Comment calculer la taille du tuyau minier, le débit et la chute de pression

Choisir une taille de tuyau minier basée uniquement sur le diamètre nominal peut conduire à des calculs de débit inexacts, à une perte de pression excessive ou à une usure inutile du revêtement. Un calcul fiable doit prendre en compte le débit requis, le diamètre interne réel, la vitesse de fonctionnement, la longueur du tuyau, le matériau transporté, l"élévation, les raccords et les conditions de pression.

Pour les applications de liquides et de boues, la relation de base est simple : le débit dépend de la surface du tuyau et de la vitesse du fluide. La chute de pression dépend alors de la longueur du tuyau, du diamètre interne, de la vitesse d"écoulement, de la densité du fluide et de la résistance des raccords et de l"élévation.

Ce guide explique comment calculer la taille du tuyau minier, le débit et la chute de pression pour la planification préliminaire du système. Il se concentre principalement sur les applications d’eau et de lisier. L"air comprimé et les autres gaz nécessitent des calculs de débit compressible distincts.

Avant de commencer, il peut être utile de revoir ce qu'est un tuyau minier , y compris sa doublure, son renfort et sa construction extérieure.

Points clés à retenir

• Utilisez le diamètre interne réel du tuyau au lieu de vous fier uniquement à la taille nominale du tuyau.

• Calculez le diamètre du tuyau à partir du débit requis et d’une vitesse de fonctionnement appropriée.

• Le débit, la vitesse et le diamètre du tuyau sont directement liés via la section transversale du tuyau.

• La chute de pression comprend la friction des tuyaux droits, les raccords, les changements d"élévation et les équipements connectés.

• La chute de pression du lisier ne peut pas toujours être estimée avec précision en utilisant uniquement les propriétés de l"eau.

• Un tuyau plus grand peut réduire la perte de pression, mais le choix final doit également tenir compte de la pression nominale, de la résistance au vide, du rayon de courbure, des raccords, du mouvement et de l"espace d"installation.

• Utilisez les données de chute de pression du fabricant pour la conception finale chaque fois qu"elles sont disponibles.

Collectez les entrées de calcul requises

Avant le calcul, collectez les données de fonctionnement du tuyau flexible. Des entrées manquantes ou inexactes peuvent rendre le résultat peu fiable.

Utilisez le débit normal et le débit maximum attendu lorsque cela est possible. Un tuyau qui fonctionne à débit moyen peut créer une vitesse excessive ou une perte de pression lorsque le système fonctionne à sa capacité maximale.

Déterminer le débit requis

Le débit requis provient normalement de la pompe, de l"équipement de traitement, des besoins en matière de déshydratation ou de la capacité de transport des boues.

Les unités communes comprennent :

• Mètres cubes par heure : m³/h

• Litres par minute : L/min

• Gallons par minute : gpm

Les conversions utiles incluent :

• 1 m³/h = 16,67 L/min

• 1 L/min = 0,06 m³/h

• 1 gpm ≈ 3,785 L/min

Si le débit est déjà connu à partir de la conception de la pompe ou du processus, utilisez cette valeur comme point de départ. Si le débit doit être calculé à partir des dimensions et de la vitesse du tuyau, utilisez :

Q = v × UNE

La section transversale du tuyau est :

A = πD² / 4

Donc:

Q = v × πD² / 4

Où:

• Q est le débit en m³/s

• v est la vitesse moyenne du fluide en m/s

• D est le diamètre interne réel en mètres

• A est la section transversale interne en m²

Pour des calculs pratiques en millimètres et m³/h :

Q (m³/h) ≈ 0,00283 × D² (mm) × v (m/s)

Pour L/min :

Q (L/min) ≈ 0,0471 × D² (mm) × v (m/s)

Ces formules montrent pourquoi une petite modification du diamètre interne peut produire une modification significative de la capacité de débit.

