VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV VODNÍCH STAVEB FACULTY OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF WATER STRUCTURES
KONSTRUKČNÍ NÁVRH VÝUKOVÝCH MODELŮ HYDRAULICKÉHO OKRUHU LABORATOŘE CONSTRUCTION DESIGN OF INSTRUCTIONAL MODELS AT THE HYDRAULIC LABORATORY CIRCUIT
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS
AUTOR PRÁCE
MICHAL HAVLÁT
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2013
Ing. MICHAL ŽOUŽELA, Ph.D.
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ Studijní program
B3607 Stavební inţenýrství
Typ studijního programu
Bakalářský studijní program s prezenční formou studia
Studijní obor
3647R015 Vodní hospodářství a vodní stavby
Pracoviště
Ústav vodních staveb
ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Student
Michal Havlát
Název
Konstrukční návrh výukových modelů hydraulického okruhu laboratoře
Vedoucí bakalářské práce
Ing. Michal Ţouţela, Ph.D.
Datum zadání bakalářské práce
30. 11. 2012
Datum odevzdání bakalářské práce
24. 5. 2013
V Brně dne 30. 11. 2012
.............................................
.............................................
prof. Ing. Jan Šulc, CSc. Vedoucí ústavu
prof. Ing. Rostislav Drochytka, CSc. Děkan Fakulty stavební VUT
1
Podklady a literatura [1]Boor, B.,Kunštátský, J.,Patočka, C. Hydraulika pro vodohospodářské stavby, 1. vydání, SNTL Praha, 1968 [2] Ţouţela, M. Výstavba a provoz nové laboratoře Ústavu vodních staveb. Sborník příspěvků ze 3. Vodohospodářské konference 2003, Práce a studie Ústavu vodních staveb FAST VUT v Brně, 2003, str. 341-351, ISBN 80-86433-26-9 [3] Ţouţela, M.: Návrh hydraulického okruhu laboratoře VOŠ stavební a SŠ stavební Vysoké Mýto. Výzkumná zpráva, LVV – FAST – VUT v Brně, 2011
Zásady pro vypracování Vyšší odborná škola stavební a Střední škola stavební ve Vysokém Mýtě bude v budoucnu budovat hydraulický laboratorní okruh, který bude slouţit především pro výuku studentů hydrauliky a hydrologie. Součástí laboratoře bude řada zmenšených hydraulických modelů. Ty budou simulovat především úlohy hydrauliky s prouděním o volné hladině či prouděním tlakovým. Konkrétně se bude jednat o simulaci přepadu, výtoku pod stavidlem, měření průtoku ţlabovými objekty, proudění propustkem, simulaci ztrát mechanické energie při protékání různými singularitami. V rámci zpracování bakalářské práce posluchač zhotoví projektovou dokumentaci pro všechny navrhované hydraulické modely.
Předepsané přílohy
............................................. Ing. Michal Ţouţela, Ph.D. Vedoucí bakalářské práce
2
ABSTRAKT Vyšší odborná škola stavební a Střední škola stavební ve Vysokém Mýtě bude v budoucnu budovat hydraulický laboratorní okruh, který bude slouţit především pro výuku studentů hydrauliky a hydrologie. Součástí laboratoře bude řada zmenšených hydraulických modelů. Ty budou simulovat především úlohy hydrauliky s prouděním o volné hladině či prouděním tlakovým. Konkrétně se bude jednat o simulaci přepadu, měření průtoku ţlabovými objekty, proudění propustkem, simulaci ztrát mechanické energie třením po délce potrubí a při protékání různými singularitami. Předkládaná práce je zaměřena na hydrauliku simulovaných jevů, zhotovení projektové dokumentace a hydrotechnických výpočtů všech navrhovaných hydraulických modelů. Součástí dokumentace jsou pomocné prvky - měřicí vozík a obsluţné lávky. Práce obsahuje textovou teoretickou část, technickou zprávu navrţených objektů, hydrotechnické výpočty a výkresovou dokumentaci.
KLÍČOVÁ SLOVA Ostrohranný přeliv, propustek, měrný ţlab, proudnicová přelivná plocha, ztráta třením po délce, místní ztráty
ABSTRACT The Higher vocational school and The Secondary School of civil engineering in Vysoké Mýto is going to build a hydraulic laboratory circuit which will be used especially for teaching students of hydraulics and hydrology. Laboratory will include several scaled down models which simulate especially hydraulic tasks with open-channel flow or flow in pipes. It specifically means simulation of spillway, flow-measuring flumes, culvert flow and mechanic energy loss simulation per length of pipe and at singularity flow. This thesis is focused on hydraulics of the simulated tasks, project documentation and hydraulic calculations preparing for all designed models. The documentation also includes laboratory equipment - instrument
3
carrier and service stairs. This thesis includes theoretical text part, technical report, hydraulic calculations and drawing part.
