Các thành phần khác nhau của các thệ thống phân phối nước và các mục
đích của chúng được mô tả trong mục này. Các yếu tố chính của hệ thống là bộ phận ống dẫn hoặc các kết nối có đường kính không đổi và có thể bao gồm các khớp nối ví dụ như các đoạn cong và các van. Các ống dẫn được sản xuất bằng các chất liệu khác nhau, ví dụ như, bằng gang, thép, bê tông, gỗ ép. Đặc trưng cho các hệ thống cấp nước là mối quan hệ giữa lưu lượng hoặc vận tốc với ống dẫn, phương trình Hazen-Williams:
0,63 0,54
1,318 HW f
V C R S (9.2.1)
trong đó V là vận tốc dòng chảy trung bình (fit/s), CHW là hệ số nhám Hazen- Williams như đã liệt kê trong bảng 9.2.1 cho các ống dẫn bằng các vật liệu khác nhau và tuổi sử dụng khác nhau, R là bán kính thủy lực (ft) và Sf là độ dốc ma sát. Phương trình này có thể được biểu diễn dưới dạng tổn thất cột nước (fit) như sau
1,852 1,167
L 3,02
HW
h LD V
C
(9.2.2)
trong đó L là độ dài đường ống theo đơn vị fit và D là đường kính của đường ống theo đơn vị ft.
Phương trình dòng chảy trong ống dẫn khác cho tổn thất cột nước là phương trình Darcy-Weisbach
2 L 2
h f L V
D g (9.2.3)
trong đó f là yếu tố ma sát. Yếu tố ma sát là một hàm của số Reynold và độ nhám tương đối. Độ nhám tương đối bằng độ nhám tuyệt đối của bề mặt bên trong ống dẫn chia cho đường kính của ống. Yếu tố ma sát có thể được xác
định từ sơ đồ Moody.
Bên cạnh tổn thất cột nước do ma sát là tổn thất năng lượng ở các điểm nối.
Tổn thất năng lượng này tăng lên bởi một số các thành phần được gọi là các thành phần tổn thất cục bộ ví dụ như các đoạn cong và các van. Các thành phần tổn thất cục bộ có thể sinh ra tổn thất cột nước đáng kể trong một đoạn ống. Các tổn thất cục bộ tỉ lệ với cột nước lưu tốc và là một hàm của kiểu khớp nối, và trong trường hợp của các van là độ mở của nó,
Hình 9.1.1 Các chức năng thành phần của một tổ hợp xử lí và phân phối nước (Cullinane, 1989).
Bảng 9.2.1 Hệ số nhám Hazen-Williams cho các loại ống bằng vật liệu và tuổi sử dụng khác nhau
Kiểu ống dẫn Điều kiện Hệ số Hazen-William.
CHW
Mới Tất cả các kích cỡ 130
12’’ và lớn hơn 120
8’’ 119
5 năm tuổi
4’’ 118
24” và lớn hơn 113
12” 111
10 năm tuổi
4” 107
24” và lớn hơn 100
12” 96
20 năm tuổi
4” 89
30” và lớn hơn 90
16” 87
30 năm tuổi
4” 75
40” và lớn hơn 77
24” 74
Bằng gang
50 năm tuổi
4” 55
Thép có thể hàn được Giá trị của CHW bằng với các giá trị của CHW trong trường hợp ống bằng gang, 5 năm tuổi.
Thép tán Giá trị của CHW bằng với các giá trị của CHW trong trường hợp ống bằng gang, 10 năm tuổi.
Gỗ ép Giá trị trung bình, không tính tuổi 120
Kích thước lớn, chất lượng tốt, khung sắt. 140 Kích thước lớn, chất lượng tốt, khung gỗ. 120 Bê tông hoặc khung bê
tông
Quay ly t©m 135
èng Plastic 150
2 Lm 2
h M V
g (9.2.4)
trong đó hLm là tổn thất cục bộ, V là vận tốc dòng chảy, và g là gia tốc trọng trường. Bảng 9.2.2 liệt kê các giá trị của M cho các kiểu khớp nối thông dụng nhÊt.
