Calcular o diâmetro da tubulação de betume é apenas o primeiro passo no projeto do sistema de transferência. A próxima questão é se a bomba selecionada consegue, de fato, movimentar a vazão necessária através dessa tubulação.
Cada metro de tubulação, cada curva, válvula e filtro, e cada metro de elevação vertical cria resistência. Como o betume é altamente sensível à temperatura e pode ser significativamente mais viscoso do que a água ou derivados leves de petróleo, a perda de pressão pode se tornar uma importante restrição de projeto.
Este guia explica a estrutura de engenharia utilizada para avaliar a perda de pressão em um oleoduto de betume quente e como o resultado é usado para definir a pressão diferencial da bomba.
O que é perda de pressão em dutos?
Quando uma bomba move betume através de um tubo, parte da pressão da bomba é consumida para vencer a resistência.
A pressão diferencial total necessária pode ser considerada como:
Pressão diferencial total da bomba = atrito na tubulação reta + perdas em conexões e equipamentos + diferença de pressão estática
Dependendo do sistema, perdas adicionais podem advir de filtros, permutadores de calor, válvulas de controle, medidores e bicos de equipamentos.
Etapa 1: Defina a vazão necessária
A perda de pressão não pode ser calculada sem antes definir a vazão.
O fluxo de projeto pode ser controlado por:
- Consumo de usina de asfalto
- Tempo de transferência de tanque para tanque
- tempo de descarregamento do caminhão-tanque
- Produção de fusão em tambor ou saco
- demanda de circulação
Para obter informações sobre a metodologia de cálculo do fluxo da bomba, consulte:
Como calcular a vazão da bomba de betume para uma usina de asfalto
Passo 2: Utilize o diâmetro interno real do tubo
O diâmetro nominal da tubulação nem sempre é igual ao diâmetro interno real. A espessura da parede e a classe de diâmetro da tubulação afetam a área de fluxo.
Para uma determinada vazão, um diâmetro interno menor aumenta a velocidade e, normalmente, aumenta a perda por atrito.
A relação básica de velocidade é:
V = Q ÷ A
onde:
- V = velocidade média
- Q = fluxo volumétrico
- A = área interna do tubo
Para o cálculo preliminar do diâmetro, consulte:
Cálculo do diâmetro de tubulações de betume para usinas de asfalto
Etapa 3: Determinar a viscosidade do betume na temperatura de operação
Esta é uma das informações mais importantes.
A viscosidade do betume pode variar drasticamente com a temperatura. Um cálculo de perda de pressão baseado na viscosidade a 160 °C não pode ser aplicado automaticamente quando o mesmo material é transferido a uma temperatura substancialmente mais baixa.
Utilize dados de viscosidade para:
- A qualidade real do aglutinante
- A temperatura de transferência esperada
- A condição de cisalhamento relevante, quando necessário.
Para ligantes modificados com SBS ou borracha, o comportamento reológico pode diferir do betume de penetração convencional. Uma aproximação simples de fluido newtoniano não deve ser usada automaticamente para todos os ligantes modificados.
Etapa 4: Determine o regime de fluxo
Em cálculos convencionais de fluidos, o número de Reynolds é comumente usado para avaliar se o fluxo é laminar, transicional ou turbulento:
Re = ρVD ÷ μ
onde:
- ρ = densidade do fluido
- V = velocidade média
- D = diâmetro interno do tubo
- μ = viscosidade dinâmica
Como o betume quente pode permanecer relativamente viscoso, o comportamento do fluxo pode diferir consideravelmente dos sistemas de tubulação à base de água.
O modelo de fricção selecionado deve, portanto, corresponder ao comportamento do material e ao regime de fluxo.
