Как рассчитать потери давления в трубопроводе с горячим битумом

Расчет диаметра битумного трубопровода — это лишь первый шаг в проектировании системы перекачки. Следующий вопрос заключается в том, сможет ли выбранный насос фактически переместить необходимый поток по этому трубопроводу.

Каждый метр трубы, каждый отвод, клапан и фильтр, а также каждый метр вертикального перепада высот создают сопротивление. Поскольку битум очень чувствителен к температуре и может быть значительно более вязким, чем вода или легкие нефтепродукты, потери давления могут стать серьезным ограничивающим фактором при проектировании.

В данном руководстве объясняется инженерная модель, используемая для оценки потерь давления в трубопроводе с горячим битумом, и то, как полученные результаты используются для определения перепада давления в насосе.

Что такое потеря давления в трубопроводе?

Когда насос перекачивает битум по трубе, часть давления насоса расходуется на преодоление сопротивления.

Необходимый общий перепад давления можно представить следующим образом:

Суммарный перепад давления насоса = трение в прямом трубопроводе + потери в фитингах и оборудовании + разница статического давления

В зависимости от системы, дополнительные потери могут возникать в фильтрах, теплообменниках, регулирующих клапанах, счетчиках и форсунках оборудования.

Шаг 1: Определите требуемый расход воды.

Потери давления невозможно рассчитать без предварительного определения расхода.

Процесс проектирования может контролироваться следующими факторами:

• Потребление асфальтобетонных заводов
• Время перекачки из одного резервуара в другой
• Время разгрузки танкера
• Выход расплава в барабане или мешке
• Потребность в обороте

Методика расчета расхода насоса описана в следующем разделе:

Как рассчитать расход битумного насоса для асфальтосмесительного завода

Шаг 2: Используйте фактический внутренний диаметр трубы.

Номинальный диаметр трубы не всегда равен фактическому внутреннему диаметру. Толщина стенки и тип трубы влияют на площадь поперечного сечения потока.

При заданном потоке меньший внутренний диаметр увеличивает скорость и, как правило, увеличивает потери на трение.

Основное соотношение скоростей следующее:

V = Q ÷ A

где:

• В = средняя скорость
• В = объемный расход
• A = внутренняя площадь трубы

Для предварительного расчета диаметра см.:

Расчет диаметра битумного трубопровода для асфальтобетонных заводов

Шаг 3: Определение вязкости битума при рабочей температуре

Это один из важнейших входных параметров.

Вязкость битума может резко меняться с температурой. Расчет потерь давления, основанный на вязкости при 160 °C, не может быть автоматически применен, если тот же материал переносится при значительно более низкой температуре.

Используйте данные о вязкости для:

• Фактический сорт связующего вещества
• Ожидаемая температура переноса
• При необходимости укажите соответствующие условия сдвига.

Для вяжущих, модифицированных SBS или резиной, реологическое поведение может отличаться от поведения обычного битума с нормальным проникновением. Простое приближение ньютоновской жидкости не следует автоматически использовать для каждого модифицированного вяжущего.

Шаг 4: Определение режима потока

В традиционных гидродинамических расчетах число Рейнольдса обычно используется для оценки того, является ли поток ламинарным, переходным или турбулентным:

Re = ρVD ÷ μ

где:

• ρ = плотность жидкости
• В = средняя скорость
• Д = внутренний диаметр трубы
• μ = динамическая вязкость

Поскольку горячий битум может оставаться относительно вязким, его текучесть может значительно отличаться от текучести в трубопроводах на водной основе.

Таким образом, выбранная модель трения должна соответствовать поведению материала и режиму течения.

Шаг 5: Рассчитайте трение в прямоточном трубопроводе.

Для жидкостей и условий, в которых применим подход Дарси-Вайсбаха, потери давления в прямом трубопроводе могут быть представлены следующим образом:

ΔP = f × (L ÷ D) × (ρV² ÷ 2)

где:

• ΔP = потеря давления
• ф = Коэффициент трения Дарси
• Л = длина трубы
• Д = внутренний диаметр трубы
• ρ = плотность жидкости
• В = средняя скорость

Коэффициент трения зависит от режима течения, состояния трубы и, в некоторых режимах, от относительной шероховатости.

Для сильно вязких или неньютоновских модифицированных вяжущих материалов инженеру следует использовать модель, соответствующую фактическим реологическим свойствам, вместо того чтобы механически применять предположение о водопроводе.

Шаг 6: Добавьте потери при монтаже.

В настоящем трубопроводе содержится не только прямая труба.

Дополнительное сопротивление может исходить от:

• Углы под углом 90° и 45°
• Футболки
• Редукторы
• Запорные клапаны
• Обратные клапаны
• Регулирующие клапаны
• Фильтры и сетчатые фильтры
• Расходомеры
• Гибкие соединения

Эти потери могут быть оценены с использованием соответствующего коэффициента потерь или метода эквивалентной длины.

Трубопровод, содержащий множество клапанов и отводов, может требовать значительно большего давления, чем прямая линия той же физической длины.

Шаг 7: Добавьте статическое давление на возвышенность.

Если насос перекачивает битум на большую высоту, он также должен преодолеть статический напор.

Упрощенное соотношение выглядит так:

ΔPstatic = ρgΔH

где ΔH — разница высот.

Если конечная точка находится ниже исходной, то сила тяжести может способствовать потоку, хотя все остальные гидравлические и эксплуатационные требования все равно необходимо оценить.

Шаг 8: Учтите потери фильтров и оборудования.

Фильтры могут приобретать особенно важное значение в битумных системах.

Чистый фильтр может обеспечить приемлемое сопротивление, в то время как частично забитый фильтр может значительно увеличить давление на выходе насоса.

