Текст книги "Сооружаем системы орошения, полива, дренажа и колодцы"

Нередко бывает так, что оптимальным вариантом источника водоснабжения является тот или иной вид шахтного колодца, но изготовить полноценный сруб соответствующей глубины или установить бетонные кольца по тем или иным причинам невозможно. В таком случае может пригодиться следующая конструкция.

Сруб делают небольшим, чтобы он весь находился в водоносном горизонте, а воду из него на поверхность поднимают через трубу с присоединенным насосом (рис. 103). Верхнюю часть шахты (над срубом) следует засыпать с обязательным устройством глиняного слоя гидроизоляции поверх наката.

Рис. 103. Колодец со срубом в водоносном горизонте:

1 – сруб; 2 – слой щебня 10 см; 3– накат из бревен; 4 – слой глины 20 см; 5 – асбестоцементная труба; 6 – полиэтиленовая труба; 7 – бревна; 8 – доски; 9 – ручной насос; 10 – обратная засыпка

Шахту роют, обеспечивая небольшой отрицательный наклон стенок, чтобы исключить осыпание грунта. Грунт вынимают до тех пор, пока это позволяет делать прибывающая вода. Затем, уже в воде, собирают заранее подготовленный сруб, в верхнем венце которого устроены пазы для поперечных балок. Дно колодца засыпают щебнем, сруб перекрывают двумя балками, заложив их в пазы, поверх которых делают накат из бревен. Через последний нужно пропустить асбестоцементную трубу ∅150 мм с высверленными отверстиями на конце. По накату укладывают 20-см слой глины и засыпают шахту землей.

По верхней границе шахты можно устроить обклад из бревен ∅25 см. По обкладу настилают и закрепляют доски, пропустив через них асбестоцементную трубу. Поверх такого настила следует устроить глиняный замок или выложить тротуарную плитку на слой гидроизоляции. Заливать поверхность бетоном или асфальтом не стоит, поскольку через несколько лет, возможно, придется вскрывать яму для очистки колодца.

В асбестоцементную шахту вставляют полиэтиленовую трубу ∅50–75 мм с отверстиями на конце и подсоединяют ее к ручному насосу. Если участок электрифицирован, можно в колодец поместить погружной насос типа «Малыш», «Водолей» и т. п.

Водоподъемные устройства

В частных домах, где воду берут из колодца, для забора воды из водоносного слоя используют специальные водоподъемные устройства. Вид оборудования, которое можно применять для забора воды, зависит прежде всего от типа колодца. Правильно подобранное, оно обеспечит удобное использование запасов воды и стабильность водозабора, конечно, при условии, что колодец был выполнен надлежащим образом.

Для подъема воды из шахтных колодцев применяются насосы или вороты различных конструкций. В шахтных колодцах традиционно используются вороты и журавли.

Ворот – это приспособление для подъема воды из колодца, которое состоит из отрезка бревна, закрепленного на оси. Ось закреплена в стойках и вращается ручками, расположенными с одной или двух сторон бревна. Иногда вместо ручек на валу крепят «пальцы» – четыре штыря (рис. 104).

Стойки подъемного устройства заглубляют в землю не менее чем на 50 см и крепят к оголовку колодца. Они должны прочно держаться и не колебаться при подъеме воды из колодца во время вращения вала. На валу закрепляют конец веревки, цепи или каната и вращением ручки ворота наматывают на вал всю длину веревки, необходимую для опускания ведра до воды в колодце.

Рис. 104. Подъем воды воротом:

а – ворот с ручками; б – ворот с пальцами

Журавли очень просты в изготовлении и широко распространены, но годятся лишь для неглубоких колодцев. Они бывают всевозможных конструкций. Классический журавль состоит из толстой стойки с развилкой наверху, к которому крепят жердь с грузом на одном из концов – так называемый балансир. Крепление балансира может быть выполнено шарнирно на стальной оси из болта ∅25–30 мм с головкой на одном конце и гайкой на другом.

Балансир крепят так, чтобы его задний конец с грузом опускался вниз и поднимал верхний (тонкий) конец. На верхний конец балансира с помощью отрезка цепи или каната крепят шест, длина которого равна расстоянию от верха оголовка до уровня воды в колодце. К другому концу шеста крепят ведро (рис. 105, а).

Чтобы ведро, опущенное в колодец, не плавало, а погружалось в воду, к одной из проушин, за которые крепится ручка ведра, прикрепите кусок цепи длиной 150–200 мм или гирьку. Этот груз опрокидывает плавающее ведро, оно опускается под воду и легко заполняется водой. Но удобнее устроить донный обратный клапан (см. рис. 102). Тогда проблем с наполнением не возникнет.

