Seleccionar el diámetro correcto de la tubería de betún es una parte importante del diseño de un sistema de suministro fiable para una planta de mezcla de asfalto.
Un oleoducto demasiado pequeño puede generar una velocidad de flujo excesiva, una alta pérdida de presión, una mayor carga de bombeo y un suministro inestable de betún. Un oleoducto innecesariamente grande aumenta el costo del material, la superficie de pérdida de calor, la demanda de aceite térmico, el costo del aislamiento y la cantidad de betún que queda dentro de la línea después de la parada.
Por lo tanto, el tamaño correcto de la tubería debe seleccionarse de acuerdo con el caudal de betún requerido, la viscosidad del material, la temperatura de funcionamiento, la longitud de la tubería, las características de la bomba y la velocidad de flujo aceptable.
Esta guía explica cómo calcular el diámetro preliminar de una tubería de betún para una planta de mezcla de asfalto y qué factores adicionales deben verificarse antes de seleccionar el tamaño final de la tubería.
¿Por qué es importante el diámetro de los oleoductos de betún?
Un sistema de transferencia de betún caliente debe realizar dos funciones al mismo tiempo:
- Entregue la cantidad requerida de betún a la planta de asfalto.
- Mantenga el material caliente y bombeable durante todo el proceso de transferencia.
Si el diámetro de la tubería es demasiado pequeño, el mismo caudal deberá pasar a través de una sección transversal menor.
Esto aumenta la velocidad del fluido y, normalmente, incrementa la resistencia hidráulica.
El resultado puede incluir:
- Mayor presión diferencial de la bomba
- Mayor carga del motor
- Caudal real de la bomba reducido
- Mayor presión en válvulas y filtros.
- Control del sistema más difícil
- Mayor riesgo de problemas operativos cuando disminuye la temperatura del betún.
Sin embargo, elegir una tubería muy grande no es automáticamente mejor.
Una tubería de mayor diámetro contiene más betún y tiene una mayor superficie externa. Esto puede aumentar el tiempo de calentamiento, las pérdidas térmicas, los requisitos de aislamiento y la cantidad de material que debe mantenerse caliente durante los periodos de inactividad.
El objetivo es, por lo tanto, seleccionar un diámetro práctico que equilibre el rendimiento hidráulico, el rendimiento térmico y el coste del equipo.
Paso 1: Determinar el caudal de betún requerido.
El dimensionamiento de las tuberías comienza con el caudal.
El flujo de betún requerido puede provenir de dos condiciones de operación diferentes:
- Consumo continuo de la planta de asfalto
- Transferencia por lotes entre tanques o equipos
Para la producción continua de asfalto, la demanda preliminar de betún se puede calcular de la siguiente manera:
Flujo másico de betún = Producción de la planta de asfalto × Contenido de betún
Por ejemplo, supongamos que:
- Producción de la planta de asfalto: 160 t/h
- Contenido de betún: 5%
El requerimiento de betún por hora es:
160 × 0,05 = 8 t/h
Para convertir esto en flujo volumétrico:
Flujo volumétrico de betún = Flujo másico de betún ÷ Densidad del betún
Utilizando una densidad ilustrativa de 0,98 t/m³:
8 ÷ 0,98 ≈ 8,16 m³/h
Por lo tanto, el flujo continuo teórico de betún es de aproximadamente 8,16 m³/h.
La densidad real debe obtenerse del proveedor de betún o de los datos del material del proyecto, ya que la densidad varía con el grado y la temperatura.
Paso 2: Convertir el caudal a metros cúbicos por segundo.
Los cálculos de velocidad de las tuberías normalmente utilizan metros cúbicos por segundo.
Si el caudal requerido es de 8,16 m³/h:
8,16 ÷ 3600 ≈ 0,00227 m³/s
Este valor se convierte en el caudal utilizado en el cálculo del diámetro de la tubería.
Paso 3: Seleccionar una velocidad de diseño preliminar
El diámetro de la tubería depende tanto del caudal como de la velocidad objetivo.
