Giáo trình Hệ thống tàu thủy

174 trang ngocly 30

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Hệ thống tàu thủy", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_he_thong_tau_thuy.pdf

Nội dung text: Giáo trình Hệ thống tàu thủy

Thạc sĩ. Nguyễn Văn Võ HỆ THỐNG TÀU THỦY DÙNG CHO NGÀNH ĐÓNG TÀU ĐẠI HỌC HÀNG HẢI - NĂM 2006
MỤC LỤC Chương, TÊN CHƯƠNG MỤC Trang số mục LỜI NÓI ĐẦU 3 MỤC LỤC 4 Chương 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HỆ THỐNG TÀU THỦY 6 1.1 Khái niệm và ý nghĩa của hệ thống 6 1.2 Phân loại và các yêu cầu đối với hệ thống tàu thủy 6 Chương 2 CÁC YẾU TỐ KẾT CẤU CỦA HỆ THỐNG 8 2.1 Đường ống 8 2.2 Các chi tiết nối ống 9 2.3 Phụ tùng, thiết bị của hệ thống 12 2.4 Dẫn động thiết bị 15 2.5 Các máy móc của hệ thống tàu thủy 17
2.6 Các dụng cụ đo - kiểm tra và thiết bị 25 Chương 3 CƠ SỞ TÍNH TOÁN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG 29 3.1 Khái niệm chung 29 3.2 Phương pháp giải tích 32 3.3 Phương pháp tổn thất cột áp trên đơn vị chiều dài ống 37 của hệ thống ống Chương 4 CÁC HỆ THỐNG HẦM TÀU 38 4.1 Tính năng của các hệ thống hầm tàu 38 4.2 Hệ thống hút khô 39 4.3 Hệ thống dằn 41 4.4 Hệ thống cứu đắm 44 Chương 5 HỆ THỐNG CỨU HỎA 47 5.1 Các hệ thống tín hiệu và các biện pháp cứu hỏa trên tàu 47 5.2 Hệ thống dập tắt bằng nước 48 5.3 Hệ thống dập tắt bằng bọt 52
Chương 6 CÁC HỆ THỐNG VỆ SINH 56 6.1 Khái niệm chung về hệ thống vệ sinh 56 6.2 Hệ thống cấp nước 56 6.3 Các hệ thống nhà vệ sinh, nước thải và thoát nước 62 Chương 7 CÁC HỆ THỐNG SƯỞI 67 7.1 Chức năng và yêu cầu cơ bản đối với hệ thống sưởi 67 7.2 Tính toán tổn thất nhiệt của các phòng được sưởi 67 7.3 Hệ thống sưởi bằng nước 70 7.4 Hệ thống sưởi bằng không khí 75 Chương 8 HỆ THỐNG THÔNG GIÓ VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG 78 KHÍ 8.1 Vai trò của các dạng thông gió 78 8.2 Thông gió chung cho toàn tàu 80 8.3 Thông gió buồng máy 82 8.4 Tính toán mạng lưới thông gió 86
8.5 Các hệ thống điều hòa không khí 87 Chương 9 CÁC HỆ THỐNG LÀM LẠNH 94 9.1 Khái niệm chung và chức năng của hệ thống làm lạnh 94 9.2 Các máy lạnh 94 9.3 Các kiểu hệ thống làm lạnh 96 9.4 Cách nhiệt buồng lạnh 97 9.5 Thiết bị làm lạnh kiểu nén khí tự động có hệ thống làm 98 lạnh nước muối Chương 10 CÁC HỆ THỐNG CHUYÊN DỤNG TRÊN CÁC 101 TÀU DẦU 10.1 Tính năng và yêu cầu chung 101 10.2 Hệ thống làm hàng của tàu dầu 103 10.3 Hệ thống hâm nóng, làm mát dầu 107 10.4 Hệ thống thông hơi, thoát khí của tàu dầu 108 10.5 Hệ thống đo lượng hàng trong két 111
10.6 Hệ thống khí trơ 113 10.7 Hệ thống làm sach và rửa két 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116
LỜI NÓI ĐẦU Các hệ thống tàu thủy bố trí trên tàu nhằm mục đích phục vụ cho sự làm việc bình thường và an toàn của con tàu, cũng như đảm bảo điều kiện sống cần thiết cho hành khách và cán bộ, thuyền viên trên tàu. Nhờ có hệ thống tàu người ta có thể nhận và trả nước ballast (nước dằn), phòng, phát hiện và chữa cháy, hút khô (vét nước) các khoang, két khi có nước tích tụ trong đó, cung cấp nước ăn, nước rửa cho hành khách, thuyền viên, thải các chất bẩn và nước bẩn, giữ các thông số cần thiết của không khí trong các khoang, phòng. Ngoài ra trên một số tàu, ví dụ như tàu dầu, tàu phá băng, tàu đông lạnh và những tàu khác, do liên quan đến các điều kiện khai thác riêng. Ví dụ, như tàu dầu được trang bị các hệ thống chuyên dụng dùng để bốc rót hàng lỏng, làm mát hoặc hâm nóng để làm loãng nó, thuận tiện cho bốc rót hàng, rửa két và lọc sạch chúng. Ngoài những hệ thống dùng chung cho toàn tàu, trên tàu còn có các hệ thống khác phục vụ cho hệ thống động lực, các hệ thống này cung cấp nhiên liệu, dầu nhờn, nước làm mát và khí nén cho máy chính. Bài giảng Hệ thống tàu sẽ đề cập đến các sơ đồ nguyên lý, kết cấu và các cơ sở tính toán các hệ thống tàu thủy và cả những yêu cầu đối với các hệ thống này. Bài giảng dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên ngành đóng tàu hoặc sinh viên học ở các trường đường thủy. Ngoài ra còn có thể sử dụng cho các cán bộ kỹ thuật nghiên cứu và khai thác hệ thống tàu.
Chương 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CÁC HỆ THỐNG TÀU THỦY 1.1. KHÁI NIỆM VÀ Ý NGHĨA CỦA HỆ THỐNG 1.1.1. Định nghĩa Hệ thống tàu thủy là một hệ bao gồm các máy, các thiết bị, các đường ống, các van, các bộ phận nối ghép ống, các dụng cụ đo (nhiệt độ, tốc độ, áp suất) của dòng chảy trong ống, v.v. tất cả chúng phải được nối ghép phù hợp với chức năng, công dụng của mỗi hệ thống. 1.1.2. Các yếu tố kết cấu của hệ thống Như định nghĩa, hệ thống tàu là tập hợp các yếu tố: Các máy: các bơm (bơm thể tích, bơm cánh dẫn, v.v.), các quạt gió, máy thủy lực, máy nén khí, v.v. Các đường ống: ống cứng, ống mềm, v.v. Các chi tiết nối ống: đai ốc-ống lồng, ống lồng, mặt bích, v.v. Các van dùng để đóng mở hoặc hướng dòng chất lỏng trong ống đi theo một phương nào đó. Bể chứa: khoang, két, xitéc, bình, v.v. để giữ công chất. Các thiết bị khác (bộ hâm, làm mát, bay hơi, v.v.) phục vụ cho việc làm thay đổi trạng thái của công chất. Các phương tiện điều khiển hệ thống và kiểm tra sự làm việc của nó. Các bộ phận như trên tạo thành hệ thống tàu gọi là các yếu tố kết cấu của hệ thống.
Trong mỗi hệ thống cụ thể, có thể chỉ có một vài máy móc, thiết bị đã kể trên. Điều này phụ thuộc vào tính năng của hệ thống và đặc điểm của chức năng mà nó thực hiện. 1.1.3.Ý nghĩa của hệ thống Trên mỗi một con tàu thường được trang bị các hệ thống khác nhau nhằm đảm bảo tính hàng hải, tính an toàn cho nó. Ngoài ra hệ thống còn phục vụ cho việc chuyên chở, vận chuyển, bảo quản hàng hoá trên tàu và phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt của hành khách, thuyền viên. Vì vậy để nâng cao hiệu suất và tính kinh tế của hệ thống thì mỗi hệ thống cần phải được cơ giới hoá, tự động hoá và điều khiển từ xa. 1.2. PHÂN LOẠI VÀ CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI CÁC HỆ THỐNG TÀU THỦY Các hệ thống tàu thủy thường được phân loại hoặc là theo công chất chuyển động trong đường ống, hoặc theo vai trò, chức năng mà nó đảm nhiệm. 1.2.1. Phân loại theo công chất lưu chuyển hệ thống Theo loại công chất lưu chuyển trong ống, các hệ thống được chia ra thành hệ thống ống dẫn: nước (nước ngọt, nước mặn, nước nóng, nước lạnh), ống dẫn hơi, ống khí, ống gas và ống dẫn dầu. Ưu điểm của sự phân loại này là, thuận tiện cho việc tính toán thủy lực đường ống, nó phụ thuộc chủ yếu vào loại công chất mà hệ thống vận chuyển và chế độ dòng chảy. Nhược điểm, kiểu phân loại như trên sẽ không thuận tiện cho việc nghiên cứu hệ thống, vì đôi khi ở một hệ thống này hay ở hệ thống khác người ta sử dụng cả các đường ống nước, hơi, khí, v.v. Ví dụ hệ thống điều hoà không khí bao gồm cả ống hơi, ống nước mặn và ống không khí.
1.2.2. Phân loại theo chức năng và công dụng của hệ thống Theo chức năng và công dụng mà nó đảm nhiệm, hệ thống tàu thủy được chia thành các nhóm: Hệ thống hầm tàu. Hệ thống phòng, phát hiện và chữa cháy. Hệ thống vệ sinh và chất thải. Hệ thống vi khí hậu nhân tạo và hệ thống chuyên dụng trên tàu dầu. Ưu điểm của phương pháp phân loại này là, nó thuận tiện cho việc phân biệt, so sánh giữa các hệ thống về kết cấu và đặc điểm làm việc. 1.2.3. Các yêu cầu đối với hệ thống tàu thủy Mặc dù có sự đa dạng về hình thức kết cấu, nguyên lý hoạt động cũng như chức năng, công dụng của nó, các hệ thống tàu thủy vẫn có những yêu cầu chung đối với chúng. Những yêu cầu chung đó là: Các hệ thống nhất thiết phải đơn giản, dễ sử dụng, làm việc tin cậy trong mọi điều kiện khai thác bình thường của tàu cũng như khi tàu nghiêng, chúi, hoặc ngay cả khi gặp tai nạn. Khi thiết kế, chế tạo hệ thống phải dựa vào các tiêu chuẩn hoá để lựa chọn các yếu tố kết cấu của hệ thống, cũng như các đặc trưng của dòng chảy (nhiệt độ, tốc độ, áp suất, v.v.) để đảm bảo tính lắp lẫn khi sửa chữa, thay thế. Để chế tạo hệ thống cần phải chọn các vật liệu đủ bền, có tính chống gỉ, chống xâm thực cao, chịu mài mòn, chịu được nhiệt độ, áp suất, tốc độ cao trong điều kiện khai thác lâu dài của một dòng chất lỏng nhất định chuyển động trong hệ thống. Bố trí hệ thống phải gọn nhẹ, kích thước phải là tối thiểu, không chiếm nhiều diện tích, thể tích khoang, khối lượng phải không lớn. Đồng thời phải đảm bảo tính thẩm mỹ cho con tàu, việc khai thác, sửa chữa, thay thế phải thuận tiện, lắp
đặt đường ống với số chỗ uốn cong là tối thiểu, lắp đặt thiết bị điều khiển chỉ cần thiết ở những chỗ thực. Việc bố trí hệ thống phải ảnh hưởng không nhiều đến khả năng làm hàng và phải loại bỏ được những hư hỏng về mặt cơ học của chúng trong khi làm hàng của tàu. Sự làm việc của hệ thống phải đảm bảo không làm ô nhiễm môi trường vùng biển, vùng bến mà tàu neo đậu do nước có chứa cặn dầu và các chất có hại khác. Các thiết bị máy móc của hệ thống phải có tính kinh tế. Ngoài ra, đối với mỗi hệ thống riêng, do đặc điểm làm việc của chúng còn có những yêu cầu riêng, được nói ở các chương sau.
