Về mặt thủy lực, đường ống được gọi là dài khi trong đoạn ống đó, tổn thất dọc đường (hj) là chủ yếu, tổn thất cục bộ (h(.) chiếm không quá 5 10% tổn thất dọc đường. Vì vậy, ở ống dài, tổn thất cục bộ không cần tính riêng, m à chỉ lấy bằng 5 10% tổn thất dọc đường tùy theo tình hình cụ ihể. Do đó. tổn thất cột nước toàn phần trong đường ống dài sẽ là:
h , = E h j + S h , = (1, 05^ 1.10) (6-1) Nhiệm vụ tính thủy lực là xác định đường kính ống và tổn thất cột nước.
Xuất phát từ công thức Sezi, công thức cơ bản để tính ống d á i đơn giản (ống có đường kính và lưu lượng dọc theo nó không tha>' đổi) sẽ là:
Q = K V I (6-2)
trong đó: Q - lưu lượng chất lỏng chầy trong ông;
J - ^ - độ dốc thủy lực (/ là chiều dài ống);
K = coC V r - m ôđun lưu lượng (co, R, c lần lượt là: diện tích m ặt cắt ngang, bán kính ihủy lực của ống và hệ số Sezi).
Trong (6-2), Q và K lấy cùng m ột đơn vị;
(m^ỉs hoặc l/s).
Từ (6-2) suy ra công thức tính tổn thất dọc đường:
ip-J
a)
c , d
H (Pa)
K Xét hai đại lượng:
1. Đ ộ dốc thủy lực J: J = hd H / /
( 6 - 3 )
( 6 - 4 )
V
b) (Pa) H
\7 * ---
c .d
trong đó: H là độ chênh của cột nước đo áp ở dầu và cuối đoạn ống có chiều dài / (hình 6- la, b).
Hình 6-1
2. M ôđun lưu lượng K. Trong điều kiện ống tròn, với dòng chảy trong ống ở khu sức cản bình phương, ta có:
K = cùC Vr = K (d ,n ) (6-5)
nghĩa là K chỉ phụ thuộc đường kính ống và hệ số nhám . Đ ể cho việc tính toán đỡ mất thì giờ, người ta lập sẵn các bảng K = K(d, n) (phụ lục 6-1). Dùng bảng này, từ d, n có thể tìm ngay được K và ngược lại.
Nếu dòng chảy trong ống ở vào khu sức cản khác, chẳng hạn ở khu quá độ giữ a thành trơn và thành nhám , ta vẫn dùng các công thức và bảng nói trên để tính Q và H , nhưng thêm vào các hê số sửa chữa 0| và 02 = ^ , tức là:
0, Q = 6iK V j
H = 0 2^ / (6-6)
K '
Theo Ph. A.Sêvêlép, về cơ bản, các hệ số 6| và 0 2 phụ thuộc lưu tốc V ở trong ống; các trị số 0], 02 cho ở phụ lục 6-2. Ta thấy, đối với ống có d, n xác định, nếu lưu tố c trong ống V > Vgị^ (lưu tốc giới hạn) thì dòng chảy thuộc khu sức cản bình phương. T rị sô' Vgi, cho ở bảng (4-3) (chương IV).
N hư vậy, đối với các ống dẫn nước thường dùng, có thể lấy Vgf, ~ l,2 m /s.
Các bài toán cơ bản trong tính toán thuỷ lực đường ống:
Bài toán 1: Xác định Q khi biết H, d;
Bài toán 2: Xác định H khi biết Q, d;
Bài toán 3: Xác định d khi biết Q, H; đường kính ống phải chọn theo đường k ín h tiêu chuẩn có trị số gần nhất với đường kính d tính ra, và lớn hơn đườiig kính này (trong trường hợp d„-„hra ^ ,huấn)- Sau đó phải tính lại Q hoặc H.
N goài những bài toán cơ bản nói trên, trong nh iều trường hợp (nhất là khi tính m ạng lưới ống), ta phải xác định d và H trong khi chỉ biết Q. V iệc chọn đường kính d theo lưu lượng Q trong trường hợp này phải xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật và kinh tế.
Trong tất cả các bài toán, các đại lượng /, n được coi là biết trước.
Trong ống dài nối tiếp (hình 6-2), tổn thất cột nước toàn phần (H) bằng tổng số tổn thất cột nước trên từng đoạn ống:
H = H, + Ho + H , + ... + (6-7)
hay; H = = (6-8)
Trong ống dài nối song song (hình 6-3) lưu lưọfng chung (Q) bằng tổng lưu lượng trong các nhánh:
Q = Q i + Q 2 + Q s + ' + Q n ( 6 - 9 )
Còn tổn thất cột nước trong các nhánh đểu bằng nhau và bằng độ chênh của cột nước H ờ hai nút;
hay;
H, = H o = H , = = = H
Q .
(6-10)
K?
