Ce blog permet à tous les ingénieurs Process (Procédés) de trouver des infos concernant le Process en général (pompe, ballon, dimensionnement). Cela va des PFD aux équipements en passant par le management de Projet.
Cette article pour objectif de vous aider à déterminer les principales caractéristiques d’une pompe nécessaire à son dimensionnement.
La plus part des pompes dans le milieu industriels sont des pompes centrifuges. Ces pompes présentent l’avantage de couvrir un bon nombre de cas en termes de débit et pression en plus d’être robuste, compacte et peu chère. Pour connaître plus d’informations à ce sujet, je vous invite à lire ; Pompes rotatives et Pompes rectilignes.
Voici un schéma traditionnel d’implantation d’une pompe dans un circuit process. La pompe aspire le liquide du ballon A à une pression donnée (Pa) pour ensuite la refouler dans le ballon B à une pression Pr. Bien souvent des équipements sont installé au refoulement de la pompe en plus de la vanne de régulation. Ces équipements sont représenté par un cercle où "1" est inscrit.
Figure 1 : Représentation d’une implantation de pompe
1. NPSH
La Net Positive Suction Head available (NPSHa) doit-être suffisament élevée pour éviter de faire fonctionner la pompe avec un liquide qui cavite. Si le NPSHa est insuffisant, la pression à l’aspiration n’est pas assez élevée pour garder le fluide liquide à l’aspiration de la pompe. Le fluide du fait d’une pression insuffisante se transforme en gaz faisant caviter la pompe endommageant celle-ci (dommage sur l’impeller principalement). Un bruit de sifflement est un très bon moyen de se rendre compte du phénomène.
Calcul du NPSH
a. Pompe en Aspiration
Figure 2 : Représentation d’une pompe en aspiration
Le NPSH de la figure ci-dessus peut-être calculé de la façon suivante :
|
||||||||||||||
La pression statique se calcule avec la formule suivante :
P = ρ g h
h Hauteur du ballon par rapport au sol (m)
ρ Masse volumique du fluide (kg/m3)
|
||||||||
b. Pompe en décharge
Figure 2 : Représentation d’une pompe en charge
Le calcul du NPSH dans ce cas sera le suivant :
Calcul du NPSHa
Le NPSHa est égale au NPSHr + 1 m. Ce mètre corresponds à une marge de sécurité.
3. Etude d'un cas de dimensionnement d'une pompe
Prenons l’exemple d’un ballon rempli d’eau à une température de 90°C et à une pression de 1 bara. L’eau est à son point de bulle. La pompe doit décharger le liquide de ce ballon en haut d’un autre ballon à une pression de 2 bar. La pression de vapeur saturante de l’eau est de 0.7 bara. La masse volumique du fluide est de 965 kg/m3 à 90°C.
La hauteur h1 est de 5 m et la hauteur h3 est de 10 m. La pompe est sur un socle en béton de 0.5 m (h2).
a. Pression d’aspiration absolue
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Ballon d’aspiration |
1 |
Bara |
|
|
Elévation |
0.5 |
Bara |
|
|
Perte de charge |
Vanne |
0.5 |
Bara |
|
|
En ligne |
0.1 |
Bara |
|
TOTAL |
0.9 |
Bara |
|
b. Pression absolue de décharge
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Ballon de décharge |
2 |
Bara |
|
|
Elévation Ballon - Elevation pompe |
0.9 |
Bara |
|
|
Perte de charge |
Vanne |
0.5 |
Bara |
|
|
En ligne |
0.1 |
Bara |
|
TOTAL |
2.3 |
Bara |
|
La différence de pression est de 2.3 – 0.9 = 1.4 bara
Cette différence de pression s’exprime le plus souvent en mètres grâce à la formule de l’hydrostatique. La Head est d'environs 15 m. Il est prudent de prendre une petite marge de 10%, soit une hauteur requise de 17 m.
c. Calcul du NPSHa
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Ballon d’aspiration |
1 |
Bara |
|
|
Elévation |
0.5 |
Bara |
|
|
Perte de charge |
Vanne |
0.5 |
Bara |
|
|
En ligne |
0.1 |
Bara |
|
TOTAL |
0.9 |
Bara |
|
NPSHa = 2.1 m
En pratique, on choisit dans un premier temps le NPSHr pour ensuite élever le ballon à une hauteur suffisante pour éviter de faire caviter la pompe. Le choix de la valeur du NPSHr est fonction du liquide à pomper mais aussi des pompes sur le marché.
d. Puissance hydraulique
|
Q |
débit volumique du fluide |
m3/h |
|
H |
Hauteur Head de la pompe |
m |
Ainsi pour un débit de 100 m3/h, la puissance hydraulique est de ((100*17*965*9.81)/ 3 600 000) = 4.5 kW.
e. Puissance du moteur
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|
Efficacité du moteur |
% |
Pour une efficacité de moteur de 60%, la puissance du moteur est de (4.5/0.6) = 7.5 kW.
f. Puissance électrique installée
|
ηm |
Rendement électrique du moteur |
% |
La puissance électrique installée est de (7.5 / 0.8) = 9.4 kW pour un rendement de 80%.
3. Résumé de la méthode
Voici ci-dessous les étapes nécessaires pour dimensionner une pompe.
a. Données à avoir avant de débuter le calcul
1 – Les niveaux des ballons d’aspiration et de refoulement
2 – Le schéma d’implantation de la pompe avec les pertes de charges de chaque équipement et des lignes (voir bilan pression)
b. Calcul de la pompe
1 – Choisir le NPSHr du circuit d’aspiration
2 – Déterminer la hauteur du ballon d’aspiration à l’aide du NPSHr
3 – Déterminer la pression de refoulement de la pompe
4 – Déterminer la puissance mécanique et électrique de la pompe.
Ce type de calcul peut-être réalisé simplement sur une feuille de calcul de type Excel. Notre partenaire Procengi propose à la vente une feuille de calcul de ce type pour un prix modique de 25€.
J.M
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