Chương 2 CÁC YẾU TỐ KẾT CẤU CỦA HỆ THỐNG 2.1. ĐƯỜNG ỐNG 2.1.1. Khái niệm về đường kính danh nghĩa và áp suất danh nghĩa của đường ống Đường kính danh nghĩa hay còn gọi là đường kính lư lượng qui ước của đường ống là đường kính bên trong của nó, không phụ thuộc vào hình dạng bên ngoài của ống. Ký hiệu:  hoặc Dy (cho đường ống chính), dy (cho đường ống nhánh). Đơn vị: mm. Áp suất danh nghĩa của đường ống là áp suất mà đường ống chịu được trong điều kiện khai thác lâu dài tại một nhiệt độ nhất định, của một dòng chất lỏng nhất định di chuyển trong đường ống. Ký hiệu: py. Đơn vị: kG/cm2. 2.1.2. Phân loại đường ống Đường kính ống, chiều dày thành ống và vật liệu chế tạo nó được xác định phụ thuộc vào tính chất vật lý, vào nhiệt độ, áp suất và tốc độ của dòng chất lỏng di chuyển trong ống. Vật liệu chế tạo ống thường là thép các bon, thép hợp kim, hợp kim đồng, hợp kim nhôm, nhựa hoặc vải tẩm cao su, v.v. Đối với đường ống nước, ống thép tráng kẽm được sử dụng rộng rãi do chúng có tính chống gỉ cao hơn thép thông thường. Trên các tàu cánh ngầm, các xuồng hoặc trên các tàu vỏ hợp kim nhôm, để giảm khối lượng, người ta dùng ống hợp kim nhôm. 6
Ống làm bằng vật liệu đồng hoặc hợp kim đồng sử dụng cho các đường ống dẫn freon đường kính tới 20 mm của hệ thống làm lạnh. Các ống thép lót bên trong bằng polyetylen và ống polyetylen cũng được sử dụng trong hệ thống. Ống lót polyetylen sử dụng khi nhiệt độ công chất không quá 750C và áp suất đến 16 kG/cm2, còn ống polyetylen sử dụng khi nhiệt độ công chất không quá 500C và áp suất đến 10 kG/cm2. Các ống hợp kim được sử dụng trong hệ thống không khí nén, có lớp ngoài là lớp thép, lớp trong được tráng đồng đỏ. Còn trong một vài hệ thống (ví dụ: hệ thống chất thải) còn dùng ống thép có bọc lớp bakêlít. Trong đóng tàu, để giảm số lượng kích thước ống, ngoài tiêu chuẩn quốc gia, người ta còn đưa ra các tiêu chuẩn ngành. Điều đó cho phép hạ giá thành khi chế tạo, sửa chữa hệ thống. 2.1.3. Tính toán đường ống Ngoài các tiêu chuẩn qui định kích thước và yêu cầu kỹ thuật đối với ống, còn có các tiêu chuẩn xác định lưu lượng, áp suất danh nghĩa, áp suất làm việc, áp suất thử của ống, thiết bị và các bộ phận nối ống. Khi biết Dy và chiều dày thành ống, người ta chọn theo tiêu chuẩn đường kính ngoài của nó. Khi lựa chọn kích thước ống, sao cho đường kính Dy sai khác với đường kính trong ít nhất. Sai khác giữa chúng không quá10%. Chiều dày thành ống xác định từ tính toán sức bền ống, đối với ống kim loại thì chiều dày đó xác định như sau: d .p s H c ,mm. (2.1) 200. .[]K p 2 ở đây: p - áp suất tính toán, kG/cm , nó phụ thuộc vào áp suất làm việc pp trong ống và nó được lấy tương ứng theo Qui phạm, đối với đường ống hút bằng 1,25.pp 2 nhưng không nhỏ hơn 2 kG/cm , còn đối với ống đẩy bằng pp nhưng không nhỏ 10 kG/cm2. dH - đường kính ngoài của ống, mm. - hệ số bền của mối hàn điện, bằng 0,9 - đối với các ống thép, chế tạo bằng phương pháp điện trở, (đối với ống không có mối hàn = 1). 2 []K - ứng suất kéo cho phép, kG/mm , lấy đối với ống làm bằng thép các bon khi nhiệt độ công chất đến 3000C bằng 7,6 kG/mm2 (thép CT10) và 9,16 2 kG/mm (thép 20). Đối với ống đồng hoặc hợp kim nhẹ, []K được lấy theo Qui phạm. 7
c - giá trị hiệu chỉnh cho chiều dày tính toán, tính đến sơ suất có hại khi chế tạo ống, được lấy bằng 2 mm cho ống cán nóng và hàn; 1,5 mm - cho ống kéo và cán nguội; 1 mm - cho ống đồng và (0,7  1,4) mm - cho ống hợp kim có lớp bọc lót. Chiều dày thành ống tính theo công thức (1) phải làm tròn đến kích thước lớn hơn gần nhất tương ứng với tiêu chuẩn của ống. Cho phép lấy chiều dày nhỏ hơn gần nhất, nếu nó khác với giá trị tính toán không quá 3. Chiều dày thành ống tối thiểu của ống polyetylen (tỷ trọng nhỏ) có áp lực cao, xác định theo công thức sau: p T .d H smin ,cm. (2.2) 2. KT p T 2 ở đây: pT - áp suất thử thủy lực, kG /cm , lấy theo tiêu chuẩn của Qui phạm. 2 KT - ứng suất kiểm tra lấy đối với polyetylen (tỷ trọng nhỏ) bằng 70 kG/cm . dH - đường kính ngoài của ống, cm. Áp suất danh nghĩa dùng làm chuẩn để chọn áp suất làm việc, mà nó là áp suất lớn nhất của môi chất chuyển dịch trong ống ở nhiệt độ làm việc thực tế. Áp suất mà ống phải chịu đựng khi thử gọi là áp suất thử. Áp suất danh nghĩa, áp suất làm việc và áp suất thử được qui định bởi Qui phạm. 2.2. CÁC CHI TIẾT NỐI ỐNG Khi lắp ráp các đường ống trên tàu, phải nối các đoạn ống với nhau và với cả thiết bị, máy móc và các trang thiết bị khác. Để làm điều đó, người ta sử dụng các chi tiết nối, chúng được gọi là các chi tiết nối ống hay thiết bị nối ống. Mối nối các ống có thể tháo được và không tháo được. Loại tháo được có: nối bằng mặt bích, nối bằng đai ốc - ống lồng, nối bằng ống lồng cứng, nối bằng ống lồng mềm. Loại không tháo được có: hàn, gắn keo. Trong hệ thống tàu thủy, chủ yếu người ta dùng mối nối tháo được. Nó cho phép tháo dỡ và tháo lắp đường ống trong thời gian vận hành và khi sửa chữa. Nối không tháo được chỉ dùng ở những phần của đường ống mà nằm ở những chỗ khó tới hoặc không yêu cầu tháo dỡ trong những điều kiện bình thường của hệ thống. 2.2.1. Nối bằng mặt bích 8
Nối bằng mặt bích được sử dụng rộng rãi nhất trong hệ thống tàu thủy. Nó được sử dụng cho các ống có đường kính danh nghĩa Dy 20 mm. Mối nối bằng mặt bích có nhiều kiểu kết cấu khác nhau. Các kiểu mặt bích cho đường ống tàu thủy, được qui định bởi Qui phạm. Hình 2.1. Các mặt bích. a - mặt bích phẳng bằng thép hàn; b - mặt bích tự do trên đầu mút ống c - mặt bích tự do trên ống được gấp mép; d - mặt bích hàn. 1 - ống; 2 - mặt bích; 3 - đệm kín (gioăng); 4 - bu lông. Các mặt bích phẳng bằng thép hàn (hình. 1.a) có kết cấu đơn giản, làm việc tin cậy, thường dùng cho ống có áp suất danh nghĩa tới 16 kG/cm2, đường kính danh nghĩa Dy từ 20 đến 500 mm. Các mặt bích tự do (hình 2.1, b), khác với kiểu hàn ở chỗ nó có thể quay tự do trên ống để làm các lỗ khoét trùng nhau khi lắp bu lông, làm giảm nhẹ quá trình lắp ráp ống. 9
Các mặt bích tự do trên đầu mút ống bằng thép hàn có áp suất danh nghĩa đến 10 2 kG/cm và Dy từ 20 đến 500 mm. 2 Các mặt bích tự do trên ống gấp mép có áp suất danh nghĩa đến 10 kG/cm và Dy 2 từ 20 đến 150 mm, (khi py = 6, kG/cm cho phép Dy tới 350 mm). Các mặt bích tự do 2 2 trên ống gấp mép bằng hợp kim nhôm khi py = 6 kG/cm và 10 kG/cm cho đường ống có Dy tương ứng từ 20  100 mm và 20  50 mm. Mặt bích trên ống đồng gấp 2 2 mép cho py tới 10 kG/cm và Dy từ 20  150 mm, (khi py = 6 kG/cm cho phép Dy tới 350 mm). Đối với các ống thép và đồng các bích thường được chế tạo bằng thép, còn đối với ống bằng hợp kim nhôm các bích thường chế tạo từ hợp kim nhôm. Các mặt bích cũng có thể gắn chặt với ống nhờ ăn khớp ren. Trong trường hợp này bích có ren trong ăn khớp với ren ngoài của ống tại đầu ống. Các bích này dùng cho các đường ống gas. Để nối các ống polietilen, người ta dùng các mặt bích tự do làm bằng tectolist hoặc chất dẻo vinil. Để đảm bảo độ kín khít của mối nối, giữa bề mặt tiếp xúc của các mặt bích, người ta lắp gioăng. Chất lượng làm kín của các bích phụ thuộc vào sự cạo rà mặt bích, vật liệu gioăng, tính chính xác khi lắp ráp và độ đều khi xiết. Vật liệu gioăng được chọn dựa theo loại và thông số của công chất chảy trong ống (hình.1.d), còn ngay trên bề mặt mặt bích kim loại người ta tiện các rãnh tròn (2 hoặc 3 rãnh) với chiều sâu không quá 1 mm. 2.2.2. Nối bằng đai ốc - ống lồng Mối nối này thường sử dụng trong đường ống có đường kính danh nghĩa nhỏ, (Dy 2 = 3  32 mm) khi áp suất danh nghĩa py đến 100 kG/cm (hình 2.2). Hình 2.2. Mối nối bằng đai ốc - ống lồng. 1 -ống; 2 - ống hãm; 3 - ống lồng; 4 - gioăng; 5 - đai ốc 10
Trong mối nối, độ kín khít được đảm bảo nhờ gioăng 3, được ép bằng ống lồng 4 choàng giữa đai ốc 1 và ống hãm 2, ống lồng 4 ăn khớp ren với đai ốc. Mối nối đai ốc - ống lồng với ống nước ngọt, không khí, hơi, dầu và các sản phẩm dầu mỏ thường được làm từ thép các-bon. Đối với nước biển, mối nối đai ốc - ống lồng được chế tạo bằng đồng thanh hoặc đồng thau. Gioăng cho mối nối đai ốc - ống lồng được làm bằng cao su amiăng. Trước khi lắp người ta phủ lên một lớp graphit. 2.2.3. Nối bằng ống lồng cứng Mối nối này thường sử dụng cho ống dẫn khí gas, nước ngọt. Nối bằng ống lồng 2 cho phép đối với các đường ống có Dy 50 mm với py nhỏ hơn 5 kG/cm . Ống lồng có nhiều loại: ống lồng thẳng; ống lồng cong; ống lồng 3 chạc và ống lồng 4 chạc. Vật liệu làm ống lồng thường là thép hoặc gang dẻo (hình 2.3). Trong mối nối, ở hai đầu ống người ta tiện ren, đầu một ống tiện ren dài hơn trên nó có đủ chỗ cho ống lồng và đai ốc hãm, còn trên đầu ống kia - chiều dài ren bằng khoảng một nửa chiều dài ống lồng. Các ống được nối bằng cách vặn ống lồng từ đầu ống có ren dài sang đầu kia của ống đến hết ren. Để đảm bảo độ kín cần thiết, người ta quấn quanh ren của ống sợi gai hoặc lanh hoặc cao su non và ép ốc hãm. Hình 2.3. Nối ống bằng ống lồng cứng. a - ống lồng thẳng; b - ống lồng cong 11
1 - đai ốc hãm; 2 - ống lồng; 3 - ống 2.2.4. Nối bằng ống lồng mềm Về kết cấu, các mối nối kiểu này gồm có ống lồng đàn hồi được làm từ vải tẩm cao su và các đai kim loại vít hai đầu ống lồng (hình 2.4). Nhược điểm của mối nối này là thời hạn sử dụng không lâu (khoảng 2  3 năm). Mối nối bằng ống lồng mềm thường sử dụng ở đoạn nối ống nhánh, nối các đường ống với động cơ và máy móc đặt trên các bộ phận giảm chấn. Hình 2.4. Nối ống bằng ống lồng mềm. 1- ống; 2 - ống lồng mềm; 3 - đai hãm. 2.3. PHỤ TÙNG, THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG Để cho mỗi hệ thống trên tàu có thể hoàn thành nhiệm vụ của mình, trên đường ống của nó ta đặt các phụ tùng, thiết bị, nhờ nó thực hiện việc khởi động hệ thống, mở và đóng các bộ phận riêng biệt của đường ống, thay đổi chế độ làm việc của hệ thống, điều chỉnh áp suất công chất chảy trong ống. 2.3.1. Phân loại phụ tùng, thiết bị 12
Phụ tùng, thiết bị của hệ thống có nhiều cách phân loại như: phân loại theo tính năng công dụng của phụ tùng, thiết bị; phân loại theo phương pháp dẫn động của phụ tùng, thiết bị, theo phương pháp chế tạo, v.v. 2.3.1.1. Phân loại theo công dụng, tính năng của thiết bị Trường hợp này, phụ tùng, thiết bị của hệ thống tàu được phân thành các kiểu sau: Thiết bị chặn - chuyển: các van, van chêm (ngăn kéo), khoá vòi, hộp van, v.v. Thiết bị an toàn: các van an toàn, lưới vào, phin lọc, v.v. Thiết bị cho môi chất qua chỉ theo 1 chiều: các van một chiều, van chặn một chiều, van dẫn hướng, v.v. Thiết bị điều chỉnh: các van tăng, giảm áp, van bướm, tay máy, v.v. Thiết bị đặc biệt: van thông biển, vòi chữa cháy, van chêm đáy, v.v. 2.3.1.2. Phân loại theo phương pháp chế tạo Theo phương pháp này, có thiết bị đúc, thiết bị hàn và thiết bị rèn. Thiết bị của hệ thống tàu thường được làm từ gang, thép và hợp kim màu (đồng thanh các loại, đồng thau). Đối với thiết bị làm việc trong nước biển, người ta hay dùng đồng thanh nhôm mangan mác. Những chi tiết riêng (đĩa, đế) của thiết bị bằng thép, gang được chế tạo từ hợp kim màu. Các thiết bị bằng chất dẻo đã được sử dụng, bởi nó nhẹ hơn thiết bị bằng kim loại và có thể làm việc trong môi trường ăn mòn. 2.3.1.3. Phân loại theo phương pháp dẫn động Theo phương pháp này, có thiết bị được dẫn động bằng tay, dẫn động bằng cơ giới hoá, hoặc điều khiển tự động. 13
2.3.2. Các loại thiết bị, phụ tùng cơ bản của hệ thống 2.3.2.1. Van chặn - chuyển Nhờ thiết bị này mà người ta thực hiện đóng, mở hoặc chuyển các đường ống trong các hệ thống (hình 2. 5). Các van chặn - chuyển có nhiều loại như: van thẳng, van chêm (ngăn kéo), van ba ngả và một kiểu đặc biệt của thiết bị chặn - chuyển là van hộp, nó gồm vài van (2  4 van) nằm trong thân chung v.v. Sau đây ta xét nguyên lý làm việc của van thẳng: Các van chặn thẳng (hình 2.5, a) thuộc loại thiết bị chặn phổ biến nhất trên tàu. Việc đóng chúng được thực hiện nhờ đĩa 9, được ép nhờ cần van 5 vào các bề mặt làm kín 10 và 11 trong đĩa và vỏ van 1. Khi quay tay van 3 thì cần van, nhờ có ren ở bề mặt ngoài của nó với ren trong của xy lanh van 4, chuyển động tương đối với thân van, nâng hoặc hạ nắp van. Để đảm bảo độ kín, ở chỗ cần van qua nắp 2 của thân van, người ta đặt vòng bít kín nước gồm có ống lót 6 được ép, đệm 7 và vòng tựa 8. Vị trí của đĩa van trong thân van được kiểm soát nhờ cái chỉ báo hành trình chuyển dịch giữa vạch chuẩn 0 và 3, nó tương ứng với việc mở và đóng hoàn toàn của van. Các van luôn được lắp trong các đường ống sao cho áp suất bên trong của chất lỏng trong ống tác động vào mặt dưới của đĩa. Trường hợp này độ kín của vòng bít được bảo đảm khi van đóng. 2.3.2.2. Van an toàn Để đề phòng áp suất trong đường ống tăng cao hơn áp suất qui ước, trên các hệ thống riêng, người ta đặt van an toàn làm việc tự động, bình thường van ở chế độ thường đóng. Chỉ khi, vì nguyên nhân nào đó, áp suất trong ống cao hơn áp suất qui ước, van mở và cho một lượng chất lỏng nào đó đi từ vùng có áp suất cao đến vùng có áp suất hơn (ví dụ: vào khí quyển). Sau khi một phần chất lỏng từ ống ra và áp suất trong đó hạ đến áp suất qui ước thì van đóng lại. Van như vậy giữ đường ống không bị phá hủy khi có sự tăng áp suất ngẫu nhiên cao hơn cho phép. Van an toàn để điều chỉnh đến áp suất nhất định được kẹp chì. Khả năng cho đi qua của van an toàn phải làm sao cho áp suất trong ống không thể vượt quá 1, 2 lần áp suất làm việc. 14