Таким образом, при расчете потерь давления следует учитывать:

• Чистое состояние
• Ожидаемое загрязнение, если данные доступны.
• Падение давления в оборудовании, указанное производителем.

Шаг 9: Определите рабочую точку насоса.

После суммирования всех потерь полученный результат определяет приблизительную производительность насоса:

Требуемый расход при требуемом перепаде давления

Не выбирайте насос, ориентируясь только на максимальный расход.

Производитель насоса должен проверить:

• Поток при перепаде давления
• Фактическая вязкость связующего вещества
• Рабочая скорость
• Требуемый крутящий момент
• Мощность двигателя
• Расположение уплотнений
• Система отопления
• Условия всасывания

Пример расчетной структуры

Рассмотрим проект, включающий в себя:

• Требуемый расход битума: 20 м³/ч
• Длина трубопровода: 60 м
• Известный фактический внутренний диаметр трубы.
• Восемь локтей
• Несколько запорных клапанов
• Один фильтр
• 4 м вертикального подъема

Правильный подход заключается в том, чтобы не угадывать давление насоса, исходя из длины трубы в 60 метров.

Вместо:

1. Определите плотность и вязкость битума при температуре переноса.
2. Скорость потока рассчитывается исходя из фактического внутреннего сечения трубы.
3. Определите применимый режим течения и метод измерения трения.
4. Рассчитайте потери в прямотрубном трубопроводе.
5. Добавьте потери в колене и клапане.
6. Добавьте потери из-за фильтров или оборудования.
7. Добавьте статическое давление подъема.
8. Добавьте инженерную надбавку, соответствующую проектным параметрам.
9. Сравните требуемую рабочую точку с кривой производительности насоса.

Почему температура может изменить требования к насосу

Трубопровод, спроектированный с использованием вязкости горячего битума, может вести себя совершенно по-разному после длительной остановки или во время холодного запуска.

Более низкая температура материала может привести к увеличению:

• Вязкость
• Потери на трение
• крутящий момент насоса
• ток двигателя
• Фильтр перепада давления

Именно поэтому обогрев и изоляция трубопроводов являются частью обеспечения гидравлической надежности.

Почему увеличение диаметра трубы может снизить потери давления

При одинаковом объемном расходе больший внутренний диаметр снижает среднюю скорость. Это может существенно уменьшить потери на трение.

Однако чрезмерно большой диаметр трубы также увеличивает:

• Стоимость материалов
• Зона изоляции
• Объем битумной задержки
• Нагревательная поверхность
• Объем дренажа после отключения

Следовательно, диаметр трубопровода следует оптимизировать, а не просто максимизировать.

Общие признаки чрезмерной потери давления

• Давление на выходе насоса оказалось выше ожидаемого.
• Фактический расход ниже номинального расхода насоса.
• Увеличение тока двигателя во время работы в холодном режиме
• Частое засорение фильтра
• Медленная перекачка из одного бака в другой.
• Большая разница температур вдоль линии
• Перегрузка насоса или муфты

Распространенные ошибки в вычислениях

Использование свойств воды для битума

Предположения о потерях давления, основанные на содержании воды, неприменимы для вязких горячих вяжущих материалов без соответствующей корректировки.

Игнорируя температуру

Вязкость должна соответствовать фактическому материалу и рабочей температуре.

Использование номинального, а не фактического внутреннего диаметра.

Толщина стенки трубы изменяет фактическую площадь поперечного сечения потока.

Игнорирование фитингов и фильтров.

Система редко представляет собой просто прямую трубу.

Игнорирование статической высоты

Вертикальный подъем напрямую влияет на требуемое давление насоса.

Проверка максимального расхода насоса, но не рабочей точки.

Насос должен обеспечивать требуемый расход при рассчитанном перепаде давления.

Информация, необходимая для инженерного расчета

• Требуемая скорость потока
• Битумный сорт
• Плотность при рабочей температуре
• Вязкость или реологические данные при рабочей температуре
• Фактический внутренний диаметр трубы
• Материал и состояние труб
• Общая прямая длина
• Профиль высот
• Отводы, тройники и переходники
• Типы и количество клапанов
• Данные фильтра или сита
• Другое оборудование для конвейерной линии
• Данные насоса

Часто задаваемые вопросы

Можно ли рассчитать потери давления, исходя только из длины трубы?

Нет. На результат влияют расход, внутренний диаметр, вязкость, плотность, фитинги, высота над уровнем моря и потери в оборудовании.

Почему давление в битумном трубопроводе повышается при понижении температуры?

Снижение температуры, как правило, увеличивает вязкость битума, повышая сопротивление течению.

Всегда ли труба большего диаметра решает проблемы с потерями давления?

Увеличение диаметра может снизить потери на трение, но всю систему все равно необходимо проверить на предмет нагрева, стоимости, скорости потока и поведения при отключении.

Следует ли использовать тот же метод расчета для модифицированного битума, что и для обычного битума?

Не автоматически. Полиметилметакрилатный битум и резиновый битум могут обладать различной вязкостью и реологическими свойствами.

Заключение

Для надежного расчета трубопровода с горячим битумом необходимо связать гидравлическое сопротивление с фактическими свойствами материала и рабочей температурой.

Последовательность инженерных действий следующая:

Расход → Вязкость → Диаметр трубы → Трение → Фитинги → Статический напор → Мощность насоса

Компания FEITENG может помочь скоординировать работу битумных насосов, трубопроводов с подогревом, резервуаров для хранения и систем термомасла в рамках единой комплексной системы перекачки.

WhatsApp: +86 15335447006
Электронная почта: [email protected]
Вебсайт: www.bitumenmachine.com