Wie berechnet man den Druckverlust in einer Heißbitumenleitung?

Die Berechnung des Durchmessers einer Bitumenleitung ist nur der erste Schritt bei der Auslegung eines Transportsystems. Die nächste Frage ist, ob die ausgewählte Pumpe den erforderlichen Durchfluss durch diese Leitung tatsächlich fördern kann.

Jeder Meter Rohrleitung, jeder Rohrbogen, jedes Ventil und jeder Filter sowie jeder Meter Höhenunterschied erzeugt Widerstand. Da Bitumen sehr temperaturempfindlich ist und deutlich viskoser als Wasser oder leichte Erdölprodukte sein kann, kann der Druckverlust zu einer wesentlichen Konstruktionsvorgabe werden.

Dieser Leitfaden erläutert den technischen Rahmen, der zur Bewertung des Druckverlusts in einer Heißbitumenleitung verwendet wird, und wie das Ergebnis zur Bestimmung des Differenzdrucks der Pumpe verwendet wird.

Was ist Druckverlust in Rohrleitungen?

Wenn eine Pumpe Bitumen durch ein Rohr befördert, wird ein Teil des Pumpendrucks beim Überwinden des Widerstands verbraucht.

Der insgesamt erforderliche Differenzdruck kann wie folgt betrachtet werden:

Gesamtdruckdifferenz der Pumpe = Reibung im geraden Rohr + Verluste durch Armaturen und Ausrüstung + statische Druckdifferenz

Je nach System können zusätzliche Verluste durch Filter, Wärmetauscher, Regelventile, Messgeräte und Geräteanschlüsse entstehen.

Schritt 1: Definieren Sie die erforderliche Durchflussrate

Der Druckverlust kann nicht berechnet werden, ohne vorher den Durchfluss zu definieren.

Der Designprozess kann gesteuert werden durch:

• Verbrauch in Asphaltanlagen
• Umfüllzeit zwischen den Tanks
• Tankerentladezeit
• Schmelzleistung von Trommeln oder Säcken
• Zirkulationsnachfrage

Zur Berechnungsmethodik des Pumpenförderstroms siehe:

Wie berechnet man die Fördermenge einer Bitumenpumpe für eine Asphaltmischanlage?

Schritt 2: Verwenden Sie den tatsächlichen Innendurchmesser des Rohrs.

Die Nennweite eines Rohres entspricht nicht immer dem tatsächlichen Innendurchmesser. Wandstärke und Rohrnorm beeinflussen den Durchflussquerschnitt.

Bei gegebener Strömungsgeschwindigkeit führt ein kleinerer Innendurchmesser zu einer höheren Strömungsgeschwindigkeit und in der Regel zu höheren Reibungsverlusten.

Die grundlegende Geschwindigkeitsbeziehung lautet:

V = Q ÷ A

Wo:

• V = Durchschnittsgeschwindigkeit
• Q = Volumenstrom
• A = Innenrohrfläche

Zur vorläufigen Durchmesserberechnung siehe:

Berechnung des Durchmessers von Bitumenleitungen für Asphaltmischanlagen

Schritt 3: Bestimmung der Bitumenviskosität bei Betriebstemperatur

Dies ist einer der wichtigsten Inputfaktoren.

Die Viskosität von Bitumen kann sich mit der Temperatur drastisch verändern. Eine auf der Viskosität bei 160 °C basierende Druckverlustberechnung lässt sich nicht ohne Weiteres anwenden, wenn dasselbe Material bei einer wesentlich niedrigeren Temperatur transportiert wird.

Viskositätsdaten verwenden für:

• Die tatsächliche Bindemittelqualität
• Die erwartete Transfertemperatur
• Die gegebenenfalls erforderliche Scherbedingung.

Bei SBS- oder gummimodifizierten Bindemitteln kann das rheologische Verhalten von dem herkömmlicher Penetrationsbitumen abweichen. Eine einfache Näherung durch ein Newtonsches Fluid sollte nicht automatisch für jedes modifizierte Bindemittel verwendet werden.

Schritt 4: Bestimmung des Strömungsregimes

Bei herkömmlichen Strömungsberechnungen wird üblicherweise die Reynolds-Zahl verwendet, um zu beurteilen, ob eine Strömung laminar, transitorisch oder turbulent ist:

Re = ρVD ÷ μ

Wo:

• ρ = Fluiddichte
• V = Durchschnittsgeschwindigkeit
• D = Innendurchmesser des Rohres
• μ = dynamische Viskosität

Da heißes Bitumen relativ zähflüssig bleiben kann, kann sich sein Fließverhalten erheblich von dem wasserbasierter Rohrleitungssysteme unterscheiden.

Das gewählte Reibungsmodell muss daher dem Materialverhalten und dem Strömungsregime entsprechen.

