Cách tính tổn thất áp suất trong đường ống dẫn nhựa đường nóng

Tính toán đường kính ống dẫn nhựa đường chỉ là bước đầu tiên trong thiết kế hệ thống vận chuyển. Câu hỏi tiếp theo là liệu máy bơm được chọn có thực sự có thể vận chuyển được lưu lượng cần thiết qua đường ống đó hay không.

Mỗi mét ống, mỗi khuỷu nối, van và bộ lọc, và mỗi mét độ cao thẳng đứng đều tạo ra lực cản. Vì nhựa đường rất nhạy cảm với nhiệt độ và có thể nhớt hơn đáng kể so với nước hoặc các sản phẩm dầu mỏ nhẹ, nên tổn thất áp suất có thể trở thành một hạn chế lớn trong thiết kế.

Hướng dẫn này giải thích khung kỹ thuật được sử dụng để đánh giá tổn thất áp suất trong đường ống dẫn nhựa đường nóng và cách sử dụng kết quả đó để xác định áp suất chênh lệch của bơm.

Tổn thất áp suất trong đường ống là gì?

Khi máy bơm đẩy nhựa đường qua đường ống, một phần áp suất của máy bơm bị tiêu hao để vượt qua lực cản.

Tổng áp suất chênh lệch cần thiết có thể được xem như sau:

Tổng áp suất chênh lệch của bơm = ma sát trong đường ống thẳng + tổn thất do phụ kiện và thiết bị + chênh lệch áp suất tĩnh

Tùy thuộc vào hệ thống, tổn thất bổ sung có thể đến từ bộ lọc, bộ trao đổi nhiệt, van điều khiển, đồng hồ đo và vòi phun thiết bị.

Bước 1: Xác định lưu lượng yêu cầu

Không thể tính toán tổn thất áp suất nếu chưa xác định lưu lượng.

Quy trình thiết kế có thể được kiểm soát bởi:

• Mức tiêu thụ của nhà máy nhựa đường
• Thời gian chuyển hàng giữa các bể chứa
• Thời gian dỡ hàng của tàu chở dầu
• Sản lượng nấu chảy trong thùng hoặc bao
• Nhu cầu lưu thông

Để biết phương pháp tính toán lưu lượng bơm, xem:

Cách tính lưu lượng bơm bitum cho trạm trộn nhựa đường

Bước 2: Sử dụng đường kính trong thực tế của ống

Kích thước danh nghĩa của ống không phải lúc nào cũng bằng đường kính trong thực tế. Độ dày thành ống và tiêu chuẩn ống ảnh hưởng đến diện tích dòng chảy.

Với cùng một lưu lượng, đường kính trong nhỏ hơn sẽ làm tăng vận tốc và thường làm tăng tổn thất ma sát.

Mối quan hệ cơ bản giữa vận tốc là:

V = Q ÷ A

Ở đâu:

• V = vận tốc trung bình
• Q = lưu lượng thể tích
• MỘT = diện tích bên trong ống

Để tính toán đường kính sơ bộ, xem:

Tính toán đường kính ống dẫn bitum cho nhà máy sản xuất nhựa đường

Bước 3: Xác định độ nhớt của nhựa đường ở nhiệt độ vận hành

Đây là một trong những yếu tố đầu vào quan trọng nhất.

Độ nhớt của nhựa đường có thể thay đổi đáng kể theo nhiệt độ. Việc tính toán tổn thất áp suất dựa trên độ nhớt ở 160°C không thể tự động áp dụng khi cùng một vật liệu được vận chuyển ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể.

Sử dụng dữ liệu độ nhớt cho:

• Chất lượng chất kết dính thực tế
• Nhiệt độ chuyển giao dự kiến
• Điều kiện cắt thích hợp khi cần thiết

Đối với chất kết dính SBS hoặc chất kết dính biến tính bằng cao su, đặc tính lưu biến có thể khác với nhựa đường thấm thông thường. Không nên tự động sử dụng phép xấp xỉ chất lỏng Newton đơn giản cho mọi chất kết dính biến tính.

Bước 4: Xác định chế độ dòng chảy

Trong các phép tính chất lỏng thông thường, số Reynolds thường được sử dụng để đánh giá xem dòng chảy là chảy tầng, chuyển tiếp hay chảy rối:

Re = ρVD ÷ μ

Ở đâu:

• ρ = mật độ chất lỏng
• V = vận tốc trung bình
• D = đường kính trong của ống
• μ = độ nhớt động

Do nhựa đường nóng có thể vẫn giữ được độ nhớt tương đối cao, nên đặc tính chảy của nó có thể khác biệt đáng kể so với các hệ thống đường ống sử dụng nước.

Do đó, mô hình ma sát được lựa chọn phải phù hợp với đặc tính vật liệu và chế độ dòng chảy.