Etapa 5: Calcular o atrito em tubos retos
Para fluidos e condições em que a abordagem de Darcy-Weisbach é aplicável, a perda de pressão em tubulação reta pode ser representada por:
ΔP = f × (L ÷ D) × (ρV² ÷ 2)
onde:
- ΔP = perda de pressão
- f = Fator de atrito de Darcy
- L = comprimento do tubo
- D = diâmetro interno do tubo
- ρ = densidade do fluido
- V = velocidade média
O fator de atrito depende do regime de fluxo, da condição da tubulação e, em alguns regimes, da rugosidade relativa.
Para ligantes modificados altamente viscosos ou não newtonianos, o engenheiro deve usar um modelo apropriado à reologia real, em vez de aplicar mecanicamente uma suposição de comportamento semelhante ao de uma tubulação de água.
Etapa 6: Adicionar perdas de encaixe
Uma verdadeira linha de transferência contém mais do que apenas tubos retos.
A resistência adicional pode vir de:
- Cotovelos de 90° e 45°
- Camisetas
- Redutores
- Válvulas de isolamento
- Válvulas de retenção
- Válvulas de controle
- Filtros e peneiras
- Medidores de vazão
- Conexões flexíveis
Essas perdas podem ser avaliadas utilizando um coeficiente de perda apropriado ou um método de comprimento equivalente.
Uma tubulação com muitas válvulas e curvas pode exigir uma pressão consideravelmente maior do que uma tubulação reta com o mesmo comprimento físico.
Etapa 7: Adicionar pressão de elevação estática
Se a bomba transportar betume para uma elevação mais alta, ela também terá que vencer a pressão estática.
Uma relação simplificada é:
ΔPstático = ρgΔH
onde ΔH é a diferença de elevação.
Se o destino estiver em um nível inferior ao da fonte, a gravidade pode auxiliar o fluxo, embora todos os outros requisitos hidráulicos e operacionais ainda precisem ser avaliados.
Etapa 8: Incluir filtros e perdas de equipamentos
Os filtros podem se tornar especialmente importantes em sistemas de betume.
Um filtro limpo pode criar uma resistência aceitável, enquanto um filtro parcialmente obstruído pode aumentar significativamente a pressão de descarga da bomba.
O orçamento de perda de pressão deve, portanto, considerar:
- Em bom estado de conservação.
- Condição esperada de sujeira onde os dados estão disponíveis.
- Queda de pressão especificada pelo fabricante do equipamento
Etapa 9: Estabeleça o ponto de operação da bomba
Após a soma de todas as perdas, o resultado define a potência aproximada da bomba:
Vazão necessária na pressão diferencial necessária
Não selecione a bomba apenas com base na vazão máxima.
O fabricante da bomba deve verificar:
- Fluxo sob pressão diferencial
- Viscosidade real do aglutinante
- Velocidade de operação
- Torque necessário
- Potência do motor
- Arranjo de selos
- Sistema de aquecimento
- Condições de sucção
Exemplo de estrutura de cálculo
Considere um projeto com:
- Vazão de betume necessária: 20 m³/h
- Comprimento da tubulação: 60 m
- diâmetro interno real conhecido do tubo
- Oito cotovelos
- Diversas válvulas de isolamento
- Um filtro
- elevação vertical de 4 m
O processo correto não é estimar a pressão da bomba com base no comprimento do tubo de 60 m.
Em vez de:
- Obtenha a densidade e a viscosidade do betume na temperatura de transferência.
- Calcule a velocidade a partir da área interna real do tubo.
- Determine o regime de escoamento e o método de fricção aplicáveis.
- Calcule a perda em tubulação reta.
- Adicione as perdas nos cotovelos e nas válvulas.
- Adicione as perdas por filtro ou equipamento.
- Adicione pressão de elevação estática.
- Adicionar uma margem de segurança para engenharia, adequada à base de projeto.
- Verifique o ponto de operação necessário em relação à curva da bomba.
Por que a temperatura pode alterar os requisitos da bomba?
Um oleoduto projetado com base na viscosidade do betume quente pode apresentar um comportamento muito diferente após um longo período de inatividade ou durante uma partida a frio.
