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:

• Material cost
• Insulation area
• Bitumen hold-up volume
• Heating surface
• Drainage volume after shutdown

Pipeline diameter should therefore be optimized rather than simply maximized.

Common Signs of Excessive Pressure Loss

• Pump discharge pressure higher than expected
• Actual flow below rated pump flow
• Motor current rising during colder operation
• Frequent filter blockage
• Slow tank-to-tank transfer
• Large temperature difference along the line
• Pump or coupling overload

Common Calculation Mistakes

Using Water Properties for Bitumen

Water-based pressure-loss assumptions are not suitable for viscous hot binders without appropriate adjustment.

Ignoring Temperature

Viscosity must correspond to the actual material and operating temperature.

Using Nominal Instead of Actual Internal Diameter

Pipe wall thickness changes the real flow area.

Ignoring Fittings and Filters

A system is rarely just straight pipe.

Ignoring Static Elevation

Vertical lift contributes directly to pump pressure requirement.

Checking Maximum Pump Flow but Not the Duty Point

The pump must deliver the required flow at the calculated differential pressure.

Information Needed for an Engineering Calculation

• Необхідна швидкість потоку
• Марка бітуму
• Density at operating temperature
• Viscosity or rheological data at operating temperature
• Actual pipe internal diameter
• Pipe material and condition
• Total straight length
• Elevation profile
• Elbows, tees and reducers
• Valve types and quantities
• Filter or strainer data
• Other inline equipment
• Pump data

Поширені запитання

Can pressure loss be calculated from pipe length alone?

No. Flow rate, internal diameter, viscosity, density, fittings, elevation and equipment losses all affect the result.

Why does bitumen pipeline pressure increase when temperature falls?

Lower temperature generally increases bitumen viscosity, increasing resistance to flow.

Does a larger pipe always solve pressure-loss problems?

Increasing diameter can reduce friction loss, but the complete system still needs to be checked for heating, cost, flow velocity and shutdown behaviour.

Should modified bitumen use the same calculation as conventional bitumen?

Not automatically. PMB and rubber bitumen may exhibit different viscosity and rheological behaviour.

Висновок

A reliable hot-bitumen pipeline calculation must connect hydraulic resistance with the actual material properties and operating temperature.

The engineering sequence is:

Flow → Viscosity → Pipe Diameter → Friction → Fittings → Static Head → Pump Duty

FEITENG can help coordinate bitumen pumps, heated pipelines, storage tanks and thermal oil systems as one complete transfer system.

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