Calculer le diamètre requis du tuyau minier

Lorsque le débit requis et la vitesse de conception sont connus, calculez le diamètre interne minimum en utilisant :

ré = √(4Q / πv)

Pour une utilisation pratique :

D (mm) ≈ 18,8 × √[Q (m³/h) / v (m/s)]

Ou:

D (mm) ≈ 4,61 × √[Q (L/min) / v (m/s)]

Le résultat est le diamètre interne théorique requis pour transporter le flux cible à la vitesse sélectionnée. Il ne s’agit pas nécessairement de la taille finale du tuyau commercial.

Exemple

Supposons qu"un système à lisier nécessite :

• Débit : 90 m³/h

• Vitesse cible : 3,0 m/s

Le diamètre intérieur requis est :

D ≈ 18,8 × √(90 / 3,0)

D ≈ 103 mm

Cela signifie qu"un tuyau d"un diamètre intérieur réel d"environ 103 mm est nécessaire pour transporter 90 m³/h à 3,0 m/s.

Un tuyau nominal de 100 mm peut avoir un diamètre interne réel proche de 100 mm, mais pas exactement. À un diamètre intérieur réel de 100 mm, la vitesse serait d"environ :

v = Q/R

v = 0,025 / (π × 0,1² / 4)

v ≈ 3,18 m/s

Un diamètre intérieur réel de 110 mm réduirait la vitesse à environ 2,63 m/s au même débit.

Le choix final dépend de la plage de vitesse acceptable, de la perte de charge cible, des tailles de tuyaux disponibles, de l"espace d"installation et des caractéristiques du lisier transporté.

Choisissez une vitesse de fonctionnement appropriée

La vitesse ne doit pas être sélectionnée uniquement en fonction du diamètre du tuyau. Il doit être adapté au matériau transporté et aux conditions d"exploitation.

Une vitesse trop élevée peut provoquer :

• Usure accrue de la doublure interne

• Plus grande perte de pression

• Consommation d"énergie plus élevée de la pompe

• Érosion plus sévère au niveau des virages et des connexions

• Augmentation des fluctuations de pression

Une vitesse trop faible peut provoquer :

• Solides se déposant dans les conduites de lisier

• Blocage partiel

• Décharge instable

• Exigences accrues de nettoyage ou de rinçage

• Mauvaises performances des transports

Il n’existe pas de vitesse unique adaptée à chaque tuyau minier. La valeur correcte dépend de la taille des particules, de la densité des particules, de la concentration en solides, de la viscosité de la boue, de la disposition des conduites, des caractéristiques de la pompe et de la construction du revêtement.

Pour les boues abrasives, la conception doit équilibrer deux exigences concurrentes :

1. Maintenez une vitesse suffisante pour transporter les solides à travers la ligne.

2. Évitez les vitesses inutilement élevées qui accélèrent l’usure du revêtement et la perte de pression.

La vitesse spécifiée par l"ingénieur de procédé, le fournisseur de pompes ou le fabricant de tuyaux doit avoir la priorité sur une règle générale.

Recalculer la vitesse réelle pour le tuyau sélectionné

Après avoir sélectionné la taille de tuyau disponible la plus proche, recalculez la vitesse réelle. Cette étape est importante car la taille du tuyau commercial peut ne pas correspondre exactement au diamètre théorique.

Utiliser:

v = Q/R

Ou:

v = 4Q / πD²

Pour un débit connu de 90 m³/h :

• Un tuyau de 100 mm de diamètre intérieur produit une vitesse d"environ 3,18 m/s.

• Un tuyau de 110 mm de diamètre intérieur produit une vitesse d"environ 2,63 m/s.

• Un tuyau de 125 mm de diamètre intérieur produit une vitesse d"environ 2,04 m/s.

Le résultat doit ensuite être vérifié par rapport aux exigences du processus. Un tuyau plus grand n"est pas automatiquement le bon choix si la vitesse inférieure risque de permettre aux solides de se déposer.

Utilisez toujours le diamètre interne réel indiqué par le fabricant. La taille nominale peut ne pas refléter l"épaisseur du revêtement, la tolérance de construction ou le diamètre intérieur fini du tuyau.