Hình 2.5. Van chặn - chuyển a - van thẳng; b - van chêm (ngăn kéo); c - van ba ngả. Để đề phòng các vật lạ (các mẩu sờn, mòn, v.v.) lọt vào máy móc và các thiết bị trên đường ống, ở đầu hút các ống người ta đặt các lưới hút hoặc chắn rác. Trong vài hệ thống, để làm sạch môi chất công tác, người ta dùng phin lọc 15
2.3.2.3. Van một chiều Trong các đường ống của các hệ thống mà ở đó cần đảm bảo chuyển động của chất lỏng chỉ theo một hướng đã cho và đồng thời ngăn ngừa chuyển động của nó theo hướng ngược lại, người ta lắp các van một chiều, van chặn một chiều, van dẫn hướng, v.v. 2.3.2.4. Van điều chỉnh (van giảm áp, van bướm tay máy) Các van điều chỉnh phục vụ việc điều chỉnh hướng dòng chảy hay áp suất làm việc của môi chất, gồm van giảm áp, van bướm, v.v. 2.4. DẪN ĐỘNG CÁC THIẾT BỊ Sự điều khiển thiết bị chặn - chuyển, nằm ở những chỗ có thể đến được, được tiến hành nhờ tay quay và vô lăng có ở trên thiết bị. Để điều khiển những thiết bị ở những chỗ không thể đến được, người ta sử dụng cơ cấu dẫn động. Nó được lắp ở chỗ thuận tiện cho việc vận hành. Các bộ dẫn động được dùng khi vị trí điều khiển thiết bị nằm ở xa nó (điều khiển từ xa). Liên quan đến những điều nói trên, cơ cấu dẫn động được chia ra là: dẫn động tại chỗ và điều khiển từ xa. Bộ điều khiển tại chỗ được thực hiện bằng tay, còn từ xa - bằng tay và cơ khí hoá hoặc điện khí hoá hoặc đường ống khí nén. Cơ cấu điều khiển từ xa là: truyền động bằng trục, bằng khí nén thủy lực và điện, còn tại chỗ - bằng trục. Bộ truyền phải đáp ứng được những yêu cầu cơ bản sau: Bảo đảm kiểm soát được sự đóng và mở của thiết bị. Loại bỏ khả năng tự động đóng mở của thiết bị không theo ý muốn của người điều khiển. Trong trường hợp cần thiết, cho phép sử dụng phương tiện điều khiển dự phòng. Các chi tiết của nó phải không phá hỏng tính chống thấm của các mặt lát bọc lót trên tàu, mà chúng đi qua. 16
Hình 2.6. Dẫn động trục 2.4.1. Dẫn động trục Sở dĩ gọi là bộ truyền động trục là do sự truyền động được thực hiện nhờ các trục, cùng với các bản lề và các bánh răng trong tổng thể tạo thành chuỗi điều khiển. Người ta dùng các ống có đường kính ngoài từ 15  45 mm làm trục. Sơ đồ cơ cấu dẫn động trục được cho trong hình 2.6. 17
Hình 2.7. Dẫn động van từ xa a - dẫn động bằng khí nén; b - dẫn động bằng thủy lực. 2.4.2. Dẫn động bằng khí nén Van với cơ cấu dẫn động khí nén được mô tả ở hình 2.7, a. Khi cấp khí nén qua ống 7 vào khoang trên của xy lanh 8, piston 4 chuyển dịch xuống và nhờ cần 3 nó ép đĩa 1 của van khi thắng được sức căng của lò xo. Để đóng van, người ta xả khí ra, 18
khi đó đĩa, dưới tác dụng của lò xo, được nâng lên và vòng làm kín 2 được đặt lên đế, khi đó piston trở về vị trí bên trên. Để mở van bằng tay, dùng vô lăng 5, khi nó quay theo chiều kim đồng hồ, trục 6 chuyển dịch xuống và mở van. Theo nguyên tắc thì các hệ thống dẫn động bằng khí không có nguồn khí nén riêng mà người ta sử dụng nó từ hệ thống không khí nén trên tàu hoặc trực tiếp từ đường ống chính hoặc từ bình đã chứa đầy khí. 2.4.3. Dẫn động bằng thủy lực Trên hình 2.7, b chỉ ra van chêm với cơ cấu dẫn động bằng thủy lực. Xy lanh thuỷ lực 8 được đặt trong thân van 1. Trong xy lanh có piston 5 chuyển dịch, nó nối với đĩa chêm bằng cần 10. Lối của cần vào thân van chêm và vào xy lanh thuỷ lực được làm kín bằng các vòng bít 2 và 3. Để mở van chêm, dầu được đưa vào khoang dưới của xy lanh theo đường 9. Để đóng nó, dầu theo đường 6 được đưa vào khoang trên của xy lanh. Lỗ 4 và 7 để đưa khí ra khi hệ thống được dầu điền đầy. Dầu được cấp vào xy lanh thuỷ lực theo các ống qua bộ phận phân phối đặc biệt (ngăn kéo), dầu đến đó từ ống góp nhờ bơm. Van chêm kiểu hình 2.7, b được đặt ở một số tàu dầu chạy biển. Điều khiển nó được thực hiện từ vị trí điều khiển công việc làm hàng. 2.4.3. Dẫn động bằng thủy lực Trên hình 2.7, b chỉ ra van chêm với cơ cấu dẫn động bằng thủy lực. Xy lanh thuỷ lực 8 được đặt trong thân van 1. Trong xy lanh có piston 5 chuyển dịch, nó nối với đĩa chêm bằng cần 10. Lối của cần vào thân van chêm và vào xy lanh thuỷ lực được làm kín bằng các vòng bít 2 và 3. Để mở van chêm, dầu được đưa vào khoang dưới của xy lanh theo đường 9. Để đóng nó, dầu theo đường 6 được đưa vào khoang trên của xy lanh. Lỗ 4 và 7 để đưa khí ra khi hệ thống được dầu điền đầy. Dầu được cấp vào xy lanh thuỷ lực theo các ống qua bộ phận phân phối đặc biệt (ngăn kéo), dầu đến đó từ ống góp nhờ bơm. Van chêm kiểu hình 2.7, b được đặt ở một số tàu dầu chạy biển. Điều khiển nó được thực hiện từ vị trí điều khiển công việc làm hàng. 2.5. CÁC MÁY MÓC CỦA HỆ THỐNG TÀU THUỶ 19
Trong hàng loạt các yếu tố, chi tiết kết cấu tạo thành hệ thống tàu thuỷ, các máy (các bơm, các quạt gió, các máy nén khí, v.v.) chiếm một vị trí quan trọng. Đặc biệt là bơm được sử dụng rộng rãi, chúng được sử dụng trong các hệ thống có chất lỏng chảy qua. Các quạt gió được dùng trong các hệ thống thông gió và điều hoà không khí, còn các máy nén khí - trong các hệ thống làm lạnh và điều khiển đẩy chất thải ra ngoài tàu. Chúng ta sẽ nghiên cứu những đặc điểm cơ bản và cấu tạo chung của các bơm và các quạt gió. 2.5.1. Phân loại bơm thuỷ lực Những cơ cấu này, hay chính xác hơn là các máy, chuyển cơ năng của động cơ dẫn động thành cơ năng của chất lỏng chuyển dịch. Dựa vào nguyên lý hoạt động, các bơm được chia thành ba nhóm: bơm thể tích, bơm kiểu cánh và bơm kiểu phụt. Bơm thể tích có: bơm piston và rôto (bánh vít, trục vít). Chúng hoạt động theo nguyên tắc thay thế (chuyển vị). Bơm kiểu cánh gồm: bơm ly tâm, bơm hướng trục và bơm xoáy. Nguyên tắc hoạt động của các bơm này dựa trên lực tương tác của cánh bơm với dòng chất lỏng chảy qua nó. Bơm kiểu phụt, thuộc nhóm hoàn toàn riêng biệt. Đối với nó thì định nghĩa bơm như là máy biến cơ năng của động cơ thành năng lượng của chất lỏng không được thích hợp. Nguyên tắc hoạt động của bơm kiểu phụt là, dựa vào việc sử dụng động năng của dòng công chất, được đưa đến nó để bơm chuyển chất lỏng. 2.5.2. Các thông số kỹ thuật cơ bản của bơm thuỷ lực Đặc trưng cơ bản của bơm thủy lực hay những thông số kỹ thuật của nó là những thông số biểu thị khả năng làm việc của bơm bất kỳ. Các thông số chủ yếu là: lưu lượng Q, cột áp H, công suất N, hiệu suất  và cột áp hút cho phép của bơm [ HCK]. 2.5.2.1. Lưu lượng của bơm Q Lưu lượng của bơm là lượng chất lỏng mà bơm vận chuyển được trong một đơn vị thời gian. Đơn vị tính lưu lượng thể tích: m3/g; m3/s hoặc l/phút, v.v. Đơn vị tính lưu lượng khối lượng: kg/s; t/g, v.v. 20
Đơn vị tính lưu lượng trọng lượng: N/s hoặc daN/s, v.v. Lưu lượng bơm được xác định nhờ thiết bị đo tức thời lắp trên đầu ống đẩy, ống Verturi, tấm chắn. Giả sử ta có vận tốc dòng chảy qua ống là v, m/s, diện tích tiết diện ngang của ống là F, m2, thì lưu lượng Q được tính theo công thức: Q =v.F , m3/s hoặc Q =3600.v.F , m3/g. (2.3) Phương pháp này chỉ xác định được lưu lượng trung bình của bơm trong một đơn vị thời gian. 2.5.2.2. Cột áp của bơm H 1. Phương trình năng lượng của bơm Để xét và biết được cột áp của bơm, ta đi xét năng lượng của chất lỏng trước, trong và sau khi ra khỏi bơm, tức là xét phương trình năng lượng của bơm. Giả sử ta cần đưa chất lỏng từ bể chứa A (bể hút) lên bể chứa B (bể đẩy) theo sơ đồ như hình 2.8. Năng lượng của chất lỏng tại cửa vào, cửa ra của bơm là E0 và E1 được tính như sau: p v 2 E 1 1 z . (2.4) 1  2.g 1 p v 2 E 2 2 z . (2.5) 2  2.g 2 trong đó: p1, v1, z1 là áp suất, vận tốc và cao độ của dòng chất lỏng tại cửa vào của bơm so với mặt thoáng bể hút. p2, v2, z2 là áp suất, vận tốc và cao độ của dòng chất lỏng tại cửa ra của bơm so với mặt thoáng bể hút. Ta đi xét độ chênh năng lượng của chất lỏng tại cửa vào và cửa ra của bơm. p p v 2 v 2 E E E 2 1 1 2 (z z ) (2.6) 2 1  2.g 2 1 Từ phương trình trên ta có các nhận xét như sau: Nếu E = 0, tức chất lỏng trong ống là chất lỏng lý tưởng, không có độ nhớt và không xảy ra tổn thất năng lượng. 21
Nếu hai tiết diện là rất gần nhau thì ít nhất chất lỏng phải cần một phần năng lượng để thắng áp lực thuỷ tĩnh, tức E > 0, do đó nếu không cấp thêm năng lượng cho bơm thì E < 0, là do một phần năng lượng bị tiêu tốn để thắng sức cản thủy lực trong ống. Do đó để chất lỏng chuyển động được từ bể hút lên bể đẩy, thì phần năng lượng do bơm cung cấp phải thắng được áp lực thủy tĩnh và tổn thất thủy lực trong ống. Nếu gọi tổn thất thủy lực trong đường ống là h thì tổn thất năng lượng viết dưới dạng đầy đủ là ( E + h) và phương trình năng lượng dạng tổng quát là: p p v 2 v 2 E h 2 1 2 1 (z z ), (2.7)  2.g 2 1 2. Cột áp của bơm Định nghĩa: cột áp của bơm là phần năng lượng mà bơm cần cung cấp cho một đơn vị khối lượng chất lỏng để nó chuyển động được từ vị trí này đến vị trí khác. Ký hiệu: H. Đơn vị: mét cột nước (m. c. n). Theo định nghĩa trên, thì cột áp của bơm là độ chênh năng lượng riêng (tính cho đơn vị) của chất lỏng khi ra khỏi bơm và khi vào bơm. Cột áp, như giá trị năng lượng có liên quan đến đơn vị khối lượng, có thứ nguyên tuyến tính (kg.m/kg = m). Thiết lập công thức tính cột áp H: xét bơm làm việc theo sơ đồ như hình 2.8, trong đó: zh- khoảng cách thẳng đứng từ cửa vào của bơm đến mặt thoáng bể hút, gọi là chiều cao hút. zđ - khoảng cách thẳng đứng từ mặt thoáng bể đẩy đén cửa ra của bơm, gọi là chiều cao đẩy. 22
Hình 2.8. Sơ đồ làm việc của bơm. Thiết lập công thức tính cột áp H: xét bơm làm việc theo sơ đồ như hình 2.8, trong đó: zh- khoảng cách thẳng đứng từ cửa vào của bơm đến mặt thoáng bể hút, gọi là chiều cao hút. zđ - khoảng cách thẳng đứng từ mặt thoáng bể đẩy đén cửa ra của bơm, gọi là chiều cao đẩy. y - độ chênh cao độ giữa cửa ra và cửa vào của bơm. z = zh + y + zđ - gọi là chiều cao dâng. v0, v1, v2, v3 và p0, p1, p2, p3 là vận tốc và áp suất của dòng chất lỏng tương ứng ở mặt thoáng bể hút, cửa vào, cửa ra của bơm và mặt thoáng bể đẩy. Để tính cột áp của bơm ta đi khảo sát phương trình năng lượng của dòng chất lỏng khi đi vào và đi ra khỏi bơm. Năng lượng của dòng chất lỏng tại cửa vào của bơm là: p v 2 E 1 1 z . (2.8) h  2.g h Năng lượng của dòng chất lỏng tại cửa ra của bơm là: 23
p v 2 E 2 2 z y. (2.9) d  2.g h Theo định nghĩa, ta có cột áp của bơm là: p p v 2 v 2 H E E 2 1 2 1 y ,m.c.n. (2.10) d h  2.g trong đó: p1 = pa - pck; p2 = pa + pck với pa - áp suất khí quyển; pck - áp suất chân không. Áp suất p1, p2 được xác định nhờ đồng hồ chân không kế và áp kế lắp ở cửa vào và cửa ra của bơm. Trong công thức trên, nếu đường kính ống hút bằng đường kính ống đẩy, tức vận tốc v1 = v2 (vì cùng lưu lượng Q) và khoảng cách y đủ nhỏ để bỏ qua thì cột áp H được xác định như sau: p p H 2 1 ,m.c.n. (2.11)  Trong trường hợp không có các số liệu đo cụ thể, ta có thể xác định cột áp H của bơm dựa vào các số liệu yêu cầu của hệ thống mà bơm làm việc như: p0, p3, v0, v3, zh, zđ, y và z. Ta biết rằng, khi bơm làm việc ổn định thì cột áp của bơm phải bằng cột áp của hệ thống, tức bằng độ chênh năng lượng giữa cửa ra và cửa vào của hệ thống. Gọi E0, E3 là năng lượng của dòng chất lỏng tại cửa vào và cửa ra của hệ thống, ta có: p v 2 p v 2 E 0 0 , và E 3 3 z , (2.12) 0  2.g 3  2.g Gọi tổn thất cột áp (tổn thất năng lượng) trên các đoạn ống hút và các đoạn ống đẩy là hh và hđ , thì ta có quan hệ năng lượng giữa cửa vào, cửa ra của bơm với năng lượng cửa vào, cửa ra của hệ thống là, Eh = E0 - hh và Eđ = E3 - hđ. Do đó, cột áp của bơm là: H = Eđ - Eh = E3 - E0 + hh + hđ hay: p p v 2 v 2 H (z 3 0 ) ( 3 0 h h ), m.c.n. (2.13)  2.g h d Đây là công thức tổng quát tính cột áp tính cột áp của bơm thông qua các yêu cầu của hệ thống. Từ công thức trên, ta có nhận xét sau: Cột áp yêu cầu của bơm phải khắc phục được chiều cao dâng, ngoài ra còn phải khắc phục được độ chênh áp trên mặt thoáng bể hút, bể đẩy và khắc phục được tổn thất năng lượng trên các đoạn ống hút, ống đẩy. 24
