كيفية حساب فقدان الضغط في خط أنابيب البيتومين الساخن

يُعدّ حساب قطر خط أنابيب البيتومين الخطوة الأولى فقط في تصميم نظام النقل. أما السؤال التالي فهو ما إذا كانت المضخة المختارة قادرة بالفعل على نقل التدفق المطلوب عبر هذا الخط.

يُشكّل كل متر من الأنابيب، وكل كوع، وصمام، وفلتر، وكل متر من الارتفاع الرأسي، مقاومة. ولأن البيتومين شديد الحساسية لدرجة الحرارة، وقد يكون أكثر لزوجة بكثير من الماء أو المنتجات البترولية الخفيفة، فإن فقدان الضغط قد يُصبح قيدًا رئيسيًا في التصميم.

يشرح هذا الدليل الإطار الهندسي المستخدم لتقييم فقدان الضغط في خط أنابيب البيتومين الساخن وكيفية استخدام النتيجة لتحديد فرق الضغط في المضخة.

ما هو فقدان الضغط في خط الأنابيب؟

عندما تقوم المضخة بنقل البيتومين عبر أنبوب، يتم استهلاك جزء من ضغط المضخة للتغلب على المقاومة.

يمكن اعتبار إجمالي فرق الضغط المطلوب على النحو التالي:

إجمالي فرق ضغط المضخة = احتكاك الأنابيب المستقيمة + فقدان الضغط في الوصلات والمعدات + فرق الضغط الساكن

وبحسب النظام، يمكن أن تحدث خسائر إضافية من المرشحات والمبادلات الحرارية وصمامات التحكم والعدادات وفوهات المعدات.

الخطوة 1: تحديد معدل التدفق المطلوب

لا يمكن حساب فقدان الضغط دون تحديد التدفق أولاً.

يمكن التحكم في مسار التصميم من خلال:

• استهلاك مصنع الأسفلت
• وقت نقل الوقود من خزان إلى آخر
• وقت تفريغ الصهريج
• ناتج الذوبان في البراميل أو الأكياس
• الطلب على التداول

للاطلاع على منهجية حساب تدفق المضخة، انظر:

كيفية حساب معدل تدفق مضخة البيتومين لمحطة خلط الأسفلت

الخطوة الثانية: استخدام القطر الداخلي الفعلي للأنبوب

لا يتطابق القطر الاسمي للأنبوب دائمًا مع القطر الداخلي الفعلي. يؤثر سمك الجدار وجدول الأنابيب على مساحة التدفق.

بالنسبة لتدفق معين، يؤدي القطر الداخلي الأصغر إلى زيادة السرعة وعادة ما يزيد من فقدان الاحتكاك.

العلاقة الأساسية للسرعة هي:

V = Q ÷ A

أين:

• V = متوسط السرعة
• سؤال = التدفق اللاهوائي
• A = مساحة الأنبوب الداخلية

للاطلاع على الحساب الأولي للقطر، انظر:

حساب قطر خط أنابيب البيتومين لمصانع الأسفلت

الخطوة 3: تحديد لزوجة البيتومين عند درجة حرارة التشغيل

هذا أحد أهم المدخلات.

تتغير لزوجة البيتومين بشكل كبير مع تغير درجة الحرارة. ولا يمكن تطبيق حساب فقدان الضغط بناءً على اللزوجة عند 160 درجة مئوية تلقائيًا عند نقل نفس المادة عند درجة حرارة أقل بكثير.

استخدم بيانات اللزوجة من أجل:

• درجة المجلد الفعلية
• درجة حرارة النقل المتوقعة
• حالة القص ذات الصلة عند الضرورة

بالنسبة للمواد الرابطة المعدلة بمطاط الستايرين بوتادين ستايرين (SBS) أو المطاط، قد يختلف السلوك الريولوجي عن البيتومين التقليدي. لذا، لا ينبغي استخدام تقريب السائل النيوتوني البسيط تلقائيًا مع كل مادة رابطة معدلة.

الخطوة الرابعة: تحديد نظام التدفق

في حسابات السوائل التقليدية، يُستخدم رقم رينولدز بشكل شائع لتقييم ما إذا كان التدفق صفائحيًا أو انتقاليًا أو مضطربًا:

Re = ρVD ÷ μ

أين:

• ρ = كثافة السائل
• V = متوسط السرعة
• د = القطر الداخلي للأنبوب
• μ = اللزوجة الديناميكية

نظراً لأن البيتومين الساخن يمكن أن يظل لزجاً نسبياً، فإن سلوك التدفق يمكن أن يختلف اختلافاً كبيراً عن أنظمة الأنابيب القائمة على الماء.

لذلك يجب أن يتوافق نموذج الاحتكاك المختار مع سلوك المادة ونظام التدفق.

