2.5. Cơ sở lý thuyết tính tốn hệ thống hút và phun đất vào đám cháy
2.5.3. Tính tốn quạt hút và phun đất
Để đạt được theo yêu cầu của quạt hút và phun đất, thì việc tính tốn quạt cần giải quyết hai vấn đề sau:
- Vấn đề thứ nhất: Lựa chọn tham số kết cấu của bản thân quạt để quạt tạo ra áp lực hút và phun lớn nhất;
- Vấn đề thứ hai: Sự phối hợp giữa quạt hút và hệ thống cắt đất, do vậy, khi thiết kế quạt hút, phun cần lấy áp lực hút ở cửa vào và áp lực phun ở cửa ra để tính tốn.
Để tính tốn quạt hút và phun cần căn cứ vào nguyên tắc sau:
-Lưu lượng đất, áp lực đất phun ở cửa ra lớn, tốc độ và hiệu suất của quạt cao;
- Công suất tiêu hao trên trục quạt hút và công suất hiệu dụng của động cơ tương đối gần nhau, đồng thời nhỏ hơn cơng suất tiêu chuẩn của động cơ từ đó để bảo đảm cho quạt hút và phun làm việc ổn định đáng tin cậy;
- Trọng lượng quạt nhẹ.
2.5.3.1. Các tham số kết cấu cơ bản của quạt hút và phun đất
Các tham số kết cấu chủ yếu quyết định tính năng của quạt, gồm: Đường kính ngồi cánh quạt D2, đường kính trong cánh quạt D1, góc cửa vào cánh quạt β1, góc cửa ra cánh quạt β2, số cánh quạt Z, độ rộng cánh quạt b1,
b2, độ rộng xoắn ốc, độ mở rộng A và diện tích vào của lồng bảo vệ, hình 2.16 là tham số kết cấu của quạt hút và phun đất chữa cháy rừng.
Hình 2.16: Các tham số kết cấu của quạt gió
2.5.3.2. Tính tốn áp lực hút của quạt hút và phun đất
Từ hình 2.17 ta thấy, trong quạt li tâm dịng khí được hút vào qua cửa hút đi vào trục chính trong quạt li tâm sau khi được cánh quạt nén lại và đẩy qua cửa thốt khí. Do vậy, gọi phía đầu cánh quạt phần tiếp xúc với chất khí là đầu hút khí, góc độ cánh quạt ở đầu hút khí được gọi là góc lắp ráp đầu
vào. Tương tự, đầu ra được gọi là đầu thốt khí, góc độ cánh quạt ở đầu thốt khí được gọi là góc lắp ráp đầu ra.
Góc lắp ráp đầu vào của cánh quạt được tạo bởi đường tiếp tuyến tại đường kính trong của quạt, với đường tiếp tuyết của cánh quạt tại điểm đầu vào của cánh gọi tắt là góc vào ký hiệu β1 hình 2.17.
Góc lắp ráp đầu ra là góc tạo bởi đường tiếp tuyến của đường kính ngồi của cánh với đường tiếp tuyến của cánh tại điểm đầu ra của cánh, gọi tắt là góc ra, ký hiệu β2.
Đối với quạt li tâm, góc lắp ráp đầu vào β1 và góc lắp ráp đầu ra β2 là 2 chỉ tiêu quan trọng quyết định hình dạng cơ bản của cánh quạt. Căn cứ vào hình dạng, căn cứ vào trị số lớn, nhỏ của góc β2 mà phân cánh quạt li tâm thành 3 dạng:
- β2 > 900 gọi là cánh cong về phía trước (hình 2.17a);
- β2 < 900 gọi là cánh cong về phía sau (hình 2.17b);
- β2 = 900 gọi là cánh hướng kính (hình 2.17c).
