Як розрахувати втрату тиску в гарячому бітумному трубопроводі

Розрахунок діаметра бітумного трубопроводу – це лише перший крок у проектуванні системи перекачування. Наступне питання полягає в тому, чи зможе обраний насос фактично переміщувати необхідний потік через цей трубопровід.

Кожен метр труби, кожне коліно, клапан і фільтр, а також кожен метр вертикального підйому створює опір. Оскільки бітум дуже чутливий до температури та може бути значно в'язкішим, ніж вода чи легкі нафтопродукти, втрата тиску може стати серйозним обмеженням при проектуванні.

У цьому посібнику пояснюється інженерна основа, яка використовується для оцінки втрати тиску в гарячому бітумному трубопроводі, та як результат використовується для визначення перепаду тиску насоса.

Що таке втрата тиску в трубопроводі?

Коли насос переміщує бітум по трубі, частина тиску насоса витрачається на подолання опору.

Загальний необхідний диференціальний тиск можна розглядати як:

Загальний перепад тиску насоса = тертя в прямій трубі + втрати в арматурі та обладнанні + різниця статичного тиску

Залежно від системи, додаткові втрати можуть виникати через фільтри, теплообмінники, регулювальні клапани, лічильники та форсунки обладнання.

Крок 1: Визначення необхідної швидкості потоку

Втрату тиску неможливо розрахувати без попереднього визначення потоку.

Потік проектування може контролюватися:

• Витрата асфальтного заводу
• Час перекачування з резервуара в резервуар
• Час розвантаження танкера
• Продуктивність плавлення бочки або мішка
• Попит на обіг

Методологію розрахунку витрати насоса див.:

Як розрахувати витрату бітумного насоса для асфальтозмішувальної установки

Крок 2: Використовуйте фактичний внутрішній діаметр труби

Номінальний розмір труби не завжди дорівнює фактичному внутрішньому діаметру. Товщина стінки та схема труби впливають на перетин потоку.

Для заданого потоку менший внутрішній діаметр збільшує швидкість і зазвичай збільшує втрати на тертя.

Базове співвідношення швидкості таке:

V = Q ÷ A

де:

• В = середня швидкість
• П = об'ємний потік
• A = внутрішня площа труби

Для попереднього розрахунку діаметра див.:

Розрахунок діаметра бітумних трубопроводів для асфальтних заводів

Крок 3: Визначення в'язкості бітуму за робочої температури

Це один з найважливіших вхідних даних.

В'язкість бітуму може різко змінюватися з температурою. Розрахунок втрати тиску, заснований на в'язкості при 160°C, не може бути автоматично застосований, коли той самий матеріал переміщується при значно нижчій температурі.

Використовуйте дані про в'язкість для:

• Фактичний клас сполучної речовини
• Очікувана температура переміщення
• Відповідні умови зсуву, де це необхідно

Для СБС або модифікованих гумою в'яжучих речовин реологічна поведінка може відрізнятися від звичайного пенетраційного бітуму. Просте ньютонівське флюїдне наближення не повинно автоматично використовуватися для кожного модифікованого в'яжучого.

Крок 4: Визначення режиму потоку

Для звичайних розрахунків рідини число Рейнольдса зазвичай використовується для оцінки того, чи є потік ламінарним, перехідним чи турбулентним:

Re = ρVD ÷ μ

де:

• ρ = густина рідини
• В = середня швидкість
• Д = внутрішній діаметр труби
• μ = динамічна в'язкість

Оскільки гарячий бітум може залишатися відносно в'язким, його характеристики потоку можуть значно відрізнятися від систем трубопроводів на водній основі.

Тому обрана модель тертя повинна відповідати поведінці матеріалу та режиму течії.

Крок 5: Розрахунок тертя в прямій трубі

Для рідин та умов, де застосовується підхід Дарсі-Вайсбаха, втрати тиску в прямій трубі можна представити як:

ΔP = f × (L ÷ D) × (ρV² ÷ 2)

де:

• ΔP = втрата тиску
• ф = Коефіцієнт тертя Дарсі
• Л = довжина труби
• Д = внутрішній діаметр труби
• ρ = густина рідини
• В = середня швидкість

Коефіцієнт тертя залежить від режиму потоку, стану труби та, в деяких режимах, відносної шорсткості.

Для високов'язких або неньютонівських модифікованих в'яжучих речовин інженер повинен використовувати модель, що відповідає фактичній реології, замість механічного застосування припущення про водопровід.

Крок 6: Додайте втрати на підгонку

Справжня передавальна лінія містить більше, ніж просто пряму трубу.

Додатковий опір може виникати з:

• коліна 90° та 45°
• Футболки
• Редуктори
• Ізоляційні клапани
• Зворотні клапани
• Регулювальні клапани
• Фільтри та сітчасті фільтри
• Витратоміри
• Гнучкі з'єднання

Ці втрати можна оцінити за допомогою відповідного коефіцієнта втрат або методу еквівалентної довжини.

Лінія, що містить багато клапанів та колін, може вимагати помітно більшого тиску, ніж пряма лінія такої ж фізичної довжини.

Крок 7: Додайте статичний тиск висоти

Якщо насос переміщує бітум на більшу висоту, він також повинен подолати статичний напір.

Спрощене співвідношення це:

ΔPстатичний = ρgΔH

де ΔH – різниця висот.

Якщо пункт призначення розташований нижче за джерело, сила тяжіння може сприяти потоку, хоча всі інші гідравлічні та експлуатаційні вимоги все ще потребують оцінки.

Крок 8: Врахування фільтрів та втрат обладнання

Фільтри можуть бути особливо важливими в бітумних системах.

Чистий фільтр може створювати прийнятний опір, тоді як частково засмічений фільтр може значно збільшити тиск нагнітання насоса.