KEYWORDS Plate weirs, culver, flow-measuring flume, ogee-crested weir, energy loss per length of pipe, local energy loss …
4
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE VŠKP
HAVLÁT, Michal. Konstrukční návrh výukových modelů hydraulického okruhu laboratoře. Brno, 2013. 57 s., 51 s. příl. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodních staveb. Vedoucí práce Ing. Michal Ţouţela, Ph.D..
5
Prohlášení:
Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci zpracoval(a) samostatně a ţe jsem uvedl(a) všechny pouţité informační zdroje.
V Brně dne 24.5.2013
……………………………………………………… podpis autora Michal Havlát 6
PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat svému vedoucímu bakalářské práce, Ing. Michalu Ţouţelovi, Ph.D. za zapůjčení vhodné literatury, trpělivost a pomoc při tvorbě a úpravě celé práce a čas strávený konzultacemi. Také bych chtěl poděkovat svému bratrovi Pavlovi Havlátovi za podporu, jeho připomínky a poznatky z oboru strojírenství.
7
SEZNAM PŘÍLOH 1. PRŮVODNÍ ZPRÁVA 2. HYDRAULIKA NAVRŢENÝCH MODELŮ A OBJEKTŮ 3. TECHNICKÁ ZPRÁVA NAVRŢENÉHO KONSTRUKČNÍHO ŘEŠENÍ 4. HYDROTECHNICKÉ VÝPOČTY 4.1. Výpočet Q/h charakteristiky měrného ostrohranného přelivu 4.1.1. Ostrohranný přeliv s trojúhelníkovým výřezem 90° 4.1.2. Ostrohranný přeliv s trojúhelníkovým výřezem 53° 8´ 4.1.3. Ostrohranný přeliv s trojúhelníkovým výřezem 28° 4´ 4.1.4. Ostrohranný přeliv s obdélníkovým výřezem šířky 0,2 m 4.1.5. Ostrohranný přeliv s lichoběţníkovým výřezem 4.1.6. Q/h charakteristiky všech navrţených přelivů 4.2. Výpočet Q/h charakteristiky Scimemiho přelivné plochy 4.3. Výpočet Q/h charakteristiky Venturiho ţlabu 4.4. Výpočet proudění propustkem 4.4.1. Proudění s volnou hladinou po celé délce bez ovlivnění dolní vodou 4.4.2. Proudění s volnou hladinou a zahlceným vtokem bez ovlivnění dolní vodou 4.4.3. Tlakové proudění propustkem 4.5. Hydrotechnické výpočty ztrát mechanické energie místních a třením po délce ve výukovém okruhu 5. VÝKRESOVÁ DOKUMENTACE 5.1. Ostrohranné měrné přelivy 5.2. Upevňovací rám měrných přelivů 8
5.3. Model propustku 5.4. Scimemiho přelivná plocha 5.5. Scimemiho přelivná plocha – ţebro 5.6. Venturiho měrný ţlab 5.7. Měřicí vozík 5.8. Výukový okruh pro měření ztrát 5.9. Obsluţná lávka 6. SEZNAM POUŢITÉHO MATERIÁLU A PRVKŮ
9
SEZNAM POUŢITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ Symbol
Jednotka
Význam symbolu
Ce
-
součinitel přepadu určený z normy ČSN ISO 1438
h
m
výška, přepadová výška, hloubka vody
g
m/s2
m
-
součinitel přepadu
p
m
převýšení přelivné hrany nad dnem měrného ţlabu
S
m2
plocha, plocha průřezu
C
-
součinitel přepadu (vzorec SIA)
hn
m
návrhová přepadová výška
σz
-
součinitel zatopení
σs
-
součinitel šikmosti
b0
m
účinná šířka přelivu
h0
m
energetická přepadová výška; převýšení vtoku propustku nad dnem
tíhové zrychlení, v našich podmínkách g = 9,81 m/s2
koryta (kap. 2.4.2) v
m/s
rychlost
φ
-
rychlostní součinitel Venturiho ţlabu; rychlostní součinitel propustku
R
m
hydraulický poloměr
i0
-
sklon dna
ik
-
kritický sklon
hk
m
kritická hloubka
D
m
průměr potrubí
Q
l/s; m3/s
průtok 10
hc
m
sníţená hloubka vody za vtokem do propustku
Sc
m2
průtočná plocha v profilu se sníţenou hloubkou