Рис. 105. Разновидности журавлей:

а – классический; б – с веревочным блоком

К заднему концу балансира крепят груз такой величины, чтобы наполненное водой ведро легко поднималось из колодца. Хотя опускать пустое ведро в колодец придется с некоторым усилием, но все же опускать балансир в колодец гораздо легче и удобнее, чем поднимать ведро с водой вверх.

Вместо балансира над срубом можно разместить блок и поднимать ведро, натягивая веревку (рис. 105, б). Этот вариант не так эффективен, как предыдущий, зато им можно воспользоваться, когда классическим журавлем до воды не достать.

Поднимать воду из скважины можно оригинальным устройством – эрлифтом[27]27
  Название происходит от английских слов air – воздух и lift – поднимать.


[Закрыть]. В промышленных установках им поднимают жидкости из скважин глубиной 500 м и более. Устройство эрлифта чрезвычайно просто. Если в нижнюю часть трубы, опущенной в воду, вводить воздух под достаточным давлением, то образовавшаяся в трубе эмульсия (смесь воды и пузырьков воздуха) будет подниматься благодаря разности удельных масс эмульсии в трубе и воды в скважине.

Различают эрлифты нагнетательные и всасывающие.

У нагнетательного эрлифта в трубу, опущенную в скважину и заглубленную под уровень воды, подводят сжатый воздух от компрессора. Образующаяся эмульсия поднимается на поверхность в бак, где воздух выходит из эмульсии, а вода накапливается.

У всасывающего эрлифта воздух попадает в трубу из атмосферы в результате разрежения в ней, создаваемого вакуум-насосом. В этом случае атмосферный воздух также смешивается с водой и в виде эмульсии поднимается на поверхность земли.

Одно из первых промышленных применений эрлифтов в нефтяной промышленности началось на Бакинском месторождении нефти с 1897 года. Этот способ добычи нефти был предложен русскими инженерами Шуховым и Бари, о чем писал еще в 1886 г. известный химик Д. И. Менделеев.

Такая гидропневматическая установка очень удобна для подъема воды из скважин, причем скважина может быть малого диаметра. Эрлифт не имеет подвижных частей и потому не боится попадания взвешенных частиц. Надежность его работы высока, и он почти не требует ухода. К недостаткам следует отнести необходимость большого заглубления под уровень воды, а также сравнительно низкий КПД (0,20–0,35). Подъем воды обычно происходит только до поверхности, так как передача по горизонтальному направлению невыгодна и неудобна. Водоносный горизонт при установке эрлифта должен быть достаточно мощным, чтобы противостоять давлению воздуха.

Пример использования нагнетательного эрлифта, который хорошо подойдет для распределенной сети водоснабжения усадебного дома и садового участка, приведен на рис. 106.

Рис. 106. Колодец с гидропневматической подачей:

1– колокол (бак); 2 – слой гравия; 3 – компрессор; 4 – уровень земли; 5 – труба для воды; 6 – труба для воздуха; 7 – вентили; 8 – датчик давления; 9 – ручной насос; 10 – ввод в домовый водопровод

На дно шахты, выкопанной до водоносного горизонта, надо насыпать слой гравия и опустить на него вверх дном бак из нержавеющей стали с двумя приваренными водопроводными трубами. Одна труба для нагнетания воздуха приварена ко дну бака, другая, с перфорированным концом, проходит сквозь дно и заканчивается, немного не доходя до краев бака – она предназначена для подачи воды. Ориентировочные размеры бака – диаметр 1200 мм при высоте 1500 миллиметров.

Конечно, длины приваренных к баку труб вряд ли хватит до поверхности земли, поэтому на их наружных концах выполняются резьбу. С помощью переходных муфт трубы наращиваются до нужной длины, чтобы подключиться к распределенной системе водоснабжения дома и компрессору, нагнетающему воздух в колокол колодца (бак). Вода из бака под давлением поступает в распределительную систему водопровода. Когда давление в системе достигает определенного уровня, срабатывает датчик давления, что позволяет отключить компрессор в ручном или автоматическом режиме. Избыточное давление позволяет эрлифту еще некоторое время после этого продолжать работу.

При отсутствии напряжения в сети или поломке компрессора нужно перекрыть вентиль, ведущий к водораспределительной сети, открыть вентиль, ведущий к колонке, и пользоваться ручным насосом.