Nếu gọi Ht là thành phần cột áp tiêu phí để khắc phục độ chênh áp tĩnh giữa cửa vào, cửa ra của hệ thống và đưa chất lỏng từ bể hút lên bể đẩy, thì nó đặc trưng cho thế năng của dòng chất lỏng tại bể đẩy, gọi là cột áp tĩnh. Nếu gọi Hđ là thành phần cột áp tiêu phí để khắc phục sự chênh tốc giữa cửa vào, cửa ra của hệ thống và để thắng được sức cản thủy lực trong đường ống, thì nó đặc trưng cho động năng của dòng chất lỏng, gọi là cột áp động. p p v 2 v 2 Khi đó, ta có: H (z 3 0 ) , m.c.n. và H 3 0 h h , m.c.n. t  d 2.g h d 2.5.3. Công suất và hiệu suất của bơm Công suất yêu cầu của bơm là năng lượng mà bơm nhận được từ động cơ trong một đơn vị thời gian, còn gọi là công suất trên trục của bơm. Ký hiệu: N. Công suất thủy lực hay công suất có ích của bơm là phần năng lượng mà chất lỏng nhận được từ bơm trong một đơn vị thời gian. Ký hiệu: Ntl. Khi bơm làm việc, một phần năng lượng tiêu tốn trong bơm ở dạng tổn thất, như ma sát giữa trục bơm với thân bơm, Nếu trừ từ công suất tiêu thụ N đi tất cả các tổn thất N trong bơm, thì ta có quan hệ giữa công suất có ích và công suất yêu cầu là: Ntl = N - N. Công suất có ích Ntl của bơm chính là gia số năng lượng của chất lỏng trong bơm trong một đơn vị thời gian. .Q.H .Q.H Ntl = G.H = .Q.H , kg.m/s = , cv = , kw. (2.14) 75 102 trong đó: G - là lưu lượng khối lượng của bơm, kg/s. Q - là lưu lượng thể tích của bơm, m3/s. H - là cột áp của bơm, m.c.n.  - khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3. Hiệu suất của bơm là tỷ số giữa công suất có ích và công suất yêu cầu của bơm. Ký hiệu: . Hiệu suất  của bơm đặc trưng cho tổn thất năng lượng trong bơm, ta có: N  tl .100 . (2.15) N 25
Từ đó, công suất cần thiết của bơm: N .Q.H .Q.H N tl , cv = , kw. (2.16)  75. 102. 2.5.4. Cột áp hút cho phép của bơm (hay vị trí đặt bơm tối đa) 2.5.4.1. Cột áp hút Bất kỳ một loại bơm khi làm việc cũng có hai quá trình, quá trình hút và quá trình đẩy. Khả năng làm việc của bơm không chỉ phụ thuộc vào quá trình đẩy mà còn phụ thuộc vào quá trình hút của nó. Trong quá trình hút chất lỏng, bánh công tác của bơm phải tạo nên độ chênh áp giữa cửa vào của bơm và áp suất mặt thoáng bể hút. Độ chênh áp này được gọi là cột áp hút của bơm, nhờ cột áp này mà chất lỏng mới chảy được từ bể hút vào bơm. p p Do đó, cột áp hút của bơm là: H 0 1 , m.c.n. (2.17) h  Mặt khác, phương trình Béc-nu-li viết cho dòng chất lỏng chảy từ bể hút đến cửa vào của bơm là: p v 2 p v 2 0 0 1 1 z h . (2.18)  2.g  2.g h h Từ đó ta có: p p v 2 v 2 H 0 1 1 0 z h , m. c.n. (2.19) h  2.g h h Vì v0 rất nhỏ, nên có thể bỏ qua, do đó: v 2 H 1 z h , m.c.n. (2.20) h 2.g h h Từ công thức trên ta thấy, cột áp hút của bơm phải đủ để khắc phục được chiều cao hút, khắc phục được tổn thất thủy lực trong đoạn ống hút và tạo nên động năng cần thiết để dòng chất lỏng chảy từ bể hút đến bơm. Cột áp hút của bơm phụ thuộc vào trị số áp suất trên mặt thoáng của bể hút, mà áp suất này thường có giá trị nhất định. Nếu p0 = pa (áp suất khí quyển), thì khả năng 26
hút tối đa của bơm ứng với p1 = 0 là: Hh = Hck = 9,81 m.c.n. Do đó điều kiện làm việc được của bơm là: 2 v1 H z h Hck, m.c.n. (2.21) h 2.g h h Thực tế cột áp hút của bơm không bao giờ đạt được 9,81 m.c.n, bởi vì khi áp suất p1 tại cửa vào của bơm nhỏ tới một giá trị nào đó, bằng áp suất pd của hơi bão hòa của chất lỏng, thì hiện tượng xâm thực trong bơm xảy ra. Để tránh hiện tượng này, người ta qui định cột áp chân không cho phép [ H ]ck ứng với từng loại bơm và được ghi vào hồ sơ kỹ thuật của bơm. Khi đó điều kiện đầy đủ để bơm làm việc được là: 2 v1 H z h [H]ck, m.c.n. (2.22) h 2.g h h 2.5.4.2. Chiều cao hút cho phép của bơm (hay vị trí đặt bơm tối đa) Từ phương trình trên, ta thấy chiều cao hút của bơm thoả mãn: v 2 z [H] ( 1 h ) , m. (2.23) h ck 2.g h Do đó, chiều cao hút cho phép của bơm là: v 2 [z] [H] ( 1 h ), m. (2.24) h ck 2.g h Công thức trên dùng để xác định chiều cao hút cho phép khi biết cột áp chân không cho phép của bơm [H]ck. Trong trường hợp không có [H]ck trong hồ sơ kỹ thuật của bơm, ta cũng có thể xác định được chiều cao hút cho phép của bơm theo điều kiện không xảy ra xâm thực. Như đã biết, áp suất tại cửa vào của bơm phải lớn hơn áp suất của hơi bão hòa của chất lỏng (p1 > pd), ứng với một nhiệt độ làm việc nhất định nào đó thì mới tránh được hiện tượng xâm thực trong bơm. Từ đó ta có phương trình: p v 2 p 1 1 d h , (2.25)  2.g  Mặt khác, từ phương trình liên tục Béc-nu-li viết cho dòng chất lỏng chảy từ mặt thoáng bể hút đến cửa vào của bơm là: 27
p v 2 p 1 1 z h = a , (2.26)  2.g h h  p p Thế hai phương trình vào nhau ta có: z a ( d h h) , m. h   h Do đó, chiều cao hút cho phép của bơm là: p p [z] a ( d h h) ,m. (2.27) h   h Ở công thức trên, h - cột áp dự trữ chông xâm thực được xác định theo công thức kinh nghiệm của Rút-đơ-nhép, như sau: n. Q 4 h 10.( ) 3 , m.c.n. (2.28) C trong đó: n - vận tốc quay của bánh công tác của bơm, vg/ph. Q - lưu lượng thể tích của bơm, m3/s. C - hệ số phụ thuộc vào kiểu kết cấu của bơm, C = 800  1000. 2.5.5. Các kiểu kết cấu của bơm Có nhiều loại và kết cấu của bơm. Ở đây chúng ta chỉ xét ngắn gọn các bơm thường được sử dụng trong hệ thống tàu thủy. Bơm piston. Trước kia, trong các hệ thống tàu thủy, bơm piston được sử dụng rộng rãi, do các bơm piston có khả năng tự hút tốt, nhưng có kích thước và khối lượng lớn do tính chất chạy chậm quyết định bởi sự chuyển động không đều của piston. Ngoài ra, kết cấu của chúng phức tạp hơn các bơm cánh dẫn nhiều. Trong các hệ thống hiện đại, rất hiếm khi gặp bơm piston. Chúng được sử dụng chủ yếu trong các hệ thông lọc của tàu dầu để giải phóng các két khỏi các cặn của hàng. Để hút khô các hầm nhỏ, người ta dùng các bơm piston tay. Bơm ly tâm. Hiện nay trong các hệ thống tàu thủy, người ta hay dùng các bơm ly tâm nhất. Khi bánh công tác quay, nó tác dụng lực lên dòng chất lỏng và truyền cơ năng cho chất lỏng. Sự tăng áp suất chất lỏng trong bánh được tạo ra chủ yếu là nhờ tác dụng của lực ly tâm. Ở bơm ly tâm, cửa vào của chất lỏng vào bánh công tác theo hướng trục, còn cửa ra - theo hướng kính. 28
Các bơm ly tâm có loại thẳng đứng, có loại nằm ngang. Bơm đặt đúng dành được nhiều sự ưu tiên hơn vì nó chiếm ít diện tích. Nhược điểm cơ bản của bơm ly tâm là không có khả năng tự hút, hay còn gọi là hút khan hoặc hiện tượng e, khi trong đường ống có không khí. Cho nên trước khi khởi động bơm ly tâm, bơm và đường ống phải được điền đầy chất lỏng. Với mục đích này bơm được cung cấp một thiết bị tự hút đặc biệt - bơm chân không, dùng để đẩy không khí khỏi đường ống hút, nhờ nó mà bơm và đường ống được điền đầy chất lỏng. Nếu bơm nằm thấp hơn mực chất lỏng trong bể chứa, thì không cần trang bị thiết bị tự hút cho bơm. Bơm chân không, là các bơm hút khô, làm việc trong các hệ thống hút khô. Khi chọn bơm ly tâm cho hệ thống tàu thủy, cần phải biết các đặc tính của nó, là các quan hệ theo đồ thị cột áp H, công suất N và hiệu suất  đối với lưu lưọng Q khi vận tốc quay của bơm cố định n, vg/ph (hình 2.9). Chúng được xây dựng nhờ thử bơm trên bệ thử và đưa vào các Catalogue. Nếu kết hợp đặc tính của đường ống với đặc tính H = f(Q) của bơm (hình 2.10), thì có thể xác định được chế độ làm việc của bơm. Điểm A, giao điểm của đường đặc tính bơm và ống, được gọi là điểm làm việc của bơm. Nó chỉ ra rằng, bơm làm việc với đường ống đã cho, sẽ đảm bảo lưu lượng Q1 và cột áp H1. Nếu thay đổi đặc trưng của ống gây ra sự dịch chuyển của điểm A theo đường đặc tính của bơm, và dĩ nhiên, gây ra thay đổi chế độ làm việc của bơm. Hình 2.9. Đặc tính của bơm ly tâm. Hình 2.10. Xác định cột áp làm việc của bơm Khi xây dựng đặc tính ống, người ta sử dụng mối quan hệ: 2 H TP h CT K.Q TP , m.c.n. (2.28) 29
trong đó: hCT - chiều cao cấp tĩnh, bằng tổng chiều cao hình học và chiều cao áp suất, chiều cao áp suất có nghĩa là chiều cao ứng với áp suất dư (hộp khí nén, đường ống cứu hỏa, v.v.). K - đại lượng không đổi, xác định đối với mỗi đường ống, nó bao gồm các trị số tính toán không đổi của các công thức xác định tổn thất thủy lực. QTP - lưu lượng chất lỏng qua ống. Tưởng tượng bây giờ, trong ống chất lỏng được cấp không phải bằng 1 bơm mà là 2, chúng được nối với ống song song. Khi nối song song thì sẽ bảo đảm cấp nhiều chất lỏng hơn vào đường ống. Chúng ta giả sử rằng, các bơm là như nhau và đặc tính H = f(Q) của mỗi bơm được mô tả bằng đường cong 1 (hình 2. 11, a). Hình 2.11. Sự phối hợp làm việc của các bơm ly tâm. a - khi làm việc song song; b - khi làm việc nối tiếp. Đặc tính tổng 2 của hai bơm song song nhận được bằng cách cộng lưu lượng của chúng lại khi các cột áp như nhau (hình 2.11, a). Đem đặc trưng ống 3 so với các đặc tính này ta sẽ nhận được các điểm làm việc A1 và A2 xác định được lượng chất lỏng mà bơm vận chuyển trong đưềng ống bằng một và hai bơm làm việc song song. Trong thực tế còn gặp các bơm làm việc nối tiếp. Khi mắc nối tiếp, cột áp của bơm nâng cao (hình 2.11, b). Trên hình vẽ, đường cong 1 là đường đặc tính của một bơm, còn đường cong 2 là đặc tính của bơm khác. 30
Đặc tính tổng cộng 3 của hai bơm làm việc nối tiếp nhận được bằng cách cộng cột áp của chúng khi cùng lưu lượng. Giao của đặc tính 3 của các bơm với đặc trưng của đường ống 4 ở điểm A, xác định chế độ làm việc của hai bơm ly tâm mắc nối tiếp. Bơm xoáy lốc. Khi lưu lượng nhỏ và cột áp lớn, người ta dùng bơm xoáy lốc.Hoạt động của chúng, cũng như của bơm ly tâm, dựa trên cơ sở truyền năng lượng từ cánh bơm cho dòng chất lỏng. Hiệu suất của bơm xoáy lốc thấp hơn bơm ly tâm và không vượt quá 40  50%. Điều này hạn chế phạm vi sử dụng chúng. Bơm xoáy lốc được sử dụng ở các hệ thống cấp nước. Người ta dùng động cơ điện làm động cơ dẫn động cho các bơm của các hệ thống tàu thủy. Bơm phụt (phun). Bơm phun có loại thuỷ lực và hơi. Ở bơm phun hơi, công chất là hơi. Trong các hệ thống của tàu hơi nước, người ta dùng hầu như rất ít bơm phun thủy lực. Quạt gió. Quạt truyền cho không khí năng lượng cần thiết để nó chuyển dịch trong đường ống. Các thông số cơ bản của quạt bao gồm: lưu lượng Q, cột áp H, công suất tiêu thụ N và hiệu suất . Khác với bơm, cột áp trong các quạt đo bằng mm cột nước (mm.c.n). Cột nước cao 1 mm tạo ra áp lực bằng 1 kg/m2. Lưu lượng và cột áp quạt thường được người ta đưa ra xuất phát từ giả thiết rằng, không khí được nạp vào là tiêu chuẩn, tức là không khí, ở nhiệt độ 200C, trọng lượng riêng  =1.2 kg/m3, độ ẩm tương đối 50% và áp suất 760 mm.Hg. Điều này cho phép so sánh các quạt với nhau, xác định các khả năng sử dụng chúng để làm việc ở các thông số khác nhau của không khí, đánh giá các giá trị của cột áp và lưu lượng. Công suất tiêu thụ của bơm được xác định bằng công thức: Q.H Q.H Q.H N , cv hoặc N , kw. (2.29) 3600.75. 270000. 367200. trong đó: Q - tính bằng, m3/g; H - tính bằng, mm.c.n. Các quạt có quạt hướng trục và quạt ly tâm. Trong các hệ thống tàu thủy, các quạt ly tâm được sử dụng rộng rãi nhất. 2.6. CÁC DỤNG CỤ ĐO - KIỂM TRA VÀ THIẾT BỊ 31
Để kiểm tra trạng thái của môi chất chảy trong đường ống củ các hệ thống tàu, người ta dùng ma-nô-mét, chân không kế và nhiệt kế. Ma-nô-mét dùng đo áp suất của môi chất cao hơn áp suất khí quyển, còn chân không kế - dùng đo áp suất môi chất thấp hơn khí quyển. Nhiệt kế thủy ngân phục vụ việc đo nhiệt độ môi chất. Trên các thang chia của ma-nô-mét và nhiệt kế có vạch đỏ để chỉ các thông số làm việc lớn hơn cho phép. Lượng chất lỏng trong két, bình (xi-téc), hiện nay được đo chủ yếu bằng các ống đo (còn gọi là thước đo) và cái đo mức chất lỏng ở dạng các cột chỉ báo với thiết bị phao. Ngoài ra còn sử dụng thiết bị chỉ báo mức chất lỏng từ xa. Hình 2.12. Ống đo mức nước a - ống bao; b - ống rọi hàn với bệ 32
2.6.1. Thước đo mức nước Ống đo 4 (hình 2.12, a), nhờ ống nối 3, liên kết được với ống 2 của boong, ống 2 này được trang bị nắp 1. Đầu dưới của ống lắp chặt trên thanh giằng 5. Để đo mức chất lỏng, người ta hạ vào ống thước đo 7. Để loại bỏ sự va đập, dưới cửa dưới của ống, người ta hàn nổi tấm 6. Thước đo được làm ở dạng thanh răng kim loại hoặc kẻ vạch ở dạng thước kẻ gồm nhiều đoạn. Chúng có thể được chia độ theo đơn vị dài, thể tích hoặc khối lượng chất lỏng. Thanh đo được nối chặt với nắp của ống đo hoặc để gần ống đo. Các thước đo đã có số hiệu chuẩn cho dung tích đã cho, gọi là biểu kế (hình 2.12, b). Các ống đo dẫn ra từ chỗ sâu nhất của két theo đường thẳng. Đôi khi, bắt buộc nó phải cong, nhưng không cản trở sự di chuyển của thước đo. 2.6.2. Ống khí Thường ống đo được gộp với ống không khí, các ống bảo đảm lối ra cho không khí của xi-téc khi đầy và dẫn không khí khí quyển vào khi thải chất lỏng ra. Ống đo nối với ống không khí, ống này có cửa với lỗ thủng để hạ thước đo vào xi-téc. Ở phần trên của ống (dưới lớp bọc lót của két), người ta làm các rãnh xẻ dọc nối ra của không khí. Ống không khí, được đặt cách biệt với lớp lát (trên boong) của két. Để loại trừ khả năng các chất bẩn và nước rơi vào xi-téc, đầu bên ngoài của ống được uốn cong 1800 (dạng cổ ngỗng). Đôi khi, người ta còn trang bị nắp chụp bảo vệ. Ống khí được dẫn ra từ điểm cao nhất của két. Tổng diện tích của mặt cắt của nó phải không nhỏ hơn diện tích mặt cắt của các ống chất lỏng. Trong mọi trường hợp, đường kính trong của ống không khí không nhỏ hơn 40 mm, còn ống đo - không nhỏ hơn 25 mm. 2.6.3. Cột chỉ báo mức nước Các cột chỉ báo làm việc theo nguyên tắc của các bình thông nhau. Cấu tạo của cột đơn giản nhất đo mực nước được đưa ra trên hình 2.13, a. Ống xy lanh trụ thủy tinh 2 đường kính 15 3,5 mm có đầu dưới được lắp ghép và làm kín trng vỏ đồng thanh 1, còn đầu trên được nối kín với ống nối kim loại 4. Ống được báo vệ bị phá huỷ nhờ vỏ 6. Các đầu của cột được vặn thêm vào vật hàn 5 nằm trên thành két. Lượng nước nằm ở trong két được xác định theo thang chia 3. Tách riêng cột và két được thực hiện nhờ có tay quay 8 nằm trong đó. 33
