Bài viết này – Sẽ trình bày cách tính thuỷ lực với một hệ thống ống chữa cháy dạng nhánh cây (tree system) đơn giản gồm 3 đầu phun (sprinkler heads) và 3 đoạn ống. Qua đó, bạn sẽ nắm được những kiến thức cơ bản cần thiết, cũng như cách áp dụng K-factor và phương trình Hazen-Williams.
Bài viết sẽ hướng dẫn một số nguyên tắc cơ bản để thực hiện tính toán thủy lực (hydraulic calculations) cho hệ thống sprinkler bằng máy tính bỏ túi, hoặc bằng công cụ hydraulic calculator – Hcal2 mà bạn có thể tải miễn phí từ website của FHC Canute.
Tính toán hệ thống sprinkler cho một tree system nhỏ
Trong ví dụ này, chúng ta sẽ sử dụng 3 đầu sprinkler và 3 đoạn ống, vốn chỉ là một phần nhỏ của một hệ thống sprinkler chữa cháy lớn hơn nhiều. Các bước tính toán cơ bản này cũng có thể áp dụng cho nhiều loại hệ thống khác, chẳng hạn như trụ nước chữa cháy (fire hydrant), vòi chữa cháy (hose reel), hoặc lưu lượng xả từ súng phun nước (water cannon/monitor). Nguyên lý tương tự cũng có thể áp dụng cho hầu hết các hệ thống chữa cháy dùng nước khác, miễn là ta có được k-factor của thiết bị xả (đầu sprinkler, đầu phun sương water mist, v.v.).
Ví dụ này sử dụng một hệ thống rất đơn giản với 3 đầu sprinkler và 3 đoạn ống. Đây thường được gọi là một range hoặc branch pipe (nhánh ống), thuộc một tree system lớn hơn. Tree system là một hệ thống “end feed” — nước chỉ được cấp từ một hướng, khác với hệ thống dạng lưới (grid) hoặc vòng (loop), nơi nước có thể đến đầu sprinkler từ nhiều hướng khác nhau.
Bên dưới là sơ đồ 3 đầu sprinkler và các đoạn ống mà chúng ta sẽ tính toán. Kích thước, mỗi điểm nút (junction) được đánh số tham chiếu (node reference) riêng, được sử dụng xuyên suốt quá trình tính toán.
Sơ đồ 3 đoạn ống và 3 đầu phun sprinkler
Bước 1 – Xác định hệ thống ống cần tính toán
Đối với mỗi đoạn ống, ta cần biết chiều dài ống, đường kính trong (ID) của ống và vật liệu ống để xác định c-factor của ống. Bảng dưới đây tóm tắt các dữ liệu ống cần thiết cho ví dụ tính toán này:
| Node Ref (Mã nút) | Đường kính trong ống – ID (mm) | Chiều dài (m) | C-factor |
| 130-120 | 27.30 | 3.20 | 120 |
| 120-110 | 27.30 | 3.20 | 120 |
| 110-100 | 36.00 | 3.20 | 120 |
Chúng ta cũng cần thêm các thông tin khác, như loại đầu sprinkler, diện tích bảo vệ của mỗi đầu, và design density (mật độ phun thiết kế) cho từng đầu sprinkler trong hệ thống.
Trong ví dụ này, chúng ta sử dụng các thông số thiết kế sau:
- Design density: 7.50 mm/min
- Đầu sprinkler: K-factor = 70, áp suất tối thiểu 0.5 bar
- Diện tích bảo vệ mỗi đầu (head area): 10.20 m²
Trong ví dụ này, để đơn giản, chúng ta dùng cùng một loại đầu sprinkler cho cả 3 vị trí — vì vậy việc tóm tắt thông tin trong một bảng như dưới đây sẽ rất hữu ích:
| Node Ref | Design Density (mm/min) | Sprinkler K-factor | Áp suất tối thiểu đầu phun (Bar) | Diện tích bảo vệ (m²) |
| 130 | 7.50 | 70 | 0.5 | 10.20 |
| 120 | 7.50 | 70 | 0.5 | 10.20 |
| 110 | 7.5 | 70 | 0.5 | 10.20 |
Bước 2 – Tính lưu lượng tối thiểu tại đầu sprinkler đầu tiên
Bây giờ ta cần tính lưu lượng tối thiểu yêu cầu tại đầu sprinkler xa nhất (most remote head — MRH), tại node [130]. Đây là quá trình gồm 2 bước: đầu tiên tính lưu lượng tối thiểu cần thiết để đáp ứng design density 7.50 mm/min, sau đó tính lưu lượng từ đầu sprinkler dựa trên áp suất tối thiểu của đầu phun. Giá trị lưu lượng nào lớn hơn sẽ được chọn làm lưu lượng ban đầu tại node [130].