χ
-
součinitel výškového zúţení
E
m
energetická výška
Δ
m
tlaková výška na výtoku z propustku; absolutní drsnost
ξ
-
součinitel místní ztráty
λ
-
součinitel tření (odporový součinitel)
hz
m
ztrátová výška
Re
-
Reynoldsovo kritérium
υ
m2/s
hm
m
rs
m
BSI
kinematická viskozita vody místní ztrátová výška středový úhel kolen poloměr zakřivení British Standards Institution – vzorec pro výpočet průtoku přes měrný ostrohranný přeliv s trojúhelníkovým výřezem 90°, 53°8‘, 28°4‘
SIA
Societé suisse des ingénieurs et architectes – vzorec pro výpočet průtoku přes měrný ostrohranný přeliv s obdélníkovým výřezem
PMMA
polymethylmethakrylát (akrylát) – materiál propustku
MVŢ
měrný Venturiho ţlab
DIN
Deutsche Industrie – Norm – německá národní norma
PA
polyamid
PP
polypropylen
PVC
polyvinilchlorid
11
SEZNAM POUŢITÝCH ZDROJŮ [1] BOOR, B., KUNŠTÁTSKÝ, J., PATOČKA, C. Hydraulika pro vodohospodářské stavby. 1. vydání, SNTL Praha, 1968 [2] ŢOUŢELA, M. Výstavba a provoz nové laboratoře Ústavu vodních staveb. Sborník příspěvků z 3. Vodohospodářské konference 2003, Práce a studie Ústavu vodních staveb FAST VUT v Brně, 2003, str. 341-351, ISBN 80-86433-26-9 [3] ŢOUŢELA, M. Návrh hydraulického okruhu laboratoře VOŠ stavební a SŠ stavební Vysoké Mýto. Výzkumná zpráva, LVV – FAST – VUT v Brně, 2011 [4] ČSN ISO 1438. Hydrometrie – Měření průtoku vody v otevřených korytech pomocí tenkostěnných přelivů. 2. vyd. Praha: Český normalizační institut 2008 [5] ČSN ISO 9826 Měření průtoku kapalin v otevřených korytech. Parshallovy žlaby a žlaby typu Saniiri. Praha: Český normalizační institut 1994 [6] ŠULC J. Doporučení k realizaci systémů pro stanovení průtoku využívajících vestavbových žlabů typu Venturi (hydraulická část). Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodních staveb, Laboratoř vodohospodářského výzkumu. Brno 2. 1. 2000 [7] KUNŠTÁTSKÝ J., PATOČKA C. Základy hydrauliky a hydrologie pro inženýrské konstrukce a dopravní stavby, 2. vydání, SNTL Praha, 1971 [8] SKALIČKA J., HOŘENÍ P. Ustálené tlakové proudění v potrubí s oblouky. 1. vydání, Výzkumný ústav vodohospodářský, Státní zemědělské nakladatelství, Praha 1985 [9] JANDORA, Jan; ŠULC Jan. Hydraulika: modul 01. Vyd. 1. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2006, 178 s. ISBN 978-80-7204-512-9 [10] HAMOUZ, Vladimír. Strojně – technologický návrh hydraulického okruhu laboratoře Vyšší odborné školy stavební ve Vysokém Mýtě. Brno, 2013. 61 s., 134 s. příl. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodních staveb. Vedoucí práce Ing. Michal Ţouţela, Ph.D. [11] http://www.gumex.cz/ [12] http://www.kanalizacezplastu.cz/, firma OSMA 12
[13] http://www.dyka.cz/ [14] http://www.ferona.cz/cze/index.php [15] http://www.mahr.cz/ [16] http://www.hilti.cz/holcz/ [17] http://www.omniplast.cz/ [18] http://www.blickle.cz/ [19] http://www.zabi.cz/
13
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV VODNÍCH STAVEB FACULTY OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF WATER STRUCTURES
PŘÍLOHA Č. 1 PRŮVODNÍ ZPRÁVA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS
AUTOR PRÁCE
MICHAL HAVLÁT
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2013
Ing. MICHAL ŽOUŽELA, Ph.D.