Hình 2.18. Cột chỉ báo mức nước. a - cột chỉ báo hình trụ; b - cột chỉ báo bằng phao. 2.6.3.1 Chỉ báo mức nước bằng phao Trên hình 2.13, b. biểu diễn sơ đồ chỉ báo mực chất lỏng bằng phao. Khi chiều cao mức chất lỏng trong xi-téc thay đổi, thì vị trí phao 4 và đối trọng 3 được nối bằng dây cáp mềm, sẽ thay đổi. Để giảm ma sát, cáp chuyển dịch theo con lăn 1. Bên ngoài của vỏ xi-téc có thang chia độ với điểm không ở bên trên và điểm cực đại ở dưới. Khi thay đổi mực chất lỏng thì phao và đối trọng, nối với nó bằng cáp, sẽ chuyển dịch, đối trọng chỉ trên thang chia mức chất lỏng có trong xi-téc. 2.6.3.2 Thiết bị chỉ báo chất lỏng từ xa Các bộ chỉ báo chất lỏng từ xa có nhiều kiểu khác nhau. Như dụng cụ YYMEK - 60 (Thiết bị chỉ báo mức chất lỏng bằng điện của tàu), dùng để đo mức nước, nhiên liệu lỏng và dầu, trong các xi-téc và khoang, két của tàu. Cảm biến nằm ngoài xi-téc trong ống đặc biệt với mặt bích ở mức được chấp nhận qui ước là không đối với xi-téc đã cho. Thiết bị ở bên trong xi-téc trong ống được thừa nhận. 34
Ngoài dụng cụ và thiết bị kiểu đo-kiểm tra, trong các hệ thống tàu thủy còn sử dụng các dụng cụ đặc biệt, ví dụ như: thiết bị phân tích khí thải, ẩm kế và v.v. 35
Chương 3 CƠ SỞ TÍNH TOÁN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG 3.1. KHÁI NIỆM CHUNG 3.1.1. Đặt vấn đề Như chúng ta đã biết, cơ sở tính toán thủy lực đường ống có các phương trình nổi tiếng từ môn Thủy lực học là phương trình liên tục và phương trình Béc-nu-li. Phương trình liên tục đối với chất chất lỏng không nén được, có dạng: f1.v1 = f2.v2 = const. (3.1) với: f1 và f2 - diện tích của mặt cắt ngang thứ nhất và thứ hai của ống. v1 và v2 - tốc độ trung bình của chất lỏng ở mặt cắt thứ nhất và thứ hai. Phương trình (3.1) chỉ ra rằng, nếu trong đường ống không có nhánh ống vào và ra, thì lưu lượng chất lỏng ở mặt cắt bất kỳ kà không đổi, suy ra, giá trị tốc độ trung bình sẽ tỷ lệ v f nghịch với diện tích tiết diện ống: 1 2 . v 2 f1 Phương trình Béc-nu-li thể hiện định luật bảo toàn năng lượng của chất lỏng chuyển động. Trong trường hợp chất lỏng không nén, chuyển động dừng, mặt phẳng chuẩn - mặt phẳng ngang, được chọn tương đối tuỳ ý thì phương trình cho mặt cắt I và II có dạng: p v 2 p v 2 z 1 . 1 z 2 . 2 h . (3.2) 1  1 2.g 2  2 2.g 1 2 với: z1 và z2- là chiều cao của trọng tâm mặt cắt ngang I và II của dòng chảy so với mặt phẳng chuẩn. p1 và p2 - áp suất chất lỏng ở trọng tâm mặt cắt I và II. 29
h1-2 - tổn thất năng lượng đơn vị của dòng chất lỏng hay tổn thất cột áp trên đoạn ống 1-2. 1 và 2 - hệ số tính đến sự phân bố không đều của tốc độ theo mặt cắt của dòng chảy (đối với chế độ chảy rối: = 1,045 và trên thực tế được lấy: = 1, với chế độ chảy tầng: = 2). Như đã biết, chế độ chảy được gọi là chảy tầng khi số Reynolds Re 2300, còn chảy rối khi Re > 2300. Số Reynolds: v.d Re . (3.3)  với: v - vận tốc dòng chảy của chất lỏng, m/s. d - đường kính ống, m.  - độ nhớt động học của chất lỏng, m2/s. Dạng chảy cơ bản của chất lỏng trong các đường ống của hệ thống tàu là rối. Chế độ chảy tầng chỉ gặp ở các đường ống vận chuyển chất lỏng có độ nhớt lớn đáng kể (mazút, dầu nhờn, dầu và v.v). Về ý nghĩa vật lý, tất cả các thành phần của phương trình Béc-nu-li là năng lượng đơn p v 2 vị (cho 1 kg chất lỏng). Toàn bộ 3 thành phần ( z . ) là giá trị năng lượng đơn vị  2.g toàn phần mà dòng chất lỏng có được ở mặt cắt ngang đã cho, tức là cột áp thủy lực toàn phần được đo bằng mét cột nước (m.c.n). Giá trị h1- 2 là phần tổn thất năng lượng đơn vị của chất lỏng trên đoạn ống 1-2, để khắc phục sức cản của chất lỏng chuyển động trong ống. Tổn thất cột áp h bao gồm tổn thất do ma sát trong các đoạn ống thẳng (còn gọi là tổn thất dọc đường) hM và tổn thất cục bộ hC (van ngăn kéo, van, ống cong, v.v.). Đương nhiên, ta có thể viết: h h M h C . (3.4) 3.1.2. Xác định tổn thất dọc đường 30
Tổn thất cột áp do ma sát trong các ống thẳng, được xác định bằng công thức Đắc-xi_ Vây-xơ-bat-khơ. l v 2 h . . , m.c.n. (3.5) M d 2.g trong đó:  - hệ số ma sát thủy lực, còn gọi là hệ số tổn thất cột áp dọc đường, nó phụ thuộc vào chế độ của dòng chảy trong ống cũng như độ nhám tương đối của bề mặt trong ống,  = f(Re, ). l - chiều dài đoạn ống thẳng, m. d - đường kính trong của ống, m. v - tốc độ trung bình của chất lỏng, m/s. g - gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2. Đối với ống có mặt cắt ngang là hình chữ nhật, công thức (3.5) sẽ có dạng: l v 2 h M . . , m.c.n. (3.6) d T 2.g với: dT - đường kính tương đương được xác định từ sự bằng nhau của bán kính thủy lực của ống tròn và ống định hình. Bán kính thủy lực R là tỷ số giữa diện tích tiết diện F và chu vi  của ống, tức là: F R , m. (3.7)  .d2 a.b Đối với ống tròn và ống có mặt cắt hình chữ nhật, có thể viết: T , từ đó 4. .d T 2(a b) ta có: 2.a.b d , m. (3.8) T a b ở đây: a và b - là kích thước các cạnh của hình chữ nhật. Khi tính toán các ống thông gió, trong các công thức (3.6) thay vào dT, người ta dùng cả đường kính thủy lực dTL, nó được xác định theo công thức: 31
4.F d , m. (3.9) TL  Khi thực hiện tính toán theo các công thức (3.5) và (3.6) cần phải biết hệ số ma sát thủy lực . Trong trường hợp tổng quát nó là hàm của số Reynolds và độ nhám tương đối  của thành trong ống mà trong đó chất lỏng chảy qua. Để đánh giá độ nhám, người ta lấy chiều cao tính toán chỗ lồi lõm k, nó gọi là độ nhám tuyệt đối và đo bằng mm. Đối với các đường ống, có sự phân bố không đều các chỗ lồi lõm, độ lượn sóng, người ta sử dụng khái niệm độ nhám tương đương kT. Giá trị của nó nhận được, xuất phát từ điều kiện tương đương về sức cản thủy lực của các ống, chiều dài và đường kính trong như nhau, một ống trong đó có độ nhám đều dạng hạt, còn ống kia - không đều. Tỷ số của độ nhám tuyệt đối k (kT) với kích thước ngang tuyến tính đặc thù của ống (bán kính hoặc đường kính) được gọi là độ nhám tương đối . Sau đây chúng ta sẽ sử dụng k k đại lượng  hoặc  T . d d Độ lớn hệ số  cũng có thể tìm bằng đồ thị do G.A. Murin đưa ra. 3.1.3. Xác định tổn thất cục bộ Tổn thất cột áp cục bộ dược tính bằng công thức Vây-xơ-ba-khơ, có dạng như sau: v 2 h  . , m.c.n. (3.10) C C 2.g ở đây: C - hệ số cản cục bộ (hệ số tổn thất cột áp cục bộ), được xác định nhờ thực nghiệm, phụ thuộc vào chỗ xảy ra tổn thất cục bộ. v- tốc độ trung bình của chất lỏng ở lối vào của chỗ có cản cục bộ hay chỗ ra khỏi nó. Nếu trong một đoạn ống của đường ống, có một vài chỗ có cản cục bộ thì tổn thất cột áp trên nó được xác định như tổng tổn thất cột áp ở những chỗ có cản cục bộ riêng biệt. v 2 h  . , m.c.n. (3.11) C C 2g ở đây: C - tổng hệ số tổn thất cột áp cục bộ. 32
3.2. Nhiệm vụ và các phương pháp tính toán thủy lực đường ống Tính toán thủy lực đường ống là một trong những vấn đề cơ bản khi thiết kế hệ thống tàu thủy. Nó là cơ sở để chọn đường kính trong của ống, vận tốc chuyển động của chất lỏng, lưu lượng và cột áp của các máy móc thủy lực. Trong thực tế thiết kế hệ thống tàu thủy, ta gặp các trường hợp khác nhau của tính toán thủy lực. Tuy nhiên, tất cả chúng có thể đưa về giải quyết hai loại bài toán: thuận và nghịch. Theo sơ đồ bài toán thuận, cột áp chi phí để khắc phục sức cản thủy lực trong đường ống là ẩn số. Theo kết quả bài toán thuận, chọn được lưu lượng và cột áp của máy móc thủy lực (bơm, quạt gió, v.v.) dùng để phục vụ cho hệ thống đã được thiết kế. Bài toán nghịch là trường hợp tính toán thủy lực đường ống mà trong đó giá trị cột áp được cho trước. Mục đích tính toán thủy lực khi giải quyết bài toán ngược - xác định đường kính ống và các thông số chuyển động của chất lỏng, trong đó xuất phát từ cột áp giả thiết của hệ thống. Khi tính toán thủy lực đường ống của các hệ thống, người ta sử dụng các phương pháp khác nhau. Thường dùng nhất là các phương pháp giải tích, phương pháp tổn thất cột áp trên một đơn vị chiều dài ống và phương pháp đặc tính. Không phụ thuộc vào phương pháp được chọn để tính, người ta bắt đầu bằng việc phác thảo sơ đồ được tính, kể đến các máy móc, hệ thống phục vụ, các thiết bị trên hệ thống (hình 3.1 và 3.2). Hệ thống được phân bổ ra các phần (hệ thống ống đơn giản) mà trong phạm vi của chúng các giá trị lưu lượng và đường kính trong ống không đổi. Các phần được đánh số bằng hai chỉ số 1 - 2; 2 - 3; và v.v. Số đầu tiên chỉ chỗ bắt đầu, còn số thứ hai chỉ chỗ kết thúc của đoạn ống theo tiến trình tính toán. Gần mỗi đoạn trên đường ống, chìa ra ngoài, có chỉ dẫn đường kính đoạn ống và chiều dài của đoạn ống, đôi khi là lưu lượng và tốc độ của môi chất chảy qua. Ngoài ra còn chỉ dẫn cao độ zi của các điểm tính toán đầu mối đối với mặt phẳng chuẩn. 3.2. PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH Phương pháp này dựa trực tiếp trên cơ sở giải 2 phương trình Béc-nu-li và phương trình lưu lượng. Dùng phương pháp này để tính các hệ thống ống đơn giản cũng như phức tạp (nhiều nhánh). 33
3.3.1. Tính toán hệ thống ống đơn giản Trong sơ đồ tính, mạng đường ống của hệ thống được phân ra thành các đoạn ống riêng biệt, trong giới hạn của nó, thì sự ổn định về lưu lượng chất lỏng và sự không đổi của đường kính mặt cắt ngang ống được giữ nguyên. Chúng ta sẽ xem xét việc tính toán hệ thống ống đơn giản (hình 3.1). Phương trình Béc-nu-li viết cho mặt cắt I và II của hệ thống ống: p v 2 p v 2 z 1 1 h z 2 2 . (3.12) 1  2.g 2  2.g Đại lượng h trong phương trình, là tổn thất cột áp do ma sát và cản cục bộ, được xác định bằng quan hệ: l v 2 h h h (.  ). . (3.13) M C d C 2.g Sau khi đặt vào phương trình Béc-nu-li đại lượng h và giải nó đối với p2/ ta được cột áp H2 ở điểm đầu mối 2: p p l v 2 v 2 v 2 H 2 1 (z z ) (.  ). ( 1 2 ), (3.14) 2   1 2 d C 2.g 2.g 2.g v 2 v 2 Vì đường kính ống không đổi, nên: 1 2 0 và phương trình nhận được dưới dạng 2.g 2.g cuối cùng là: p p l v 2 H 2 1 (z z ) (.  ). . (3.15) 2   1 2 d C 2.g Ta viết lại biểu diễn (3.13) ở dạng: v 2 h h h  . . (3.16) M C T 2.g trong đó: T - là hệ số cản toàn bộ của hệ đường ống của hệ thống, được tính bằng: l  .  . (3.17) T d C 34
Vì theo công thức tính cơ bản (3.16), các tổn thất cột áp được thể hiện trong hàm của cột áp tốc độ, nên phương pháp tính xét ở trên đang được nghiên cứu, thường được gọi là phương pháp cột áp động lực học. Từ công thức (3.16), ta được công thức tính vận tốc chuyển động của chất lỏng trong ống: 1 v . 2.g.h . (3.18) T Lưu lượng chất lỏng trong đường ống sẽ bằng lưu lượng chất lỏng chỗ tiêu thụ ở điểm 1 và đối với phần lớn các nơi tiêu thụ (vòi rồng cứu hoả, thiết bị phun nước, vòi xả nước và v.v.) được xác định theo công thức: Q .f. 2.g.H1 . (3.19) p ở đây: H 1 - là cột áp nơi tiêu thụ, m.c.n. 1   - hệ số lưu lượng. f - diện tích tiết diện lỗ chảy ra của nơi tiêu thụ, m2. Biết lưu lượng Q, có thể tìm ra đường kính ống theo công thức: 4.Q d . (3.20) .v Chúng ta sẽ chỉ ra việc sử dụng các công thức đã có để giải bài toán thuận và nghịch như thế nào. 3.3.1.1. Giải bài toán thuận Trong trường hợp bài toán thuận, cột áp H2 ở điểm đầu mối 2 (hình3.1) là ẩn số và việc tính toán hệ thống ống tiến hành theo thứ tự sau: - Từ cột áp đã cho H1 ở nơi tiêu thụ, người ta xác định lưu lượng Q theo công thức (3.19). - Sau khi định vận tốc chuyển động của chất lỏng trong hệ thống ống, người ta đi tính đường kính d theo công thức (3.20). 35
- Người ta lựa chọn đường kính ống theo tiêu chuẩn của Qui phạm, hơn nữa nếu đường kính đã được tính không tương ứng với tiêu chuẩn, thì người ta lấy đường kính lớn gần nhất và tính chính xác vận tốc chuyển động của chất lỏng trong ống theo công thức: 4.Q v . .d 2 v.d - Tính số Reynolds: Re .  - Theo trị số tìm được của Re và giá trị độ nhám tương đương kT có được, người ta xác định hệ số ma sát thủy lực  theo các công thức thực nghiệm hoặc đồ thị. - Xác định được tổng các hệ số cản cục bộ C. - Tính hệ số sức cản toàn phần T theo công thức (3.17). - Xác định tổn thất cột áp h trong đường ống theo công thức (3.16). - Tìm được cột áp ở điểm đầu mối 2 theo công thức: H2 = H1 + h + ( z1 - z2 ). (3.21) Từ sự tính toán này ta thấy rõ rằng, bài toán thuận đã được giải quyết hoàn toàn và cho kết quả như yêu cầu. Bơm ống chính Bơm 36
Hình 3.1. Sơ đồ tính toán đường ống Hình 3.2. Sơ đồ tính toán đường ống đơn giản phức tạp. 3.3.1.2. Giải bài toán nghịch Chúng ta sẽ xem xét trường hợp tính toán của hệ thống ống 1 - 2 nói trên khi cột áp H2 ở điểm đầu mối 2 và đường kính d của ống đã được định trước, tức là bài toán nghịch. Mục đích tính toán - là xác định vận tốc v của chất lỏng trong đường ống và cả lưu lượng Q, cột áp H1 ở nơi tiêu thụ. Bài toán đã cho được giải theo phương pháp đúng dần liên tiếp. ' - Chúng ta định trong lần gần đúng thứ nhất cột áp H1 H1 và tính các đại lượng sau: ' ' - Lưu lượng nước ở đoạn ống : Q .f. 2.g.H1 . 4.Q ' - Vận tốc chuyển động của chất lỏng trong ống: v ' . .d 2 v ' .d - Số Reynodls: Re' .  l - Hệ số cản toàn phần: ' ' . ' . T d C v '2 - Tổn thất cột áp trên đoạn ống: h ' ' . . T 2.g Tiếp theo, ta giải bài toán ở lần gần đúng thứ hai. Cột áp ở nơi tiêu thụ sẽ bằng: ” ’ H1 = H2 - h - ( z1 - z2 ). Lặp lại việc tính toán cũng theo các công thức và thứ tự như ở lần gần đúng thứ nhất. ” ” ” ” ” Kết quả ta nhận được: Q , v , Re , T và h . Chúng ta làm một loạt đúng dần liên tiếp như vậy khi mà trị số cột áp H1 cho hai lần đúng dần liên tiếp chưa gần bằng nhau. 37
