THIẾT KẾ VÀ TÍNH TRỞ LỰC ĐƯỜNG ỐNG NƯỚC

Tính toán thiết kế đường ống nước nhằm xác định kích thước đường kính ống trên từng đoạn ống và xác định trở kháng thuỷ lực của toàn tuyến ống là tuyến có trở lực lớn nhất, lấy đó làm cơ

Chương 6 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TRỞ LỰC ĐƯỜNG ỐNG NƯỚC



6.1 Hệ thống đường ống nước lạnh

6.1.1 Phương pháp thiết kế

Việc tính toán đường ống nước về cơ bản rất giống với đường ống dẫn không khí, nghĩa là cần biết:

thuộc điều kiện cụ thể của công trình)

Tính toán thiết kế đường ống nước nhằm xác định kích thước đường kính ống trên từng đoạn ống và xác định trở kháng thuỷ lực của toàn tuyến ống (là tuyến có trở lực lớn nhất, lấy đó làm cơ sở để chọn bơm nước)

Có thể dùng phương pháp giảm dần tốc độ hoặc dùng phương pháp ma sát đồng đều giống như khi thiết kế đường ống dẫn không khí

Tuy nhiên, khi dùng phương pháp nào để tính toán thì tốc độ nước trong ống cũng không được chọn quá lớn để tránh tăng tiêu hao điện năng chạy bơm và tránh hiện tượng mài mòn ống Tốc độ nước trên các ống chính không nên quá 4 m/s và trên ống nhánh không nên quá 2 m/s Chọn tốc độ nước quá bé (hoặc chọn trở lực trên mỗi mét ống quá bé) sẽ làm tăng chi phí đầu tư cho đường ống và chi phí cách nhiệt đường ống

6.1.2 Lựa chọn hệ thống đường ống

Trong hệ thống điều hòa trung tâm nước có hệ thống đường nước lạnh (đường cấp và đường hồi) bao gồm: hệ thống tê cút và các phụ kiện khác Hệ thống này có nhiệm vụ tải nước lạnh từ bình bay hơi đến các bộ trao đổi nhiệt ở các phòng Tại đây diễn ra quá trình trao đổi nhiệt giữa không khí trong phòng và nước lạnh để đạt nhiệt độ yêu cầu thiết kế Hiện nay có rất nhiều cách bố trí hệ thống đường ống nước như hệ 2 đường ống, 3 đường ống, 4 đường ống, hệ hồi ngược…Mỗi một cách bố trí đều có những ưu nhược điểm riêng Hệ 3 đường ống, hệ 4 đường ống nhằm mục đích sử dụng lạnh và sưởi đồng thời ở các mùa giao thời cho các công trình quan trọng trong cùng một thời gian phòng này cần làm lạnh nhưng phòng khác lại cần để sưởi ấm Vì vậy với đặc điểm của công trình ta thấy hệ thống 2 đường ống và hệ hồi ngược là có khả năng ưu việt và tiện dụng nhất

Hệ hai ống: là hệ thống đơn giản nhất, gồm hai ống mắc song song còn thiết bị trao

đổi nhiệt mắc nối tiếp giữa hai ống Hệ thống chỉ thích hợp cho công trình vừa và nhỏ và yêu cầu chỉ làm lạnh mà không sưởi ấm Hệ thống này có ưu điểm là đơn giản, chi phí vật liệu nhỏ, nhưng có nhược điểm lớn là khó cân bằng áp suất bơm giữa các dàn vì nước

có xu hướng chỉ đi tắt qua các dàn đặt gần Do đó, cần đặt van điều chỉnh để cân bằng áp suất, chia đều nước cho các dàn

Hệ hồi ngược: giống hệ thống hai đường ống nhưng được bố trí thêm một ống hồi

ngược nên bảo đảm cân bằng áp suất tự nhiên trong toàn bộ các dàn do chiều dài đường ống qua các dàn lạnh bằng nhau Tuy nhiên nhược điểm của hệ thống này là tốn thêm một đường nước nên giá thành cao và thiếu khả năng lựa chọn giữa làm lạnh và sửa ấm

Với các phân tích trên, trong đồ án này ta chọn hệ thống 2 đường ống để thiết kế.