Bước 5: Tính toán ma sát trong ống thẳng

Đối với các chất lỏng và điều kiện mà phương pháp Darcy-Weisbach có thể áp dụng, tổn thất áp suất trong ống thẳng có thể được biểu diễn bằng:

ΔP = f × (L ÷ D) × (ρV² ÷ 2)

Ở đâu:

• ΔP = tổn thất áp suất
• f = Hệ số ma sát Darcy
• L = chiều dài ống
• D = đường kính trong của ống
• ρ = mật độ chất lỏng
• V = vận tốc trung bình

Hệ số ma sát phụ thuộc vào chế độ dòng chảy, tình trạng đường ống và, trong một số chế độ, độ nhám tương đối.

Đối với các chất kết dính biến tính có độ nhớt cao hoặc phi Newton, kỹ sư nên sử dụng mô hình phù hợp với đặc tính lưu biến thực tế thay vì áp dụng giả định về đường ống dẫn nước một cách máy móc.

Bước 6: Thêm tổn thất lắp đặt

Một đường ống dẫn thực tế bao gồm nhiều hơn chỉ là những đoạn ống thẳng.

Sức cản bổ sung có thể đến từ:

• Khuỷu tay 90° và 45°
• Áo thun
• Bộ giảm tốc
• Van cách ly
• Van kiểm tra
• Van điều khiển
• Bộ lọc và lưới lọc
• Lưu lượng kế
• Kết nối linh hoạt

Những tổn thất này có thể được đánh giá bằng cách sử dụng hệ số tổn thất thích hợp hoặc phương pháp chiều dài tương đương.

Một đường ống chứa nhiều van và khớp nối có thể cần áp suất cao hơn đáng kể so với một đường ống thẳng có cùng chiều dài.

Bước 7: Thêm áp suất chênh lệch độ cao tĩnh

Nếu máy bơm vận chuyển nhựa đường lên độ cao cao hơn, nó cũng phải vượt qua áp suất tĩnh.

Mối quan hệ đơn giản hóa như sau:

ΔPstatic = ρgΔH

trong đó ΔH là sự chênh lệch độ cao.

Nếu điểm đến thấp hơn điểm xuất phát, trọng lực có thể hỗ trợ dòng chảy, mặc dù tất cả các yêu cầu thủy lực và vận hành khác vẫn cần được đánh giá.

Bước 8: Bao gồm các bộ lọc và tổn thất thiết bị

Bộ lọc có thể trở nên đặc biệt quan trọng trong các hệ thống nhựa đường.

Bộ lọc sạch có thể tạo ra lực cản chấp nhận được, trong khi bộ lọc bị tắc nghẽn một phần có thể làm tăng đáng kể áp suất đầu ra của bơm.

Do đó, ngân sách tổn thất áp suất cần phải xem xét:

• Tình trạng sạch sẽ
• Tình trạng dữ liệu không ổn định dự kiến khi có sẵn dữ liệu.
• Giảm áp suất thiết bị do nhà sản xuất quy định

Bước 9: Xác định điểm vận hành của bơm

Sau khi cộng tất cả các tổn thất, kết quả sẽ xác định công suất hoạt động gần đúng của bơm:

Lưu lượng yêu cầu ở áp suất chênh lệch yêu cầu

Không nên chỉ chọn bơm dựa trên lưu lượng tối đa.

Nhà sản xuất máy bơm cần xác minh:

• Dòng chảy ở áp suất chênh lệch
• Độ nhớt thực tế của chất kết dính
• Tốc độ hoạt động
• Mô-men xoắn cần thiết
• Công suất động cơ
• Bố trí niêm phong
• Bố trí hệ thống sưởi
• Điều kiện hút

Khung tính toán ví dụ

Hãy xem xét một dự án với:

• Lưu lượng nhựa đường yêu cầu: 20 m³/h
• Chiều dài đường ống: 60 m
• Đường kính trong thực tế của ống đã biết
• Tám khuỷu tay
• Một số van cách ly
• Một bộ lọc
• độ cao thẳng đứng 4 m

Quy trình đúng không phải là đoán áp suất bơm từ chiều dài đường ống 60 m.

Thay vì:

1. Xác định mật độ và độ nhớt của bitum ở nhiệt độ chuyển pha.
2. Tính toán vận tốc dựa trên diện tích mặt cắt ngang thực tế của ống.
3. Xác định chế độ dòng chảy và phương pháp ma sát áp dụng.
4. Tính toán tổn thất đường ống thẳng.
5. Thêm vào đó là tổn thất do khuỷu nối và van gây ra.
6. Thêm vào đó là tổn thất do bộ lọc hoặc thiết bị gây ra.
7. Thêm áp suất chênh lệch độ cao tĩnh.
8. Thêm khoản dự phòng kỹ thuật phù hợp với cơ sở thiết kế.
9. Kiểm tra điểm vận hành yêu cầu so với đường cong đặc tính của bơm.

Vì sao nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến yêu cầu của bơm?

Đường ống được thiết kế sử dụng độ nhớt của nhựa đường nóng có thể hoạt động rất khác biệt sau thời gian ngừng hoạt động dài hoặc trong quá trình khởi động nguội.

Nhiệt độ vật liệu thấp hơn có thể làm tăng:

• Độ nhớt
• Tổn thất do ma sát
• Mô-men xoắn bơm
• Dòng điện động cơ
• Áp suất chênh lệch của bộ lọc

Đây là lý do tại sao việc sưởi ấm và cách nhiệt đường ống là một phần quan trọng của độ tin cậy hệ thống thủy lực.