Hình 2.17: Mơ hình động lực học tính tốn áp lực quạt hút và phun đất
a - Cánh cong trước; b - Cánh cong sau; c - Cánh hướng kính
U1, U2 - tốc độ dài của dịng khí ở đường kính trong và đường kính ngồi cánh quạt;
W1, W2- tốc độ tương đối của dịng khí tại đầu vào và đầu ra của cánh quạt; C2u - tốc độ dài tại đầu ra.
* Xét ảnh hưởng của hình dạng cánh quạt đối với tính năng quạt
- Cánh cong trước (hình 2.17.a): Có góc cửa gió ra β2 > 900, do đó mà tạo nên tốc độ dịng khí tại đầu ra của cánh quạt C2u lớn hơn tốc độ dài do đường kính ngồi cánh quạt tạo nên U2, tức C2u > U2. Như vậy, lưu lượng và áp lực của chất khí tương đối cao. Nhưng do tốc độ tuyệt đối dịng khí tại đầu ra của cánh quạt C rất lớn, dẫn đến dịng khí thổi ra mạnh tạo nên dịng xốy, từ đó hiệu suất tương đối thấp, đồng thời gây nên tiếng ồn lớn.
- Cánh cong sau (hình 2.17b): Do góc cửa gió ra β2 < 900, nên hiệu suất cao, tiếng ồn nhỏ nhưng tốc độ dài C2u tại đầu ra của dịng khí nhỏ hơn tốc độ dài do đường kính ngồi cánh quạt tạo nên U2, tức C2u < U2. Do đó tốc độ tuyệt đối của dịng khí tại đầu ra C tương đối nhỏ, do vậy muốn đạt được áp lực và lưu lượng như quạt cánh cong trước thì u cầu đường kính cánh quạt phải tương đối lớn, từ đó kích thước của nó phải lớn hơn loại quạt cánh cong trước.
- Cánh hướng kính (hình 2.17c): Do góc ra β2 = 900, nên tốc độ dài của dịng khí tại đầu ra C2u bằng tốc độ dài do đường kính ngồi cánh quạt tạo nên U2, tức là C2u = U2. Với loại cánh quạt này tại đường vào khơng gây nên tổn thất va đập, tính năng của nó là trung gian của hai loại trên.
Áp lực của quạt gió là thơng số quan trọng nhất ảnh hưởng đến năng suất và vận tốc của dòng đất cát phun vào đám cháy, áp lực của quạt tạo ra chủ yếu phụ thuộc vào dạng cánh guồng, góc lắp ráp đầu vào và góc lắp ráp đầu ra.
2.5.3.3. Tính tốn vận tốc và áp lực của quạt hút và phun đất
a) Tính vận tốc của khơng khí đầu ra quạt hút và phun
Để tính tốn vận tốc đầu ra của quạt hút và phun đất, luận án lập sơ đồ tính tốn trên hình 2.18.
Hình 2.18: Sơ đồ tính tốn vận tốc khơng khí đầu ra quạt hút và phun đất
Các ký hiệu trong sơ đồ tính tốn tên hình 2.15 bao gồm:
- R1- bán kính đường trịn ngồi của guồng;
- R2 – bán kính đường trịn của cánh;
- Góc α được tạo bưởi bán kính R1 với đường nối tâm O và O1. Tốc độ tuyệt đối của dịng khí tại đầu ra được tính như sau:
C = Với
Ta có α = 180 - β2
Vận tốc tuyệt đối của dịng khí đầu ra được tính như sau:
(2.73)
Nhận xét: Vận tốc tuyệt đối của dịng khí đầu ra phụ thuộc vào góc α,
bán kính đường trịn ngồi của guồng R1 và góc lắp ráp đầu ra β2. Để xác định β
qui luật thay đổi vận tốc tuyệt đối đầu ra của quạt hút và phun đất cần khảo sát công thức (2.73), từ kết quả khảo sát tìn ra thơng số hợp lý của cánh quạt hút, phun đất.