Calculer la chute de pression dans le tuyau droit

Pour une estimation préliminaire du débit de liquide, l"équation de Darcy-Weisbach peut être utilisée :

Tuyau ΔP = f × (L / D) × (ρv² / 2)

Où:

• Le tuyau ΔP est la chute de pression en Pa

• f est le facteur de frottement de Darcy

• L est la longueur du tuyau en mètres

• D est le diamètre interne réel en mètres

• ρ est la densité du fluide ou de la boue en kg/m³

• v est la vitesse moyenne en m/s

La perte de charge équivalente est :

hf = f × (L/D) × (v²/2g)

Où g est l'accélération gravitationnelle, environ 9,81 m/s².

Le facteur de friction dépend de :

• Nombre de Reynolds

• Viscosité du fluide

• Rugosité de la surface interne

• Matériau du revêtement du tuyau

• Conditions d"écoulement

• Concentration du lisier et caractéristiques des particules

Pour l"eau, un facteur de friction peut être estimé à l"aide de méthodes standard d"écoulement des fluides. Pour le lisier, le calcul est plus complexe car le mélange peut ne pas se comporter comme un simple liquide newtonien.

Pour cette raison, les tableaux de chute de pression ou les données de test du fabricant sont généralement préférés pour la conception finale des tuyaux miniers.

Inclure les raccords, les accouplements et autres pertes locales

Le tuyau droit n"est qu"une source de perte de pression. Les coudes, réducteurs, vannes, raccords, brides, crépines et autres composants résistent également au débit.

La perte de pression locale peut être estimée en utilisant :

Raccords ΔP = ΣK × (ρv² / 2)

Où:

• ΣK est le coefficient de perte totale pour tous les raccords

• ρ est la densité du fluide ou de la boue

• v est la vitesse d'écoulement

Si le fabricant fournit un coefficient de perte pour un accouplement, un coude ou un réducteur, utilisez cette valeur. Dans le cas contraire, des méthodes de longueur équivalente peuvent être utilisées pour une estimation préliminaire, mais le résultat doit être traité avec prudence pour les flexibles flexibles.

Un tuyau installé avec plusieurs coudes serrés peut avoir une perte de pression beaucoup plus élevée que le même tuyau installé en ligne droite. L"angle de courbure, le rayon de courbure, la conception du raccordement et la transition entre le tuyau et le flexible peuvent tous affecter le résultat réel.

Tenir compte de l"altitude et de la pression de l"équipement

L"exigence de pression totale peut également inclure l"élévation et la pression requise par l"équipement en aval.

La pression statique associée à l’élévation est :

ΔP élévation = ρgh

Où:

• ρ est la densité du fluide ou de la boue

• g est 9,81 m/s²

• h est le changement d'élévation verticale en mètres

Pour un levage vers le haut, l"élévation s"ajoute à la pression requise par la pompe. Pour une section descendante, la contribution statique peut réduire la hauteur de pompe requise, en fonction de la disposition complète du système. Les pertes par frottement restent présentes dans les deux sens.

Un calcul de système pratique doit donc prendre en compte :

ΔP total = ΔP tuyau + ΔP raccords + ΔP élévation + ΔP équipement

Le terme d"équipement peut inclure la pression d"entrée requise, la pression de pulvérisation, la pression du cyclone, la pression de la buse ou toute autre exigence du processus.

Ne traitez pas la perte par friction du tuyau comme la même chose que la pression totale de la pompe. La pompe doit vaincre la résistance complète du système tout en fournissant la pression requise au point de refoulement.

Considérations particulières concernant la chute de pression du lisier

La chute de pression du lisier n’est pas affectée uniquement par le débit et le diamètre du tuyau.

Les variables importantes comprennent :

• Densité du lisier en vrac

• Concentration de solides

• Taille et forme des particules

• Dureté des particules

• Viscosité du fluide porteur

• Vitesse d"écoulement

• Longueur du tuyau

• Nombre de virages

• Élévation

• État de la doublure interne

• Changements de diamètre ou de direction du tuyau

L"utilisation de la densité de l"eau dans un calcul de boue peut sous-estimer considérablement la perte de pression. Une boue avec une concentration élevée de solides peut également avoir une viscosité apparente et un comportement d"écoulement différents de ceux de l"eau propre.