6.1.3 Vật liệu đường ống

Ta chọn vật liệu dẫn nước lạnh là ống thép đen loại 40ST ( 40 schedule tiêu chuẩn)

Bảng 6-1 Vật liệu ống dẫn nước

Các lọai ống thép đen có nhiều loại với độ dày mỏng khác nhau Theo mức độ dày người ta chia ra làm nhiều mức khác nhau từ Schedul 10 đến Schedule 160, được phân thành hai loại: ST là ống có độ dày tiêu chuẩn, XS là ống có chiều dày rất lớn

6.1.4 Thiết kế đường ống

Sử dụng phương pháp ma sát đồng đều để tính toán đường kính ống nước Ta chọn vật liệu dẫn nước lạnh là ống thép đen loại 40ST ( 40 schedule tiêu chuẩn) Tổn thất áp suất trên 1m ống thép đen biểu số 40 tiêu chuẩn là ∆P1 ≤ 1000 Pa/m Đầu tiên ta chọn vận tốc ban đầu để tính ( tốc độ nước chảy trong ống không vượt quá 4,5 m/s để tránh gây ồn

và tổn thất áp suất lớn Sau đó với lưu lượng thể tích đã biết và vận tốc ban đầu đã chọn

ta sẽ xác định được đường kính ống sơ bộ Từ đường kính sơ bộ vừa tính được ta chọn đường kính ống nước tiêu chuẩn đang có trên thị trường Sơ đồ bố trí đường ống nước được trình bày trong bản vẽ mặt bằng thông gió các tầng

6.1.4.1 Thiết kế đường ống trục

Quãng đường đi của nước cấp được chia làm 2 nhánh cấp từ tầng 1 đến tầng 5 Hai đường nước cấp có cùng đường kính, cung cấp nước lạnh cho các FCU và được chia đều cho các khu vực của mỗi tầng Đường nước cấp chính ( đường ống trục) đi lên các tầng kí

ký hiệu là A-B-C-D-E-F-G, sau đó qua ống hồi trở về bơm Các rẽ nhánh từ C, D, E, F, G

đi vào các tầng tương ướng lần lượt là tầng 1, tầng 2, tầng 3, tầng 4, tầng 5

Xác định lưu lượng qua các đoạn ống

 Lưu lượng nước qua các tầng

Ta chọn sự giảm nhiệt độ nước trung bình bốc hơi (cũng như trong các FCU )

0

5

p t

Q G

C



Trong đó:

 Cp = 4,18 kJ/kg.K: nhiệt dung riêng của nước



0

5

Tổng lưu lượng nước qua máy lạnh G0 với tổng công suất lạnh tính toán Q0 = 1139,95 kW

0 0

1139,95

54, 46 ( / ) 54, 46( / ) 4,186.5

p t

Q

C



Bảng 6-2 Lưu lượng nước của các tầng

 Lưu lượng nước trên đường ống chính:

 Đoạn CD: GCD = GABC – G1

 Đoạn DE : GDE = GCD – G2

 Đoạn EF: GEF = GDE – G3

 Đoạn FG: G= = GEF – G4

 Đoạn GH: GGH = GFG

Bảng 6-3 Lưu lượng nước trên đường ống chính

Xác định đường kính ống

Tốc độ nước chuyển động trong đường ống phụ thuộc vào hai yếu tố:

- Độ ồn do nước gây ra: khi tốc độ cao độ ồn lớn, khi tốc độ nhỏ kích thước đường ống

lớn nên chi phí tăng

- Hiện tượng ăn mòn: Trong có lẫn cặn bẩn như các và các vật khác, khi tốc độ cao khả

năng ăn mòn rất lớn

Bảng 6-4 Vân tốc nước trong ống ở từng vị trí khác nhau

Tốc độ nước chảy trong ống không vượt quá 4,5m/s (để tránh gây ồn và tổn thất áp suất lớn) Do đó ta vận tốc đầu của nước trong ống là:  n 2m s/ 

Vật liệu làm ống dẫn nước lạnh là ống thép đen loại Schedule 40 theo bảng 10.2

[TL-2] hay tiêu chuẩn BS 1387 class M.