1. PRŮVODNÍ ZPRÁVA
OBSAH 1.
Úvod .................................................................................................................................... 2
2.
Současný stav ...................................................................................................................... 3
3.
Popis navrhovaného hydraulického okruhu [10] ................................................................ 4
4.
Popis navrhovaných modelů a objektů ............................................................................... 5
5.
Závěr ................................................................................................................................... 6
1
1. ÚVOD Vyšší odborná škola stavební a Střední škola stavební ve Vysokém Mýtě bude v budoucnu budovat hydraulický laboratorní okruh, který bude slouţit především pro výuku studentů hydrauliky a hydrologie. Součástí laboratoře bude řada zmenšených hydraulických modelů, které budou simulovat především úlohy hydrauliky s prouděním o volné hladině a proudění vody propustkem. Konkrétně se bude jednat o simulaci přepadu přes ostrohranný a proudnicový přeliv, zkoumání různých typů proudění kruhovým propustkem a měření průtoku ţlabovými objekty. Další úlohou práce je vytvoření výukového okruhu pro simulaci ztrát mechanické energie třením po délce potrubí a při protékání různými singularitami. Posledním cílem práce je návrh příslušenství k navrţenému měrnému ţlabu [10], konkrétně navrţení měřicího vozíku umoţňujícího pohyb měřicích přístrojů v podélném i příčném směru ţlabu a vytvoření obsluţných lávek pro lepší dostupnost a měření uvnitř měrného ţlabu. Součástí práce je výkresová dokumentace, hydrotechnické výpočty, jejich teoretický základ a technická zpráva ke všem navrţeným modelům a objektům. Bakalářská práce je zaměřena na vytvoření projektové dokumentace v dostatečném rozsahu pro výrobu a instalaci zmíněných prvků. V závěru práce je uveden seznam pouţitého materiálu a prvků. Základním podkladem pro návrh modelů a objektů je Strojně – technologický návrh hydraulického okruhu laboratoře Vyšší odborné školy stavební ve Vysokém Mýtě [10] od Ing. Vladimíra Hamouze.
2
2. SOUČASNÝ STAV Současný stav místnosti budoucí laboratoře je detailně popsán v práci [10]. Prostor budoucí laboratoře s půdorysnými rozměry (9,43 x 2,45) m a přibliţnou plochou místnosti 23,1 m2 se nachází v 1. NP budovy VOŠ stavební ve Vysokém Mýtě. Světlá výška místnosti je 3,19 m. Přístup z chodby je zajištěn vstupními dveřmi o šířce 900 mm. Na pravé straně (při pohledu ze vstupních dveří) je umístěna trojice oken (1500 x 1500) mm. Podlaha je tvořena čtvercovou dlaţbou.
3
3. POPIS NAVRHOVANÉHO HYDRAULICKÉHO OKRUHU [10] Z důvodu návaznosti této práce na projekt [10] si nyní uvedeme navrhovaný hydraulický okruh. V místech u vstupních dveří bude vybudována akumulační nádrţ s maximálním objemem 4,4 m3, která bude zároveň slouţit jako čerpací jímka pro dvojici ponorných odstředivých čerpadel Flygt. V rohu místnosti u vstupních dveří bude umístěn elektro – rozvaděč s dotykovým displejem pro snadné ovládání funkcí okruhu. Hydraulický okruh bude tvořen nerezovým potrubím DN50 a DN110, napájejícím tři měrné tratě s označením MŢ – měrný ţlab, V – výuka, R – rezerva. Měrný ţlab a rezervní trať bude primárně napájen potrubím DN100, výuková část okruhu pomocí DN50. Součástí okruhu budou také nezbytné armatury, zpětné a uzavírací klapky ovládané servopohony a indukční průtokoměry. Největším navrţeným objektem je hydraulický měrný ţlab. Celková délka ţlabu bude 6,45 m, z toho 5,65 tvoří měřicí část. Konstrukce ţlabu bude vytvořena z ocelových nosných a opěrných částí, skleněných stěn tloušťky 12 mm a nerezového dna tl. 2 mm. Rozměry průtočného profilu mezi stěnami budou (š x v) (366 x 400) mm. Na vrchní části ocelové konstrukce bude po celé její délce upevněna plochá