Trước tiên, ta tính lưu lượng theo design density 7.50 mm/min và diện tích bảo vệ của đầu phun bằng cách nhân design density với head area:
Công thức 1:
Q = (design density) x (diện tích bảo vệ mỗi đầu sprinkler)
Trong ví dụ này, ta có:
Q = 7.50 mm/min x 10.20 m² = 76.50 L/min
Bước thứ hai là tính lưu lượng tối thiểu từ đầu sprinkler dựa trên K-Factor và áp suất tối thiểu tại đầu phun, sử dụng công thức K-Factor:
Công thức 2:
Trong đó:
- p = áp suất yêu cầu
- Q = lưu lượng yêu cầu từ đầu sprinkler đầu tiên
- k = hệ số xả của đầu sprinkler (k-factor)
Trong ví dụ này, ta có:
Q = 70 x 0.5^0.5 = 49.50 L/min
So sánh hai kết quả trên, ta thấy lưu lượng tối thiểu cần thiết từ đầu sprinkler là 76.50 L/min, vì đây là giá trị lưu lượng lớn hơn trong hai kết quả và cần thiết để đáp ứng design density 7.50 mm/min. Ta cũng thấy rằng áp suất tối thiểu 0.5 bar của đầu sprinkler không đủ để tạo ra lưu lượng yêu cầu này. Bước tiếp theo là xác định áp suất cần thiết để tạo ra lưu lượng yêu cầu 76.50 L/min tại đầu sprinkler thứ nhất, node [130].
Bước 3 – Áp suất tại đầu sprinkler thứ nhất
Sau khi đã biết lưu lượng yêu cầu từ đầu sprinkler thứ nhất (node 130), ta cần xác định áp suất yêu cầu. Để làm việc này, ta dùng phương trình 3 dưới đây.
Công thức 3:
p = (Q/k)²
Trong ví dụ này, ta có:
p = (76.50 / 70)² = 1.194 bar
Ta đã xác định được áp suất và lưu lượng tối thiểu tại đầu sprinkler thứ nhất, node [130]: 76.50 L/min @ 1.19 bar.
Bước 4 – Tính tổn thất áp suất trên đoạn ống thứ nhất
Tiếp theo, ta cần tính tổn thất áp suất trên đoạn ống giữa node [130] và [120]. Để làm việc này, ta sử dụng công thức tổn thất áp suất Hazen-Williams.
Công thức 4:
Trong đó:
- p = tổn thất áp suất, tính bằng bar trên mỗi mét ống
- Q = lưu lượng qua ống, tính bằng L/min
- C = hệ số tổn thất ma sát (friction loss coefficient)
- d = đường kính trong của ống, tính bằng mm
Ta biết lưu lượng từ đầu sprinkler tại node [130] là 76.50 L/min, và đây cũng chính là lưu lượng trong đoạn ống đầu tiên giữa các node [130]-[120]. Vì ống có đường kính trong 27.30 mm và giá trị C = 120, ta có:
Theo phương trình tổn thất áp suất trên, ta thấy tổn thất trên mỗi mét ống là 0.027 bar. Ta nhân giá trị này với chiều dài đoạn ống để tìm tổng tổn thất áp suất; trong trường hợp này, 0.027 bar/m x 3.20 m ống cho ra tổng tổn thất áp suất là 0.086 bar. Tiếp theo, ta cộng tổn thất áp suất trên đoạn ống này với áp suất tại đầu sprinkler node [130] (1.19 bar) để tìm áp suất tại node [120], cũng chính là áp suất tại đầu sprinkler thứ hai, node [120]. Ta có: 1.194 bar + 0.086 bar = 1.28 bar. Vậy áp suất tại đầu sprinkler thứ hai, node 120, là 1.28 bar.
