Calcular el diámetro de la tubería de betún es solo el primer paso en el diseño del sistema de transferencia. La siguiente pregunta es si la bomba seleccionada puede realmente mover el caudal requerido a través de esa tubería.
Cada metro de tubería, cada codo, válvula y filtro, y cada metro de elevación vertical genera resistencia. Dado que el betún es altamente sensible a la temperatura y puede ser significativamente más viscoso que el agua o los derivados del petróleo ligero, la pérdida de presión puede convertirse en una limitación importante del diseño.
Esta guía explica el marco de ingeniería utilizado para evaluar la pérdida de presión en un oleoducto de betún caliente y cómo se utiliza el resultado para definir la presión diferencial de la bomba.
¿Qué es la pérdida de presión en una tubería?
Cuando una bomba impulsa betún a través de una tubería, parte de la presión de la bomba se consume al superar la resistencia.
La presión diferencial total requerida puede considerarse como:
Presión diferencial total de la bomba = fricción en tubería recta + pérdidas en accesorios y equipos + diferencia de presión estática
Dependiendo del sistema, pueden producirse pérdidas adicionales a través de filtros, intercambiadores de calor, válvulas de control, medidores y boquillas de los equipos.
Paso 1: Definir el caudal requerido
La pérdida de presión no se puede calcular sin definir primero el caudal.
El flujo de diseño puede controlarse mediante:
- Consumo de la planta de asfalto
- Tiempo de transferencia de tanque a tanque
- Tiempo de descarga del buque cisterna
- Salida de fusión de tambor o bolsa
- Demanda de circulación
Para la metodología de cálculo del caudal de la bomba, consulte:
Cómo calcular el caudal de la bomba de betún para una planta de mezcla de asfalto.
Paso 2: Utilice el diámetro interno real de la tubería.
El diámetro nominal de la tubería no siempre coincide con el diámetro interno real. El espesor de la pared y el tipo de tubería afectan el área de flujo.
Para un flujo determinado, un diámetro interno menor aumenta la velocidad y, normalmente, aumenta la pérdida por fricción.
La relación básica de velocidad es:
V = Q ÷ A
dónde:
- V = velocidad media
- Q = flujo volumétrico
- A = área interna de la tubería
Para el cálculo preliminar del diámetro, consulte:
Cálculo del diámetro de la tubería de betún para plantas de asfalto
Paso 3: Determinar la viscosidad del betún a la temperatura de funcionamiento.
Este es uno de los insumos más importantes.
La viscosidad del betún puede variar drásticamente con la temperatura. Un cálculo de pérdida de presión basado en la viscosidad a 160 °C no se puede aplicar automáticamente cuando el mismo material se transfiere a una temperatura considerablemente inferior.
Utilice los datos de viscosidad para:
- El grado real del aglutinante
- La temperatura de transferencia esperada
- La condición de corte pertinente cuando sea necesario
En el caso de los ligantes modificados con SBS o caucho, el comportamiento reológico puede diferir del del betún de penetración convencional. No se debe aplicar automáticamente una aproximación newtoniana-fluida simple a todos los ligantes modificados.
Paso 4: Determinar el régimen de flujo
Para los cálculos de fluidos convencionales, el número de Reynolds se utiliza comúnmente para evaluar si el flujo es laminar, transicional o turbulento:
Re = ρVD ÷ μ
dónde:
- ρ = densidad del fluido
- V = velocidad media
- D = diámetro interno de la tubería
- μ = viscosidad dinámica
Debido a que el betún caliente puede permanecer relativamente viscoso, el comportamiento del flujo puede diferir considerablemente del de los sistemas de tuberías a base de agua.
Por lo tanto, el modelo de fricción seleccionado debe coincidir con el comportamiento del material y el régimen de flujo.