Le lisier peut également se déposer lorsque la vitesse est insuffisante. Une fois les solides accumulés, la chute de pression peut encore augmenter et la conduite peut devenir partiellement bloquée.

Pour la planification préliminaire, l"équation de Darcy-Weisbach peut fournir une estimation utile si des propriétés de boue appropriées et un facteur de frottement raisonnable sont disponibles. Pour la conception finale, utilisez les données de test ou l"assistance technique du fabricant en fonction des conditions réelles de la boue.

Si l'application implique des solides très abrasifs, examinez les options de tuyaux en caoutchouc pour boues appropriées en fonction de la construction du revêtement requis et des conditions de fonctionnement.

Exemple concret : comparaison de deux tailles de tuyaux

Considérons une ligne à lisier avec les conditions suivantes :

• Débit requis : 90 m³/h

• Densité du lisier : 1 400 kg/m³

• Longueur du tuyau : 30 m

• Dénivelé vers le haut : 10 m

• Coefficient de perte totale de montage : K = 3,5

• Facteur de frottement Darcy illustratif : f = 0,03

Le débit est d"abord converti :

90 m³/h = 0,025 m³/s

Le DI théorique à une vitesse cible de 3,0 m/s est d"environ 103 mm. Comparez deux ID de tuyau candidats : 100 mm et 110 mm.

Ces valeurs sont des estimations illustratives basées sur les hypothèses énoncées. Ils ne remplacent pas les données d’essais du fabricant ni un calcul hydraulique spécifique au projet.

Le tuyau de 100 mm produit une vitesse plus élevée et une perte de friction estimée plus élevée. Cela peut toujours convenir si le processus permet cette vitesse et que la pompe a une capacité de pression suffisante.

Le tuyau de 110 mm réduit la vitesse et la perte de pression estimée, mais ce n"est peut-être pas le meilleur choix si la vitesse plus faible augmente le risque de sédimentation du lisier. La décision finale doit donc tenir compte à la fois des performances hydrauliques et des exigences en matière de transport de solides.

Erreurs de calcul courantes

Utilisation du diamètre nominal au lieu de l"ID réel

La zone d"écoulement est déterminée par le diamètre interne fini et non par la taille nominale imprimée dans le nom du produit. Confirmez toujours l"ID réel à partir des données techniques.

Unités de flux de mélange

Utiliser m³/h dans une formule qui nécessite m³/s peut produire un résultat 3 600 fois différent. Convertissez toutes les valeurs avant d’appliquer les équations de base.

Traiter le lisier comme de l"eau

Les calculs basés sur l"eau peuvent être acceptables pour une première comparaison, mais ils peuvent sous-estimer la perte de pression dans les boues denses ou visqueuses.

Ignorer les raccords et l"élévation

Un long tuyau n’est peut-être pas la plus grande source de résistance du système. De multiples coudes, réducteurs, vannes et ascenseurs verticaux peuvent ajouter des exigences de pression substantielles.

Vérification uniquement du débit normal

Le démarrage de la pompe, la fermeture des vannes, le blocage et les modifications du processus peuvent créer un débit ou une pression plus élevé que le fonctionnement normal. Tenez compte des conditions de pointe et transitoires.

Application de formules liquides à l"air comprimé

La densité de l"air change considérablement avec la pression. Un calcul de débit de liquide ne doit pas être appliqué directement au dimensionnement des tuyaux d’air comprimé.

Sélection d"un tuyau basé uniquement sur le débit

Un tuyau peut avoir le bon diamètre intérieur mais être néanmoins inadapté en raison d"une pression de service, d"une résistance au vide, d"une plage de température, d"une compatibilité de revêtement, d"un rayon de courbure ou d"une conception d"accouplement insuffisants.