Bước 5 – Lưu lượng từ đầu sprinkler thứ hai
Bước tiếp theo là tìm lưu lượng từ đầu sprinkler thứ hai tại node [120]. Ta sử dụng công thức K-Factor.
Công thức 5:
Vì k-factor của đầu sprinkler là 70 và áp suất tại đầu sprinkler là 1.280 bar, ta có: 70 x 1.280^0.5 = 79.20 L/min.
Bước 6 – Xác định lưu lượng trong đoạn ống thứ hai
Nếu lưu lượng từ đầu sprinkler thứ nhất là 76.50 L/min và lưu lượng từ đầu sprinkler thứ hai là 79.20 L/min, thì tổng lưu lượng cấp cho cả hai đầu sprinkler này phải bằng tổng của hai giá trị đó: 76.5 + 79.20 = 155.70 L/min. Đây chính là lưu lượng trong đoạn ống 120-110, được minh họa trong sơ đồ dưới đây, tóm tắt các kết quả tính toán đến hết bước 6.
Tóm tắt kết quả tính toán sprinkler đến bước 6
Bước 7 – Tổn thất áp suất trong đoạn ống thứ hai
Sau khi đã tìm được tổng lưu lượng trong đoạn ống thứ hai [120]-[110] là 155.7 L/min, ta cần tìm tổn thất áp suất trong đoạn ống này. Ta tiếp tục sử dụng công thức tổn thất áp suất Hazen-Williams đã dùng ở Bước 4. Ta biết đường kính trong của ống là 27.3 mm, và lưu lượng tại đầu sprinkler thứ hai là 155.7 L/min, nên phương trình với các thông tin này sẽ như sau:
Tổn thất áp suất trên mỗi mét ống là 0.099 bar/m, do đó để tìm tổng tổn thất áp suất trong đoạn ống thứ hai, ta nhân giá trị này với chiều dài đoạn ống, ở đây là 3.20 m. Ta có 0.099 x 3.2 = 0.317 bar tổng tổn thất áp suất trong đoạn ống thứ hai (node 120-110).
Bước 8 – Áp suất tại đầu sprinkler thứ ba
Để tìm áp suất tại đầu sprinkler thứ ba (node 110), ta cộng áp suất tại đầu sprinkler thứ hai (node 120) với tổn thất áp suất trong đoạn ống (120-110) vừa tính ở Bước 7. Ta có: 1.280 bar (áp suất tại đầu sprinkler thứ hai, node 120) + 0.317 bar (tổn thất áp suất trên đoạn ống, node 120-110) = 1.597 bar tại node 110. Kết quả tính toán được thể hiện trong sơ đồ dưới đây:
Tóm tắt kết quả tính toán sau bước 8
Bước 9 – Lưu lượng từ đầu sprinkler thứ ba
Bây giờ ta cần tìm lưu lượng từ đầu sprinkler thứ ba tại node [110]. Ta thực hiện việc này bằng công thức K-Factor đã dùng ở Bước 5. Ta đã biết áp suất tại node [110] là 1.597 bar, và đầu sprinkler có k-factor = 70, cho ra 70 x 1.597^0.5 = 88.50 L/min từ đầu sprinkler tại node [110]. Cộng lưu lượng này với lưu lượng trong đoạn ống thứ hai [120]-[110] để tìm tổng lưu lượng trong đoạn ống thứ ba [110]-[100], ta được lưu lượng 244.20 L/min. Kết quả tính toán đến hết bước 9 được tóm tắt dưới đây:
Kết quả tính toán hoàn chỉnh cho 3 đầu sprinkler
Bước 10 – Tổn thất áp suất trong đoạn ống cuối cùng
Bước cuối cùng là tìm tổn thất áp suất trong đoạn ống thứ ba [110]-[100], và ta tiếp tục sử dụng công thức tổn thất áp suất Hazen-Williams đã nêu ở phương trình 4. Tuy nhiên, đoạn ống cuối cùng này có đường kính trong 36.0 mm, nên ta có:
Ta cộng tổn thất áp suất trong đoạn ống này với áp suất tại node [110] để tìm áp suất tại node [100]. Kết quả là 0.189 + 1.597 = 1.786 bar. Đến đây, ta đã hoàn tất tính toán cho cả 3 đầu sprinkler và xác định được áp suất và lưu lượng nguồn cần thiết cho hệ thống này là:
244.20 L/min @ 1.786 Bar
Áp suất và lưu lượng này thường được gọi là “source required” (yêu cầu nguồn cấp) cho hệ thống — đây là áp suất và lưu lượng tối thiểu cần thiết để hệ thống có thể đáp ứng design density yêu cầu (trong ví dụ này là 7.50 mm/min) tại đầu sprinkler xa nhất (Most Remote Head — MRH), node [130]. Cũng cần lưu ý rằng chỉ có Most Remote Head mới có design density tối thiểu đúng bằng 7.50 mm/min theo yêu cầu. Tất cả các đầu sprinkler còn lại sẽ có áp suất cao hơn vì chúng gần nguồn nước hơn về mặt thủy lực (hydraulically closer), do đó sẽ có áp suất cao hơn và xả nhiều nước hơn qua đầu phun. Điều này được thể hiện trong bảng dưới đây:
| Node Ref | Design Density tối thiểu (mm/min) | Áp suất (Bar) | Lưu lượng đầu phun (L/min) | Diện tích bảo vệ (m²) | Design Density thực tế |
| 130 [MRH] | 7.50 | 1.194 | 76.50 | 10.20 | 7.50 |
| 120 | 7.50 | 1.280 | 79.20 | 10.20 | 7.76 |
| 110 | 7.50 | 1.597 | 88.50 | 10.20 | 8.68 |
Các bước tính toán sprinkler tóm tắt:
1. Tính lưu lượng tối thiểu từ MRH dựa trên áp suất tối thiểu và k-factor của đầu sprinkler.
2. Tính lưu lượng tối thiểu dựa trên design density của hệ thống và diện tích bảo vệ của đầu sprinkler.
3. Nếu kết quả tính toán ở bước 2 cho ra lưu lượng yêu cầu lớn hơn, tính áp suất đầu phun cần thiết; nếu không, có thể sử dụng áp suất tối thiểu của đầu sprinkler ở bước 1.
4. Tính tổn thất áp suất trong đoạn ống.
5. Cộng áp suất tại đầu phun với tổn thất áp suất ở bước 4 để xác định áp suất tại đầu sprinkler tiếp theo.
6. Sử dụng công thức K-factor để xác định lưu lượng từ đầu sprinkler.
7. Lặp lại các bước 4 đến 6 cho đến khi không còn đầu sprinkler hoặc đoạn ống nào cần tính.
KẾT LUẬN
Tính toán bằng tay dùng máy tính bỏ túi, hoặc công thức Excel giúp chúng ta hiểu được nguyên lý tính toán thuỷ lực dựa vào 2 công thức cơ bản K-factor và Hazen-William. Với hệ thống phòng cháy chữa cháy có số lượng đầu phun lớn, đường ống phức tạp không khuyến cáo chúng ta tính toán bằng tay để giảm thiểu sai sót.
Phần mềm FHC cung cấp các tính năng tính toán thủy lực toàn diện phục vụ công tác thiết kế hệ thống chữa cháy tự động (sprinkler) tuân thủ các tiêu chuẩn BS EN 12845, BS 9251, FM global, NFPA.
Phần mềm hỗ trợ tính toán thiết kế cả những hệ thống đặc biệt fire sprinkler, water mist system.
Ví dụ report tính toán được tạo ra từ phần mềm FHC
Tham khảo phần mềm FHC là gì tại đây: https://canutesoft.com/products/fhc/fhc-project-examples
Nguồn: FHC Canute website
Cần thêm thông tin đừng ngần ngại liên hệ chúng tôi qua email nguyencntd@gmail.com/ Call 0983452904 ( Mr Nguyen) hoặc lick vào logo bên dưới để lại thông tin, chúng tôi sẽ liên lạc lại hỗ trợ.