La relación básica es:
Q = A × V
Dónde:
- Q = caudal volumétrico
- A = área de la sección transversal interna de la tubería
- V = velocidad del betún
La velocidad adecuada no debe considerarse como un valor universal aplicable a todos los sistemas de betún.
Depende de:
- Viscosidad del betún
- Temperatura de funcionamiento
- Longitud de la tubería
- Tipo de bomba
- Presión diferencial disponible
- Método de calentamiento de tuberías
- Ya sea que la línea sea para transferencia o circulación.
En la fase de ingeniería preliminar, los diseñadores suelen evaluar varias velocidades posibles y luego comparan la pérdida de presión resultante.
Paso 4: Calcular el diámetro interno preliminar de la tubería.
El área de la sección transversal de un tubo redondo es:
A = πD² ÷ 4
Combinando esto con la ecuación de flujo se obtiene:
D = √(4Q ÷ πV)
Dónde:
- D = diámetro interno de la tubería en metros
- Q = caudal volumétrico en m³/s
- V = velocidad de flujo seleccionada en m/s
Utilizando el ejemplo anterior:
Q = 0,00227 m³/s
Si se utiliza una velocidad de diseño ilustrativa de 1,0 m/s:
D = √(4 × 0,00227 ÷ 3,1416 × 1,0)
D ≈ 0,0538 m
Esto equivale aproximadamente a:
54 mm de diámetro interior
A continuación, el ingeniero compararía este valor calculado con los tamaños de tubería estándar disponibles.
Este cálculo es solo una estimación preliminar del diámetro. Aún se debe verificar la tubería final para comprobar la pérdida de presión, la viscosidad, el diámetro interno real, las conexiones y las condiciones de temperatura.
Ejemplos de diámetros de tuberías a diferentes caudales
La siguiente tabla utiliza una velocidad de diseño ilustrativa de 1,0 m/s únicamente para demostrar el método de cálculo.
| Caudal de betún | Caudal en m³/s | Diámetro interno calculado |
|---|---|---|
| 5 m³/h | 0.00139 | Aprox. 42 mm |
| 10 m³/h | 0.00278 | Aprox. 60 mm |
| 15 m³/h | 0.00417 | Aprox. 73 mm |
| 20 m³/h | 0.00556 | Aprox. 84 mm |
| 30 m³/h | 0.00833 | Aprox. 103 mm |
Estos valores no son tamaños de tubería finales recomendados.
Solo muestran cómo el flujo y la velocidad afectan al diámetro interno calculado.
¿Por qué es necesario comprobar la pérdida de presión?
Una vez calculado el diámetro preliminar, el siguiente paso es determinar si la bomba puede superar la resistencia de todo el sistema de tuberías.
La resistencia hidráulica total puede incluir:
- Fricción en tuberías rectas
- codos
- Camisetas
- Válvulas
- Filtros
- válvulas de retención
- Caudalímetros
- Intercambiadores de calor
- Elevación estática
- Resistencia de entrada del equipo
Una tubería corta con pocos accesorios se comporta de manera muy diferente a una línea de transferencia de 100 metros que contiene muchos codos, válvulas y filtros.
Por eso, el diámetro de la tubería no debe seleccionarse únicamente en función del caudal.
La viscosidad del betún puede cambiar significativamente el resultado.
El betún no es un líquido de baja viscosidad como el agua.
Su viscosidad depende en gran medida de la temperatura.
Cuando la temperatura del betún disminuye, la viscosidad puede aumentar bruscamente.
Esto provoca:
- Mayor fricción en las tuberías
- Mayor par de la bomba
- Mayor presión diferencial
- Flujo real más bajo
- Inicio más difícil
Un oleoducto que funciona bien con betún caliente puede volverse difícil de operar si el material se enfría por debajo de la temperatura de transferencia prevista.
Para la ingeniería final, en el cálculo hidráulico se debe utilizar la viscosidad real a la temperatura de funcionamiento prevista.
La longitud de la tubería tiene un impacto directo en la pérdida de presión.
La pérdida de presión aumenta con la longitud de la tubería.
Esto significa que un diámetro de tubería adecuado para una conexión de 10 metros puede no ser adecuado para una línea de transferencia de 100 metros.
