsverliezen Totaal Intrede = 0,50 bocht 90 = 1,27 Uitrede = 1,10 + ξ vtot = 2,87 H tot = ξ tot x v 2 /2g ξ tot = ξ w + ξ vtot ξ tot = 0,69 + 2,87 ξ tot = 3,56 V max = 1,13 m/s H tot = 3,56 x 0,72 2 /20 H tot = 0,09 m Leiding 4 beton 6

8 Leiding 4 is voor een deel bestaande leiding Ø 800 mm die van de nieuwe nabezinktank naar het bestaande effluentgemaal loopt. De lengte van de leiding is ongeveer 145,0 m1 en het materiaal is gewapend beton. Het debiet in de leiding bedraagt maximaal m Snelheid Q max = m 3 /u = 0,336 m 3 /s Q min = 400 m 3 /u = 0,111 m 3 /s A = 0,25 x x d 2 = 0,502 m 2 V max = Q/A = 0,67 m/s 0,67 m/s < 0,8 à 1,5 m/s; maximum snelheid voldoet. V min = Q/A = 0,22 m/s 0,22 m/s > 0,1 à 0,2 m/s; minimum snelheid voldoet Wrijvingsweerstand λ = 0,25/(log 3,7 x 0,8/0,002) 2 λ = 0,25/3,17 2 λ = 0,025 L/D = 145,0/0,8 = 181,0 ξ w = λ x L/D ξ w = 0,025 x 181,0 ξ w = 4, Vertragingsverliezen Totaal intrede = 0,50 knik 90 = 1,27 knik 45 = 0,32 knik 60 = 0,68 knik 30 = 0,17 knik 90 = 1,27 uittrede = 1,10 + ξ vtot = 5,31 H tot = ξ tot x v 2 /2g ξ tot = ξ w + ξ vtot ξ tot = 4,53 + 5,31 ξ tot = 9,84 V max = 0,67 m/s H tot = 9,84 x /20 H tot = 0,22 m 1 7

9 3 Berekening overstorten 3.1 Inleiding Bij een overstort van water over een drempel zal de waterspiegel stijgen naarmate het debiet toeneemt. Dit is bijvoorbeeld het geval bij verdeelwerken, waarbij het belangrijk is dat alle overstortdrempels op gelijke hoogte liggen en gelijkmatig worden aangestroomd. De verdeling van water is daarbij evenredig met de breedte van de drempels. Bij verdeelwerken treedt overigens nog wel eens een ongewenst effect op. Als het water vanaf één zijde komt aangestroomd, kan er een verhang ontstaan in het waterpeil, waardoor de verdeling van water niet meer evenredig is. Dit kunnen we voorkomen door een goed ontwerp van een verdeelwerk, waarbij alle energie van het aanstromende water wordt vernietigd. Indien er een verdeelwerk is, en de stroming door de afgaande leidingen gaat niet snel genoeg, dan kan het waterpeil achter de overlaat stijgen. In dat geval is er sprake van een verdronken overlaat. Het spreekt vanzelf dat een verdeelwerk in geval van een verdronken overlaat niet meer goed functioneert. De weerstand wordt in dat geval niet alleen bepaald door de overstortende waterschijf, maar ook door de weerstand van de leidingen er achter. 3.2 Formule overstorten Voor het bepalen van de capaciteit van overstorten A en B wordt de formule van een volkomen overlaat is toegepast: Q = 1,85 * B * H 3/2 m 3 /s Waarin: Q = debiet in m3/s B = overstortbreedte in m H = overstortdikte in m 3.3 Berekening overstorten Overstort voordenitrificatietank beluchtingstank Debiet is 2050 m3/s = 0,57 m3/s B = 2,0 m 1 0,57 = 1,85 * 2 * H 3/2 0,57 = 3,7 H 3/2 3,7 H 3/2 = 0,57 H 3/2 = 0,15 H = 0,06 m Overstort overstortput nabezinktank De berekening is gelijk aan overstort bij de overstort voordenitrificatietank beluchtingstank is in zie Overstort voordenitrificatietank beluchtingstank. H = 0,06 m 1 8

10 4 Berekening nabezinktank 4.1 Inleiding Het effluent wordt uit de nabezinktank verwijderd via een overlaat over de gehele omtrek van de tank. De overlaat wordt tegenwoordig enkelzijdig uitgevoerd. De overlaat wordt uitgevoerd als een V-vormige overlaat. Deze V-vormige overlaat verhinderd dat het effluent bij voorkeur in de windrichting stroomt bij een stevige wind waardoor de nabezinktank maar over een gedeelte van de overlaat zou overstorten. 4.2 Overlaat nabezinktank Formule overlaat nabezinktank De gebruikelijke waarde voor de tandhoek is 60 graden. Bij de dimensionering van de overlaat dient zo te worden gestreefd naar een overstortende straal van maximaal 5 cm. V-vormige overlaat en doorsnede omloopgoot nabezinktank De V-vormige overlaat kan berekend worden als een Thomson-stuw[2]. De formule hiervoor is: q v = 1,46 H 2/5 x tan 1/2α (m 3 /s) De V-vormige overlaat is eenzijdige overlaat Berekening overlaat nabezinktank Q 400 m3/h 1210 m3/h diameter tank 45 m 45 m breedte goot 1,0 m 1,0 m diameter overstortrand 43,0 m 43,0 m lengte overstort 135,1 m 135,1 m h.o.h. afstand tanden 0,17 m 0,17m aantal tanden 802 stuks 802 stuks hoek vertanding 60 graden 60 graden h 0,03 m 1 0,05 m 1 9