b) Tính tốn áp lực của quạt hút và phun đất
Từ sơ đồ hình 2.15, áp lực của quạt hút và phun được tính theo cơng thức sau:
k (2.74)
Trong đó: Hk - Áp lực của quạt hút và phun, bar; η - Hiệu suất;
k - Hệ số tổn thất trở lực, k được tính theo cơng thức sau:
Trong đó: Z - Số cánh quạt;
ε - Hệ số (ε = 0,8 – 1);
r1 - Bán kính bên trong của cánh quạt; r2 - Bán kính bên ngồi của quạt. Theo định lý hàm số Sin hình 2.15a ta có:
C = (2.75)
Thay các số liệu vào cơng thức (2.74) ta có:
Hk = (2.76)
Nhận xét: Từ công thức (2.76) áp lực của quạt hút và phun phụ thuộc
vào dạng cách quạt gió, góc lắp ráp đầu ra β2, hệ số trở lực k, vận tốc dài dịng khí U2, khi vận tốc của cách quạt cao thì vận tốc dài cao, dẫn đến áp lực của quạt hút, đẩy cao. Để tìm qui luật ảnh hưởng của góc β2 đến áp lực cần thiết phải khảo sát phương trình (2.46), từ kết quả khảo sát tìm được góc lắp ráp đầu ra hợp lý.
2.5.3.4. Tính tốn số lượng cánh quạt
Số lượng cánh quạt có ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu về áp lực, lưu lượng, hiệu suất của quạt. Số lượng quá ít, thường làm cho góc khuyếch áp mở rộng dễ làm cho sự phân tầng ở đĩa ngồi của dịng khí, lúc này áp lực, lưu lượng và hiệu suất đều giảm đi. Số lượng cánh càng tăng, các chỉ tiêu trên đều tăng, nhưng sau khi số lượng cánh đã vượt quá số nhất định lại làm cho các chỉ tiêu bị giảm đi. Bởi vì số cánh tăng lên làm cho độ dài tương đối trong cánh tăng theo, làm giảm đi độ nghiêng của dịng khí tại đầu ra của cánh quạt, làm tăng cơ hội truyền tải năng lượng của cánh quạt đối với dịng khí. Do đó mà làm tăng áp lực và lưu lượng của máy quạt. Nhưng khi số cánh quá nhiều sẽ làm cho ma sát giữa cánh quạt với dịng khí và đất cát tăng lên. Như vậy, trở lực tăng dẫn đến áp lực và lưu lượng giảm đi. Cho nên số lượng cánh quạt có một giá trị tối ưu. Giá trị tối ưu của số cánh quạt có thể thơng qua mật độ cánh quạt (a0) để tính tốn:
Trong đó: l1- độ dài cung của cánh; - bước cánh trung bình;
Trong đó: D1- đường kính đầu vào cánh quạt; D2 - đường kính đầu ra cánh quạt; Z - số cánh quạt.
Thay công thức (2 .78) vào (2.77) ta được:
(2.77)
(2.78)
hay ( 2.79) Mật độ cánh quạt (a0) có thể lấy giá trị từ 1,2 - 1,8.
Nhận xét: Số lượng cánh quạt được tính tốn theo cơng thức lý thuyết (2.79), tuy nhiên đối với quạt hút và phun đất số lượng cánh quạt
ảnh hưởng rất lớn đến khối lượng đất phun, số lượng cánh lớn, áp lực cao, song va đập của cánh quạt với đất cát trong buồng quạt dẫn đến công suất động cơ tăng lên, từ đó tốc độ vịng quay của cánh quạt giảm đi, dẫn đến khối lượng và áp lực đất phun ra có thể bị giảm đi. Việc tính tốn tối ưu số lượng cánh quạt bằng lý thuyết là rất khó khăn. Trong luận án này sử dụng phương pháp thực nghiệm để tính tốn tối ưu số lượng cánh.
