Thiết kế bồn chứa nước trung gian của hệ thống chữa cháy rừng Tràm

Thiết kế bồn chứa nước trung gian của hệ thống chữa cháy rừng Tràm

I.MỞ ĐẦU

I Đặt vấn đề.

Việc nghiên cứu vấn đề phòng cháy và chữa cháy rừng nói chung và rừngTràm nói riêng hiện nay vẫn là một bài toán khó bởi đặc điểm của rừng Tràmvào mùa khô rất dễ cháy cộng với đặc điểm của nền đất rừng, địa hình phứctạp nên việc chữa cháy rừng triệt để là cực kì khó khăn Vì vậy, việc nghiêncứu và phát triển một hệ thống chữa cháy rừng Tràm hiệu quả là rất cần thiếthiện nay

Từ yêu cầu trên, được sự đồng ý của khoa Cơ điện & Công trình – Bộ mônCông nghệ và Máy chuyên dung, dưới sự hướng dẫn của Tiến sỹ Dương VănTài Tôi tiến hành thực hiện chuyên đề: “Thiết kế bồn chứa nước trung giancủa hệ thống chữa cháy rừng Tràm” làm tiền đề cho việc hoàn thiện hệ thốngchữa cháy rừng Tràm

II Mục tiêu của nghiên cứu chuyên đề.

- Thiết kế bồn chứa nước lưu động (1-2m3) và bơm hút đẩy trung gian

- Thiết bị có kết cấu gọn nhẹ và tháo lắp dễ dàng bởi vì khi chữa cháy thiết bịđược vận chuyển thủ công đến vị trí làm việc

III Nội dung chuyên đề:

1 Tính toán kích thước bồn chứa nước theo yêu cầu lưu lượng của hệ thống.

Tỡm kớch thước tỳi nước thớch hợp

Xỏc định kớch thước khung thớch hợp

IV Phương phỏp nghiờn cứu:

Nghiờn cứu dựa trờn lý thuyết và thực nghiệm

Phần II tính toán, thiết kế hệ thống bơm, ống

dẫn nớc

1 tính toán thủy lực (xác định các thông số cơ bản của hệ thống)

Tính toán thủy lực là công việc nhằm xác định các thông số cơ bản của hệthống, dựa vào việc tính tổn thất, lu lợng, cột áp tại từng vị trí của hệ thống

(Xem TLTK [3], mục 2.5, trang 53)

1.1 Khái quát

Các chỉ tiêu cơ bản của hệ thống là:

- Sử dụng Bồn chứa nớc trung gian lu thông: 02 chiếc

- Sử dụng Bơm nớc và đờng ống mềm

- Cự lý dẫn nớc : 500m

- Lu lợng dẫn và phun nớc: 0,75m3/ph = 12,5 lit/s

- Chiều cao phun của lăng chữa cháy: không nhỏ hơn 08m

- Tầm phun xa của lăng chữa cháy: không nhỏ hơn 15m

Hình 1 Sơ đồ truyền dẫn nớc dự kiến

Dự kiến sơ đồ truyền dẫn nớc:

Để dẫn nớc đi xa, các bơm cần có cột áp lớn (H khoảng 50 đến 100m), trênthị trờng hiện nay bơm thờng cột có áp chỉ dới 100m (10at), với cột áp đó khoảngdẫn chỉ đợc 200-300m, do vậy cần nối tiếp 2 đến 3 bơm để đạt khoảng cách 500mtheo yêu cầu của Đề tài;

Các bơm chữa cháy thông thờng gắn liền với động cơ săng 2 thời nhằm tăngtính cơ động cho công việc, với bơm lu lợng cao sẽ đòi hỏi công suất bơm và độngcơ cao, dẫn đến trọng lợng tổng thành cũng cao (ví dụ bơm Tohatsu 52 có lu lợngtới 1450 lít/phút có trọng lợng khô là 85kg), điều đó gây khó khăn cho việc mangvác cụm Bơm-Động cơ bằng sức ngời trong rừng, do vậy có thể 02 bơm lu lợngnhỏ thay cho 01 bơm lu lợng lớn;