Với kết quả tính toán, chúng ta đưa ra công thức để xây dựng đặc tính đường ống. Trên cơ sở phương trình (3.15) cho tổn thất cột áp ở hệ thống ống đơn giản, ta viết được mối quan hệ: l v 2 H h (.  ). . (3.22) TP CT d C 2.g p ở đây: h 1 (z z ) - chiều cao cấp tĩnh. CT  1 2 Đối với đầu cuối của ống, cần phải tính đến tổn thất năng lượng với vận tốc ra. Suy ra, biểu thức biểu thức trên có thể viết lại như sau: l v 2 H h (.  1) . (3.23) TP CT d C 2.g 4.Q TP Vì khi lưu lượng qua đường ống là QTP , thì tốc độ v , do đó ta có: .d 2 l 16.Q 2 H h (.  1). TP . TP CT d 2 .d 4 .2.g l 16 Đối với mỗi hệ thống ống đã cho, thì đại lượng: (.  1). K là không d C 2 .d 4 .2.g 2 đổi. Cuối cùng ta nhận được: H TP h CT K.Q TP . (3.24) Đây cũng chính là phương trình đặc tính của hệ thống ống. 3.3.2. Tính toán hệ thống ống phức tạp Một hệ thống ống phức tạp (phân nhánh) bất kỳ, bao gồm các hệ thống ống đơn giản riêng biệt liên kết với nhau theo một sơ đồ nhất định. Tính toán thủy lực hệ thống ống phân nhánh (hình 3.2) được thực hiện theo từng đoạn và được đưa về giải bài toán thuận và nghịch đã được xét ở trên đối với hệ thống ống đơn giản. Như thấy rõ ở hình 3.2, bơm, theo hệ thống ống nhánh, cấp nước tới một loạt nơi tiêu thụ. Trong sơ đồ này, số lượng nơi tiêu thụ bằng 4. Trong trường hợp nói chung, có thể có nhiều hơn nhiều. 38
3.3.2.1. Giải bài toán thuận Giả sử rằng, cột áp H và lưu lượng Q của bơm chưa biết - tức là trường hợp bài toán thuận. Tính toán được thực hiện theo các đoạn từ điểm xa nhất (hình 3.2, a). Đoạn 1 - 2 là hệ thống ống đơn giản và được tính theo sơ đồ bài toán thuận: - Lưu lượng nước trong đoạn: Q1 2 .f. 2.g.H1 . 4.Q1 2 - Đường kính ống: d1 2 . .v1 2 với: v1-2 - vận tốc chất lỏng trong đoạn ống đã được cho. v .d - Số Reynolds: Re 1 2 1 2 1 2  l - Hệ số cản toàn phần của đoạn:   . 1 2  . T1 2 1 2 C1 2 d1 2 v 2 - Tổn thất cột áp trên đoạn: h  . 1 2 . 1 2 T1 2 2.g - Cột áp ở điểm 2: H2 = H1 + h1-2 + ( z1 - z2 ). Đoạn 2 - 3 cũng là đoạn ống đơn giản, và vì đối với nó, cột áp điểm 2 cũng là cột áp dành cho đoạn 1 - 2, tức là H2 , cho nên nó được tính theo sơ đồ bài toán nghịch bằng một loạt các lần đúng dần liên tiếp. Đoạn 2 - 4 cũng là ống đơn giản và được tính theo sơ đồ bài toán thuận. Người ta xác định lưu lượng trên đoạn là: Q2-4 = Q1-2 + Q2-3, sau đó xác định: d2-4, Re2-4, T 2-4, h2-4 và xác định được cột áp H4 ở điểm 4: H4 = H2 + h2-4 + ( z2 - z4 ). Sau đó người ta tính cho các đoạn: 4 - 5, 4 - 6, 6 - 7 và 6 - 8. Lưu lượng và cột áp của bơm của hệ thống sẽ bằng: Q = Q6-8 ; H = H8. 39
Trong trường hợp tổng quát, lưu lượng yêu cầu của bơm được xác định bằng biểu thức: Q = Qi , ở đây Qi - là tổng lưu lượng của chất lỏng của các nơi tiêu thụ hoạt động cùng một lúc. Từ tất cả các khả năng phối hợp làm việc đồng thời của các nơi tiêu thụ, người ta chọn trường hợp nào mà lưu lượng chất lỏng là cực đại. 3.3.2.2. Giải bài toán nghịch Nếu lưu lượng Q và cột áp H của bơm được cho trước thì việc tính toán thủy lực đường ống được thực hiện như khi giải bài toán nghịch. Mục đích tính toán trong trường hợp này là, xác định các thông số chuyển động của chất lỏng theo các đoạn cũng như cột áp, lưu lượng nơi tiêu thụ. Sau khi phân hệ thống ống ra thành các đoạn và thực hiện theo hướng từ bơm cho đến điểm xa nhất (hình 3.2, b). Sự tính toán được bắt đầu từ ống chính 1 - 4 và sau đó , người ta tính các nhánh riêng. Sau khi lấy vận tốc vM của chuyển động của chất lỏng trong ống chính, ta tìm được đường kính của nó theo công thức: 4.Q d M . .v M Đoạn ống chính được tính theo sơ đồ bài toán thuận và liên tục cái này sau cái kia, bắt đầu từ đoạn 1 - 2. Theo kết quả tính, ta nhận được H2, H3 và H4 ở các điểm đầu mối 2, 3 và 4. Dựa vào cột áp đã biết ở các điểm đầu mối, ta tiến hành tính toán các nhánh 2 - 6, 3 - 7, 4 - 8, và 4 - 5 theo sơ đồ bài toán nghịch cho các hệ thống ống đơn giản. 3.4. PHƯƠNG PHÁP TỔN THẤT CỘT ÁP TRÊN ĐƠN VỊ CHIỀU DÀI ỐNG CỦA HỆ THỐNG ỐNG Phương pháp tổn thất cột áp trên đơn vị chiều dài ống, hay phương pháp chiều dài tương đương, dựa trên cơ sở thay tổn thất cột áp cục bộ bằng tổn thất cột áp do ma sát (dọc đường) trên đoạn ống thẳng có chiều dài tương tương. Từ đó, chiều dài tương đương của đoạn ống lT sẽ là chiều dài của đoạn ống thẳng đường kính d, mà trong đó, tổn thất cột áp do ma sát bằng với tổn thất cột áp ở các chỗ cản cục bộ đã được xem xét, tức là: 40
l v 2 v 2 h h hay là . T .  . . (3.25) C M d 2.g C 2.g d Từ đó ta có: l . . (3.26) T  C  hay:  .l (3.27) C d T Như vậy, tổn thất cột áp toàn bộ trong đường ống đường kính d có các cản cục bộ C được biểu diễn bằng công thức: l  v 2  v 2 h (. .l ) (l l ). . , (3.28) d d T 2.g T d 2.g Tổng: l + lT =lTT - gọi là chiều dài thay thế của hệ thống ống. Đương nhiên, ta có thể l v 2 viết: h . TT . (3.29) d 2.g Coi tỷ số tổn thất cột áp h trên chiều dài đường ống là độ dốc thủy lực: h 1 v 2 i . . , công thức cuối cùng sẽ có dạng: l TT d 2.g l v 2 h . TT . i.l . (3.30) d 2.g TT Với mục đích, để thuận tiện cho việc tính các giá trị lT và i, người ta xây dựng các toán đồ, nó làm đơn giản và giảm một cách đáng kể việc tính toán thủy lực bằng phương pháp này. Các bài toán thuận và nghịch cũng được giải quyết như phương pháp tính bằng giải tích. 41
Chương 4 CÁC HỆ THỐNG HẦM TÀU 4.1.TÍNH NĂNG CỦA CÁC HỆ THỐNG HẦM TÀU Các hệ thống hầm tàu được chia ra thành: hệ thống hút khô (hệ thống vét nước đáy khoang), hệ thống nước dằn (ballast) và hệ thống cứu đắm. Hệ thống hút khô phục vụ cho việc, thải một lượng không lớn nước tích tụ trong các khoang, két của tàu. Nó được bố trí trên tất cả các tàu. Hệ thống nước dằn được dùng để hút và thải nước dằn với mục đích, thay đổi mớn nước, độ nghiêng và chúi của tàu. Nó chỉ được trang bị cho tàu, mà trên đó để cho khai thác bình thường, yêu cầu phải nhận nước dằn. Hệ thống cứu đắm được sử dụng để đẩy một khối lượng lớn nước có thể tràn vào tàu khi thủng khoang. Các hệ thống hầm tàu được bố trí theo các sơ đồ nhất định. Tuỳ theo kích thước và tính năng của tàu, nó có thể được bố trí theo các nguyên tắc khác nhau, các nguyên tắc cơ bản đó là: nguyên tắc tập trung, nguyên tắc phân nhóm và nguyên tắc độc lập (hay tự bốc). 38
a) b) c) Hình 4.1. Các sơ đồ nguyên tắc bố trí hệ thống hầm tàu Các hệ thống hầm tàu bố trí theo nguyên tắc tập trung, tất cả các khoang được bố trí một hệ thống đưa nước về một trạm bơm, một trạm điều khiển. Nhược điểm của nó là, khi có nhiều khoang thì cần nhiều ống và nhiều lỗ khoét qua các vánh ngăn kín nước để dẫn ống qua. Ở nguyên tắc bố trí phân nhóm, cứ một nhóm khoang bố trí một hệ thống đường ống, một trạm bơm và đưa về một trạm điều khiển. Tức là, mỗi một đường ống chính kết thúc bằng một hộp van, từ đó có các nhánh ra đến các khoang của tàu. Ưu điểm là độ dài chung của hệ thống ống, trong trường hợp này sẽ nhỏ hơn so với hệ thống bố trí theo nguyên tắc tập trung. Nhược điểm, việc bố trí các hộp van ở một vài khoang gây nên bất tiện trong thời gian khai thác. Ở các sơ đồ bố trí theo nguyên tắc độc lập (tự bốc), mỗi khoang tàu nằm giữa hai vách ngăn kín nước, được trang bị bơm riêng, được đặt trong khoang với tất cả các thiết bị điều khiển. Trong trường hợp này, tuổi thọ của hệ thống được đảm bảo là cao nhất, nhưng nó yêu cầu số lượng đáng kể bơm và xuất hiện thêm các lỗ khoét ở các mạn tàu cho các đường ống đi tới bơm. Hiện nay, các hệ thống hầm tàu của tàu chủ yếu bố trí theo nguyên tắc tập trung và phân nhóm. 39
4.2. HỆ THỐNG HÚT KHÔ Trong quá trình khai thác con tàu, trong thân của nó dần dần tích tụ một lượng nước nào đó. Nó có thể rò qua các chỗ không kín ở các chỗ nối ống và thiết bị, qua các vòng bít của bơm, và qua các ống đặt trục, có thể xuất hiện do ngưng tụ hơi nước và rò rỉ của vỏ tàu và v.v. Hệ thống hút khô dùng để thải nó ra khỏi thân tàu. Nhờ có hệ thống như vậy, người ta làm khô hầm hàng, buồng máy, các khoang mũi, các hầm xích neo và các khoang khác, mà ở đó nước có thể tích tụ lại. Hệ thống đang xét gồm có các phương tiện hút khô (các bơm, các thiết bị phụt,v.v.), đường ống hút khô và các thiết bị kiểm tra mức nước trong hầm. Để dùng làm bơm hút khô tự bốc, người ta có thể sử dụng các bơm nước dằn hoặc các bơm khác, được chỉ định dùng chung cho toàn tàu. Cũng cho phép sử dụng bơm cứu hoả làm một trong các phương tiện hút khô, với điều kiện là sự hút khô buồng máy sẽ được thực hiện bằng một bơm phụt. 4.2.1. Hệ thống hút khô bố trí theo theo nguyên tắc tập trung Như thấy rõ, từ hình 4.2, a, các bơm hút khô và toàn bộ thiết bị nằm trong buồng máy, từ đó có thể điều khiển hệ thống. Nước ở các giếng lắng 3 dưới đáy đôi tàu (dung tích từ 350  400 lít) theo đường ống nhánh qua hộp van chặn một chiều 8 về đáy đôi buồng máy, từ đáy đôi buồng máy nước được xả qua mạn nhờ bơm hút khô 1 và van chặn một chiều 2 hoặc nước - tích tụ tại két nước đáy đôi 6, sau đó nó được đưa lên trạm trên bờ hoặc trạm nổi để làm sạch. Trong trường hợp tai nạn, nó được thải trực tiếp ra mạn. Hệ thống hút khô bố trí theo nguyên tắc tập trung thì tạo ra được sự tiện lợi lớn cho việc bảo dưỡng nó. Tuy nhiên trong trường hợp này, như đã nhận xét, đòi hỏi số lớn ống và lỗ khoét ở các vách ngăn ngang kín nước để đặt các đường ống. 4.2.2. Hệ thống hút khô bố trí theo nguyên tắc phân nhóm Trên hình 4.2, b mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống hút khô làm việc theo nguyên tắc phân nhóm. Từ bơm hút khô đến mũi và đuôi tàu, người ta đặt một ống chính (ống thẳng), nó nối với các khoang bằng các ống nhánh có van chặn một chiều và thiết bị dẫn động từ boong. Việc bố trí các thiết bị dẫn động là bắt buộc trong sơ đồ như vậy. Ở các van nằm trong buồng máy có thể không cần các thiết bị dẫn động như vậy. 40
Ở sơ đồ bố trí theo nguyên tắc phân nhóm, chi phí ống giảm đáng kể và khối lượng của hệ thống giảm, nhưng sự điều khiển hệ thống lại phân tán. Các đường ống chính trong các khoang được chế tạo từ ống polyetylen, trong buồng máy - bằng hợp kim nhôm - man gan. Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống hút khô. a - bố trí theo nguyên tắc tập trung. 1 - bơm hút khô; 2 - van chặn một chiều; 3 - lưới hút; 4 - van chặn; 5 - van ba ngả; 6 - két nước đáy đôi; 7 - hộp lọc rác bẩn; 8 - hộp van chặn một chiều; 9 - nối lên bờ hoặc công trình nổi b - bố trí theo nguyên tắc phân nhóm. 1 - bơm hút khô; 2 - van chặn một chiều; 3 - lưới hút (giếng lắng); 4 - van chặn một chiều với cơ cấu dẫn động boong; 5 - van chặn; 6 - van ba ngả; 7 - két nước đáy đôi; 41
8 - nối lên bờ hoặc công trình nổi. 4.2.4. Tính toán đường kính của đường ống Đường kính trong các đường ống hút chính nối trực tiếp với bơm, được tính theo: D y 2,5.L C .(B H) 25, mm. (4.1) ở đây: LC - tổng chiều dài của các khoang được hút khô, m. B - chiều rộng tàu, m. H - chiều cao mạn tàu, m. Đường kính trong của ống đẩy được chọn bằng hoặc nhỏ hơn đường kính ống hút chính một chút. Khi xác định đường kính các ống nhánh hút từ các khoang, cũng như các ống hút của bơm tay, cần phải sử dụng công thức: d y 4,5.(b H) 25, mm. (4.2) ở đây: l - chiều dài khoang được hút khô, m. b - chiều rộng lớn nhất của khoang được hút khô, m. Không phụ thuộc vào kết quả thu được, các đường kính ống chính và các ống phụ phải không nhỏ hơn 44 mm. Đường kính trong của các ống hút của các bơm tay có thể lấy bằng đường kính cửa hút của bơm. Từ đường kính của ống hút chính, người ta đi xác định lưu lượng của bơm: .d 2 Q .v.3600 2826.d 2 .v, m3/g. (4.3) 4 ở đây: d - đường kính ống hút chính của bơm, m, tính theo công thức (4.1). v - vận tốc dòng nước trong đường ống chính, m/s. Theo Qui phạm, tốc độ v phải không nhỏ hơn 2 m/s. Khi v = 2 m/s, công thức (4.3) có dạng: Q 5652.d 2 , m3/g. (4.4) Theo lưu lượng tính được, người ta chọn bơm, lấy cột áp tổng cộng của bơm là: H 42
= 15  20 m.c.n. Sau khi xác định các kích thước ống và chọn bơm, cần phải kiểm tra lại thủy lực đường ống của nó. Đường ống đẩy chính của hệ thống hút khô ngắn hơn ống hút rất nhiều, nên tổn thất cột áp trong nó thường không tính. Vận tốc nước trong đường ống chính như vậy không được quá 4 m/s. 4.3. HỆ THỐNG NƯỚC DẰN Hệ thống nước dằn (ballats) được trang bị cho các tàu để thay đổi chiều chìm, khắc phục độ nghiêng, độ chúi của tàu nhằm đảm bảo tư thế, điều khiển và khai thác bình thường của tàu. Hệ thống nước dằn gồm có: các két chứa nước dằn, các bơm và hệ thống ống để nhận và thải nước, các ống đo hay các phương tiện khác để kiểm tra khối lượng nước dằn nhận vào, các ống cho khí vào và ra khỏi két dằn. 4.3.1. Các yêu cầu cơ bản của hệ thống dằn Nó phải đảm bảo bơm đầy hoặc hút cạn một két bất kỳ hoặc đồng thời một vài hoặc tất cả, cũng như khi cần thiết phải bảo đảm chuyển nước dằn từ một két này sang một két khác. Các két nước dằn đặt càng thấp càng tốt, mục đích là cải thiện tính ổn định cho tàu. Kết cấu của nó phải loại trừ khả năng nước chảy từ mạn cũng như từ các két nước dằn vào các két và các khoang khác. 43
