Tính toán tổn thất áp suất trên một đoạn ống gang dẻo DN100 dài

Tổn thất áp suất trong một tuyến ống gang dẻo DN100 dài cần được tính dựa trên đường kính trong thực tế, lưu lượng thiết kế, chiều dài lắp đặt, tình trạng lớp lót và tổn thất qua các phụ kiện cũng như van. Tốc độ tổn thất lấy từ biểu đồ chỉ hữu ích khi các giả định của biểu đồ phù hợp với đường ống. Ngay cả chênh lệch nhỏ về đường kính lòng ống cũng có thể làm thay đổi kết quả đủ để ảnh hưởng đến áp suất khả dụng ở phía hạ lưu.

Trước tiên, hãy tính tổn thất ma sát và tổn thất cục bộ, sau đó đưa độ cao và áp suất đầu ra yêu cầu vào phương trình cân bằng năng lượng. Thay đổi độ cao làm thay đổi áp suất nhưng không tiêu hao năng lượng; ma sát làm tiêu hao cột áp thủy lực dọc theo đường dòng chảy. Tách riêng các ảnh hưởng này giúp việc xác định kích thước bơm và diễn giải các phép đo áp suất dễ dàng hơn.

Bắt đầu từ đường kính lòng ống sau hoàn thiện, không phải ký hiệu DN

DN100 xác định kích thước danh nghĩa của ống. Ký hiệu này không xác định chính xác đường kính dòng chảy là 100 mm. Đường kính trong sau hoàn thiện phụ thuộc vào quy cách kích thước, chiều dày thành ống, dung sai sản xuất và lớp lót bên trong. Hãy lấy đường kính lòng ống sau hoàn thiện hoặc tính toán từ dữ liệu kích thước tương thích, bao gồm chiều dày lớp lót. Không thay đường kính ngoài vào công thức thủy lực.

Đối với ống tròn chảy đầy, vận tốc trung bình là:

v = 4Q / (πD²)

Trong đó, Q là lưu lượng tính bằng m³/s, D là đường kính trong tính bằng mét và v là vận tốc tính bằng m/s. Hãy đổi lít trên giây sang mét khối trên giây trước khi tính. Đối với đường ống phân nhánh, hãy tính từng đoạn bằng lưu lượng riêng của đoạn đó; lưu lượng đầu vào không giữ nguyên sau điểm lấy nhánh.

Ở lưu lượng và hệ số ma sát không đổi, tổn thất theo Darcy–Weisbach trong ống thẳng biến thiên xấp xỉ theo D⁻⁵. Hệ số ma sát cũng thay đổi theo đường kính, nhưng mối quan hệ này cho thấy cần chú ý đến các giả định về kích thước danh nghĩa. Lớp lót làm giảm đường kính lòng ống sẽ làm tăng vận tốc, trong khi bề mặt nhẵn hơn của lớp lót làm giảm lực cản thành ống. Cả hai ảnh hưởng đều cần được tính đến.

Darcy–Weisbach: cơ sở tính toán minh bạch

Công thức Darcy–Weisbach biểu thị tổn thất ma sát trong ống thẳng như sau:

h_f = f(L/D)(v²/2g)

Trong công thức này, h_f là tổn thất cột áp tính bằng mét cột chất lỏng được vận chuyển, L là chiều dài ống tính bằng mét, g là gia tốc trọng trường và f là hệ số ma sát Darcy không thứ nguyên. Phần mềm thủy lực và các bảng tra đôi khi sử dụng hệ số ma sát Fanning, bằng một phần tư giá trị Darcy. Nhầm lẫn giữa hai quy ước này sẽ gây sai số gấp bốn lần.

Hệ số ma sát được xác định từ số Reynolds và độ nhám tương đối:

Re = vD/ν; độ nhám tương đối = ε/D

ν là độ nhớt động học và ε là độ nhám tuyệt đối tương đương. Hãy sử dụng độ nhớt ở nhiệt độ vận hành tương ứng. Với dòng chảy tầng, f = 64/Re; dòng chảy rối cần sử dụng quan hệ phù hợp như Colebrook–White hoặc một công thức gần đúng tường minh. Cần đặc biệt thận trọng với các kết quả nằm gần vùng chuyển tiếp giữa hai chế độ dòng chảy.

Độ nhám phải đại diện cho bề mặt tiếp xúc với chất lỏng. Không nên tự động gán cho ống có lớp lót vữa xi măng giá trị độ nhám của gang dẻo không có lớp lót. Ngược lại, giá trị áp dụng cho lớp lót mới không thể đại diện cho mọi đường ống hiện hữu. Cặn bám, lớp lót hư hỏng và vật cản bên trong gây ra những thay đổi khác nhau: một số làm tăng lực cản, một số làm giảm tiết diện dòng chảy, còn tình trạng xuống cấp nghiêm trọng gây ra cả hai ảnh hưởng.

Khi nào nên sử dụng Hazen–Williams

Đối với tính toán hệ thống cấp nước bằng đơn vị SI, công thức Hazen–Williams thường dùng là:

h_f = 10.67LQ^1.852 / (C^1.852D^4.87)

Trong đó, Q tính bằng m³/s, D và L tính bằng mét, còn C là hệ số Hazen–Williams thực nghiệm. Hằng số số học sẽ thay đổi theo hệ đơn vị. Bảng tính sử dụng milimét hoặc lít trên giây mà không điều chỉnh công thức sẽ cho kết quả không hợp lệ.