Để các bơm phía sau làm việc đợc, ta bố trí các bồn nớc trung gian

Sơ đồ truyền dẫn nh hình vẽ, tại vị trí giữa và cuối có thể dùng 01 bơm lu ợng lớn hoặc dùng 02 bơm lu lợng nhỏ,

l-Lu lợng các bơm nh sau:

- Bơm đầu: 01 bơm QĐ = 12,5 lít/phút

- Bơm trung gian: 01 bơm QTG = 12,5 lít/phút

- Bơm cuối: 01 bơm QC = 12,5 lít/phút

1.2 Tính toán phơng tiện truyền nớc và chữa cháy (TLTK[3] Tr235)

Việc tính toán thủy lực đợc tiến hành ngợc từ lăng phun đến bơm nớc đầu nguồn

1.2.1 Sơ bộ chọn thông số lăng phun:

Lăng phun cần đảm bảo yêu cầu chữa cháy:

- Khoảng cách từ lăng (từ ngời cầm lăng) đến đám cháy đủ lớn đảm bảo antoàn (yêu cầu ?15m) khoảng cách đó đợc xác định bởi bán kính thủy lực Rcủa lăng phun;

- Lu lợng Q của lăng đủ để dập tắt đám chảy, có thể sử dụng nhiều lăng phun, tổng

lu lợng các lăng phun phải nhỏ hơn lu lợng truyền dẫn nớc của hệ thống (12,5lít/ph);

- Chiều cao phun đảm bảo để dòng nớc vơn tới ngọn cây (yêu cầu > 8m), chiềucao tối đa đó phụ thuộc vào cột áp H của lăng phun

Có thể chọn lăng phun số 13, có tinh năng cơ bản nh nêu trong bảng 3:

1.2.2 Xác định khoảng cách từ bơm chữa cháy (bơm cuối) đến đám cháy

Trớc hết xác định khoảng cách có thể từ bơm cuối đến đám cháy:

- Sơ bộ chọn máy bơm chữa cháy của Nhật Ban - TOHATSU - V52 - AS

HB = 68,0m (10kg/cm2) khi QB = 600 1/ph

HB = 78,0m (kG/cm2) khi QB = 1000 1/ph

Và HB= 88,0 (kG/cm2) khi QB = 750 1/ph

- Từ máy bơm V52-AS lắp một đờng vòi truyền nớc có đờng kính d = 66mm, cuối

đờng vòi lắp một đầu nối ba chạc, từ ba chạc nối qua vòi và cuối vòi lắp với lăngchữa cháy

- Xác định khoảng cách từ máy bơm V52-AS đến đầu nối

HB = H1 + H=2 + HL + HTD (II.1)Trong đó: H1: Sụt áp ở đoạn dẫn đầu (giữa bơm cuối và chạc ba);

H2: Sụt áp đoạn dẫn sau chạc ba (với mạch song song, bằng sụt áp ởmột nhánh)

HTD: Sụt áp tự do, sau lăng (chọn là 8m);

HL: Sụt áp tại lăng phun, ở đây sử dụng 3 lăng;

Sụt áp H1 tại đoạn dẫn dợc tính theo số cuộn vòi (nV), độ sụt áp tại mỗi cuộn (SV),

lu lợng (Q) theo công thức sau:

H1 = nghiệp vụ * SV * Q2Trên đoạn mạch lắp song song, sụt áp tổng chỉ bằng sụt áp tại một nhánh;

áp dụng vào công thức trên vào sơ đồ trên ta có:

nV1, nV1: Số cuộn bòi truyền nớc đoạn đầu và đoạn sau, cuộn

SV - Sức cản của một cuộn vòi có chiều dài 20m,

v

n L

k

Trong đó: 20 là chiều dài của 01 vòi tiêu chuẩn;

