Proudění ve splaškovém odpadním potrubí vnitřní kanalizace

Úvod

Proudění ve splaškovém odpadním potrubí je jednou ze složitých otázek hydrauliky vnitřní kanalizace. U nás byl tento problém řešen především s využitím poznatků formulovaných ruskými odborníky vedenými A. Ja. Dobromyslovem [1]. Příspěvek stručně shrnuje teoretické řešení této problematiky a seznamuje také s u nás méně známými závěry výzkumů prováděných především v USA.

Způsob proudění v odpadním potrubí

Při větším průtoku vody větraným splaškovým odpadním potrubím dochází k přisávání vzduchu větracím potrubím z venkovního prostoru dolů do odpadního potrubí. Pokud je průtok vody malý nebo žádný, proudí vzduch z odpadního potrubí větracím potrubím nahoru do venkovního prostředí. Wyly a Eaton [2] vycházejí při popisu proudění v odpadním potrubí z teorie konečné rychlosti. Voda padající v odpadním potrubí (obr. 1) nedosahuje rychlosti volného pádu. Po vtoku z připojovacího potrubí se rychlost vody v odpadním potrubí působením gravitační síly ihned zvětší. Po krátké vzdálenosti se vytvoří povlak vody (dutý válec) na vnitřní stěně odpadního potrubí, který se zrychluje, až se třecí síla mezi vodou a stěnou potrubí rovná gravitační síle. Od tohoto bodu klesá povlak vody prakticky neměnnou rychlostí, jež se nazývá konečná rychlost v_t (m/s) a můžeme ji teoreticky určit podle vztahu:

Obr. 1 - Proudění ve splaškovém odpadním potrubí podle [3] 1 - vzduch, 2 - voda

      [m/s]      (1)

kde:
Q_W - je průtok vody v odpadním potrubí (m³/s),
d_op - skutečný vnitřní průměr odpadního potrubí (m).

Průtok vody Q_W (m³/s) v odpadním potrubí je potom možné určit ze vztahu:

Q_W = v_t . S_W                    [m³/s]      (2)

kde:
v_t   - je konečná rychlost vody v odpadním potrubí (m) určená podle vztahu (1),
S_W - část vnitřního průřezu odpadního potrubí zaplněná vodou (m²).

Část vnitřního průřezu odpadního potrubí S_W (m²) zaplněnou vodou můžeme vyjádřit jako funkci stupně plnění f (-) a platí:

      [-]      (3)

kde:
S_W - je část vnitřního průřezu odpadního potrubí zaplněná vodou (m²),
S_op - plocha vnitřního průřezu odpadního potrubí (m²),
Q_W - průtok vody v odpadním potrubí (m³/s),
d_op - skutečný vnitřní průměr odpadního potrubí (m).

Stupně plnění se volí:

pro odpadní potrubí s hlavním větracím potrubím f = 0,16 až 0,25, pro odpadní potrubí s doplňkovým větracím potrubím f = 0,19 až 0,29, pro odpadní potrubí se sekundárním větracím potrubím f = 0,30 až 0,33, horní hranice stupně plnění f = 0,33 se v USA nemá navrhovat.

Průtok vody Q_W (m³/s) v odpadním potrubí se zvoleným stupněm plnění f (-) lze potom určit podle vztahu:

      [m³/s]      (4)

kde d_op je skutečný vnitřní průměr odpadního potrubí (m).

Přisávání vzduchu při průtoku vody odpadním potrubím

Mezi průtokem vody Q_W (m³/s) a vzduchu Q_a (m³/s) přisávaného do odpadního potrubí platí podle Wylyho a Eatona vztah:

      [m³/s]     (5)

kde f je stupeň plnění odpadního potrubí vodou podle vztahu (3).

Podle vztahu (5) je možné přibližně určit průtok vzduchu přisávaného při průtoku vody do odpadního potrubí z vnějšího prostředí, který potřebujeme znát pro určení tlakové ztráty Δp_op při proudění vzduchu ve větracím a odpadním potrubí.