Hazen–Williams thuận tiện khi cơ sở thiết kế mạng lưới cấp nước đã quy định các giá trị C. Phương pháp này không tính đến độ nhớt một cách tường minh và chỉ nên áp dụng trong phạm vi điều kiện cấp nước mà nó được chấp nhận. Darcy–Weisbach là cơ sở tổng quát hơn khi nhiệt độ, tính chất chất lỏng hoặc chế độ dòng chảy có ảnh hưởng.

Hệ số Hazen–Williams và giá trị độ nhám Darcy không phải là các hằng số vật liệu có thể thay thế cho nhau. Nếu cả hai phương pháp được sử dụng trong một đợt rà soát thiết kế, hãy so sánh tổn thất dự báo ở cùng lưu lượng và đường kính trong sau hoàn thiện. Chọn phương pháp chi phối theo quy cách dự án, đồng thời ghi rõ nguồn và tình trạng mà thông số sức cản đại diện.

Tính đến các vị trí hạn chế dọc tuyến

Tổn thất cục bộ thường được biểu thị như sau:

h_local = ΣK(v²/2g)

Mỗi hệ số tổn thất K phải tương ứng với hình dạng cấu kiện và vận tốc tham chiếu được nguồn dữ liệu sử dụng. Khi đường kính thay đổi, hãy tính riêng vận tốc tương ứng. Co, tê, cửa vào, côn thu và van không nhất thiết có cùng vận tốc với dòng chảy trong lòng ống DN100 chính.

Vị trí van đặc biệt quan trọng. Van cô lập đóng một phần hoặc van điều tiết có thể chi phối tổn thất ngay cả trên một đường ống dài. Đối với đồng hồ đo, lưới lọc và van chuyên dụng, đường cong sụt áp do nhà sản xuất cung cấp tại lưu lượng yêu cầu thường hữu ích hơn hệ số chung. Chỉ tính đến mức dự phòng do bám bẩn khi cơ sở vận hành có căn cứ hỗ trợ.

Chiều dài tương đương là phương pháp thay thế cho giá trị K, nhưng phụ thuộc vào hệ số ma sát được sử dụng khi quy đổi. Tính tổn thất của một phụ kiện bằng cả hai phương pháp sẽ dẫn đến tính trùng tổn thất.

Nếu tuyến có đoạn ống kích đẩy gang dẻo theo yêu cầuCustom Ductile Iron Jacking Pipes, hãy xác định riêng đường kính lòng ống sau hoàn thiện, lớp lót và hình dạng mối nối của đoạn đó. Chỉ định phương pháp lắp đặt không đủ để xác định tính liên tục thủy lực với đoạn ống liền kề.

Ví dụ tính toán với các giả định rõ ràng

Các giá trị sau đây là dữ liệu đầu vào minh họa cho phép tính, không phải thông số kỹ thuật của sản phẩm: một đoạn ống đồng nhất dài 1,000 m, đường kính trong sau hoàn thiện 0.100 m, lưu lượng nước 5 L/s, hệ số ma sát Darcy 0.025 và tổng hệ số phụ kiện là 12, lấy theo vận tốc trong ống. Giả định khối lượng riêng của nước xấp xỉ 1,000 kg/m³.

Quy đổi tổn thất cột áp sang tổn thất áp suất bằng công thức Δp = ρgh. Ví dụ này cho kết quả xấp xỉ 53 kPa, hay 0.53 bar. Trong thiết kế thực tế, cần thay hệ số ma sát giả định bằng giá trị được tính toán.

Nếu cửa ra cao hơn cửa vào 15 m và yêu cầu cột áp dư 20 m, cột áp suất đầu vào cần thiết xấp xỉ 40.4 m, với giả định vận tốc tại cửa vào và cửa ra bằng nhau và không có bơm giữa hai điểm đó. Chỉ 5.41 m là tổn thất tiêu hao; phần còn lại dùng để bù độ cao và đáp ứng áp suất đầu ra.

Dùng biểu đồ áp suất để đánh giá kết quả

Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát bao gồm cột áp áp suất, cột áp độ cao, cột áp vận tốc, cột áp bơm và tổn thất. Chỉ có thể triệt tiêu các thành phần vận tốc khi các mặt cắt đầu vào và đầu ra được chọn có tiết diện dòng chảy và lưu lượng bằng nhau. Khi có kết nối với bể chứa hoặc đoạn chuyển tiếp đường kính, cần giữ lại các thành phần vận tốc và tính đến tổn thất cửa vào hoặc cửa ra tương ứng.

Hãy vẽ đường đo áp thủy lực dọc tuyến, bao gồm cả các điểm cao trung gian. Áp suất đạt yêu cầu tại cửa ra cuối không có nghĩa là áp suất ở mọi vị trí đều đạt yêu cầu. Tại một điểm đỉnh, áp suất cục bộ có thể thấp ngay cả khi đáp ứng yêu cầu ở cửa ra; các đoạn dốc xuống có thể chịu áp suất cao hơn. Sự tích tụ không khí tại