Los sistemas de transferencia de betún a larga distancia pueden requerir:
- Diámetro de tubería mayor
- Mayor presión diferencial de la bomba
- Aislamiento mejorado
- Revestimiento térmico de aceite
- Calefacción eléctrica por resistencia
- Consideraciones sobre el calentamiento intermedio
Por lo tanto, se debe incluir todo el trazado de la tubería en el cálculo del sistema.
¿Por qué es necesario calentar los oleoductos de betún?
En un sistema de betún caliente, el diseño hidráulico y el diseño térmico no pueden separarse.
Incluso una tubería del tamaño adecuado puede volverse inservible si el betún que contiene se enfría en exceso.
Los métodos de calentamiento más comunes incluyen:
Tubería con camisa de aceite térmico
Una camisa secundaria alrededor de la tubería de producto permite que el aceite térmico caliente circule por la línea de betún.
Este método se utiliza habitualmente cuando ya está instalado un sistema central de calefacción por gasóleo.
Calefacción eléctrica por resistencia
Se puede instalar un cable calefactor eléctrico a lo largo de la tubería y luego cubrirlo con aislamiento térmico.
Esto puede resultar útil para sistemas o instalaciones más pequeños donde no se dispone de aceite térmico.
Circulación precalentada
Algunos sistemas hacen circular betún caliente antes de que comience la producción para calentar el circuito de transferencia y estabilizar la temperatura de funcionamiento.
El método correcto depende del tamaño del proyecto, la longitud de las tuberías, los servicios públicos disponibles y el cronograma de operación.
El aislamiento es tan importante como la calefacción.
Calentar una tubería sin el aislamiento adecuado supone un derroche de energía.
El aislamiento ayuda a reducir:
- pérdida de calor
- Consumo de combustible
- Consumo de electricidad
- Caída de la temperatura del betún
- Tiempo de calentamiento
El espesor del aislamiento debe seleccionarse de acuerdo con:
- Temperatura de funcionamiento del betún
- Temperatura ambiente
- Condiciones del viento
- Diámetro de la tubería
- Material aislante
- Pérdida de calor admisible
Las líneas de transferencia y las líneas de circulación pueden requerir diámetros diferentes.
Un sistema de almacenamiento de betún puede incluir varios tipos diferentes de tuberías.
Línea de transferencia principal
Esta línea transporta betún entre tanques, equipos de fusión o la planta de asfalto.
Su diámetro se basa normalmente en el caudal y el tiempo de transferencia necesarios.
Línea de circulación
Esta tubería devuelve el betún al tanque o sistema para mantener el flujo y la temperatura.
El caudal de circulación requerido puede diferir del caudal de transferencia normal.
Línea de carga y descarga
Es posible que esta línea necesite transferir una gran cantidad de betún en un corto período de descarga del camión cisterna.
Por lo tanto, el caudal requerido puede ser mucho mayor que el consumo continuo de ligante de la planta de asfalto.
Cada arancel debe calcularse por separado.
La transferencia por lotes puede controlar el tamaño de la tubería.
Consideremos un proyecto que requiere transferir 25 toneladas de betún caliente en 30 minutos.
Utilizando una densidad ilustrativa de 0,98 t/m³:
25 ÷ 0,98 ≈ 25,51 m³
Treinta minutos equivalen a 0,5 horas.
Flujo de transferencia requerido:
25,51 ÷ 0,5 ≈ 51,0 m³/h
Este caudal es mucho mayor que el que requieren muchas plantas de asfalto durante la producción continua normal.
Si se utiliza la misma tubería tanto para la transferencia de tanques como para el suministro a la planta de asfalto, la mayor carga de transferencia por lotes puede determinar el diámetro final.
El betún modificado requiere atención adicional
El betún modificado con SBS y el betún modificado con caucho pueden tener una viscosidad mayor que el betún convencional de grado de penetración.
Esto puede aumentar significativamente la pérdida de presión.