Paso 5: Calcular la fricción en tuberías rectas
Para fluidos y condiciones en las que se puede aplicar el método de Darcy-Weisbach, la pérdida de presión en tuberías rectas se puede representar mediante:
ΔP = f × (L ÷ D) × (ρV² ÷ 2)
dónde:
- ΔP = pérdida de presión
- F = Factor de fricción de Darcy
- L = longitud de la tubería
- D = diámetro interno de la tubería
- ρ = densidad del fluido
- V = velocidad media
El factor de fricción depende del régimen de flujo, del estado de la tubería y, en algunos regímenes, de la rugosidad relativa.
Para ligantes modificados de alta viscosidad o no newtonianos, el ingeniero debe utilizar un modelo apropiado a la reología real en lugar de aplicar mecánicamente una suposición similar a la de una tubería de agua.
Paso 6: Agregar pérdidas de ajuste
Una verdadera línea de transferencia contiene más que un simple tubo recto.
La resistencia adicional puede provenir de:
- codos de 90° y 45°
- Camisetas
- Reductores
- Válvulas de aislamiento
- válvulas de retención
- válvulas de control
- Filtros y coladores
- Caudalímetros
- Conexiones flexibles
Estas pérdidas pueden evaluarse utilizando un coeficiente de pérdida apropiado o un método de longitud equivalente.
Una tubería que contiene muchas válvulas y codos puede requerir una presión notablemente mayor que una tubería recta de la misma longitud física.
Paso 7: Agregar presión de elevación estática
Si la bomba traslada el betún a una mayor altura, también debe superar la presión estática.
Una relación simplificada es:
ΔPestático = ρgΔH
donde ΔH es la diferencia de elevación.
Si el destino se encuentra a un nivel inferior al del origen, la gravedad puede facilitar el flujo, aunque aún es necesario evaluar todos los demás requisitos hidráulicos y operativos.
Paso 8: Incluir filtros y pérdidas de equipo.
Los filtros pueden adquirir una importancia especial en los sistemas de betún.
Un filtro limpio puede generar una resistencia aceptable, mientras que un filtro parcialmente obstruido puede aumentar significativamente la presión de descarga de la bomba.
Por lo tanto, el presupuesto de pérdidas de presión debe tener en cuenta lo siguiente:
- Estado limpio
- Condición sucia esperada donde hay datos disponibles
- Caídas de presión del equipo especificadas por el fabricante
Paso 9: Establecer el punto de funcionamiento de la bomba.
Una vez sumadas todas las pérdidas, el resultado define la carga aproximada de la bomba:
Caudal requerido a la presión diferencial requerida
No seleccione la bomba basándose únicamente en el caudal máximo.
El fabricante de la bomba debe verificar:
- Flujo a presión diferencial
- viscosidad real del aglutinante
- Velocidad de funcionamiento
- Par requerido
- Potencia del motor
- Disposición del sello
- Sistema de calefacción
- Condiciones de succión
Marco de cálculo de ejemplo
Considere un proyecto con:
- Caudal de betún requerido: 20 m³/h
- Longitud de la tubería: 60 m
- Diámetro interno real conocido de la tubería
- Ocho codos
- Varias válvulas de aislamiento
- Un filtro
- Elevación vertical de 4 m
El procedimiento correcto no consiste en adivinar la presión de la bomba a partir de la longitud de la tubería de 60 m.
En cambio:
- Obtenga la densidad y la viscosidad del betún a la temperatura de transferencia.
- Calcula la velocidad a partir del área interna real de la tubería.
- Determinar el régimen de flujo y el método de fricción aplicables.
- Calcular la pérdida en tubería recta.
- Sume las pérdidas por codos y válvulas.
- Añada las pérdidas por filtrado o por equipo.
- Añadir presión estática de elevación.
- Añada un margen de ingeniería adecuado a la base de diseño.
- Compruebe el punto de funcionamiento requerido comparándolo con la curva de la bomba.
¿Por qué la temperatura puede cambiar los requisitos de la bomba?