ocelová tyč (40 x 5) mm slouţící jako kolejnice pro měřicí vozík. Rozchod kolejnic bude 432 mm. Druhou měrnou trať tvoří rezerva R napájená nerezovým potrubím DN110, která můţe být pouţita pro připojení různých modelů (např. jezová konstrukce, přehrada, atd.) umístěných na podlaze laboratoře. Poslední měrná trať zajišťuje přísun vody do výukového okruhu simulující ztráty mechanické energie místní a třením po délce, navrhovaného v této práci. Výukový okruh je napájen nerezovým potrubím DN50, opatřeného na konci nerezové části kulovým uzávěrem a nipplem 2‘‘ s vnějším závitem. Základní prvek celého okruhu bude tvořit dvojice ponorných odstředivých čerpadel Flygt, umístěných v čerpací jímce. Obě čerpadla budou schopna dodat aţ 36 l/s v závislosti na napájené trati. Čerpadla jsou označena ČM1 a ČM2. Regulace čerpaného mnoţství bude probíhat pomocí změny frekvence otáček rotoru čerpadla. Podrobnější informace o konstrukci ţlabu, měrných tratí, strojním vybavením a řízení laboratoře je uvedeno v [10]. 4
4. POPIS NAVRHOVANÝCH MODELŮ A OBJEKTŮ S ohledem na rozměry měrného hydraulického ţlabu, způsobu jeho napájení vodou, připojení výukové trati (příloha 1, kap. 3; [10]) a rozměry prostoru laboratoře (příloha 1, kap. 2; [10]) jsou navrţeny následující modely a objekty: 1) měrné ostrohranné přelivy a jejich uchycení v měrném ţlabu (nerezové provedení), 2) model propustku (akrylát PMMA), 3) Scimemiho přelivná plocha (nerezové provedení), 4) Venturiho měrný ţlab (nerezové provedení), 5) měřicí vozík, 6) výukový okruh pro simulaci ztrát mechanické energie (PP a PVC potrubí), 7) obsluţné lávky. Hydraulika simulovaných jevů je podrobně popsána v příloze č. 2 Hydraulika navrţených modelů a objektů, konstrukční řešení v příloze č. 3 Technická zpráva navrţeného konstrukčního řešení.
5
5. ZÁVĚR Při navrhování výukových modelů simulujících různé úlohy hydrauliky s prouděním o volné hladině či tlakovým prouděním je důleţité zohlednit mnoho hydraulických, ekonomických, technologických a provozních nároků i poţadavků. Konstrukce objektů by měly být s ohledem na jejich výrobu snadno proveditelné, avšak jednoduchost řešení se nesmí projevit v neţádoucích hydraulických parametrech nebo naměřených výsledcích. Pro potřeby výuky v laboratoři je významným argumentem ovlivňujícím volbu finální řešení projektu názornost hydraulických jevů probíhajících na modelech, snadný přístup k jednotlivým objektům a jednoduchost měřicí a zobrazovací technologie, která se odráţí v moţném zapojení studentů do výuky a měření. Před samotnou tvorbou konstrukčního řešení a projektové dokumentace je nutné pečlivé seznámení se simulovanými hydraulickými jevy, nároky na měření sledovaných veličin a současným (resp. projektovaným) uspořádáním laboratoře a měrného hydraulického ţlabu. Při návrhu je vhodné vycházet z dokumentací jiţ dříve realizovaných projektů, provedených měření, studií a poznatků různých autorů, coţ zamezí vzniku konstrukčních chyb, které byly zjištěny při dlouhodobém provozu hydraulických laboratoří a jednotlivých modelů. Nezanedbatelný vliv na pouţití různých materiálů, provedení spojů a uchycení objektů má poţadovaná ţivotnost a provozní nároky s ohledem na údrţbu, potaţmo výměnu některých částí. Snahou při tvorbě této práce bylo vytvoření řešení zohledňující v maximální moţné míře všechny zmíněné poţadavky. Výstupem bakalářské práce je kompletní projektová dokumentace v prováděcím stupni pro měrné ostrohranné přelivy, jejich upevnění v měrném hydraulickém ţlabu, model propustku, nerezové provedení Scimemiho přelivné plochy, měrný Venturiho ţlab, měřicí vozík, výukovou trať simulující ztráty mechanické energie a trojici obsluţných lávek. Součástí práce je hydraulika jednotlivých simulovaných jevů, hydrotechnické výpočty pro navrţené řešení modelů, technická zpráva a výkresová dokumentace umoţňující snadnou výrobu objektů.
6