Đường kính ống dẫn: trên cơ sở lưu lượng và tốc độ nước trong từng đoạn ống, ta tiến hành xác định đường kính trong của ống như sau:

4

,

G

  



(6.2) Với: n  1000kg m/ 3

: khối lượng riêng của nước

G :lưu lượng nước trên từng đoạn ống, kg/s

n

 : vận tốc của nước chuyển động trong ống, m/s

Tầng hầm có đường kính ống nước:

0

G

  

Vậy với d = 183 (mm) ta chọn ống có đường kính danh nghĩa thực tế là DN = 200

Bảng 6-5 Thống kê kích thướt đường ống nước lạnh

Đoạn ống Lưu lượng, l/s d tính toán, mm d thực, mm v thực, m/s

6.4.1.2 Thiết kế đường ống nhánh cho các tầng

Tại tầng 1, đường ống chính cấp vào tầng này là đoạn C-C1 Từ đoạn ống này được phân thành hai nhánh có kí hiệu là: C-C1-C2-C3-C4-C5 và C-C1-C6-C7-…-C17 đi cấp cho các FCU trong phòng

Thông qua các FCU đã chọn ta tính được lưu lượng qua các đoạn ống Ta chọn vận tốc trong ống là 2m/s, khi đó đường kính ống được xác định theo công thức:

4.

.

G d

  



Bảng 6-6 Kết quả tính toán đường ống nhánh tầng 1

Tại tầng 2, đường ống chính cấp vào tầng này là đoạn D-D1 Từ đoạn ống này được phân thành hai nhánh có kí hiệu là: D-D1-D2-D3-D4-D5 và D-D1-D6-…-D21 đi cấp cho các FCU trong phòng

Bảng 6-7 Kết quả tính toán đường ống nhánh tầng 2

Do tầng 3 và tầng 4 như nhau nên khi thiết kế đường ống nhánh ta chỉ cần tính cho một tầng

Tại tầng 3, đường ống chính cấp vào tầng này là đoạn E-E1 Từ đoạn ống này được phân thành hai nhánh có kí hiệu là: E-E1-E2-E3-E4-E5 và E-E1-E6-…-E16 đi cấp cho các FCU trong phòng

Bảng 6-8 Kết quả tính toán đường ống nhánh tầng 3,4

E16-E15 0.433 16.6 20 1.38

Tại tầng 5, đường ống chính cấp vào tầng này là đoạn G-H Từ đoạn ống này được phân thành hai nhánh có kí hiệu là: H-H1-H2-H3 và H-H4-H5-H6-H7 đi cấp cho các FCU trong phòng

Bảng 6-9 Kết quả tính toán đường ống nhánh tầng 5

6.1.5 Tính trở lực đường ống nước lạnh

Hiện nay có hai phương pháp chính để tính toán tổn thất áp suất trên đường ống nước là:

 Phương pháp hệ số trở kháng

Trong đồ án này ta sử dụng phương pháp đồ thị Phương pháp này mặc dù có độ chính xác kém hơn phương pháp hệ số trở kháng, nhưng lại có ưu điểm nổi bật là cách xác định nhanh, tính toán ngắn gọn hơn và sai số so với phương pháp hệ số trở kháng nhỏ hoàn toàn có thể chấp nhận được

Khi biết hai trong ba thông số là: lưu lượng, đường kính, vận tốc trên đường ống nước lạnh, bằng cách tra đồ thị hình 6-1 ta tìm được tổn thất áp suất trên 1m đường ống

Tổng trở kháng thủy lực (tổn thất áp suất) đường nước từ bơm đến các FCU rồi về lại bơm p gồm:

Δp = Δpp = Δp = Δppca + Δp = Δpph + Δp = ΔppFCU + Δp = ΔppBH (6.3)

Trong đó:

Δp = Δppca – trở lực (ma sát và cục bộ) đường nước cấp từ bơm tới FCU cuối cùng;

Δp = Δpph – trở lực đường nước hồi từ FCU cuối cùng về bơm;

Δp = ΔppFCU – trở lực của FCU hoặc AHU cuối cùng (xa bơm nhất mà ta giả thiết trở lực của nước đi từ bơm tới đây sẽ có giá trị lớn nhất;

Δp = ΔppBH – trở lực khi nước qua bình bốc hơi của máy lạnh

Hình 6-1 Tổn thất áp suất (Pa/m) trên ống dẫn thép đen Schedule 40

Để tính toán trở lực đường ống ta chọn đường ống nước đi từ bơm qua bình bốc hơi của chiller rồi vào ống cấp từ dưới lên qua tầng hầm, 1, 2, 3, 4, 5 và vào FCU cuối cùng của tầng 5 Quãng đường đi của nước cấp ta kí hiệu A-B-C-D-E-F-G-H-H4-H5-H6-H7-H8 sau đó qua ống hồi trở về bơm