11 4.3 Omloopgoot Berekening omloopgoot nabezinktank Omloopgoot nabezinktank Methode van Li De berekening van de omloopgoot gebeurd met de methode van Li[3]. h 1 = h 2 * (1+c) * (1 + 2F r 2 ) 1 + (8 + 3α) * F 2 r } K Waarin c = 4-1 (1 + 2F 2 r ) 0,5 α = g * l/c 2 * R K = 4 + α/ 8 + 3α h 1 = hoogte waterstand einde goot voordat de stroming schietend water wordt. h 2 = hoogte waterstand begin goot. c = constante. F r = getal van Froude en deze heeft de waarde 1,0 in het geval van vrije uitlaat. α = constante. K = constante. g = 10 m/s 2 l = halve lengte van de goot. C = Coëfficiënt van Chezy R = Hydraulische straal Kritische diepte Indien aan het eind van de goot uitgegaan is van de kritische diepte zijn de volgende formules gehanteerd: h kr = (Q 2 /b 2 x g) 1/3 waarin: o h kr = kritische diepte in m. o Q = debiet aan het eind van de goot in m 3. o b = breedte van de goot in m Uitgangspunten Debiet hele goot ( 2 * Q) : m3/h = 0,336 m3/s Debiet halve goot (Q) : 0,17 m3/s Breedte goot : 1,0 m 10

12 Straal goot uitwendig : 22,5 m Gemiddelde straal goot : 22,0 m Lengte goot : x 22,0 = 138,2 m Halve lengte goot (l) : 69,1 m Wandruwheid (k beton) : 0, Berekening Kritische diepte h kr = (Q 2 /b 2 x g) 1/3 h kr = (0,17 2 /1,0 2 x 10) 1/3 h kr = 0,14 m Hydraulische straal einde goot Nat oppervlak (A): A = h kr * b (goot) A = 0,14 * 1,0 A = 0,14 m 2 Natte omtrek (O): O = 2 * h kr + b (goot) O = 2 * 0,14 + 1,0 O = 1,28 m Hydraulische straal (R) R = A/O R = 0,14/1,28 R = 0,11 m Gemiddelde snelheid in de goot Gemiddelde snelheid (Vgem) = Q/A Vgem = Q/A Vgem = 0,17/0,14 Vgem = 1,21 m/s Grenssnelheid V gr = (g * h kr ) V gr = (10 * 0,14) V gr = 1,18 m/s Coëfficiënt van Chezy Voor hydraulisch ruwe wand C = 18 log (12*R/k) C = 18 log (12 * 0,11/0,001) C = 56,2 m 1/2 /s Constante α α = g * l/c 2 * R α = 10 * 69,1/56,2 2 * 0,11 α = 2, Constante K K = 4 + α/8 + 3α K = 4 + 2,0/8 + 3 * 2 K = 0, Constante c 1 + (8 + 3α) * F r 2 } K c =

13 (1 + 2F r 2 ) 0,5 1 + (8 + 3 * 2,0) * 1,0 2 } 0,4 c = 4-1 (1 + 2 * 1,0 2 ) 0,5 c = 1,83-1 1,73 c = 0, Waterstand begin goot h 1 = h 2 * (1+c) * (1 + 2F r 2 ) h 1 = 0,14 * (1+0,06) * (1 + 2 * 1 2 ) h 1 = 0,26 m Hoogteverschil = 0,26-0,14 = 0,12 m Veiligheid Bij een goot wordt een veiligheid aangehouden van 25%. 0,26 x 0,25= 0,07 m Totale hoogte goot is 0,26 + 0,07 = 0,33 m 12

14 5 Hydraulisch verval totaal 5.1 Hydraulisch verval totaal Het totaal van alle leidingen, overstorten en nabezinktankgoot bedraagt. nr. Materiaal inw. Ø Debiet min. Debiet max. Lengte Breedte Benodigd verval 1 Beton 0,8 m ,0 0,15 m 1 A beton ,0 0,06 m 1 2 Beton 1,0 m ,0 0,04 m 1 B RVS ,0 0,06 m 1 3 Beton 1,0 m ,0 0,09 m 1 C1 RVS ,05 m 1 C2 Beton (2x) ,1 0,33 m 1 4 Beton 0,8 m ,0 0,22 m 1 Totaal 1,00 m 1 13

15 Noten 1) Zie paragraaf 4.5 Verlies in bochten en knikken blz. 91 Stromingsweerstanden in leidingen. 2) Zie blz. 287 Hydraulica vloeistofmechanica voor waterbouwkundigen. 3) Zie De hydraulische berekening van afvoergoten rondom bezintanks. 14

16 Literatuur Dictaat Vloeistofmechanica voor de opleiding Uitvoerder water, Nieuwegein Stromingsweerstanden in leidingen, Mededeling nr. 14 van het KIWA, L. Huisman. Hydraulica, vloeistofmechanica voor waterbouwkundigen, 6e druk, L.W. Nortier, Culemborg, De hydraulische berekening van afvoergoten rondom bezintanks. F.J. Noz, Polytechnisch Tijdschrift blz 561 t/m 589,

17 Colofon Document Hydraulische verval berekeningen Versie 1.0 Datum februari 2012 Status Definitief Projectnaam Uitbreiding rwzi Numamsdorp in het kader van course 15/16 Auteur W.Rijnders 16