Para los ligantes modificados, el ingeniero debe evaluar:
- viscosidad real
- Temperatura de funcionamiento
- Concentración de polímero
- Contenido de caucho granulado
- Tamaño de partícula
- Características de la bomba
- Calefacción de tuberías
- Circulación obligatoria
No se debe asumir automáticamente que un oleoducto diseñado para betún convencional es adecuado para cualquier ligante modificado.
Evite demasiados codos y restricciones.
Cada accesorio añade resistencia hidráulica.
Siempre que sea posible, los oleoductos de betún deben diseñarse teniendo en cuenta lo siguiente:
- Rutas de transbordo cortas
- Menos codos
- Cambios de dirección suaves
- Válvulas accesibles
- Filtros accesibles
- Puntos de drenaje adecuados
Un diseño de tuberías más sencillo normalmente reduce la pérdida de presión y facilita el mantenimiento.
El diseño del drenaje y del cierre es importante.
Un problema operativo común es la presencia de betún dentro del oleoducto después de su parada.
Si la línea se enfría, puede resultar extremadamente difícil volver a poner en marcha el material restante.
Por lo tanto, un buen sistema de tuberías puede incluir:
- Puntos de drenaje
- Líneas de retorno
- Capacidad de bombeo inverso
- Conexiones de aire o de purga donde corresponda
- Calentamiento continuo
- Pendiente estratégica del oleoducto
El procedimiento de parada debe considerarse durante la fase de diseño, y no después de la instalación.
El diámetro de la tubería y la selección de la bomba deben calcularse conjuntamente.
Una tubería no puede diseñarse independientemente de la bomba.
El punto de funcionamiento de la bomba depende de la resistencia de todo el sistema.
La secuencia de ingeniería correcta es:
Caudal requerido → Diámetro preliminar de la tubería → Pérdida de presión → Carga de la bomba → Verificación de la curva de la bomba
Si la pérdida de presión calculada es demasiado alta, el diseñador puede:
- Aumentar el diámetro de la tubería
- Reduzca los accesorios innecesarios
- Mejorar la calefacción
- Acortar la ruta
- Seleccione una bomba diferente
Estas decisiones deben tomarse de forma conjunta, no de forma independiente.
El diámetro de la tubería también debe coincidir con el del sistema de almacenamiento.
El oleoducto es solo una parte del proceso completo de manipulación del betún.
El tanque de almacenamiento debe proporcionar suficiente betún caliente, el calentador debe mantener la temperatura requerida y la bomba debe proporcionar la presión y el caudal suficientes.
Por lo tanto, el sistema completo debe considerarse como:
Almacenamiento → Calefacción → Bombeo → Tubería → Planta de asfalto
Para conocer el tamaño del almacenamiento, lea:
Para cálculos de calefacción con aceite térmico, lea:
Errores comunes en el dimensionamiento de oleoductos de betún
Selección del tamaño de la tubería únicamente a partir del diámetro de la conexión de la bomba.
El tamaño de la brida de entrada o salida de la bomba no determina automáticamente el diámetro correcto de la tubería.
Ignorar la viscosidad del betún
El rendimiento hidráulico puede variar significativamente cuando cambia la temperatura de funcionamiento.
Utilizando únicamente el consumo promedio de la planta de asfalto
La transferencia por lotes o la descarga de camiones cisterna pueden requerir un caudal mucho mayor.
Ignorar la longitud de la tubería
Las tuberías largas pueden requerir diámetros mayores para controlar la pérdida de presión.
Instalar demasiados codos
Cada codo aumenta la resistencia del sistema.
Ignorar la pérdida de calor
Un oleoducto hidráulicamente correcto aún puede fallar si el betún se enfría excesivamente.
Sobredimensionamiento sin considerar el costo térmico
Una tubería de mayor diámetro aumenta el volumen de betún retenido y la superficie de pérdida de calor.
Ignorar las condiciones de apagado
Una tubería debe diseñarse de manera que pueda recalentarse, circularse, drenarse o vaciarse después de su funcionamiento.
Información necesaria para el diseño de tuberías
Al solicitar un diseño de oleoducto o presupuesto de equipos para bitumen caliente, proporcione lo siguiente:
- Caudal de betún requerido
- Tipo y grado de betún
- Temperatura de funcionamiento
- Viscosidad del betún, si está disponible.