6.1.5.1 Trở lực đường nước cấp p ca

Tổn thất áp suất trên đường ống cấp

Trong đó:

pms: Tổn thất ma sát trên đường ống nước;

pcb : Tổn thất cục bộ trên đường ống nước;

a Tính tổn thất ma sát đường ống nước cấp

Tổn thất ma sát đường ống nước được xác định theo công thức:

Trong đó:

l - tổng chiều dài đoạn ống tính toán, m;

1

p

 - tổn thất áp suất ứng với 1m chiều dài ống., Pa/m

Trên đoạn ống ABC với lưu lượng L = 54,46 l/s, đường kính danh nghĩa dy=200 Tra đồ

thị tổn thất áp suất (Pa/m) trên ống dẫn thép đen Schedule 40 [Tl-2], ta tìm được ∆P1 =

170 Pa/m

1

Bằng cách tính toán tương tự với những đoạn ống khác ta có kết quả tính tổn thất ma sát trên đường ống cấp như sau:

Bảng 6-10: Tổn thất ma sát đường ống nước cấp

b Tính tổn thất áp suất cục bộ đường ống nước cấp

Tổn thất áp suất cục bộ được xác định theo công thức:

∆pcb = ltđ.∆p1, Pa (6.6) Trong đó:

ltđ ‒chiều dài tương đương nơi xảy ra tổn thất áp suất cục bộ, m;

∆p1 ‒ Tổn thất áp suất trên 1m chiều dài ống, Pa/m;

Tổn thất cục bộ chủ yếu qua cút, tê, van Ở đây để đơn giản ta chỉ tính cho tê và cút, còn tổn thất qua van ta sẽ tính riêng ở phần sau

Đoạn ống ABC: có 6 cút 900loại tiêu chuẩn, ứng với đường kính danh nghĩa dy = 200

mm Bằng cách tra bảng 10.11 chiều dài tương đương của tê, cút trong [TL-2]

 ltđ = 6.6,096 = 36,576 m

Vậy tổn thất cục bộ trên đoạn ống ABC: ∆pcbABC = ltđ.∆p1= 36,576.170= 6217,92 Pa

Đoạn ống CD: Tại C có trở lực với dòng đi thẳng qua khi qua cút T với đường kính không đổi dy = 200 mm Bằng cách tra bảng 10.11 chiều dài tương đương của tê, cút trong [TL-2] ltđ = 3,962 m

Vậy tổn thất cục bộ trên đoạn ống CD: ∆pcbCD = ltđ.∆p1= 3,962.100 = 396,2 Pa

Tính toán tương tự cho những đoạn ống khác ta có kết quả tính tổn thất cục bộ trên đường ống cấp như sau:

Bảng 6-11 Tổn thất qua tê, cút trên đường ống nước cấp

0

T nhánh chính ltđ, m

T rẽ nhánh

ltđ, m

∆P, Pa/

số lượng ltđ, m

Tổng trở lực đường ống nước cấp

pca = pms + pcb= 52750 + 17392,88 = 70142,88 Pa = 70,14 kPa

6.1.5.2 Trở lực đường nước hồi p h

Tổn thất áp suất trên đường ống hồi

Trong đó:

pms: Tổn thất ma sát trên đường ống nước;

pcb : Tổn thất cục bộ trên đường ống nước;

a Tính tổn thất ma sát đường ống nước hồi

Tổn thất ma sát đường ống nước được xác định theo công thức:

Trong đó:

l - tổng chiều dài đoạn ống tính toán, m;

Như tính toán ta biết đường kính và chiều dài của ống cấp và ống hồi nước lạnh đều giống nhau nên ta sẽ có: pmscấp = pms hồi = 52750 Pa

b Tính tổn thất cục bộ trên đường ống nước hồi

Tổn thất áp suất cục bộ được xác định theo công thức:

Trong đó:

ltđ ‒chiều dài tương đương nơi xảy ra tổn thất áp suất cục bộ, m;

∆p1 ‒ Tổn thất áp suất cho 1m chiều dài ống, Pa/m;

Bằng cách tính tương tự, ta tính được trở lực cục bộ tại cút và T trên đường ống hồi gần bằng trở lực cục bộ tại cút và T trên đường ống cấp:

∆pcb cáp ∆pcb hồi = 17392,88 Pa

Tổng trở lực đường ống nước hồi

ph = pms + pcb= 52750 + 17392,88 = 70142,88 Pa = 70,14 kPa

6.1.5.3 Trở lực cục bộ qua hệ van của FCU, Chiller, bơm, đoạn ống GH

Hình 6-2 Chi tiết đấu nối điển hình cho FCU

 Sơ đồ kết nối Chiller

Hình 6-3 Chi tiết đấu nối điển hình cho Chiller

Hình 6-4 Chi tiết đấu nối điển hình cho Bơm

Hình 6-5 Các thiết bị trong sơ đồ kết nối

Tại chiller :

- Trở lực van cân bằng: Δp = ΔpP = 0,1 bar = 104 Pa

- Trở lực qua phin lọc: từ dy = 200mm, tra bảng 10.10 chiều dài tương đương của các loại van (mét đường ống) tìm được ltd = 45,72 m Δp = Δppcb = 45,72.170 = 7772,4 Pa

- Trở lực đồng hồ đo áp suất, đồng hồ đo nhiệt độ, điểm kiểm tra, công tắc dòng chảy, van xả đáy ( tính như khi qua T với đường kính không đổi)

- Trở lực đồng hồ đo áp suất: từ dy = 200 mm, bằng cách tra bảng 10.11 chiều dài tương đương của tê, cút trong [TL-2] tìm được ltđ = 3,962 m

 ∆pcb = ltđ.∆p1= 2.3,962.170 = 1347,08 Pa

- Trở lực của van xả khí ( tính như van cổng): từ dy = 200mm, tra bảng 10.10 chiều dài tương đương của các loại van (mét đường ống) tìm được ltd = 2,743 m

 Δp = Δppcb = 2 2,743.170 = 932,62 Pa

- Trở lực qua van bướm:

Với G = 54,46 l/s = 54,46.10-3 m3/s = 863,191 gpm Từ dy = 200 mm8 inch, tra đồ thị ta thấy trở lực qua van bướm quá bé nên có thể bỏ qua khi tính toán

Tính toán tương tự với sơ đồ kết nối FCU và Bơm ta có bảng kết quả tính toán trở lực cục

bộ qua hệ van như sau:

Bảng 6-12 Tổn thất cục bộ qua hệ van

Van cân bằng

Hình 6-6 Bảng tra tổn thất van bướm

 Trở lực đường ống nước lạnh

Δp = Δpp = Δp = Δppca + Δp = Δpph + Δp = Δppvan+ Δp = ΔppFCU + Δp = ΔppBH

Trong đó:

 Δp = ΔppFCU = 29,4 kPa (tổn thất áp suất của FCU cuối cùng)

 Δp = ΔppBH = 64 kPa ( tổn thất áp suất của bình bay hơi của 1 chiller)

 Δp = Δpp = 70,14+70,14+56,12+29,4+64 = 289,8 kPa = 29,54 mH2O

6.1.6 Chọn bơm nước lạnh

Bơm nước lạnh có nhiệm vụ là tuần hoàn nước lạnh đã được làm lạnh ở bình bay hơi tới các FCU trong tòa nhà để làm lạnh không khí Bơm nước lạnh sử dụng trong các hệ thống điều hòa không khí thường là bơm ly tâm Bơm ly tâm có ưu điểm là có cột áp lớn,

có thể cung cấp nước cho các tòa nhà cao tầng dễ dàng

Bơm nước lạnh chọn phải thỏa mãn yêu cầu về năng suất và cột áp tổng của hệ thống Bơm làm việc càng gần điểm có hiệu suất tối đa càng tốt trong suốt quá trình vận hành Một điều nữa là tiếng ồn của bơm càng nhỏ càng tốt, đặc biệt là trong điều hòa không khí tiện nghi Việc tính chọn bơm phải làm sao để giảm được tiếng ồn nhỏ nhất vì tiếng ồn trong hệ thống đường ống nước rất khó khắc phục Thường bơm có tốc độ nhỏ thì ít ồn, nhưng phải dảm bảo được năng suất và cột áp yêu cầu

2

1,1.29,54 32, 49 0

yc

H    p  mH

Với :  là hệ số dự phòng, chọn 10%

∆p: trở lực trên đường ống nước, ∆p = 29,54 mH20

 Lưu lượng nước qua mỗi bình bay hơi: G = 54 l/s = 194,4 m3/h

3 2

194, 4 /

32, 49 0

  







Tra catalog của hãng ta chọn bơm có thông số kỹ thuật như sau

Hình 6-7 Bơm ly tâm nguyên khối