Kv là hệ số tính đến sự cong vòng của đoạn vòi dẫn

Với loại bơm dự kiến, thay các thông số vào ta đợc:

Trong đó nV1 + nV2 là số cuộn dây đoạn trớc và đoạn sau chạc ba, lấy là 2 cuộn

K là hệ số tính đến sự uốn lợn của vòi, (1,15)

*20 5*20

87 1,15

V V

2

12,5 68,6 8 2,89*

3 20,034*12,5

v v v

Trong trờng hợp đó, muốn đảm bảo lu lợng nớc phun vào đám cháy có thể lắp 02bơm song song sau bồn nớc, mỗi bơm nối với 01 lăng phun số 13, lu lợng tổng sẽlà:

Q=2*5,8 lít/s = 11,6 lít/s

1.2.2 Xác định khoảng cách truyền nớc giữa các máy bơm qua bể trung gian

Để tính toán khả năng truyền nớc với của một máy bơm cần chọn trớc các thông

số của các thiết bị trên đờng dẫn

Nh trên đã sơ bộ chọn: Đờng ống truyền dẫn sử dụng vòi mềm có đờng kính66mm, bơm TOHATSU V52-AS Hoặc bơm có thông số kỹ thuật tơng đơng;Viết phơng trình cân bằng cột áp ta có:

HB = nghiệp vụ * Sv * QB + HTD (II.7)Trong đó: HTD - cột áp tự do ở cuối đờng vòi, m (chọn là 3 m)

*

B TD v

v V

n

Vậy với khoảng cách yêu cầu L = 500m ở trên, ta cần bố trí máy bơm nh sau:

- 01 máy bơm cố định trên xuồng TOHATSU - V52-AS và 14 vòi dẫn xa 243,3m

- 01 máy bơm trung gian TOHATSU - V52-AS và 14 vòi dẫn xa 243,3m;

- 01 máy bơm cuối (bơm chữa cháy); TOHATSU - V52-AS và 5 vòi dẫn xa87,0m

Bơm đầu

(1 chiếc)

TOHATSUVC52-AS

39,2 m (4at) 1450 Săng 2 thời,

làm mátbằng nớc

85 kG78,4 m (8at) 1000

49 (5at) 650 lit/ph Săng 2 thời,

làm mátbằng gió

36kG68,6 (7at) 400 lit/ph

2.1.2 Lựa chọn ống dãn:

Nh trên đã tính toán, vòi dẫn là vòi vải tráng cao su, D66, tính năng nêu trong bảng

2

Bảng 2 Hệ số cản của một cuộn vòi dẫn nớc chữa cháy dài 20 m

Đờng kính vòi dẫn Sức cản của vòi dẫn S (s/l)2 m

Vòi vải Vòi vải tráng cao su

Bán kính thủy lực tơng đơng với l-

u lợng sử dụng (m)

Cột áp tơng

đ-ơng với lu lợng (m)

Lu lợng

tối đa (lit/

s)

Hệ số cản (S/l) 2 m

(12,5/3)

Các thông số kỹ thuật khác của Lăng phun nêu trong Phụ lục 02

2.2 Phơng án truyền dận bơm cuối và lăng phun

Nh trên đã nêu, có thể sử dụng 02 bơm cuối có lu lợng và trọng lợng nhỏ

hơn, để thuận tiện cho việc vận chuyển trong rừng

Lăng đợc chọn mang số 13, khi sử dụng lăng lớn hơn, lu lợng nớc qua lăngtăng lên, do vậy có thể giảm số lăng cần có; nhng điều đó dẫn đến tổn thất cột áp

qua lăng tăng nhanh (bình phơng lần), có thể không đủ cột áp cho việc phun

Bảng sau nêu thông số kết quả lu lợng nớc vào đám cháy khi sử dụng phơng

án truyền dẫ cuối khác nhau;

Bảng 4 Diễn giải phơng án truyền dẫn cuối và lợng nớc phun vào đám cháy

( Khi sử dụng hai bơm đầu va bơm trung gian là TOHATSU-V52-AS)