- Longitud total del oleoducto
- diferencia de elevación vertical
- Número de codos
- Número y tipo de válvulas
- Configuración del filtro
- Tiempo de transferencia requerido
- Modelo de bomba o capacidad de bombeo
- Método de calentamiento
- Temperatura ambiente
- Requisitos de aislamiento
- Necesidad de circulación
- Necesidad de bombeo o drenaje inverso
Esta información permite evaluar conjuntamente la bomba, la tubería, el sistema de calefacción y el sistema de almacenamiento.
Preguntas frecuentes
¿Qué tamaño de tubería de betún necesita una planta de asfalto de 160 t/h?
No existe un diámetro de tubería fijo para una planta de asfalto de 160 t/h.
Con un contenido de ligante de 5%, la planta consume aproximadamente 8 t/h de betún. Sin embargo, el diámetro final de la tubería también depende de la velocidad de diseño, la densidad y viscosidad del betún, la longitud de la tubería, los accesorios, la presión de la bomba y los requisitos de transferencia por lotes.
¿Puedo usar el tamaño de la salida de la bomba como diámetro de la tubería?
No automáticamente.
El tamaño de la conexión de la bomba y el diámetro de la tubería del sistema requerido están relacionados, pero no necesariamente coinciden. Los cálculos hidráulicos deben determinar el tamaño final de la tubería.
¿Una tubería de betún de mayor diámetro siempre reduce la pérdida de presión?
En general, aumentar el diámetro de la tubería puede reducir la velocidad y la pérdida por fricción para el mismo caudal.
Sin embargo, las tuberías de mayor diámetro también aumentan el coste de instalación, el volumen de betún retenido, las necesidades de calefacción y la superficie de pérdida de calor.
¿Deberían calentarse los oleoductos de betún?
En la mayoría de los sistemas de betún caliente, es necesario utilizar calefacción o trazado térmico para mantener la viscosidad bombeable y evitar la solidificación durante el funcionamiento o el tiempo de espera.
¿Puede la misma tubería transportar betún modificado con SBS?
Posiblemente, pero se debe verificar la tubería utilizando la viscosidad real del betún modificado y la temperatura de operación. El PMB puede generar una resistencia hidráulica significativamente mayor que el betún convencional.
¿Por qué mi bomba de betún suministra un caudal inferior a su capacidad nominal?
Entre las causas comunes se incluyen la alta viscosidad del betún, la excesiva resistencia de la tubería, el diámetro insuficiente de la tubería, la gran distancia de transferencia, los filtros obstruidos, el exceso de accesorios, las malas condiciones de succión o la temperatura insuficiente del material.
Conclusión
El diámetro de la tubería de betún debe calcularse a partir de las condiciones reales del proyecto, en lugar de seleccionarse únicamente en función de la experiencia o del tamaño de la brida de la bomba.
El proceso de ingeniería preliminar es:
Caudal requerido → Velocidad de diseño → Diámetro preliminar → Pérdida de presión → Verificación de la bomba
El diseño final también debe tener en cuenta:
- Viscosidad del betún
- Temperatura de funcionamiento
- Longitud de la tubería
- Elevación estática
- Válvulas y filtros
- Método de calentamiento
- Aislamiento
- Requisitos de transferencia de lotes
- Requisitos de circulación
- Procedimiento de parada y drenaje
Un oleoducto diseñado correctamente reduce la carga de bombeo, mejora la fiabilidad de la transferencia de betún caliente y ayuda a la planta de mezcla de asfalto a mantener una producción estable.
FEITENG suministra sistemas completos para el manejo de betún, que incluyen tanques de almacenamiento de betún, equipos de fusión, calentadores de aceite térmico, bombas, válvulas, tuberías calefactadas y sistemas de suministro de betún para plantas de asfalto.
Para obtener una recomendación específica para su proyecto, envíenos el caudal de betún requerido, la longitud de la tubería, la temperatura de funcionamiento, el tipo de betún, la capacidad de la planta de asfalto y la ubicación del proyecto.
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Sitio web: www.bitumenmachine.com
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