A redução da temperatura do material pode aumentar:
- Viscosidade
- Perda por atrito
- Torque da bomba
- Corrente do motor
- Pressão diferencial do filtro
É por isso que o aquecimento e o isolamento de tubulações fazem parte da confiabilidade hidráulica.
Por que aumentar o diâmetro da tubulação pode reduzir a perda de pressão
Para a mesma vazão volumétrica, um diâmetro interno maior reduz a velocidade média. Isso pode reduzir substancialmente a perda por atrito.
No entanto, tubos excessivamente grandes também aumentam:
- Custo do material
- Área de isolamento
- Volume de retenção de betume
- Superfície de aquecimento
- Volume de drenagem após o desligamento
O diâmetro da tubulação deve, portanto, ser otimizado em vez de simplesmente maximizado.
Sinais comuns de perda excessiva de pressão
- A pressão de descarga da bomba está acima do esperado.
- Vazão real abaixo da vazão nominal da bomba.
- Aumento da corrente do motor durante o funcionamento a frio.
- Entupimento frequente do filtro
- Transferência lenta de tanque para tanque
- Grande diferença de temperatura ao longo da linha
- Sobrecarga da bomba ou do acoplamento
Erros comuns de cálculo
Utilizando as propriedades da água para o betume
As hipóteses de perda de pressão baseadas em água não são adequadas para ligantes viscosos a quente sem os devidos ajustes.
Ignorando a temperatura
A viscosidade deve corresponder ao material real e à temperatura de operação.
Utilizando o diâmetro interno nominal em vez do diâmetro interno real.
A espessura da parede do tubo altera a área de fluxo real.
Ignorando conexões e filtros
Um sistema raramente é apenas um tubo reto.
Ignorando a elevação estática
A elevação vertical contribui diretamente para a pressão necessária da bomba.
Verificando a vazão máxima da bomba, mas não o ponto de operação.
A bomba deve fornecer a vazão necessária na pressão diferencial calculada.
Informações necessárias para um cálculo de engenharia
- Vazão necessária
- Grau de betume
- Densidade à temperatura de operação
- Dados de viscosidade ou reológicos à temperatura de operação
- diâmetro interno real do tubo
- Material e condição da tubulação
- Comprimento total em linha reta
- Perfil de elevação
- Cotovelos, tês e redutores
- Tipos e quantidades de válvulas
- Dados do filtro ou coador
- Outros equipamentos em linha
- Dados da bomba
Perguntas mais frequentes
É possível calcular a perda de pressão apenas com base no comprimento da tubulação?
Não. A vazão, o diâmetro interno, a viscosidade, a densidade, as conexões, a elevação e as perdas do equipamento, tudo isso afeta o resultado.
Por que a pressão em dutos de betume aumenta quando a temperatura cai?
Temperaturas mais baixas geralmente aumentam a viscosidade do betume, aumentando a resistência ao fluxo.
Um tubo de maior diâmetro sempre resolve problemas de perda de pressão?
Aumentar o diâmetro pode reduzir a perda por atrito, mas todo o sistema ainda precisa ser verificado em relação ao aquecimento, custo, velocidade do fluxo e comportamento de desligamento.
O betume modificado deve usar o mesmo cálculo que o betume convencional?
Não automaticamente. O PMB e o betume de borracha podem apresentar viscosidade e comportamento reológico diferentes.
Conclusão
Um cálculo confiável de dutos de betume quente deve relacionar a resistência hidráulica com as propriedades reais do material e a temperatura de operação.
A sequência de engenharia é:
Vazão → Viscosidade → Diâmetro da Tubulação → Atrito → Conexões → Altura Manométrica → Potência da Bomba
A FEITENG pode ajudar a coordenar bombas de betume, tubulações aquecidas, tanques de armazenamento e sistemas de óleo térmico como um sistema de transferência completo.
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