Các nút được phân thành hai loại, nút liên kết (junction nodes) và nút ấn
định (fixed-grade node - FGN). Nút liên kết là các vật nối giữa hai hoặc nhiều ống dẫn hoặc là nơi dòng chảy ra khỏi (hoặc vào) hệ thống. Các thay đổi về
đường kính ống dẫn thường được mô hình hóa như là một nút liên kết. Nút ấn
định (FGN) là một nút có áp suất và độ cao cố định. Các bể chứa, các thùng nước, và các đường ống lớn có áp suất không đổi là các ví dụ về nút ấn định.
Các van nước có thể được điều chỉnh để thay đổi tổn thất cột nước ở hai bên van và thậm chí có thể đóng hoàn toàn để chặn dòng chảy. Tính mềm dẻo này có thể hữu ích khi vận hành một hệ thống sao cho dòng chảy chảy theo các hướng nào đó, hoặc để đóng các phần của một hệ thống để có thể bảo trì hoặc sửa chữa đường ống dẫn nước của các phần đó. Các van một chiều chỉ cho dòng chảy chảy theo một hướng và nếu có đủ điều kiện để dòng chảy chảy ngược lại thì van một chiều này sẽ đóng lại để chặn không cho dòng chảy chảy qua van. Các van một chiều có thể được lắp đặt ở cuối đoạn ống xả nước của một máy bơm để chặn dòng chảy ngược.
Một kiểu van khác là van điều hòa áp suất, còn được gọi là van giảm áp (PRV), chúng được sử dụng để duy trì cố định một áp suất cho trước tại phía hạ lưu của van cho tất cả các dòng chảy thấp hơn chiều cao cột nước thượng lưu. Khi kết nối hệ thống nước áp suất cao với hệ thống nước áp suất thấp,
PRV cho phép dòng chảy từ hệ thống nước áp suất cao nếu áp suất trong hệ thống nước áp suất thấp không vượt quá. Tổn thất cột nước qua van thay đổi phụ thuộc vào áp suất hạ lưu, chứ không phụ thuộc vào dòng chảy trong ống.
Bảng 9.2.2
Hệ số tổn thất của các khớp nối thông thường (Wood, 1980)
Loại khớp nối M
Van Glove, mở hoàn toàn 10,0 Van Angle, mở hoàn toàn 5,0 Van một chiều lá, mở hoàn toàn 2,5 Van cánh, mở hoàn toàn 0,2
Van cánh, mở 3/4 1,0
Van cánh, mở 1/2 5,6
Van cánh mở 1/4 24,0
Khuỷu đường kính ngắn 0,9 Khuûu ®êng kÝnh trung b×nh 0,8 Khuûu ®êng kÝnh lín 0,6
Khuûu 45 0,4
Khuûu uèn kÝn 2,2
Mấu nối, nối cạnh 1,8
Mấu nối, nối thẳng 0,3
Kết hợp 0,3
45 Trạc ba, nối cạnh 0,8 45 Trạc ba, nối thẳng 0,3 Hình dạng đầu vào
vuông 0,5
miệng chuông 0,1
hai nÊc 0,9
ra 1,0
Các bể chứa được sử dụng để trữ nước trong một ngày để các bơm có thể vận hành gần như với hiệu suất cực đại và giảm thiểu nhỏ nhất yêu cầu năng lượng. Trong một hệ thống đơn giản với một bơm, trên phương diện giá thành bơm, thì kinh tế nhất khi vận hành bơm này ở hiệu suất cực đại của nó, nhưng các nhu cầu thì thay đổi theo thời gian nên điều này là không thể. Thêm vào hệ thống một thùng chứa nước, đóng vai trò như một bộ đệm trữ nước khi lượng nước đến ít và xả nước vào hệ thống khi nhu cầu nước cao, sẽ cho phép bơm nước vận hành sát với yêu cầu trung bình. Giả sử rằng yêu cầu trung bình là công suất của bơm, điều này sẽ làm cho hiệu suất của hệ thống lớn nhất đối với giá thành bơm. Tuy nhiên, giá của việc xây dựng một thùng chứa và phần còn lại của hệ thống cần được thêm vào giá thành năng lượng để xác định giá
thành trung bình của mẫu thiết kế.