الخطوة 5: حساب الاحتكاك في الأنابيب المستقيمة

بالنسبة للسوائل والظروف التي يكون فيها نهج دارسي-ويسباخ قابلاً للتطبيق، يمكن تمثيل فقدان الضغط في الأنابيب المستقيمة بما يلي:

ΔP = f × (L ÷ D) × (ρV² ÷ 2)

أين:

• ΔP = فقدان الضغط
• و = معامل احتكاك دارسي
• ل = طول الأنبوب
• د = القطر الداخلي للأنبوب
• ρ = كثافة السائل
• V = متوسط السرعة

يعتمد عامل الاحتكاك على نظام التدفق وحالة الأنبوب، وفي بعض الأنظمة، على الخشونة النسبية.

بالنسبة للمواد الرابطة المعدلة عالية اللزوجة أو غير النيوتونية، يجب على المهندس استخدام نموذج مناسب للريولوجيا الفعلية بدلاً من تطبيق افتراض خط أنابيب المياه ميكانيكياً.

الخطوة 6: إضافة خسائر التركيب

خط نقل حقيقي يحتوي على أكثر من مجرد أنبوب مستقيم.

يمكن أن تأتي المقاومة الإضافية من:

• كوع بزاوية 90 درجة وكوع بزاوية 45 درجة
• تيشيرتات
• مخفضات
• صمامات العزل
• صمامات الفحص
• صمامات التحكم
• المرشحات والمصافي
• عدادات التدفق
• وصلات مرنة

يمكن تقييم هذه الخسائر باستخدام معامل الخسارة المناسب أو طريقة الطول المكافئ.

قد يتطلب خط يحتوي على العديد من الصمامات والمنحنيات ضغطًا أكبر بشكل ملحوظ من خط مستقيم له نفس الطول المادي.

الخطوة 7: إضافة ضغط الرفع الساكن

إذا قامت المضخة بنقل البيتومين إلى ارتفاع أعلى، فيجب عليها أيضًا التغلب على الضغط الساكن.

العلاقة المبسطة هي:

ΔPstatic = ρgΔH

حيث ΔH هو فرق الارتفاع.

إذا كانت الوجهة أقل من المصدر، فقد تساعد الجاذبية في التدفق، على الرغم من أنه لا يزال يتعين تقييم جميع المتطلبات الهيدروليكية والتشغيلية الأخرى.

الخطوة 8: تضمين الفلاتر وفقدان المعدات

قد تصبح المرشحات ذات أهمية خاصة في أنظمة البيتومين.

قد يؤدي المرشح النظيف إلى مقاومة مقبولة، بينما يمكن أن يؤدي المرشح المسدود جزئيًا إلى زيادة ضغط تصريف المضخة بشكل كبير.

لذا ينبغي أن تأخذ ميزانية فقدان الضغط في الاعتبار ما يلي:

• حالة نظيفة
• حالة غير نظيفة متوقعة حيث تتوفر البيانات
• انخفاضات الضغط في المعدات المحددة من قبل الشركة المصنعة

الخطوة 9: تحديد نقطة تشغيل المضخة

بعد جمع جميع الخسائر، تحدد النتيجة الحمل التقريبي للمضخة:

التدفق المطلوب عند فرق الضغط المطلوب

لا تختار المضخة بناءً على معدل التدفق الأقصى فقط.

ينبغي على الشركة المصنعة للمضخة التحقق مما يلي:

• التدفق عند الضغط التفاضلي
• لزوجة المادة الرابطة الفعلية
• سرعة التشغيل
• عزم الدوران المطلوب
• قوة المحرك
• ترتيب الختم
• ترتيب التدفئة
• ظروف الشفط

إطار عمل حسابي نموذجي

لنفترض مشروعًا يتضمن ما يلي:

• معدل تدفق البيتومين المطلوب: 20 م³/ساعة
• طول خط الأنابيب: 60 متراً
• القطر الداخلي الفعلي المعروف للأنبوب
• ثمانية أكواع
• صمامات عزل متعددة
• فلتر واحد
• ارتفاع رأسي 4 أمتار

إن العملية الصحيحة لا تتمثل في تخمين ضغط المضخة من طول الأنبوب البالغ 60 متراً.

بدلاً من:

1. احصل على كثافة ولزوجة البيتومين عند درجة حرارة النقل.
2. احسب السرعة من مساحة الأنبوب الداخلية الفعلية.
3. حدد نظام التدفق المناسب وطريقة الاحتكاك.
4. احسب فقدان الضغط في الأنابيب المستقيمة.
5. أضف خسائر الكوع والصمام.
6. أضف خسائر الفلتر أو المعدات.
7. أضف ضغط الارتفاع الثابت.
8. أضف بدلًا هندسيًا مناسبًا لأساس التصميم.
9. تحقق من نقطة التشغيل المطلوبة مقابل منحنى المضخة.

لماذا يمكن أن تؤثر درجة الحرارة على متطلبات المضخة؟

قد يتصرف خط الأنابيب المصمم باستخدام لزوجة البيتومين الساخن بشكل مختلف تمامًا بعد فترة توقف طويلة أو أثناء بدء التشغيل البارد.