K ị
H = ^ / n K l "
(6-11)
Với hệ thống phương trình (6-9) và (6-11) gồm (n + 1) ẩn, ta xác định được cột nước H và các lưu lượng trong từng nhánh Q |, Q j , Qn-
Từ (6-11) ta suy ra:
Q2 U ỉ K f
(6-12)
nghĩa là: lưu lượng trong các nhánh của đường ống dài nối song song được phân phối tỷ lệ nghịch với căn bậc 2 của sức cản thủy lực.
H ink 6-2 H ình 6-3
Đối với đường ống dái tháo nước liên tục (hình 6-4), tổn thất cột nước H vẫn tính theo (6-3), tức là:
h = q ;2 1 K
trong đó: là lưu lượng tính toán, xác định theo công thức gần đúng:
Q„ ô Q , + 0,55Q ,h
(6-13)
(6-14)
ở đây: - "lưu lượng m ang đi", tức lưu lượng ra ở cuối ống;
Qth - "lưu lượng tháo ra", tức lưu lượng th áo ra dọc đường ống.
Trong (6-13), K vẫn lấy theo phụ lục 6-1 ứng với d, n đã cho.
Trong trường hợp = 0, ta có:
H = (6-15)
3
Đ ối với m ạng đường ống chia nhánh (hình 6-5), nhiệm vụ tính toán vẫn là xác định đường kính d và tổn thất cột nước cho từng đoạn ống trong các điều kiện cho trước sau đây: sơ đồ m ạng ống (chiều dài các đoạn lị, cao trình các đ ịa điểm Z j) ; lưu lượng tại các điểm tiêu thụ Qj: cột nước tự do tại các điểm này;
Pdi
Tính toán dựa vào'hai nguyên tắc:
- Tại các nút (điểm chia nhánh): lưu lượng đến nút bằng lưu lượng đi khỏi nút:
l Q đ ế n = S Q đ . (6-16)
hay ỵ q = 0 (6-17)
(núl)
nếu ta quy ước > 0, còn Qdi < 0.
- Trên đường ống nối tiếp:
= S h j| (6-18)
M ạng đường ống này được chia làm đường ống chính và các ống nhánh. Tính cho đường ống chính trước, ống nhánh sau. Có thể gặp m ột trong hai trường hợp sau:
1. C hiều cao tháp chứa chưa biết:
nhiệm vụ lúc này là xác định các đường kính dj, do đó tính được tổn thất cộ t nước h^i cho các đoạn ống để tìm ra cao trình mực nước cần thiết ở tháp chứa. Đ ối với các đoạn của đưòfng ống chính, ta gặp bài toán: biết Q , tìm d. Sau đó ta tính cho các ống nhánh còn lại với cột nước hai đầu ống đ ã biết (bài toán 3).
Chiều cao tháp chứa sẽ là:
Xem ví dụ ở bài toán 6-6.
h, = V ' - V , (Art) (6-19)
2. Chiều cao tháp chứa đỡ biết. Lúc này la xác định độ d ốc th ủ y lực trong từng đoạn ống của ống chính theo công thức:
i ''ông chính
và xác định đường kính d, của từng đoạn ống theo m ôđun lưu lượng K| của nó (bài toán 3):
K, = (6-2 1)
trong đó: Q, là lưu lượng trong từng đoạn ống. Sau đó, việc xác địn h đường kính của ống nhánh cũng dẫn đến bài toán 3.
Đối với mạng dường ống đóng kín (hình 6-6) gồm một hay nhiều vòng kín thì tính toán phức tạp hcfn, vì trong nhiều đoạn ống, cả trị số lưu lượng và hướng nước chảy đều chưa biết. Những điều kiện cho trước và nhiệm vụ tính toán g iống như đối với m ạng đưòfng ống chia nhánh. Việc tính toán dựa vào hai nguyên tắc:
- 'í'ai các nút: (6-17)
(nút)
- Trong một vòng kín, đường đo áp (tức đuờĩig tống cột nước) phải là đường khép kín, do đó, ta viết được;
E hd, = 0 (6-2 2)
(vòng kin)
với quy ước là trong vòng kín, nếu ta chọn mộl chiéu làm chiều dương, thì trong đoạn ống nào nước chảy cùng chiều này. trị số l\) irên đoạn đổ lấy là dương, và ngược lại. Từ hai nguyên tắc đó, ta có hai phương pháp lín h : hoặc tự ý phân phối lưu lượng trong các đoạn của một vòng kín sao cho điều kiện (6-17) được thoả m ãn, rồi kiểm tra lại tổn thất cột nước iheo điều kiện (6-2 2), hoặc phân phối lưu lưcjìig xuất phát từ điều kiện (6-2 2) rồi kiểm tra lại lưu lượng ở các nút theo (6-17). Theo phương pháp thứ nhất tiện hơn.