Hình 4.3. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống dằn dọc. a - bố trí theo nguyên tắc tập trung; b - bố trí theo nguyên tắc phân nhóm, 1 - bơm; 2 - hộp van; 3 - van chặn một chiều; 4 - ống hút; 5 - van thông biển đáy; 6 - van với thiết bị dẫn động trên boong Để bố trí các két dằn, thường người ta dùng các khoang phía mũi và lái, các khoang ngay hai bên mạn với mục đích tạo ra mô men gây nghiêng, chúi lớn nhất mặc dù khối lượng nước dằn không lớn, tiết kiệm dung tích khoang hàng. Trên các tàu có đáy đôi - sử dụng cả các két đáy. Thể tích các két dằn và bố trí chúng phải thỏa mãn để nó đảm bảo nhận một lượng dằn cần thiết cho việc thay đổi mớn nước, nghiêng và chúi của tàu. Các két nước dằn phải bố trí thiết bị đo mức nước thích hợp được dẫn lên boong. 4.3.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống nước dằn Trên hình 4.3 chỉ ra sơ đồ nguyên lý của hệ thống dằn. Nước, theo nguyên tắc dòng tự chảy, chảy qua van thông biển đáy 5 vào các két dằn thông qua hộp van 2, các đường ống chính và nhánh. Khi cần điều chỉnh mực nước và thời gian dằn, người ta sử dụng bơm nước dằn 1. Trong trường hợp hút nước dằn ra, nước tích tụ tại ống hút 4 được bơm 1 hút qua hộp van 2 xả ra mạn qua van chặn một chiều 3. Ngoài nhiệm vụ dằn, hệ thống còn làm nhiệm vụ cứu đắm. 44
Hình 4.4. Sơ đồ nguyên lý hệ thống dằn dọc 1- van thông biển đáy; 2 - van chặn dẫn động trục; 3 - bơm; 4 - van chặn; 5 - van chêm; 6 - van kiểu phao nổi; 7 - ống kiểm tra của hệ thống tiêu nước; 8 - đường ống tiêu nước chính; 9 - hộp van chặn Trên hình 4.4 chỉ ra sơ đồ nguyên lý hệ thống dằn dọc xây dựng theo nguyên tắc phân nhóm. Hệ thống thiết bị cho phép điền đầy két chứa từ van thông biển 1 hay từ bơm dự trữ 3 trang bị cho hệ thống nước dằn. Nước dằn được hút ra bởi bơm dự trữ 3. Sơ đồ cũng chỉ ra vị trí các van kiểu phao nổi 6 trong két mà các van này tự động dừng khi đủ nước trong két. Trên hình 4.5 biểu diễn sơ đồ nguyên lý của hệ thống dằn ngang bố trí theo nguyên tắc phân nhóm , nước tự chảy qua van thông biển 1 vào các bể dằn tại hai mạn qua cửa nhận nước 16. Khi cần điều chỉnh mực nước trong các két dằn, người ta dùng bơm 2. 45
Hình 4.5. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống dằn ngang bố trí theo nguyên tắc phân nhóm 1 - van thông biển; 2 - bơm; 3 - van dẫn hướng dẫn động bằng trục; 4 - van chặn dẫn động trục; 16 - cửa nhận nước vào két dằn với phao chỉ báo mực nước; 17 - cửa hút nước khỏi bể; 20 - giếng lắng của hệ thống cứu đắm đường nét liền - đường ống của hệ thống dằn; đường nét đứt - đường ống của hệ thống cứu đắm. 4.3.3. Tính toán đường kính của ống Đường kính trong của các nhánh ống hút của hệ thống ống ballast cho các két riêng, được tính theo công thức: 3 d 18. VK , mm. (4.5) 3 trong đó: VK - là thể tích két chứa nước dằn, m . 46
Đường kính được lấy cuối cùng của ống nhánh không được lấy nhỏ hơn đường kính tính theo công thức (4.5). Khi xác định nó cũng có thể dùng bảng đã cho trong Qui phạm. Khi tính lưu lượng bơm, cần phải sử dụng công thức: Q 2826.d 2 .v, m3/g. (4.6) ở đây: d - đường kính trong của ống, m. v - vận tốc dòng trong ống, m/s. Cột áp các bơm nước dằn lấy từ 10  20 m.c.n. Theo lưu lượng tính được và cột áp đã lấy, người ta chọn được bơm ballast. Sau đó, người ta xác định sức cản trên đường ống hút của bơm khi hút nước ra từ két xa nhất. Về nguyên tắc, nó không khác với tính toán đường ống hút của hệ thống hút khô. Mục đích tất nhiên của việc tính toán là xây dựng đặc tính đường ống và đưa nó lên đặc tính bơm [H]ch.f = f(Q), ([H]ch.f - cột áp chân không cho phép). Theo đồ thị, người ta tìm được lưu lượng thực tế mà bơm tạo ra khi làm việc mà với đường ống đã cho như thế nào. Trong trường hợp cần thiết người ta tăng các đường kính ống và tính toán lại. Thời gian yêu cầu để hút khô các két ballast: V  C . (4.7) OC Q trong đó: VC - tổng dung tích của các két dằn. Thường thời gian hút khô các két dằn của các tàu hàng không quá (5  6)g. Nó còn phải tương xứng với thời gian bốc dỡ hàng. Trên các tàu dầu, ví dụ, nó gần bằng thời gian hút tải chính. Hệ thống nước dằn cần phải có ít nhất một bơm phục vụ. Để bơm, có thể sử dụng bơm có chức năng chung toàn tàu có đủ lưu lượng, trong số đó có bơm cứu hỏa và hút khô. Nếu các khoang dằn được dự tính cả cho việc giữ nhiên liệu lỏng, thì không được phép sử dụng bơm cứu hỏa làm bơm dằn. Đường ống dằn có thể được đặt ở khoảng giữa hai đáy (đáy đôi) cũng như trên mặt đáy thứ hai. Ở trường hợp thứ hai, nó phải được bảo vệ khỏi khả năng có hại cho hàng hoá. 4.4. HỆ THỐNG CỨU ĐẮM 47
Để thải ra khỏi tàu lượng nước chảy vào thân tàu do thủng khoang hoặc rò nước, nhiều tàu, người ta bố trí hệ thống cứu đắm, như tàu kéo cảng, tàu kéo chuyên tuyến, tàu kéo-đẩy cứu hộ, tàu hàng, v.v. Hệ thống cứu đắm tiến hành hút nước từ các khoang ngập nước của các tàu bị tai nạn, và ở các tàu cứu hỏa - cứu hộ đặc biệt. Hình 4.6. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống cứu hộ tàu Với mục đích đánh giá khả năng của các phương tiện cứu đắm, của các tàu lai dắt, người ta xác định: lưu lượng nước Q chảy vào khoang tàu qua lỗ thủng là bao nhiêu, khi áp suất mạn là không đổi. Để làm điều này, có thể sử dụng công thức sau: Q 3600..Fp . 2g.H p . (4.8) 2 trong đó: Fp - diện tích lỗ thủng, m . Hp - độ sâu của tâm lỗ thủng dưới mớn nước, m.  - Hệ số lưu lượng, lấy bằng 0,6. Các đường kính ống hút và rót của hệ thống cứu đắm được lấy bằng đường kính các ống của bơm rót. 48
Hình 4.7. Sơ đồ hệ thống cứu đắm tàu lai dắt - cứu hộ biển. Hệ thống cứu đắm của tàu lai dắt-cứu hộ biển đáng được chú ý hơn (hình 4.7). Nó được trang bị bơm ly tâm tự hút 1 có thể nhận nước từ mạn bất kỳ. Các ống hút 7 của nó được nối với hộp van 6 được đặt trên boong ở cạnh các mạn. Gắn vào hộp van có các ống mềm 5 có lưới hút 2. Bơm hút nước ra mạn theo ống 8. Để thải nước ngập từ buồng máy và nồi hơi, nước tới bơm có ống 4, có trang bị lưới hút 2 và van chêm 3. Sơ đồ tính toán hệ thống cứu đắm chỉ ra trên hình 4.6, đường ống chính là 1-2-3- 4. Nếu chúng ta lấy mặt phẳng đi qua trục bơm làm trục so sánh, thì theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có: p v 2 p v 2 a a z a 3 3 h h (4.9)  2g  2g 1 2 2 3 trong đó: pa - áp suất khí quyển va - vận tốc nước trên bề mặt khoang thủng p3 - áp suất của dòng nước tại cửa vào của bơm v3 - vận tốc dòng nước tại cửa vào của bơm h1-2 và h2-3 - tổn thất cột áp của đoạn ống 1 - 2 và 2 - 3 pa p 3 Từ sơ đồ hình 4.5 ta thấy rằng: a = T - h - b, vận tốc va 0, đại lượng là  chiều cao hút của bơm Hh đặc trưng cho khả năng làm việc của bơm và bằng [H]chf với tốc độ của bơm bằng tốc độ của dòng chảy trong đoạn ống 2 -3, phương trình năng lượng có dạng: 49
v 2 H z T h b  1 . 3 (4.10) chf q 2g trong đó: q - hệ số tổn thất cột áp qui đổi Tốc độ dòng chảy trong đoạn ống 2 -3 là: 2g [H]chf z T h b v 3 (4.11)  q 1 Vận tốc dòng chảy trong ống mềm xác định theo công thức sau: 4.Q v m 2 (4.12) 3600. .d m Từ vận tốc v3 và vm ta tính được tổn thất cột áp h1-2 và h2-3 theo chiều chìm T, từ đó ta tìm được mối quan hệ Q = f(T). Khi chiều chìm T biến đổi do ngập khoang, ta chọn được bơm hút theo lưu lượng Q và cột áp của bơm cho phù hợp. 50
Chương 5 HỆ THỐNG CỨU HỎA 5.1. CÁC HỆ THỐNG TÍN HIỆU VÀ CÁC BIỆN PHÁP CỨU HỎA TRÊN TÀU Nguyên nhân cháy trên các tàu có thể là không cẩn thận và cẩu thả với lửa, hư hỏng đường dây điện, trục trặc hoặc khai thác không đúng thiết bị điện và nhiệt, rơi tia lửa lên các chất cháy và v.v. Song, khoảng một nửa tất cả các trường hợp cháy trên tàu xuất hiện là do không cẩn thận và cẩu thả với lửa. Cần phải nhớ rằng, không có nguyên nhân nào được coi nhẹ đối với lửa và rằng, phòng cháy dễ hơn chữa cháy. Để đấu tranh chống lửa, các con tàu được trang bị các hệ thống cứu hỏa, được chia ra làm hai loại: hệ thống tín hiệu và dập tắt đám cháy. Cái đầu phục vụ cho việc thông báo có lửa hoặc nguồn nhiệt, cái thứ hai - để dập tắt nó. 5.1.1. Hệ thống tín hiệu báo cháy Báo kịp thời khi nguy cơ cháy xuất hiện có ý nghĩa rất lớn trong việc đấu tranh với lửa trên các tàu, vì rằng càng phát hiện nguồn lửa sớm thì càng dễ dập chúng. Nhiệm vụ này thường được thực hiện nhờ các hệ thống tín hiệu báo cháy. Các hệ thống này bao gồm hệ thống báo trong và hệ thống báo ngoài. 5.1.1.1. Hệ thống báo trong Hệ thống này dùng để báo cho cán bộ, thuyền viên và hành khách trên tàu biết về nguy cơ và sự xuất hiện đám cháy trên tàu để thoát thân và cứu hỏa. Chúng đưa tín hiệu đến buồng lái hoặc đến chỗ tín hiệu cháy về đám cháy vừa bắt đầu và vị trí xuất hiện cháy. 47
Thiết bị tín hiệu báo cháy tự động đặc biệt cần thiết ở các buồng mà người ít đến (hầm hàng, kho sơn, v.v.). Theo luật của Đăng kiểm, hệ thống báo cháy tự động phải được trang bị ở tất cả các buồng máy trong trường hợp không có trực ca liên tục, ví dụ, khi tự động hoá toàn bộ thiết bị động lực. Người ta còn sử dụng cả hệ thống báo cháy không tự động, nhờ nó mà một người phát hiện được đám cháy sẽ thông báo kịp thời đến buồng lái hoặc lên bảng tín hiệu. Rõ ràng rằng, hệ thống báo này có ít tác dụng vì không cho phép phát hiện ra cháy ngay từ lúc đầu tiên xuất hiện lửa. Các thông số chứng tỏ về sự xuất hiện cháy là nhiệt độ không khí và sự xuất hiện của khói trong khoang, phòng. Do đó người ta thường dùng các bộ cảm biến nhiệt và cảm biến khói để báo cháy. Khi nhiệt độ trong phòng hoặc mật độ của khói lớn hơn giá trị cho phép, các bộ cảm biến đóng mạch, tự động rung chuông báo cháy. Ngoài ra, hệ thống báo trong còn sử dụng thiết bị điện thoại, còi, truyền thanh, v.v. 5.1.1.2. Hệ thống báo ngoài Hệ thống này dùng để báo cho các tàu hoặc các phương tiện nổi khác biết để đến cứu hỏa. Các tín hiệu được sử dụng là: pháo hiệu, vô tuyến điện thoại, vô tyến điện báo (V.T.Đ, V.H.F). 5.1.2. Các phương pháp dập tắt đám cháy 5.1.2.1. Theo công chất sử dụng Dựa vào loại công chất được sử dụng để dập lửa, các hệ thống được chia thành: dập lửa bằng nước (dập bằng nước, vòi phun nước, phun nước), dập lửa bằng hơi, chữa cháy bằng bọt, chữa cháy bằng các bon níc và khí trơ, bằng chất lỏng hoá học, và v.v. 5.1.2.2. Theo phương pháp dập tắt đám cháy Theo cách dập lửa, các hệ thống có thể được chia ra thành cách dập tắt bề mặt và thể tích. 48
Phương pháp dập tắt bề mặt là cấp lên bề mặt nguồn lửa chất làm lạnh hoặc ngăn không cho ô-xy của môi trường lọt vào vùng cháy. Loại này gồm có hệ thống chữa cháy bằng nước và bằng bọt. Trong nhóm dập tắt thể tích, có các hệ thống điền đầy thể tích tự do của buồng bằng hơi nước, khí hoặc các bọt rất nhẹ, không duy trì sự cháy. 5.2. HỆ THỐNG DẬP TẮT BẰNG NƯỚC Nhờ có hệ thống dập tắt bằng nước, người ta dập đám cháy bằng các dòng nước mạnh. Hệ thống này đơn giản, tin cậy và được sử dụng rộng rãi trên các tàu sông cũng như tàu biển. Các bộ phận cơ bản của nó là: bơm cứu hỏa, đường ống chính với các đường ống nhánh, họng (hoặc vòi) cứu hỏa và các ống mềm với các vòi rồng (súng phun). Khi dập lửa, các ống mềm với vòi rồng được nối với họng cứu hỏa. 5.2.1. Các yêu cầu đối với hệ thống cứu hỏa bằng nước. Hệ thống dập tắt bằng nước được dùng để dập lửa trong các hầm hàng của tàu hàng khô, trong buồng máy, phòng ở, các buồng phục vụ và công cộng, trên các phần mở của boong, sàn, buồng lái và kiến trúc thượng tầng. Ngoài ra, nó có thể được sử dụng để cấp nước tới các thiết bị tạo bọt và hệ thống rửa boong, các buồng, các thiết bị, v.v. Không nên áp dụng hệ thống dập tắt bằng nước cho cháy dầu hoặc cháy các sản phẩm dầu mỏ, vì các phần tử của chúng có thể bị bắn tóe ra do dòng nước, điều đó tạo khả năng lan rộng đám cháy. Cũng không được dùng các dòng nước mạnh để dập các đám cháy điện, sơn và phẩm. Các đường ống hút của các bơm thường được nối với các hộp nước mạn (bể nước cứu hỏa) hoặc van thông biển của buồng máy. Hơn nữa, bơm cứu hỏa phải có khả năng lấy nước từ không ít hơn 2 chỗ. Theo qui định của Qui phạm, tổng lưu lượng của các bơm cứu hỏa phải đủ để 15 số lượng các họng cứu hỏa đặt trên tàu hoạt động cùng một lúc, nhưng không nhỏ hơn 3, còn đối với các tàu có công suất động cơ chính dưới 300 cv - số họng này không nhỏ hơn 2. Các thiết bị dập tắt bằng không khí - bọt với lưu lượng nước của một vòi rồng không khí-bọt không ít hơn 7 l/s. Khi đồng thời dùng nước cho các yêu cầu khác thì nâng lưu lượng của bơm cứu hỏa lên một cách thích hợp. Độ lớn của cột áp bơm cứu hỏa được xác định bằng cách tính sức cản toàn bộ của đường ống từ điểm xa nhất của nó đến bơm. Trong đó chiều cao của dòng chặn từ vòi 49