Тому бюджет на зниження тиску повинен враховувати:

• Чистий стан
• Очікуваний стан забруднення там, де доступні дані
• Перепади тиску на обладнанні, зазначені виробником

Крок 9: Визначення робочої точки насоса

Після додавання всіх втрат результат визначає приблизну роботу насоса:

Необхідна витрата при необхідному перепаді тиску

Не вибирайте насос, виходячи лише з максимальної витрати.

Виробник насоса повинен перевірити:

• Потік при перепаді тиску
• Фактична в'язкість сполучної речовини
• Робоча швидкість
• Необхідний крутний момент
• Потужність двигуна
• Ущільнення
• Схема опалення
• Умови всмоктування

Приклад розрахункової структури

Розглянемо проект з:

• Необхідна витрата бітуму: 20 м³/год
• Довжина трубопроводу: 60 м
• Відомий фактичний внутрішній діаметр труби
• Вісім ліктів
• Кілька ізоляційних клапанів
• Один фільтр
• 4 м вертикального підйому

Правильний процес полягає в тому, щоб не вгадувати тиск насоса, виходячи з довжини труби 60 м.

Замість цього:

1. Отримайте густину та в'язкість бітуму за температури переміщення.
2. Обчисліть швидкість за фактичною внутрішньою площею труби.
3. Визначте застосовний режим течії та метод тертя.
4. Розрахуйте втрати в прямій трубі.
5. Додайте втрати на колінах та клапанах.
6. Додайте втрати фільтра або обладнання.
7. Додайте статичний тиск висоти.
8. Додайте інженерний припуск, що відповідає проектній базі.
9. Звірте потрібну робочу точку з кривою насоса.

Чому температура може змінити вимоги до насоса

Трубопровід, спроектований з використанням в'язкості гарячого бітуму, може поводитися зовсім інакше після тривалого простою або під час холодного запуску.

Нижча температура матеріалу може збільшити:

• В'язкість
• Втрати на тертя
• Крутний момент насоса
• Струм двигуна
• Перепад тиску фільтра

Ось чому підігрів та ізоляція трубопроводів є частиною гідравлічної надійності.

Чому збільшення діаметра труби може зменшити втрати тиску

За однакового об'ємного потоку більший внутрішній діаметр зменшує середню швидкість. Це може суттєво зменшити втрати на тертя.

Однак надмірно велика труба також збільшує:

• Вартість матеріалів
• Площа ізоляції
• Об'єм утримання бітуму
• Поверхня нагріву
• Об'єм дренажу після зупинки

Тому діаметр трубопроводу слід оптимізувати, а не просто максимізувати.

Загальні ознаки надмірної втрати тиску

• Тиск нагнітання насоса вищий за очікуваний
• Фактична витрата нижча за номінальну витрату насоса
• Струм двигуна зростає під час роботи в холодніших умовах
• Часте засмічення фільтра
• Повільне перекачування з резервуара в резервуар
• Велика різниця температур вздовж лінії
• Перевантаження насоса або муфти

Поширені помилки розрахунків

Використання властивостей води для бітуму

Припущення щодо втрати тиску на водній основі не підходять для в'язких гарячих в'яжучих речовин без відповідного коригування.

Ігнорування температури

В'язкість повинна відповідати фактичному матеріалу та робочій температурі.

Використання номінального внутрішнього діаметра замість фактичного

Товщина стінки труби змінює реальний перетин потоку.

Ігнорування фітингів та фільтрів

Система рідко являє собою просто пряму трубу.

Ігнорування статичної висоти

Вертикальний підйом безпосередньо впливає на необхідний тиск насоса.

Перевірка максимальної подачі насоса, але не робочої точки

Насос повинен забезпечувати необхідну витрату при розрахованому перепаді тиску.

Інформація, необхідна для інженерного розрахунку

• Необхідна швидкість потоку
• Марка бітуму
• Густина за робочої температури
• Дані в'язкості або реологічні дані за робочої температури
• Фактичний внутрішній діаметр труби
• Матеріал і стан труби
• Загальна довжина прямої лінії
• Профіль висот
• Лікоти, трійники та редуктори
• Типи та кількість клапанів
• Дані фільтра або сітчастого фільтра
• Інше вбудоване обладнання
• Дані насоса

Поширені запитання

Чи можна розрахувати втрату тиску, виходячи лише з довжини труби?

Ні. Швидкість потоку, внутрішній діаметр, в'язкість, щільність, фітинги, висота та втрати в обладнанні впливають на результат.

Чому тиск у бітумному трубопроводі зростає при зниженні температури?

Нижча температура зазвичай збільшує в'язкість бітуму, збільшуючи опір течії.

Чи завжди більша труба вирішує проблеми втрати тиску?

Збільшення діаметра може зменшити втрати на тертя, але всю систему все одно потрібно перевіряти на нагрівання, вартість, швидкість потоку та поведінку під час зупинки.

Чи слід використовувати той самий розрахунок для модифікованого бітуму, що й для звичайного бітуму?

Не автоматично. ПМБ та гумовий бітум можуть демонструвати різну в'язкість та реологічні властивості.

Висновок

Надійний розрахунок гарячого бітумного трубопроводу повинен пов'язувати гідравлічний опір з фактичними властивостями матеріалу та робочою температурою.

Інженерна послідовність така:

Потік → В'язкість → Діаметр труби → Тертя → Фітинги → Статичний напір → Робочий режим насоса

FEITENG може допомогти узгодити роботу бітумних насосів, трубопроводів з підігрівом, резервуарів для зберігання та систем термомасляних насосів в єдину комплексну систему передачі.

WhatsApp: +86 15335447006
Електронна пошта: [email protected]
Вебсайт: www.bitumenmachine.com