Tlakové poměry při proudění v odpadním potrubí

Tlaková ztráta v místě přítoku vody z připojovacího do odpadního potrubí způsobuje podtlak, který je největší bezprostředně pod tímto přítokem. Zvyšujeme-li průtok vody ve větraném odpadním potrubí, dojde při určitém kritickém průtoku závislém zejména na světlosti připojovacího a odpadního potrubí a úhlu jejich spojení k podtlaku, který způsobí odsátí některé zápachové uzávěrky napojené na odpadní potrubí. Dobromyslov [3] s kolektivem odvodili vztah (6), podle kterého lze teoreticky určit největší podtlak Δp_max (Pa) v odpadním potrubí o výšce až 100 m:

      [Pa]      (6)

kde:
Q_W - je průtok vody odpadním potrubím (m³/s),
d_op - vnitřní průměr odpadního potrubí (m),
d_pp - vnitřní průměr připojovacího potrubí (m),
α    - úhel připojení připojovacího potrubí na odpadní potrubí (o),
L    - skutečná výška odpadního potrubí (m),
K    - koeficient zvětšení tlakové ztráty (-)

Pokud L > 90 dop, dosazuje se L = 90 dop, to znamená, že hodnota zlomku

Δp_max smí být nejvíce 464 Pa.

U splaškových odpadních potrubí s hlavním větracím potrubím stejné světlosti je koeficient K = 1. Pro odpadní potrubí ukončené přivzdušňovacím ventilem se koeficient K určí ze vztahu:

                  [-]      (7)

kde:
d_op - je vnitřní průměr odpadního potrubí (mm),
S_AAV - průřezová plocha v nejužší části, kterou vzduch proudí přivzdušňovacím ventilem (mm²).

Z výzkumů i praxe je známo, že bezporuchově fungovat mohou také nevětraná odpadní potrubí ukončená zátkou [1,3], avšak pouze při malých průtocích, které nezpůsobí podtlak, jehož následkem může být odsátí vodního uzávěru v zápachové uzávěrce. Zkušenosti ukazují, že funkční mohou být i odpadní potrubí opatřená hlavním větracím potrubím menší světlosti než je světlost odpadního potrubí, jež se nacházejí v mnoha brněnských domech stavěných do konce 40. let 20. století, nebo odpadní potrubí ukončená přivzdušňovacím ventilem, který umožňuje přisátí vzduchu při podtlaku v odpadním potrubí. Tlaková ztráta při proudění vzduchu větracím potrubím malé světlosti či přivzdušňovacím ventilem však může zvýšit podtlak v odpadním potrubí. Velikost tlakové ztráty přivzdušňovacího ventilu závisí na jeho konstrukci a průtoku vzduchu. Různé typy přivzdušňovacích ventilů mají rozdílné tlakové ztráty.

U odpadních potrubí, kde je součet výšky odpadního a větracího potrubí větší než 100 m, se pro určení největšího podtlaku Δp^/_max (Pa) použije vztah:

Δp^/_max = Δp_max + Δp_op                   [Pa]       (8)

kde:
Δp_max - je největší podtlak ve splaškovém odpadním potrubí vypočtený podle vztahu (6) (Pa),
Δp_op - tlaková ztráta při proudění vzduchu ve větracím potrubí a části odpadního potrubí nad přítokem vody (Pa).

Pro výpočet tlakové ztráty Δp_op (Pa) je možné použít vztah:

      [Pa]       (9)

kde:
Q_a - je průtok vzduchu přisávaného do odpadního potrubí (m³/s) podle vztahu (5),
L - skutečná výška odpadního + větracího potrubí (m),
d_op - vnitřní průměr odpadního potrubí (m),
p_a - atmosférický tlak (Pa), p_a = 100 000 Pa.

Místní tlakové ztráty v odpadním potrubí jsou ve vztahu (9) započítány 40% přirážkou k tlakovým ztrátám třením. Tlakovou ztrátu přivzdušňovacího ventilu by bylo nutné připočíst zvlášť (koeficient K by se v tomto případě uvažoval hodnotou K = 1). Δp^/_max smí být nejvíce 464 Pa a Δp_op nesmí překročit 250 Pa.

Závěr

Teoretické řešení proudění v odpadním potrubí je pracné. Proto jsou výsledky výpočtů určené podle výše uvedených i jiných vztahů pro výšky splaškového odpadního potrubí v běžné zástavbě uvedeny v příslušných normách a výpočtové vztahy se použijí jen v mimořádných případech (výškové budovy, posouzení netradičního odvětrání apod.).

Literatura
[1] Valášek, J. - Tomašovič, P.: Zdravotnotechnické inštalácie. Alfa Bratislava 1990.
[2] De Cuyper, K.: Proposal for a "scientific calculation" of the capacity of only primary vented stacks. CEN/TC 165 WG 21 TG 2.
[3] Dobromyslov, A. Ja.: Ventiljacionnyje klapany dlja kanalizacionnych stojakov. Časopis Truboprovody i ekologija 4/2002.