При глубине колодца до 7 м воду можно поднять ручным поршневым насосом. Если глубина больше, придется применять погружной плунжерный насос с рычажным приводом (ручным или механическим). Им можно поднять воду с глубины до 30 м. При наличии на участке электричества лучше всего устанавливать электрические насосы, предназначенные для подъема воды из колодцев и трубчатых скважин и последующей ее подачи в необходимом количестве и под соответствующим давлением к водоразборным точкам или водяному коллектору. Но чтобы подстраховаться на случай аварийного отключения электроэнергии, ручной насос все-таки тоже стоит предусмотреть. На рис. 107 показано, как можно подключить к ручной водозаборной колонке электрический насос.

Рис. 107. Трубчатый колодец с поршневым насосом:

1 – фильтр; 2 – колонна водоподъемных труб; 3 – отвод; 4 – обратный клапан; 5 – дисковый клапан; 6 – цилиндр насоса; 7 – поршень насоса; 8 – клапан поршневой; 9 – шток поршня; 10 – водоприемный резервуар; 11 – балансир

В водозаборах, предназначенных для использования индивидуальными потребителями, повсеместно используются вихревые насосы, рабочим элементом которых является рабочее колесо, приводимое в движение электромотором. Рабочее колесо может быть одно (одноступенчатые насосы) или их может быть несколько, расположенных на валу в ряд (многоступенчатые насосы).

Вихревые насосы можно разделить на две основные группы, которые отличаются конструкцией, способом монтажа, а также рабочими параметрами:

– поверхностные насосы, в том числе самовсасывающие и с обычным всасыванием (то есть требующие заполнения ротора водой всякий раз перед началом работы);

– погружные насосы, в том числе скважинные (глубинные).

Поверхностные насосы обычно выпускаются с горизонтальным расположением вала в рабочем положении. С помощью трубопровода, опущенного в колодец, они всасывают воду и подают в систему водоснабжения дома. Перед первым пуском эти насосы необходимо заполнить водой. Насосы с обычным всасыванием необходимо заполнять водой перед каждым их включением (их обычно используют для повышения напора в системе). В самовсасывающих модификациях этих насосов вода остается после их выключения и эту операцию повторять не нужно.

Такие насосы могут быть смонтированы в одном из двух вариантов.

– В доме, в котором проживают постоянно. Главной угрозой здесь является замерзание труб на выходе из колодца в землю. Следовательно, нужно тщательно утеплять трубы в колодце и проложенные в земле, приблизительно на метр от колец. Насосы, установленные в неотапливаемых помещениях, требуют полного слива воды из них и подводящей трубы (систему проектируют таким образом, чтобы не нужно было демонтировать насос). Перед запуском насоса после зимы его и подающую трубу нужно заполнить водой. Включают насос, а воду, полученную в результате первого накачивания, сливают из системы.

– В шахте кольцевого колодца. Ему грозит заливание водой в случае проникновения талой воды, а также затопления в случае повышения уровня грунтовых вод. Поэтому в период таяния снега или во время проливных дождей он должен находиться под пристальным вниманием.

Все поверхностные насосы обладают одним основным ограничением: их можно использовать в случае, если расстояние по вертикали от поверхности воды в колодце до насоса не превышает 7 м, что не всегда выполнимо.

Погружные насосы (с вертикальным расположением вала в рабочем положении) используют для забора воды из шахтных колодцев и скважин. Большинство бытовых погружных насосов работоспособны при глубине скважин до 50 м. Эти насосы способны работать, только будучи погруженными в воду. Для защиты от сухого хода насос часто оснащают поплавковым выключателем.

Погружной насос размещают в колодце, под поверхностью воды, подвешивая его на подпружиненном тросе. Вода подается по напорной трубе, обычно проложенной под землей, ниже глубины промерзания. Схема установки типовых бытовых электронасосов («Малыш», «Водолей», «Родничок», «Агидель» и т. п.) приведена на рис. 108.

Рис. 108. Установка бытового электронасоса в колодце:

1 – насос; 2 – связка провода со шлангом; 3 – подвеска капроновая; 4 – пружинная подвеска из резины; 5 – провод; 6 – шланг; 7 – перекладина; 8 – подключение к электросети

Особым видом погружных насосов являются скважинные (глубинные) насосы, которые способны подавать воду даже на высоту 200 м. Скважинные насосы имеют небольшие диаметры (есть экземпляры даже с диаметром всего 3˝), их выбирают с учетом диаметра скважины.

Для водоснабжения частных домов чаще всего используют самовсасывающие и погружные насосы. Значительно реже используют другие виды насосов, например, с обычным всасыванием или с соплом глубокого всасывания (трубкой Вентури – специальной насадкой, которая позволяет увеличивать глубину всасывания воды). Поэтому их ассортимент в предложении производителей значительно у́же.