انخفاض درجة حرارة المادة يمكن أن يزيد من:

• اللزوجة
• فقدان الاحتكاك
• عزم دوران المضخة
• تيار المحرك
• فرق الضغط في المرشح

ولهذا السبب يعتبر تسخين وعزل خطوط الأنابيب جزءًا من الموثوقية الهيدروليكية.

لماذا يمكن أن يؤدي زيادة قطر الأنابيب إلى تقليل فقدان الضغط؟

بالنسبة لنفس معدل التدفق الحجمي، يؤدي القطر الداخلي الأكبر إلى تقليل متوسط السرعة. وهذا بدوره يمكن أن يقلل بشكل كبير من فقدان الاحتكاك.

ومع ذلك، فإن الأنابيب الكبيرة جدًا تزيد أيضًا مما يلي:

• تكلفة المواد
• منطقة العزل
• حجم احتباس البيتومين
• سطح التسخين
• حجم التصريف بعد الإغلاق

لذا ينبغي تحسين قطر خط الأنابيب بدلاً من مجرد زيادته إلى أقصى حد.

العلامات الشائعة لفقدان الضغط المفرط

• ضغط تصريف المضخة أعلى من المتوقع
• التدفق الفعلي أقل من التدفق المقنن للمضخة
• يرتفع تيار المحرك أثناء التشغيل في درجات الحرارة المنخفضة
• انسداد متكرر للفلتر
• نقل بطيء من خزان إلى آخر
• فرق كبير في درجة الحرارة على طول الخط
• زيادة الحمل على المضخة أو الوصلة

أخطاء حسابية شائعة

استخدام خصائص الماء في صناعة البيتومين

إن افتراضات فقدان الضغط القائمة على الماء غير مناسبة للمواد الرابطة الساخنة اللزجة بدون تعديل مناسب.

تجاهل درجة الحرارة

يجب أن تتوافق اللزوجة مع المادة الفعلية ودرجة حرارة التشغيل.

استخدام القطر الداخلي الاسمي بدلاً من القطر الداخلي الفعلي

يؤدي سمك جدار الأنبوب إلى تغيير مساحة التدفق الفعلية.

تجاهل التركيبات والفلاتر

نادراً ما يكون النظام مجرد أنبوب مستقيم.

تجاهل الارتفاع الثابت

يساهم الرفع العمودي بشكل مباشر في متطلبات ضغط المضخة.

التحقق من أقصى تدفق للمضخة ولكن ليس نقطة التشغيل

يجب أن توفر المضخة التدفق المطلوب عند فرق الضغط المحسوب.

المعلومات المطلوبة لإجراء حسابات هندسية

• معدل التدفق المطلوب
• درجة البيتومين
• الكثافة عند درجة حرارة التشغيل
• بيانات اللزوجة أو الخواص الريولوجية عند درجة حرارة التشغيل
• القطر الداخلي الفعلي للأنبوب
• مادة الأنابيب وحالتها
• الطول المستقيم الإجمالي
• مخطط الارتفاع
• أكواع، وصلات على شكل حرف T، ومخفضات
• أنواع وكميات الصمامات
• بيانات المرشح أو المصفاة
• معدات أخرى مدمجة
• بيانات المضخة

الأسئلة الشائعة

هل يمكن حساب فقدان الضغط من طول الأنبوب فقط؟

لا. يؤثر معدل التدفق والقطر الداخلي واللزوجة والكثافة والوصلات والارتفاع وفقدان المعدات جميعها على النتيجة.

لماذا يزداد ضغط خط أنابيب البيتومين عندما تنخفض درجة الحرارة؟

تؤدي درجات الحرارة المنخفضة عموماً إلى زيادة لزوجة البيتومين، مما يزيد من مقاومة التدفق.

هل يؤدي استخدام أنبوب أكبر حجماً دائماً إلى حل مشاكل فقدان الضغط؟

زيادة القطر يمكن أن تقلل من فقدان الاحتكاك، ولكن لا يزال يتعين فحص النظام بأكمله من حيث التسخين والتكلفة وسرعة التدفق وسلوك الإغلاق.

هل ينبغي استخدام نفس طريقة حساب البيتومين التقليدي في البيتومين المعدل؟

ليس بالضرورة. قد يُظهر كل من البيتومين المعدل بالبوليمر والبيتومين المطاطي لزوجة وسلوكًا ريولوجيًا مختلفًا.

الخاتمة

يجب أن تربط حسابات خطوط أنابيب البيتومين الساخن الموثوقة بين المقاومة الهيدروليكية وخصائص المواد الفعلية ودرجة حرارة التشغيل.

التسلسل الهندسي هو:

التدفق ← اللزوجة ← قطر الأنبوب ← الاحتكاك ← الوصلات ← الضغط الساكن ← قدرة المضخة

بإمكان شركة FEITENG المساعدة في تنسيق مضخات البيتومين وخطوط الأنابيب الساخنة وخزانات التخزين وأنظمة الزيت الحراري كنظام نقل متكامل واحد.

واتساب: +86 15335447006
بريد إلكتروني: [email protected]
موقع إلكتروني: www.bitumenmachine.com