2.5.4 Tính tốn hệ thống hút đất
Áp dụng ngun lý tính tốn vận chuyển sản phẩm rời bằng sức gió trong tài liệu [35], từ sơ đồ tính tốn máy chữa cháy rừng bằng đất cát hình 2.1, luận án thiết lập cơng thức tính tốn của hệ thống đường ống hút đất như sau:
2.5.4.1. Khối lượng đất hút trong đường ống
Qm γ m
G = đ M
3600
(2.80)
Trong đó: Gm – Khối lượng đất hút trong đường ống (kg/s); Qm – Năng suất của hệ thống (m3/h);
– Trọng lượng riêng của đất (kg/m3);
đ
m- Hệ số liên tục, m = 1,2.
2.5.4.2. Thể tích khơng khí cần thiết để hút đất
(2.81) Trong đó: Q- Thể tích khơng khí (m3/s);
– Trọng lượng riêng của khơng khí (kg/m3);
B
- Hệ số đậm đặc của hỗn hợp đều và khơng khí ( =2 -5).
2.5.4.3. Đường kính ống hút được xác định theo cơng thức
D = (2.82)
γ
Trong đó: D- Đường kính ống hút (m);
v – Vận tốc khơng khí trong ống hút, m/s;
- Trọng lượng riêng của khơng khí ở trong đường ống.
H
Trong đó: -Áp lực đường ống (kg/m2); R- Hệ số (R = 29,27);
T – Nhiệt độ K.
Vận tốc v ở trong đường ống được tính theo cơng thức:
Trong đó: - Vận tốc cân bằng của hạt đất được tính theo cơng thức; ; với d – đường kính hạt đất.
2.5.4.4. Xác định vận tốc cần thiết của khơng khí trong ống
Vopt = a.c (2.83)
Trong đó: a- Hệ số cản trong ống (a = 1,23 – 1,25); c – Hệ số (c = 0,25 – 0,4).
Tóm lại: Khi thiết kế hệ thống hút đất, khối lượng của đất cát tính theo
cơng thức (2.80), thể tích khơng khí cần thiết tính theo cơng thức (2.81), đường kính ống hút được tính theo cơng thức (2.82), vận tốc của khơng khí trong đường ống được tính theo cơng thức (2.83)
2.5.4.5. Tính tổn thất áp lực trong đường ống hút đất
Theo tài liệu [35], tổn thất áp lực toàn phần của hệ thống được xác định như sau:
(2.84) Trong đó: - Tổn thất áp lực tồn phần, kG/m2;
- Tổn thất áp lực đoạn ống nằm ngang, kG/m2; - Tổn thất áp lực trong ống hút, kG/m2;
- Tổn thất áp lực đầu đường ống, kG/m2;
- Tổn thất áp lực đoạn đường ống cong, kG/m2; - Tổn thất áp lực van phân phối, kG/m2;
- Tổn thất áp lực đoạn chênh cao, kG/m2.
a) Tổn thất cột áp trong đường ống nằm ngang
Trong đó: – Cột áp cần thiết trên đoạn nằm ngang; (kG/m2); - Áp lực cần thiết để sạch đường
ống; - Hệ số cản cục bộ (=0,9);
- Hệ số cản đường ống; L – Chiều dài ống dẫn; D – Đường kính ống;
VB – Vận tốc khơng khí trong đường ống. Hệ số cản được tính theo cơng thức:
Trong đó: ; ; - Hệ số 0,01 – 0,08 b) Tổn thất áp lực trong ống hút c) Vận tốc khơng khí ở đầu ống (2.85) (2.86) (2.87)
d) Tổn hao áp lực ở đầu ống dẫn khí
e) Tổn hao áp lực ở đoạn ống cong
Trong đó: Km – Hệ số (Km = 1,8);
- Trọng lượng riêng của khơng khí ( = 1,2);
- Vận tốc của khơng khí ở chỗ cong; ; F – Diện tích ống dẫn (m2); - Hệ số cản cục bộ.