Schritt 5: Berechnung der Reibung im geraden Rohr

Für Fluide und Bedingungen, bei denen der Darcy-Weisbach-Ansatz anwendbar ist, kann der Druckverlust in einem geraden Rohr wie folgt dargestellt werden:

ΔP = f × (L ÷ D) × (ρV² ÷ 2)

Wo:

• ΔP = Druckverlust
• F = Darcy-Reibungsfaktor
• L = Rohrlänge
• D = Innendurchmesser des Rohres
• ρ = Fluiddichte
• V = Durchschnittsgeschwindigkeit

Der Reibungsfaktor hängt vom Strömungsregime, dem Zustand des Rohres und in einigen Regimen auch von der relativen Rauheit ab.

Bei hochviskosen oder nicht-Newtonschen modifizierten Bindemitteln sollte der Ingenieur ein Modell verwenden, das der tatsächlichen Rheologie entspricht, anstatt mechanisch eine Wasserleitungsannahme anzuwenden.

Schritt 6: Passungsverluste hinzufügen

Eine reale Transferleitung besteht aus mehr als nur einem geraden Rohr.

Zusätzlicher Widerstand kann entstehen durch:

• 90°- und 45°-Winkelstücke
• Tees
• Reduzierstücke
• Absperrventile
• Rückschlagventile
• Regelventile
• Filter und Siebe
• Durchflussmesser
• Flexible Verbindungen

Diese Verluste können mithilfe eines geeigneten Verlustkoeffizienten oder der Methode der äquivalenten Länge bewertet werden.

Eine Leitung mit vielen Ventilen und Krümmern kann merklich mehr Druck erfordern als eine gerade Leitung gleicher Länge.

Schritt 7: Statischen Höhendruck hinzufügen

Wenn die Pumpe Bitumen auf eine höhere Ebene befördert, muss sie auch den statischen Druck überwinden.

Eine vereinfachte Beziehung ist:

ΔPstatisch = ρgΔH

wobei ΔH der Höhenunterschied ist.

Liegt das Ziel tiefer als die Quelle, kann die Schwerkraft den Durchfluss unterstützen, allerdings müssen alle anderen hydraulischen und betrieblichen Anforderungen noch bewertet werden.

Schritt 8: Filter- und Geräteverluste einbeziehen

Filter können insbesondere in Bitumensystemen eine wichtige Rolle spielen.

Ein sauberer Filter kann einen akzeptablen Widerstand erzeugen, während ein teilweise verstopfter Filter den Pumpenauslassdruck erheblich erhöhen kann.

Das Druckverlustbudget sollte daher Folgendes berücksichtigen:

• Sauberer Zustand
• Erwarteter verschmutzter Zustand, in dem Daten verfügbar sind
• Vom Hersteller angegebene Druckverluste an den Geräten

Schritt 9: Pumpenbetriebspunkt festlegen

Nach Berücksichtigung aller Verluste ergibt sich die ungefähre Pumpenleistung:

Erforderlicher Durchfluss bei erforderlichem Differenzdruck

Die Pumpe sollte nicht allein anhand des maximalen Durchflusses ausgewählt werden.

Der Pumpenhersteller sollte Folgendes überprüfen:

• Durchfluss bei Differenzdruck
• Tatsächliche Bindemittelviskosität
• Betriebsgeschwindigkeit
• Erforderliches Drehmoment
• Motorleistung
• Dichtungsanordnung
• Heizungsanlage
• Saugbedingungen

Beispielhafter Berechnungsrahmen

Betrachten Sie ein Projekt mit:

• Erforderlicher Bitumendurchfluss: 20 m³/h
• Rohrleitungslänge: 60 m
• Bekannter tatsächlicher Innendurchmesser des Rohres
• Acht Ellbogen
• Mehrere Absperrventile
• Ein Filter
• 4 m vertikaler Anstieg

Die korrekte Vorgehensweise besteht nicht darin, den Pumpendruck anhand der 60 m langen Rohrleitung zu schätzen.

Stattdessen:

1. Ermitteln Sie die Bitumendichte und -viskosität bei der Übertragungstemperatur.
2. Die Strömungsgeschwindigkeit wird aus der tatsächlichen inneren Rohrquerschnittsfläche berechnet.
3. Bestimmen Sie das anwendbare Strömungsregime und die Reibungsmethode.
4. Berechnen Sie den Verlust im geraden Rohr.
5. Hinzu kommen die Verluste an Krümmern und Ventilen.
6. Filter- oder Geräteverluste hinzurechnen.
7. Statischen Höhendruck hinzufügen.
8. Fügen Sie einen der Auslegungsgrundlage entsprechenden Konstruktionszuschlag hinzu.
9. Prüfen Sie anhand der Pumpenkennlinie, ob der erforderliche Betriebspunkt bestimmt werden muss.