Un oleoducto diseñado utilizando la viscosidad del betún caliente puede comportarse de manera muy diferente después de una parada prolongada o durante una puesta en marcha en frío.
Una temperatura más baja del material puede aumentar:
- Viscosidad
- Pérdida por fricción
- par de la bomba
- Corriente del motor
- Presión diferencial del filtro
Por eso, la calefacción y el aislamiento de las tuberías forman parte de la fiabilidad hidráulica.
¿Por qué aumentar el diámetro de las tuberías puede reducir la pérdida de presión?
Para el mismo caudal volumétrico, un diámetro interno mayor reduce la velocidad media. Esto puede reducir sustancialmente la pérdida por fricción.
Sin embargo, una tubería excesivamente grande también aumenta:
- Costo del material
- Área de aislamiento
- Volumen de retención de betún
- Superficie calefactora
- Volumen de drenaje después del cierre
Por lo tanto, el diámetro de la tubería debe optimizarse en lugar de simplemente maximizarse.
Signos comunes de pérdida excesiva de presión
- La presión de descarga de la bomba es mayor de lo esperado.
- Caudal real inferior al caudal nominal de la bomba.
- La corriente del motor aumenta durante el funcionamiento a bajas temperaturas.
- Obstrucción frecuente del filtro
- Transferencia lenta de tanque a tanque
- Gran diferencia de temperatura a lo largo de la línea
- Sobrecarga de la bomba o del acoplamiento
Errores comunes de cálculo
Uso de las propiedades del agua para el betún
Las suposiciones sobre la pérdida de presión basadas en el agua no son adecuadas para aglutinantes calientes viscosos sin el ajuste apropiado.
Ignorando la temperatura
La viscosidad debe corresponder al material real y a la temperatura de funcionamiento.
Utilizar el diámetro interno nominal en lugar del real.
El espesor de la pared de la tubería modifica el área de flujo real.
Ignorar accesorios y filtros
Un sistema rara vez consiste simplemente en una tubería recta.
Ignorar la elevación estática
La elevación vertical contribuye directamente a la presión requerida por la bomba.
Comprobación del caudal máximo de la bomba, pero no del punto de funcionamiento.
La bomba debe suministrar el caudal requerido a la presión diferencial calculada.
Información necesaria para un cálculo de ingeniería
- Caudal requerido
- Grado de betún
- Densidad a temperatura de funcionamiento
- Datos de viscosidad o reológicos a temperatura de funcionamiento
- Diámetro interno real de la tubería
- Material y estado de la tubería
- Longitud recta total
- Perfil de elevación
- Codos, tes y reductores
- Tipos y cantidades de válvulas
- Datos del filtro o colador
- Otros equipos en línea
- Datos de la bomba
Preguntas frecuentes
¿Es posible calcular la pérdida de presión basándose únicamente en la longitud de la tubería?
No. El caudal, el diámetro interno, la viscosidad, la densidad, los accesorios, la elevación y las pérdidas del equipo influyen en el resultado.
¿Por qué aumenta la presión en los oleoductos de betún cuando baja la temperatura?
En general, las temperaturas más bajas aumentan la viscosidad del betún, incrementando la resistencia al flujo.
¿Una tubería de mayor diámetro siempre soluciona los problemas de pérdida de presión?
Aumentar el diámetro puede reducir la pérdida por fricción, pero aún así es necesario comprobar el sistema completo en cuanto a calentamiento, coste, velocidad de flujo y comportamiento durante el apagado.
¿Debería utilizarse el mismo cálculo para el betún modificado que para el betún convencional?
No automáticamente. El PMB y el betún de caucho pueden presentar diferente viscosidad y comportamiento reológico.
Conclusión
Un cálculo fiable para oleoductos de betún caliente debe relacionar la resistencia hidráulica con las propiedades reales del material y la temperatura de funcionamiento.
La secuencia de ingeniería es:
Caudal → Viscosidad → Diámetro de la tubería → Fricción → Accesorios → Altura estática → Potencia de la bomba
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