f) Tổn hao áp lực ở đoạn chênh độ cao
Trong đó: Ph – Tổn hao áp lực do độ chênh cao; vB- Vận tốc khơng khí trong ống (m/s);
vc- Vận tốc khơng khí cuối đường ống dẫn (m/s); h- Độ chênh cao đầu và cuối (m).
g) Tổn thất toàn phần của hệ thống
(2.88)
(2.89)
(2.90)
Thay các công thức (2.85); (2.86); (2.87); (2.88); (2.89); (2.90); vào công thức (2.84) ta xác định được cơng thức tính tổn hao cột áp toàn phần như sau:
2.5.4.6. Áp lực cần thiết cho quạt hút đất
Trong đó: Pct – Áp lực cần thiết của máy thổi khí;
C – Hệ số dự trữ (C = 1,05 – 1,1); – Tổn hao toàn phần, kg/m2;
2.5.4.7. Cơng suất cần thiết cho quạt hút đất
(2.93) Trong đó: N- Cơng suất cần thiết (kW );
k –Hệ số dự trữ (k= 1,2);
- Hiệu suất bộ truyền động ( = 0,9);
- Hệ số tổn thất do cánh quạt ( = 0,85);
- Lưu lượng cần thiết của máy hút khí.
2.5.5. Tính tốn hệ thống phun đất
Hệ thống phun đất bao gồm có quạt phun đất, ống thổi, căn cứ vào cấu tạo của máy ống thổi là ống sắt. Nguyên tắc tính tốn hệ thống phun đất cũng tương tự như tính tốn hệ thống hút đất.
2.5.5.1. Tổn thất áp lực tồn phần của hệ thống phun đất
(2.94) Trong đó: - Tổn thất áp lực toàn phần, kg/m2;
- Tổn thất áp lực đoạn ống nằm ngang, kG/m2; - Tổn thất áp lực cần thiết trên đường ống, kG/m2; - Tổn thất áp lực đầu đường ống, kG/m2;
- Tổn thất áp lực đoạn đường ống cong, kG/m2; - Tổn thất áp lực van phân phối, kG/m2;
- Tổn thất áp lực đoạn chênh cao, kG/m2.
a) Tổn thất cột áp trong đường ống nằm ngang
Pmn = Pφ + (∑ξ + λ γ
) B .V
; kG/m (2.95)
b) D 2g Tổn thất áp lực cần thiết trong đường ống vận chuyển đất cát
; (2.96) Trong đó: K là hệ số tra bảng (K= 0,5). c) Vận tốc không khí ở đầu ống ; m/s (2.97) d) Tổn thất áp lực ở đầu ống dẫn (2.98)
e) Tổn hao áp lực ở đoạn chênh độ cao
; kG/m2 2
B
2 (2.99)
Trong đó: Ph- Tổn hao áp lực do độ chênh cao; vB – Vận tốc khơng khí trong ống;
vc – Vận tốc khơng khí cuối đường ống dẫn; h- Độ chênh cao đầu và cuối;
- Trọng lượng riêng của hỗn hợp phun vào đám cháy.
f) Tổn hao áp lực toàn phần của hệ thống
Thay các công thức: (2.95); (2.96); (2.98); (2.99); vào cơng thức (2.94) ta có cơng thức tính tổn hao áp lực toàn phần như sau:
L γ L.γ .vγ . vP = P + (∑ξ + λ ) 2 2 B .V 2 ) + λ B B (1+ K.µ) + B đ (1+ 0,64.µ) + tp φ D 2g D.2g 2g (2.101)
Tóm lại: Vận tốc khơng khí trong đường ống được tính theo cơng thức
(2.97), tổn hao áp lực tồn phần được tính theo cơng thức (2.101).
2.5.5.2. Áp lực cần thiết của quạt phun đất
; kG/mB
2 (2.102)
Trong đó: Pct- Áp lực cần thiết của quạt thổi khí; C- Hệ số dự trữ (C=1,05 – 1,1);