Эксплуатация насосов в зимнее время имеет особенности, которые необходимо учитывать при подборе водоподъемного оборудования.

Плавающий центробежный насос. Он хорошо подходит для колодцев, в которых до зеркала воды около 8–10 м, а воду нужно поднять наверх в резервуар, откуда она разбирается самотеком. Таким насосом, без выполнения дополнительных мероприятий, можно пользоваться зимой, поскольку сразу же, как только прекратится накачивание, вода из напорных труб возвращается в колодец. Благодаря этому даже при сильных морозах напорная труба остается проходимой.

Мембранный насос. Поскольку после прекращения накачивания вода по-прежнему находится в напорной трубе, длительное пребывание насоса в колодце чревато образованием ледяной пробки (блокировка напорной трубы) и повреждением насоса. Следовательно, во время морозов насосом можно пользоваться только время от времени, а перед каждым очередным включением нужно проверять проходимость нагнетательного канала. Насос должен находиться при температуре выше 0 °C.

Роторный погружной насос. В однороторных насосах, так же как и в плавающем насосе, вода сразу же после прекращения накачивания стекает в колодец. Поэтому их можно использовать зимой для наполнения резервуаров, находящихся рядом с колодцем. Учитывая низкий напор, то есть небольшую высоту подъема, насосы этого типа не подходят для наполнения резервуаров гравитационных систем.

Погружной насос с вертикальным валом (скважинный). Если он работает в кольцевом колодце, нужно защитить его от возможного перегорания в конце зимы (а также в летний зной). В это время уровень воды в колодце может упасть до опасной для насоса глубины. С этой целью для насоса устанавливают тепловую защиту.

Информация по оборудованию для подъема воды сведена в таблицу 6.

Вид насоса подбирают, в первую очередь, с учетом потребности в воде и необходимого напора. Следует обязательно учитывать уровень воды в колодце и производительность водоносного слоя, а это тесно связано с видом колодца. Большое значение имеет также то, находится ли водоносный слой под давлением. В зависимости от ситуации можно выбирать насос из нескольких видов или использовать насос только одного, определенного вида.

В любом случае насос должен быть изготовлен из прочных, стойких к коррозии материалов, а элементы, которые будут контактировать с питьевой водой, должны быть, кроме того, изготовлены из безопасных для здоровья материалов. Корпуса насосов отливаются из чугуна с антикоррозионным покрытием или штампуются из нержавеющей стали, реже – из пластика. Корпус двигателя чаще всего выполнен из нержавеющей стали, реже – из алюминия, а рабочее колесо насоса может быть сделано из стали или пластика. Особенно важно качество материала для насосов, погруженных в воду в течение всего времени эксплуатации.

Тщательно подобранный насос обеспечивает необходимое количество воды даже в тех случаях, когда ее используют в нескольких местах одновременно. При этом он не разрушает водоносный слой из-за слишком интенсивного забора воды, а кроме того, экономно использует электроэнергию.

Двумя важнейшими параметрами, характеризующими насос, являются:

– производительность Q – способность перекачивать определенное количество воды за единицу времени;

– высота подъема (напор) Н – максимальная высота, на которую может подаваться вода при данной производительности.

Эти параметры взаимосвязаны – вместе с ростом производительности при постоянной частоте вращения рабочего колеса насоса снижается напор. Кривая зависимости этих параметров называется характеристикой насоса. По горизонтальной оси указывается производительность Q (обычно в м³/ч или л/с), а по вертикальной – напор Н в м вод. ст. Характеристика для каждой модели определена производителем, и с ней можно ознакомиться в инструкции к изделию. В каталогах насосов часто на одной диаграмме представлены характеристики нескольких моделей, отличающихся только параметрами работы, но принадлежащих к одному типу.

После выбора вида насоса необходимо выбрать конкретную модель, которая в наибольшей степени отвечала бы вашим требованиям. Для этого вы должны знать рабочие параметры насоса.

Высота подъема насоса (напор) определяется как сумма геометрической высоты (то есть разницы между уровнем воды в колодце и водоразборной точки, расположенной выше всего), гидравлических потерь (линейных и местных), а также напора, необходимого в точках разбора. Линейные потери возникают по всей длине труб из-за трения жидкости об их внутреннюю поверхность, а местные – в местах, где изменяются диаметр труб и направление их укладки, а также установлены клапаны, фильтры, водомеры и другое подобное оборудование.