Số cuộn vòi mỗi nhánh

Tổng khoảng dẫn (m)

Số hiệu

Lu ợng mỗi lăng

l-Số lăng mỗi nhánh

Tổng

số lăng

Tổng

lu ợng phun (lít/s)

2.3 Các phơng án lắp đặt thiết bị theo khoảng cách kênh đến đám cháy

Trong thực tế, không phải lúc nào cũng cần lắp đặt toàn hệ thống Bơm- Bồn chứa nh thiết kế, mà dực vào khoảng cánh kênh nớc đến đám cháy, có thể

Vòi-bớt các thiết bị, có ba sơ đồ sử dụng thiết bị theo khoảng cách nh hình vẽ (2), (3),

(4) nh sau:

Sơ đồ cho thấy khi sử dụng bơm TOHATSU V52-AS, và dùng 3 lăng phun

số 13, với phơng án đầy đủ có thể truyền đẫn tối đa đến 573m, khi bỏ một bơm

trung gian có thể đến 320m, đặc biệt khi chỉ có một bơm trên xuồng sử dụng bơmcuối, khoảng cách tối đa có thể đợc là 87m.

Hình 2 Sơ đồ hệ thống thiết bị_ Khi khoảng cách “Kênh- đám cháy” đến 573m(với bơm cuối là TOHATSU V52-AS) hoặc đến 521 m (với bơm cuối làTOHATSU V20D2)

Hình 3 Sơ đồ hệ thống thiết bị_ Khi khoảng cách “Kênh - Đám cháy” đến 320m(với bơm cuối là TOHATSU V52-AS) hoặc đén 273 m (với bơm cuối làTOHATSU V20D2)

Hình 4 Sơ đồ hệ thống thiết bị_ Khi khoảng cách “Kênh - Đám cháy” đến 87m

Phần III Tính toán thiết kế bồn chứa nớc

1 tính toán

1.1 Tính toán kích thớc bồn chứa theo yêu cầu lu lợng của hệ thống

1.1.1 Tính thể tích bể chung

+ Lu lợng cuối đờng ống yêu cầu là 0,75 m3/phút

Thời gian gián đoạn của máy bơm nớc vào cho phép là 1,5 phút

-> Thể tích lu giữ thiết kế của bồn chứa V>1,0 m3

- Đờng kính đáy D = 1,2 m

- Chiều cao h = 1,5 m

-> Thể tích chứa nớc tối đa;

Bể chứa gồm hai khoang nớc vào và khoang nớc ra, chia theo đờng kính đáy,

đầu nớc vào và đầu nớc ra đặt đối diện nhau ở sát đáy; giữa hai khoang có một tấmngăn sóng nớc từ khoang vào lan sang ra

2 Kết cấu cụ thể dự kiến

Bồn chứa gồm hai phần chính là khung bồn và túi nớc, dự kiến kết cấu nh sau:a/ Khung bồn

Khung kết cấu bởi 08 chiếc cọc (cách nhau 450) và 06 vành tròn (cách nhau 30cm)

- Các cọc làm bằng thép ống, dài 1,8 m Khi làm việc 08 chiếc cọc cắm sau0,3 m xuống đất theo một đờng kính 1,2m, cách đều nhau góc 450

- Các vành tròn uốn bằng thép tiết diện hình hộp vuông, mặt ngoài vànhtròng có hàn 08 đai dẹt, cách đều 450, tạo thành các ô liên kết với các cột;

- Các vòng tròn lồng vào các cột, tạo thành một lồng sắt cao 1,5 m, đờngkính đáy là 1,2 m Khung sắt là chỗ dựa của túi nớc

Khi vận chuyển, các cọc có thể bó gọn lại thành một bó, các vành cũng buộclại từng cụm 2-3 chiếc, tiện mang vác;

b/ Túi nớc

- Vật liệu chế tạo túi nớc là vải bạt tráng cao su;