Vì sao việc tăng đường kính ống có thể giảm tổn thất áp suất?

Với cùng một lưu lượng thể tích, đường kính trong lớn hơn sẽ làm giảm vận tốc trung bình. Điều này có thể làm giảm đáng kể tổn thất do ma sát.

Tuy nhiên, đường ống quá lớn cũng làm tăng:

• Chi phí nguyên vật liệu
• Khu vực cách nhiệt
• Thể tích nhựa đường còn lại
• Bề mặt gia nhiệt
• Lượng nước thoát ra sau khi tắt máy

Do đó, đường kính ống dẫn cần được tối ưu hóa chứ không chỉ đơn thuần là tối đa hóa.

Các dấu hiệu thường gặp của tình trạng mất áp suất quá mức

• Áp suất đầu ra của bơm cao hơn dự kiến
• Lưu lượng thực tế thấp hơn lưu lượng định mức của bơm.
• Dòng điện động cơ tăng lên trong quá trình hoạt động ở nhiệt độ thấp.
• Bộ lọc thường xuyên bị tắc nghẽn
• Chuyển nhiên liệu chậm giữa các bể chứa
• Chênh lệch nhiệt độ lớn dọc theo đường thẳng
• Quá tải bơm hoặc khớp nối

Những lỗi tính toán thường gặp

Sử dụng các đặc tính của nước cho nhựa đường

Các giả định về tổn thất áp suất dựa trên nước không phù hợp với chất kết dính nóng có độ nhớt cao nếu không được điều chỉnh thích hợp.

Bỏ qua nhiệt độ

Độ nhớt phải tương ứng với vật liệu thực tế và nhiệt độ hoạt động.

Sử dụng đường kính trong danh nghĩa thay vì đường kính trong thực tế

Độ dày thành ống làm thay đổi diện tích dòng chảy thực tế.

Bỏ qua các phụ kiện và bộ lọc

Một hệ thống hiếm khi chỉ đơn thuần là một đường ống thẳng.

Bỏ qua độ cao tĩnh

Độ nâng thẳng đứng ảnh hưởng trực tiếp đến yêu cầu áp suất của bơm.

Kiểm tra lưu lượng tối đa của bơm nhưng không kiểm tra điểm làm việc.

Máy bơm phải cung cấp lưu lượng cần thiết ở mức chênh lệch áp suất đã tính toán.

Thông tin cần thiết cho một phép tính kỹ thuật

• Lưu lượng yêu cầu
• Nhựa đường loại
• Mật độ ở nhiệt độ hoạt động
• Dữ liệu về độ nhớt hoặc đặc tính lưu biến ở nhiệt độ hoạt động
• Đường kính trong thực tế của ống
• Vật liệu và tình trạng của ống
• Tổng chiều dài thẳng
• Mặt cắt độ cao
• Cút nối, chữ T và bộ giảm kích thước
• Các loại và số lượng van
• Dữ liệu bộ lọc hoặc lưới lọc
• Các thiết bị khác trên dây chuyền
• Dữ liệu bơm

Những câu hỏi thường gặp

Có thể tính toán tổn thất áp suất chỉ dựa vào chiều dài đường ống không?

Không. Lưu lượng, đường kính trong, độ nhớt, mật độ, phụ kiện, độ cao và tổn thất thiết bị đều ảnh hưởng đến kết quả.

Tại sao áp suất trong đường ống dẫn nhựa đường lại tăng khi nhiệt độ giảm?

Nhiệt độ thấp hơn thường làm tăng độ nhớt của nhựa đường, làm tăng sức cản đối với dòng chảy.

Liệu việc sử dụng đường ống lớn hơn có luôn giải quyết được vấn đề thất thoát áp suất?

Việc tăng đường kính có thể giảm tổn thất ma sát, nhưng toàn bộ hệ thống vẫn cần được kiểm tra về vấn đề nhiệt độ, chi phí, vận tốc dòng chảy và hành vi khi tắt máy.

Liệu nhựa đường biến tính có nên sử dụng cùng phương pháp tính toán như nhựa đường thông thường không?

Không phải lúc nào cũng vậy. Nhựa đường PMB và nhựa đường cao su có thể có độ nhớt và đặc tính lưu biến khác nhau.

Kết luận

Việc tính toán đường ống nhựa đường nóng đáng tin cậy phải liên hệ giữa điện trở thủy lực với các đặc tính vật liệu thực tế và nhiệt độ hoạt động.

Trình tự kỹ thuật như sau:

Lưu lượng → Độ nhớt → Đường kính ống → Ma sát → Phụ kiện → Cột áp tĩnh → Công suất bơm

FEITENG có thể giúp phối hợp các máy bơm nhựa đường, đường ống gia nhiệt, bể chứa và hệ thống dầu nhiệt thành một hệ thống vận chuyển hoàn chỉnh.

WhatsApp: +86 15335447006
E-mail: [email protected]
Trang web: www.bitumenmachine.com