Геометрическую высоту определяют для каждого конкретного случая. Можно принять, что гидравлические потери для частного дома составляют 1,5–2 м водяного столба, а напор, необходимый в точках разбора, – 10–15 м. Производительность выбирают, исходя из потребности дома, сада и огорода в воде. При этом следует учитывать, что всеми водоразборными точками редко пользуются одновременно. Это значение зависит в первую очередь от количества водоразборных точек в доме – ванн, душевых, умывальников, унитазов, стиральных и посудомоечных машин и пр., а также от наружной нагрузки – необходимости полива сада, огорода, газона. Ориентировочно можно принять, что производительность насоса для односемейного дома должна составлять 2–4 м³/ч, не считая расходов на орошение.

Зная параметры работы системы, необходимо подобрать насос к конкретным условиям работы – в данном случае к вашей домашней системе водоснабжения. Это позволяет определить рабочую точку системы на диаграмме характеристик насосов (кривые Q, Н на рис. 109) и выбрать подходящую модель.

Для упрощения можно опустить расчеты характеристик системы (величину гидравлических потерь в зависимости от протока воды через систему), а взять необходимую высоту подъема (Н), увеличенную на 1,5–2 м вод. ст. (на местные и линейные потери). Другими словами, чтобы получить в ванной на втором этаже ожидаемый напор воды, насос должен иметь немного большее значение напора именно для преодоления линейных и местных сопротивлений.

Рассчитанная потребность в воде (производительность) не может быть выше реальной производительности колодца, то есть количества воды, которое может поступать из него. В результате слишком интенсивного забора воды может произойти снижение ее уровня в колодце ниже точки расположения насоса, что приведет к повреждению последнего.

Определенную таким образом рабочую точку системы строят на диаграмме характеристик насосов. Выбирают насос, характеристика которого проходит через рабочую точку или немного выше. Насос с характеристикой, проходящей ниже рабочей точки, может не обеспечить необходимую производительность, или напор. В тоже время выбор насоса с характеристикой, которая значительно выше этой точки, будет связан с ее неэкономичной работой (более высокая мощность двигателя, следовательно, и более высокое потребление энергии, более частое включение и выключение устройства).

Рис. 109. Выбор подходящего насоса из трех экземпляров по диаграммам характеристик:

Н1 – необходимый напор насоса H1; Q1 – необходимая производительность насоса Q1; h1, h2, h3 – характеристики насосов; Р – рабочая точка

Для правильного и оптимального подбора насоса к системе необходимо учитывать множество других факторов, важнейшими из которых являются потребляемая мощность и КПД. Правильно подобранный насос обеспечивает необходимую производительность и напор, при этом рабочая точка находится в диапазоне самого высокого КПД.

Потребляемая мощность зависит от рабочих параметров насоса, и чем они выше – тем больше мощность. Обычно насосы для подачи воды в домашнюю сеть или оросительную систему имеют невысокую мощность – порядка нескольких сотен ватт. Большинство моделей рассчитаны на подключение к однофазной сети напряжением 220 В, реже – к трехфазной (380 В).

Выбирая насос, стоит обратить внимание на его оснащение. Насос может иметь защиту от сухого хода, которая приведет к выключению двигателя в момент получения сигнала о слишком низком уровне воды в колодце. Двигатель насоса также может быть оснащен тепловой защитой (она отключает двигатель при его нагревании и производит повторное включение после остывания) или перегрузок (выключение двигателя при чрезмерном снижении частоты вращения относительно номинальной). Насос также может иметь защиту от превышения и снижения напряжения в сети (насос отключается, если напряжение в сети опустится ниже нижнего допустимого предела или превысит верхний).

Для того чтобы насос не включался каждый раз при разборе небольшого количества воды, в домовую систему водоснабжения стоит установить водонакопитель (гидрофор). А при монтаже системы орошения, какого бы вида она ни была, промежуточный накопитель воды следует установить обязательно, поскольку холодная вода из скважины недопустима для полива.

В торговых сетях часто представлены готовые насосные станции. В их состав входят: насос, гидрофор, реле давления или поплавок, управляющий работой насоса, и датчик протока.

Иметь в частном доме подобную круглогодичную систему водоснабжения, а тем более автоматическую, – мечта любого хозяина. Правда, подобные установки, изготовленные, скажем, в Италии или Испании, имеют довольно высокую стоимость.

Впрочем, мастерового человека недостаток средств не может заставить отказаться от нужного в хозяйстве оборудования, поэтому имеет смысл сделать автоматическую систему водоснабжения дома и приусадебного участка своими руками.