Warum die Temperatur die Pumpenanforderungen beeinflussen kann

Eine Pipeline, die unter Verwendung der Viskosität von heißem Bitumen ausgelegt ist, kann sich nach einer längeren Stillstandsphase oder während eines Kaltstarts ganz anders verhalten.

Eine niedrigere Materialtemperatur kann Folgendes erhöhen:

• Viskosität
• Reibungsverlust
• Pumpendrehmoment
• Motorstrom
• Filterdifferenzdruck

Aus diesem Grund gehören Rohrleitungsheizung und -isolierung zur hydraulischen Zuverlässigkeit.

Warum eine Vergrößerung des Rohrdurchmessers den Druckverlust verringern kann

Bei gleichem Volumenstrom verringert ein größerer Innendurchmesser die mittlere Strömungsgeschwindigkeit. Dadurch können die Reibungsverluste erheblich reduziert werden.

Allerdings erhöht auch ein übermäßig großes Rohr das Risiko:

• Materialkosten
• Isolierbereich
• Bitumen-Rückhaltevolumen
• Heizfläche
• Abflussmenge nach Abschaltung

Der Rohrleitungsdurchmesser sollte daher optimiert und nicht einfach maximiert werden.

Häufige Anzeichen für übermäßigen Druckverlust

• Pumpenförderdruck höher als erwartet
• Tatsächlicher Durchfluss unterhalb des Nennpumpendurchflusses
• Motorstromanstieg bei Kältebetrieb
• Häufige Filterverstopfung
• Langsamer Tank-zu-Tank-Transfer
• Großer Temperaturunterschied entlang der Leitung
• Pumpen- oder Kupplungsüberlastung

Häufige Rechenfehler

Nutzung der Wassereigenschaften für Bitumen

Annahmen zum Druckverlust auf Wasserbasis sind ohne entsprechende Anpassung für viskose Heißbindemittel nicht geeignet.

Temperatur vernachlässigen

Die Viskosität muss dem tatsächlichen Material und der Betriebstemperatur entsprechen.

Verwendung des Nenn- statt des tatsächlichen Innendurchmessers

Die Wandstärke des Rohres verändert die tatsächliche Durchflussfläche.

Armaturen und Filter außer Acht lassen

Ein System besteht selten nur aus einem geraden Rohr.

Statische Höhe ignorieren

Die vertikale Förderhöhe trägt direkt zum erforderlichen Pumpendruck bei.

Überprüfung des maximalen Pumpenförderstroms, aber nicht des Betriebspunktes

Die Pumpe muss den erforderlichen Volumenstrom bei dem berechneten Differenzdruck liefern.

Für eine technische Berechnung benötigte Informationen

• Erforderliche Durchflussrate
• Bitumenqualität
• Dichte bei Betriebstemperatur
• Viskositäts- oder rheologische Daten bei Betriebstemperatur
• Tatsächlicher Rohrinnendurchmesser
• Rohrmaterial und Zustand
• Gesamte gerade Länge
• Höhenprofil
• Winkel, T-Stücke und Reduzierstücke
• Ventilarten und -mengen
• Filter- oder Siebdaten
• Andere Inline-Geräte
• Pumpendaten

Häufig gestellte Fragen

Lässt sich der Druckverlust allein aus der Rohrlänge berechnen?

Nein. Durchflussrate, Innendurchmesser, Viskosität, Dichte, Armaturen, Höhenlage und Anlagenverluste beeinflussen das Ergebnis.

Warum steigt der Druck in Bitumenleitungen, wenn die Temperatur sinkt?

Niedrigere Temperaturen erhöhen im Allgemeinen die Viskosität von Bitumen und damit den Fließwiderstand.

Löst ein größeres Rohr immer Druckverlustprobleme?

Durch die Vergrößerung des Durchmessers lassen sich Reibungsverluste reduzieren, jedoch muss das Gesamtsystem weiterhin hinsichtlich Erwärmung, Kosten, Strömungsgeschwindigkeit und Abschaltverhalten überprüft werden.

Sollte für modifiziertes Bitumen die gleiche Berechnungsmethode wie für herkömmliches Bitumen verwendet werden?

Nicht automatisch. PMB und Gummibitumen können unterschiedliche Viskositäts- und rheologische Eigenschaften aufweisen.

Schlussfolgerung

Eine zuverlässige Berechnung für Heißbitumenleitungen muss den hydraulischen Widerstand mit den tatsächlichen Materialeigenschaften und der Betriebstemperatur verknüpfen.

Die Reihenfolge der Ingenieursleistungen ist:

Durchfluss → Viskosität → Rohrdurchmesser → Reibung → Armaturen → Statische Förderhöhe → Pumpenleistung

FEITENG kann dabei helfen, Bitumenpumpen, beheizte Rohrleitungen, Lagertanks und Thermoölsysteme zu einem kompletten Transfersystem zu koordinieren.

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