- Túi đợc may kín thành một hình trụ tròn không nắp, đờng kính đáy 1,2 m

Khi vận chuyển, túi có thể gấp gọn lại, thành một khối;

Kết cấu cụ thể của khung và bồn nớc đợc chỉ ra trên hình 4

Hình 5 Kết cấu của khung bồn nớc

3 tính sức bền

Việc tính sức bền của túi nớc gồm tính Hệ thống khung và Túi nớc

Sơ đồ chịu lực chung của Bồn chứa nớc nh hình vẽ 04

Sơ đồ hình 6 chỉ rõ: áp lực nớc là lực tải tác dụng lên Khung và túi

- Cờng độ chịu áp lực tăng dần từ miệng bồn xuống đáy, áp lực phía trêncùng bằng không, áp lực dới đáy là lớn nhất và bằng 1,5 kG/cm2

- Tại cùng một độ cao, áp lực nớc là đồng nhất

Hình 6: Sơ đồ chịu tải của bồn nớc

3.1 Tính túi nớc

3.1.1 Xác định ứng suất trên vải làm Túi nớc

Gọi r là bán kính của túi may, r* là bán kính trong của khung, ta thấy:

- Khi r  r* : Khi đo túi căng tròn hết cỡ đờng của nó, vải túi không tựa vàokhung và do vậy áp lực nớc dồn hoàn toàn lên túi, ứng suất trong vải túi là lớnnhất

- Khi r > r* : Khung chịu một phần áp lực nớc, túi đợc giảm tải và ứng suấttrong vải túi thấp trờng hợp trên;

Chúng ta tính theo trờng hợp đầu (r  r*), là trờng hợp ứng suất vải đạt trị sốlớn nhất

Do chiều dày vải làm túi nhỏ hơn nhiều lần chiều rộng vải ( khoảng cáchgiữa các cột và giữa các vành đai thép), nên có thể bỏ qua sự uốn của vải, vải chỉ bịkéo mà không bị uốn

áp lực nớc lên túi lớn nhất ở đáy túi, do vậy ứng suất của vải ở đáy túi là lớnnhất

Vải túi chịu lực kéo theo phơng tiếp tuyến, do túi nớc đặt trên mặt đất nên lựckéo theo phơng thẳng đứng đáng kể;

Xét một mảnh túi bị chặn giữa hai cột khung liên tiếp, nằm sát ở đáy, cóchiều cao bằng một đơn vị dài(ở đây là 1cm), đó là đoạn cung tròn (2.r.) trên sơ

 là góc lệch của tâm vi phân cung r.d với trục OX, ( biến đổi từ 0 đến /8)

P là áp suất nớc lên tấm vải tính tại sát với đáy bồn, sẽ có giá trị lớn nhất(kg/cm)

Hình 7 Kích thớc miếng vải tính sức bền

Hình 8 Sơ đồ tính sức bền túi nớc

2.R  Sin = P X (III.4)

Thay các biểu thức của P ở trên vào ta có:

2R  Sin = 2.r.p.Sin -> R = r.p (III.5)

Ta biết áp suất p phụ thuộc chiều cao cột nớc H, khi chiều cao H đo bằng cm, ta có:

R là ứng suất kéo của vải túi sinh ra khi làm việc, kG/cm

100 là hằng số chuyển đổi từ chiều sâu cột nớc sang áp lực, (cm3/kG)Khi thể tích V của bồn là một thông số cần thiết phải chọn trớc, ta có:

2

*

v H

r



 (III.8)Thay vào trên ta có:

100* *

v R

R

 

 (III.10)R là lực kéo trên 1cm bề rộng tấm vải, phải nhỏ hơn ứng suất kéo cho phép củavải

 là ứng suất kéo cho phép của vải làm túi nớc cần phải có

 .1 2

100 . v

V k k r

- Khi bán kính túi lớn hơn kính khung bồn, vải túi lồi ra ngoài khung, khi làm việctúi sẽ tỳ vào khung và truyền một phần tải trọng lên khung