Un flux de travail pratique de dimensionnement des tuyaux miniers

Utilisez la séquence suivante pour un calcul préliminaire :

1. Définir le débit normal et maximum requis.

2. Identifiez le matériau transporté et obtenez sa densité et sa viscosité ou ses propriétés de suspension.

3. Sélectionnez une vitesse adaptée au processus.

4. Calculez le diamètre interne théorique.

5. Comparez le résultat avec les ID de flexibles disponibles.

6. Recalculez la vitesse réelle pour chaque tuyau candidat.

7. Estimez la perte de pression du tuyau droit.

8. Ajoutez les pertes des raccords, des accouplements, des vannes et des réducteurs.

9. Ajoutez des exigences en matière d"élévation et de pression des équipements en aval.

10. Vérifiez la pression de service, l"indice de vide, la température, le rayon de courbure, le mouvement et la compatibilité des accouplements.

11. Confirmez l"assemblage final avec les données du fabricant ou l"assistance technique.

Pour des considérations plus larges sur l'application et l'assemblage, découvrez comment choisir le bon ensemble de tuyaux miniers..

Conclusion

Le calcul de la taille des tuyaux miniers commence par la relation entre le débit, la vitesse et le diamètre interne réel. Les calculs de chute de pression doivent ensuite inclure le frottement du tuyau droit, les raccords, l"élévation et la pression requise par l"équipement connecté.

Pour l’eau, les équations standard d’écoulement des fluides peuvent fournir une estimation préliminaire utile. Pour le lisier, le résultat dépend fortement de la densité, de la concentration en solides, de la viscosité, du comportement des particules et de l"état du revêtement. Les données du fabricant doivent donc être utilisées autant que possible.

Si vous sélectionnez un nouveau tuyau ou remplacez un ensemble existant, explorez la gamme de produits de tuyaux miniers de ZYfire et fournissez les détails requis sur le débit, le matériau transporté, la pression, la température, la longueur du tuyau, l"élévation, le routage et le raccord pour une application plus adaptée.

FAQ

Comment puis-je calculer la taille d’un tuyau minier à partir du débit ?

Utilisez le débit requis et la vitesse cible :

ré = √(4Q / πv)

Pour des calculs métriques pratiques :

D (mm) ≈ 18,8 × √[Q (m³/h) / v (m/s)]

Utilisez toujours le diamètre interne réel lorsque vous vérifiez les tailles de tuyaux disponibles.

Un tuyau minier plus gros réduit-il toujours la chute de pression ?

Un tuyau plus grand réduit généralement la vitesse et la perte de charge du tuyau droit pour le même débit. Cependant, cela peut également augmenter le coût, le poids, le rayon de courbure et l"espace d"installation. Dans les applications de boues, un tuyau trop gros peut réduire suffisamment la vitesse pour augmenter le risque de sédimentation.

Quelle est la différence entre la chute de pression et la pression de la pompe ?

La chute de pression est la perte de pression lorsque le matériau se déplace à travers le tuyau, les raccords, les changements d"élévation et d"autres composants. La pression de la pompe doit couvrir ces pertes tout en fournissant la pression requise par l"équipement en aval.

Puis-je utiliser un calcul de chute de pression d’eau pour le lisier ?

Un calcul d"eau peut être utilisé pour une première comparaison, mais il peut ne pas représenter la perte de pression réelle du lisier. Utilisez autant que possible la densité de la boue, la viscosité, la concentration en solides et les données de test du fabricant.

Dois-je utiliser la taille nominale du tuyau ou le diamètre interne réel ?

Utilisez le diamètre interne réel pour les calculs de débit et de chute de pression. La taille nominale est utile pour l"identification du produit, mais le diamètre intérieur fini peut varier en fonction de l"épaisseur du revêtement et de la construction du tuyau.

Comment dois-je dimensionner un tuyau pour un service d’aspiration ?

Le service d"aspiration nécessite une vérification de la vitesse d"écoulement, du diamètre intérieur réel, du vide nominal, de la résistance à l"effondrement, des conditions d"entrée de la pompe et du NPSH disponible. Un tuyau résistant à la pression n"est pas automatiquement adapté aux applications de vide ou d"aspiration.

Ces formules peuvent-elles être utilisées pour les tuyaux miniers à air comprimé ?

Pas directement. L"air est compressible, sa densité change donc avec la pression et la température. Le dimensionnement de l"air comprimé doit utiliser une méthode de débit compressible appropriée et les données de chute de pression du fabricant du tuyau.