Đây là ví dụ về cách tính theo phưong pháp 1 cho trưcjfng hợp đơn giản nhất; m ạng chỉ gổm một vòng kín (hình 6-7). Trong đoạn DE (hình 6-7a) chẳng những chưa biết trị số Q mà hướng nước chảy cũng chưa biết. Nếu tưởng tượng chặt đứt vòng kín ở điểm E (hình 6-7b) thì lượng nước cung cấp cho điểm E sẽ đi từ hai chiều ngược nhau, theo hai nhánh BCDE và BGE (ở đây ta tính cho vòng kín BGEDC). Ta tự ý phân phối lưư lượng;
irên đoạn DE lưu lượng là s Qi:, còn trên đoan GE là {1 - s )Qj; . trong đó e là hệ sô' tự định. Tiếp đó, tính h^i trong hai nhánh và so sánh chúng v ới nhau. Nếu chúng bằng nhau thì trị số £ đã chọn là đúng, còn nếu chúng không bầng nhau thì phải chọn lại hệ số 8 clio tới khi chúng bầng nhau thì thỏi. Chẳng han, nếu qua việc chọn 8 lần đầu (£ |), ta tính được , Ihì trong lần chọn c thứ hai ( £2)- ta phái giảm lưu lượng trên đoạn DE và lãng lưu lượng cho đoạn GE, nghĩa ỉà phải lấy 82 < E 1- Nếu trong bài loán, các đường kính d là chưa biết thì phải chon cá s \ ’à d rồi thử dần.
Nếu bài toán gồm nhiều vòng kín thì việc tính toán phức tạp hơn nhiều.
Xem ví dụ ở bài toán 6-7.
a) —
Qo
m T T T T
Q' Qc^
t B 1
c: D
Q' Q, b)
--- / F Qf
H 1
B 1
C: D
H ình 6-6 H inh 6-7
V ề tính toán k ỹ thuật - kinh t ế cho đường ống.
X uất phát từ lưu lượng, việc chọn lưu tốc nước chảy trong đường ống để từ đó ch ọ n ra được đường kính ống hợp lý nhất có ý nghĩa thực tế rất lófn. Việc chọn trị số lưu tố c lợi nhất phải được giải quyết bằng cách so sánh các phương án về mặt kỹ thuật - kinh tẽ'.
Đường kính lợi nhất của đưòfng ống là đường kính m à với nó, tổng chi phí hàng nãm s (gồm các chi phí về khai thác ống Sj và tiển khấu hao vốn đầu tư Sj) là bé nhất.
Phần S| gồm:
+ G iá thành năng lượng dùng bơm nước S'i (chiếm phần chủ yếu trong S[):
s ; = {đổng!năm ) (6-23)
lOOOĩỊ
trong đó: y - trọng lượng riêng của chất lỏng (N/m^y, Q - lun lượng chất lỏng
H - tổn thất cột nước trong hệ thống đường ống (m);
T| - hiệu suất của hệ thống bơm;
t - số giờ bofm chạy trong m ột năm {hỉnăm)-,
m - giá thành 1 kilôoát giờ năng lượng {đồng /kW . h) Tiền trả lương cho cán bộ, công nhân viên S " ;
+ Chi phí sửa chữa ;
Vậy: S| = S'| + S" + S'" {đồng! năm) (6-24)
Phần S t thường lấy bằng 6 -ỉ- 10% tổng giá thành đặt đường ố'ng (B):
S2 = (6 - 10%)B (6-25)
S|, S2 đều phụ th u ộ c đưòfng kính ống d.
Đường kính ống càng tăn g thì S| càng giảm (chủ yếu do S'| giảm ), ccm S2 càng tăng. Do đó, nếu \ ẽ đường cong s = S | + $ 2 = S(d) ta sẽ tìm _ được lung độ S^ịn ứng với đường kính lợi nhất
dp trcng những điều kiên đã cho (hình 6-8).
do
H ình 6-8
Từ tìnỉh hình thực tế, V.G.Lôbatrép đề ra cồng thức tính đưò>ng kín h kinh tế (đường kính lợi nhất) như sau:
d„ = (6-26)
tr o n g đ ó : dj, tín h ra nr, Q - m^/s\ X = 0,8 -T 1,2.
Cũng qua kinh nghiệm thực tế, người ta lập bảng cho trị số lưu tố c kinh t ế v à lưu lượng kinh tế ứng với từiig CỈ1 ống sau đây:
Bảng 6-1
d, n ì ỉ ì i 5 0 75 100 150 200 250 300 350 400 450 ,'300 ỐOO 7 0 0 800 900 1000 1100
V, ỉìỉLs 0,75 0,75 0,76 0,85 0,95 1,02 1,05 MO 1,15 1,20 1.25 1,30 1,35 1 , 4 0 1 ,4 5 1,53 1.5 5
Q , /Av K.5 3 ,3 6 , 0 15,0 30,0 50,0 74 106 145 190 245 365 . 0 2 0 705 920 1200 1475