rồng phải không nhỏ hơn 10 m trên kiến trúc thượng tầng cao nhất khi hoạt động đồng thời số vòi rồng cần thiết và các tiêu thụ khác nữa. Áp suất trong mạng cứu hỏa thường vào khoảng 3,5  6,5 kG/cm2, nhưng không lớn hơn 7 kG/cm2, vì điều đó có thể dẫn đến vỡ các ống mềm cứu hỏa. Đầu của vòi rồng được trang bị một chụp đặc biệt (miệng phun, súng phun) được lắp bằng ren. Các họng cứu hỏa trên tàu được bố trí sao cho bảo đảm cấp đồng thời đến một chỗ bất kỳ ít nhất hai dòng nước từ vòi rồng. Chúng phải được đặt: trên boong - ở lối ra; trong khu vực thượng tầng - ở các hành lang và các phòng nghỉ, ở độ cao không quá 1,35 m cách sàn và ở trong các buồng máy. Đường ống chính của hệ thống cứu hỏa gồm có hai dạng: hệ thống mạch kín và hệ thống mạch hở. Ưu điểm của hệ thống mạch kín là có thể ngắt riêng từng đoạn ống nhờ các van khi chúng bị hỏng mà không ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ thống, do đó hệ thống này được sử dụng linh hoạt hơn đồng thời nó đảm bảo được sức sống lớn nhất của hệ thống, đặc biệt nó được sử dụng rộng rãi trên các tàu khách. Nhược điểm của hệ thống này là tốn nhiều đường ống hơn hệ thống mạch hở, trọng lượng lớn hơn và chiếm nhiều diện tích, thể tích khoang hơn. 5.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống cứu hỏa bằng nước. Boong Boong đến két cứu hỏa Đến két cứu hoả Hình 5.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống dập tắt bằng nước kiểu mạch hở 50
(đường ống chính thẳng) 1 - van thông biển; 2 - bơm cứu hỏa; 3 - bể nước cứu hỏa; 4 - vòi (họng) cứu hỏa; 5 - đường ống chính. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống cứu hỏa mạch hở được thể hiện trên hình 5.1. Nước vào bơm cứu hỏa 2 từ bể nước cứu hỏa 3 hoặc van thông biển 1 nằm ở trong buồng máy. Bơm cấp nước cho đường ống cứu hỏa chính 5 rồi tới các đường ống nhánh tới các họng cứu hỏa 4, mà ở đó có cháy, chúng được nối với các ống mềm có lắp súng phun. Trên các ống hút và ống đẩy của bơm, người ta đặt các van cách ly. đến bể rửa đến bể rửa neo neo Hình 5.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống cứu hỏa bằng nước kiểu mạch kín. 1 - van thông biển; 2 - bơm; 3 - bể nước cứu hỏa; 4 - van cách ly; 5 - họng cứu hỏa; 6 - đường ống vòng. 51
Hình 5.3. Sơ đồ hệ thống cứu hỏa bố trí trên tàu 1 - bơm cứu hỏa; 2 - đường ống chính; 3 - họng cứu hỏa Trên hình 5.2 mô tả sơ đồ nguyên lý hệ thống cứu hỏa với đường ống chính kiểu mạch kín. Như thấy rõ trên hình, nó là vòng kín với các ống nối. Trên các ống chính cũng như trên các ống nối, người ta lắp các van cách ly 4, nhờ có chúng mà có thể đóng hoặc mở các đoạn ống riêng biệt của ống chính trong trường hợp chúng bị hư hỏng. Từ đường ống chính và các ống nối có các nhánh đi tới các họng cứu hỏa. 5.2.3. Tính toán hệ thống cứu hỏa bằng nước Chúng ta sẽ làm quen với các quan hệ tính toán cơ bản được sử dụng khi tính toán hệ thống cứu hỏa. Lưu lượng nước trong ống mềm cứu hỏa bằng lưu lượng của nó khi chảy ra từ miệng phun vòi rồng và được xác định theo công thức. 3 Q CH .fC . 2g.H C , m /s. (5.1) trong đó:  - hệ số, lấy đối với vòi rồng bằng 0,98  1,0. .d 2 f C diện tích tiết diện ngang lỗ miệng phun, m2. C 4 dC - đường kính lỗ miệng phun, m. HC - cột áp tại miệng phun, m.c.n. Dòng nước thẳng đứng, được phun ra ra từ miệng vòi rồng cứu hỏa, theo toàn bộ kết cấu, từ đầu miệng vòi rồng bao gồm phần chặt (compac) cao SK, sau đó nó dần 52
dần toé ra và rơi xuống từ đỉnh (hình 5.3, a). Chiều cao thẳng đứng toàn bộ của dòng SB, được gọi là chiều cao của dòng phân tán, có thể được xác định theo công thức Liughera: Hình 5.3. Sơ đồ súng phun cứu hỏa bằng nước. H C S B , m. (5.2) 1 .H C trong đó: - hệ số được tính theo công thức. 0,00025 3 . (5.3) d C (10.d C ) ở đây: dC - tính bằng m. Giữa các chiều cao dòng SB và SK tồn tại sự phụ thuộc: 53
SB = 0.SK (5.4) Đối với hệ thống dập tắt bằng nước, có thể lấy 0 = 1,2. Độ lớn tổn thất chiều cao dòng do sức cản không khí: S = HC - SB. Tổn thất cột áp do ma sát trong các ống mềm theo công thức: 1 2 2 h M .Q CH S M .Q CH , (5.5) B M trong đó: SM = 1/BM - là sức cản ma sát của ống mềm. QCH - tính bằng l/s. Giá trị cản ma sát SM của một ống mềm chiều dài tiêu chuẩn (l = 20 m) được đưa ra ở dạng bảng. Các tổn thất cột áp do cản cục bộ trong ống mềm được tính theo công thức sau: 1 2 1 2 2 h C .Q CH .CH .Q CH A.CH .Q CH ,m.c.n. (5.6) B C K C 1 1 0,0826 ở đây: A 4 4 . K C 12,09.d CH d CH Tổng của các cản cục bộ thường gồm 3  5 chỗ uốn ống mềm, chỗ đột ngột dãn ra khi chuyển từ họng ra ống mềm và chỗ đột ngột thu hẹp khi từ ống mềm vào vòi rồng cứu hỏa, tức là: CH = n. uốn + dãn + thu hẹp ( 0,5  0,6 ). (5.7) Tổng cột áp tiêu tốn ở trong ống mềm là: h = hM + hC. (5.8) Cột áp ở vòi cứu hỏa được xác định theo công thức: HK = HC + h. (5.9) Theo các công thức đẫ đưa ra ở trên, có thể tìm được lưu lượng nước qua ống mềm cứu hỏa và dĩ nhiên cả qua vòi, tìm được tổn thất cột áp trong các ống mềm, chiều cao dòng đi ra từ miệng phun của vòi rồng và cột pá cần thiết ở vòi cứu hỏa. Với mục đích đơn giản hoá việc tính toán, V. G. Lobachev đã dựng lên đồ thị (hình 5.3, b), theo nó có thể xác định được lưu lượng nước và cột áp ở vòi cứu hỏa, phụ thuộc vào chiều cao dòng hoặc với lưu lượng bất kỳ - cột áp cần thiết và chiều cao dòng đạt được. Sức cản của ống mềm và miệng phun tính được trên đồ thị bằng 54
đường đặc tính đặc biệt B phụ thuộc vào đường kính và chiều dài ống mềm và miệng phun. Trong các hệ thống dập tắt bằng nước, người ta dùng các bơm ly tâm, vì đặt chúng thấp hơn mớn nước nên không cần trang bị thiết bị tự hút. 5.3. CÁC HỆ THỐNG DẬP TẮT BẰNG BỌT 5.3.1. Khái niệm chung. Nguyên tắc hoạt động của các hệ thống cứu hỏa bằng bọt là dựa trên cơ sở cách ly nguồn lửa khỏi ô-xy của không khí, bằng cách che phủ các vật đang cháy lớp bọt hoá học hoặc không khí - cơ khí. Bọt hoá học nhận được nhờ phản ứng của các hợp chất kiềm được lựa chọn đặc biệt và các hợp chất có a-xít khi có mặt của xúc tác, chúng đẩy mạnh quá trình tạo bọt và tạo khả năng tạo ra kết cấu của nó, có dạng xốp và bền, còn không khí - cơ khí, nhờ trộn bằng cơ chất tạo bọt với nước và không khí Để tạo ra bọt hóa học, người ta dùng máy tạo bọt đặc biệt. Bọt nhận được cũng có thể từ trong thùng chứa, là một két chứa kín có chứa một lượng bột tạo bọt nhất định. Khi cho nước vào thùng thì bọt được nó đưa tới chỗ cháy. Bọt hóa học là phương tiện dập cháy có hiệu quả. Tuy nhiên, hệ thống dập tắt bằng bọt hóa học có một loạt các nhược điểm rõ rệt như: bột dính thành những cục nhỏ nên mất chất lượng tạo bọt khi để lâu; phá hỏng bọt khi đưa nó qua đường ống dài 60  80 m; thành phần a-xít của bột tạo cho bột có tính ăn mòn nào đó đối với kim loại và v.v. Chất tạo bọt (PO) để tạo ra bọt không khí - cơ khí là chất lỏng tạo bọt. Khi có sự tương tác của nó với nước và không khí, bọt được tạo ra, thành phần gồm 90 không khí, 9,6 nước và 0,4 chất tạo bọt theo thể tích. Khối lượng riêng của bọt không khí - cơ khí là 0,07  0,1 g/cm3. Phổ biến nhất là chất tạo bọt lỏng PO-1, PO- 3 được chế tạo từ chế xuất dầu lửa, thành phần của nó có không ít hơn 44 a-xít sunphuanic hóa, keo xương, ô-xít-nát-ri (Na2O) ăn da kỹ thuật và nguyên liệu cồn được etyl hóa. Nó có màu nâu thẫm với khối lượng riêng 1,12  1,14 g/cm3 ở nhiệt độ 200C, đóng băng ở nhiệt độ - 80C, nhưng do độ nhớt của nó cao nên không thể bơm chuyển nó trong ống ở nhiệt độ - 20C và thấp hơn. Sau khi tan, tính chất của chất tạo bọt phục hồi. Nó phải được giữ ở nhiệt độ không quá 250C để tránh bốc hơi và lắng đọng. 55
5.3.2. Nguyên lý hoạt động Sơ đồ nguyên lý của hệ thống dập tắt bằng bọt kiểu không khí - cơ được chỉ ra trên hình 5.4. Chất tạo bọt lỏng được giữ trong két 1, từ đó khi mở van khởi động 2, nó theo ống 3 qua van định lượng 4 vào đường ống hút của bơm ly tâm cứu hỏa 6. Nước ngoài mạn đi đến bơm qua van thông biển 5. Hỗn hợp nước mạn và chất tạo bọt, ở dạng nhũ tương, được bơm đưa vào đường ống áp lực 7 của hệ thống, từ đó qua họng cứu hỏa 8 theo ống mềm, nó đi vào vòi rồng không khí - bọt 9, ở đó, khi kết hợp với không khí, tạo ra bọt. Cấu tạo kết cấu của vòi rồng không khí - bọt sao cho hỗn hợp nước và chất tạo bọt, dưới áp suất khí đi qua vòi phun, hút không khí vào, trộn lẫn với chúng và tạo ra bọt, bọt này được phụt ra qua lỗ ra của vòi rồng. Như vậy, theo đường ống của hệ thống có chất lỏng chuyển dịch, còn sự tạo bọt diễn ra chỉ ở trong vòi rồng bọt. Trong các hệ thống dập tắt bằng bọt, người ta không những sử dụng các vòi rồng động (mang đi lại được) mà còn sử dụng cả các vòi rồng tĩnh (không di chuyển được). Lưu lượng của các vòi rồng động theo bọt là: (2,5  7,5) m3/ph, còn của vòi 3 rồng tĩnh - tới (100 150) m /ph. Hình 5.4. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống dập tắt bằng bọt kiểu không khí - cơ. 1 - két chứa; 2 - van khởi động; 3 - ống dẫn chất tạo bọt; 4 - van định lượng; 5 - van thông biển; 6 - bơm; 7 - đường ống áp lực; 8 - họng cứu hỏa; 9 - súng phun cầm tay 56
đệm đục lỗ chất lỏng Hình 5.5. Hệ thống cứu hỏa bằng bọt a - với sự tạo bọt bên trong; b - với sự tạo bọt bên ngoài 1 - bể chứa; 2 - bình khí nén; 3 - ống dẫn khí nén; 4 - ống dẫn khí nén của tàu; 5 - van giảm áp; 6 - van an toàn; 7 - ống dẫn khí nén để tạo bọt; 8 - ống dẫn khí nén để chuyển chất lỏng đến bể chứa; 9 - chất tạo bọt; 10 - ống mềm; 11 - súng phun cầm tay; 12 - bộ khuyếch tán; 13 - đường ống chính nước cứu hỏa; 14 - thiết bị trộn; 15 - hỗn hợp chất tạo bọt và nước (nhũ tương); 16 - ống nhánh; 17 - hỗn hợp không khí và bọt trong súng phun cầm tay. 5.3.3. Tính toán hệ thống dập tắt bằng bọt Chúng ta sẽ xem cơ sở tính toán hệ thống dập tắt bằng bọt trên tàu dầu. Lượng bọt VB cần thiết để dập tắt đám cháy có hiệu quả được xác định theo công thức: 3 VB F.q. ,m . (5.10) trong đó: F - diện tích tính toán mà được che phủ bằng bọt khi dập tắt, m2. 57
q - cường độ cấp bọt trên 1m2 diện tích đám cháy, m3/s.  - thời gian làm việc liên tục của hệ thống, s. Khi sử dụng PO-1 để làm chất tạo bọt, độ lớn được lấy bằng 1,5 l/s - đối với dầu thô và xăng và bằng 1,0 l/s - đối với dầu mzuts và dầu bôi trơn. Thời gian tính toán  thường là 5 phút. Diện tích tính toán F nằm dưới sự bao phủ của bọt phải được hiểu là tổng diện tích của ba khoang lân cận có diện tích lớn nhất. Tích số q. trong (5.10) là chiều dày của lớp bọt trong khoang, tính bằng mét. Lưu lượng bọt tính toán: V Q B . (5.11) B  Lưu lượng nhũ tương: Q B Q NT . (5.12) k B ở đây: kB - độ bội tính toán của bọt, thường được lấy bằng 10. Lưu lượng tính toán của nước QN được tính từ điều kiện lưu lượng của PO-1 so với nó là 4, tức là: Q Q NT . (5.13) N 1,04 Lưu lượng chất tạo bọt: Q TB Q E Q N . (5.14) Lưu lượng không khí cần thiết để nhận được bọt ở vòi rồng không khí - bọt được xác định theo công thức: Q KK Q B Q NT . (5.15) Lượng chất tạo bọt cần thiết để tạo được thể tích bọt VB là: VTB = QTB. . (5.16) Đường kính trong của đường ống chính của hệ thống cấp nhũ tương: 58
4.Q d NT . (5.17) .v ở đây: v - tốc độ chuyển động của nhũ tương, bằng (2,5  3) m/s. Khi xác định các đường kính trong của các đường ống dẫn bọt, tốc độ bọt được lấy bằng (4  6) m/s. Sau khi chọn các đường ống một cách sơ bộ, người ta tiến hành tính toán kiểm tra đường ống, mục đích của nó là xác định cột áp cần thiết của bơm và lưu lượng chất lỏng trên các đoạn. Trong trường hợp này, tiện lợi hơn cả là sử dụng phương pháp đặc tính. Để tránh làm hỏng bọt, trong đường ống không được cho phép có chỗ uốn cong mạnh và thay đổi mặt cắt ngang. Số lượng chung của các cản cục bộ phải là tối thiểu. 59
Chương 6 CÁC HỆ THỐNG VỆ SINH 6.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HỆ THỐNG VỆ SINH Chức năng chính của các hệ thống vệ sinh là cấp nước cho thủy thủ đoàn và hành khách, cho các nhu cầu sinh hoạt và thải ra mạn các chất bẩn và nước bẩn (nước thải). Các hệ thống vệ sinh bao gồm: hệ thống cấp nước, hệ thống nước thải, nước nhà vệ sinh và hệ thống thoát nước. Hệ thống cấp nước bao gồm các đường ống của hệ thống nước ăn, nước rửa và nước ngoài mạn. Nước ăn được giữ ở nhà bếp, khoang dự trữ, căng-tin, nhà ăn, bar, phòng rửa bát đĩa, các phòng có bồn rửa, dụng cụ đun nước và các phòng y tế. Nước rửa (nóng và lạnh) được đưa đến các nhà tắm, phòng tắm hoa sen, phòng giặt và các phòng khác. Nước mạn không qua sử lý được dùng để dội nhà vệ sinh, bồn tiểu tiện, làm nguội nước đun sôi trong các vũng (bàu) và cho các mục đích khác (đối với tàu sông) Hệ thống nước thải để thải nước ra khỏi nhà tắm, phòng tắm hoa sen, phòng giặt và các bồn rửa và các chỗ khác. Nhờ hệ thống nước phốt, người ta thải nước phốt từ các nhà vệ sinh. Hệ thống thoát nước được dùng để thải nước từ các boong hở, nước mưa và cả nước đọng sau khi rửa các kết cấu và thiết bị, v.v. Các tàu chạy biển được phân loại theo cấp hoạt động của nó: các tàu chạy ven bờ, các tàu chạy ở các vùng biển hạn chế và viễn dương. 6.2. HỆ THỐNG CẤP NƯỚC 6.2.1. Yêu cầu đối với nước ăn (uống) 56