3.1.3 Phơng án giảm ứng suất vải túi

Có thể phân bố tải trọng lên khung bằng cách chế tạo túi có đờng kính lớnhơn đờng kính lớn hơn đờng kính vành; Việc tính toán trờng hợp này rất phức tạp,vì là một bài toán bất định với hai loại vật liệu có tính đàn hồi (vải và thép) Bàitoán nằm ngoài phạm vi của “Chuyên đề” Chúng tôi xin tính toán sơ bộ nh sau:

- Gỉa thiết: Phần tải trọng do nớc phân bố lên khung tỷ lệ thuận với tỷ sốdiện tích chắn của vành khung (bỏ qua diện tích chắn của cột), với tổng diện tíchxung quanh của túi;

- Do tải trọng lên thành túi tăng dần theo chiều sâu H tính từ mặt nớc (xemhình 9), nên bố trí số vành mau dần từ trên xuống dới đáy

Ta cần kiểm tra vành trong trờng hợp vành chịu toàn tải của áp lực nớc truyền qua túi.Xét vành nằm sát đáy, nó chịu áp lực nớc tác động trên một nặt trụ bán kính r

và chiều cao bằng khoảng cách giữa hai vành liên tiếp:

P  r b p Cos d   r b p Sin (III.15)

P là áp suất trung bình của nớc lên vải, trong khoảng giữa hai vành liên tiếp nằm sát

RV là lực tiết diện, phải nhỏ hơn Lực kéo cho phép của tiết diện thép làm vành RTD

Ch K

kg mm

kG mm n



Trong đó K ứng suất kéo cho phép của vật liệu

[Ch l ] là ứng suất chảy của thép ( = 28 kG/mm2 với thép CT5)

Với diện tích A đó, sử dụng tiết diện thép vuông nhằm hạn chế cong vênh và dễ

hàn các tai liên kết với cọc, có thể chọn các loại tiết diện thép hình nh nêu trong

bảng sau:

Bảng 5 Số hiệu thép chọn chế tạo Vành khung của bồn nớc

Số hiệu tiết diện Rộng = dài (mm0 Chiều dầy (mm) Diện tích tiết diện (mm2)

3.2.2 Tính cọc khung

Cọc khung chịu nén dọc, tải trọng là nớc trong bồn Thờng bồn trên mặt đất,

tải trọng đặt cột rất nhỏ, tuy nhiên xét trờng hợp nguy hểm nhất: toàn bộ túi treo

N N

kG mm

kG mm n



Trong đó K ứng suất kéo cho phép của vật liệu

[N] là ứng suất bền của thép (= 40kG/mm2 với thép đúc các bon 15 )

n là hệ số an toàn, tính đén lực uốn, lấy bằng 3

Từ đó, diện tích tiết diện A của thép làm cọc cần thiết là :

- Với vành, nên dùng ống vuông a = 22 - 26, dầy b = 2 - 4

- Với cọc, nên dùng ống thép D = 20 - 26, dầy b = 2 - 6 để tránh cong khi vậnchuyển

Xét các yêu cầu công nghệ, có thể sử dụng 3 phơng án kích thớc túi nớc nhbảng sau

Bán kínhthực túi r(cm)

Chiều cao H(cm)

Thể tíchthực tế V(cm3)

Chú thíchTính Y.cầu

Phơng án là phơng án thích hợp nhất, đợc sử dụng để thiết kế bồn nớc

4.2 Xác định kích thớc khung thích hợp

Từ các phơng án túi nớc, có thể suy ra các phơng án cho khung bồn chứa nhsau:

Bảng 8: Kích thớc khung bồn nớc thích hợpPhơng

l-Ch.cao

H (cm)

T.diệnthép

Số ợng

Nội dung tính toán các chi tiết này tơng tự nh trên, không trình bày ở đây

Phần IV: tính khảo nghiệm trên máy tính

1 Khảo sát trên phần mềm Exel