C'est à nouveau l'heure de l'amorçage, partie 1

May 31, 2023

Dans ma chronique de juin 2022 sur les applications de pompes à haute température, j'ai déclaré/sous-entendu à plusieurs reprises que la chaleur est une propriété du matériau. Un lecteur attentif et averti a rappelé à ce vieil ingénieur que la chaleur n'est techniquement pas une propriété et qu'elle est simplement une énergie en transition. La chaleur est une fonction de processus/chemin. Mes années d'expérience avec les turbines à vapeur et les tables à vapeur auraient dû me le rappeler, alors toutes mes excuses à M. Richard Mollier. Pour les âmes curieuses qui cherchent à mieux comprendre, veuillez consulter la définition de la chaleur, de l'enthalpie et de l'entropie.

Je suis fréquemment sollicité par des utilisateurs de pompes pour résoudre des problèmes de terrain. Dans un pourcentage élevé de cas, la cause profonde se situe du côté aspiration de la pompe. J'ai écrit de nombreuses colonnes liées au système de pompe (côté aspiration) sur la tête d'aspiration positive nette (NPSH), la submersion critique et d'autres problèmes courants sur le terrain, y compris les pompes auto-amorçantes. Stimulé par les problèmes récents, j'ai décidé de consacrer plus de temps à l'examen plus approfondi des problèmes d'auto-amorçage.

Apprêté

Qu'est-ce que cela signifie quand quelqu'un déclare que la pompe est amorcée ? La définition simple est que la pompe et sa conduite d'aspiration associée sont complètement remplies de liquide. De plus, il n'y a pas de quantités significatives d'air, de vapeur ou d'autres gaz dans le système d'aspiration car ces vapeurs et ces gaz non condensables ont été éliminés par le processus d'amorçage. Techniquement, une pompe auto-amorçante peut être considérée comme "amorcée" mais pas complètement amorcée si la chambre d'amorçage est pleine mais pas le corps et la conduite d'aspiration.

Une pompe centrifuge peut être amorcée par de nombreux moyens différents, et il existe des méthodes internes et externes pour accomplir l'évolution. Cette colonne se concentrera sur les pompes auto-amorçantes qui est une méthode interne.

Toutes les pompes ne sont pas créées égales

Je n'aborderai que les pompes centrifuges dans la catégorie auto-amorçante, mais je ferai d'abord quelques commentaires génériques sur les pompes à déplacement positif (PD). Essentiellement, toutes les pompes volumétriques sont, en principe, auto-amorçantes de par leur conception. Par conséquent, les problèmes d'amorçage ne sont pas aussi répandus dans ce monde, sauf lorsque la pompe fonctionne à sec. Bien qu'il puisse y avoir des problèmes d'amorçage avec les pompes PD, mais l'ampleur est insignifiante par rapport aux problèmes de pompe centrifuge.

À titre d'exemple simplifié, pour un système de pompe PD, le différentiel de pression entre la source d'aspiration et la pompe est suffisamment fort pour déplacer des combinaisons de fluides multiphasiques d'air, de vapeur, de gaz et de liquide dans la conduite d'aspiration et à travers la pompe. La pompe PD a la capacité de gérer des fluides biphasés, contrairement à la plupart des pompes centrifuges. Ma déclaration suppose que le système est correctement conçu, que la conduite d'aspiration ne présente aucune fuite et que la pompe est en bon état.

Dans le cas des unités centrifuges, la pompe ne peut à elle seule surmonter la quantité d'énergie nécessaire pour déplacer tout l'air, la vapeur et les gaz le long du tuyau d'aspiration et à travers la pompe.

Comme je l'ai dit dans des colonnes précédentes, les pompes centrifuges ne sont pas des compresseurs. Une façon simpliste de voir ce problème est que l'eau est environ 800 fois plus dense que l'air. Par conséquent, la pompe devrait travailler 800 fois plus fort et/ou plus longtemps pour déplacer l'air plutôt que le liquide. (Au niveau de la mer, l'eau à 68 F est 784 fois plus dense que l'air.)

Les pompes centrifuges n'aspirent pas le liquide dans la pompe

Une hauteur d'aspiration signifie simplement que le niveau maximal du liquide à pomper est physiquement inférieur à l'axe central de la roue de la pompe. La plupart des pompes centrifuges peuvent fonctionner avec une hauteur d'aspiration si elles sont préalablement amorcées.

Contrairement aux mythes urbains et aux expressions familières, les pompes centrifuges ne sont pas capables "d'aspirer" le liquide d'une altitude inférieure jusqu'au niveau de la pompe. Je concéderai qu'une pompe en fonctionnement crée une petite pression différentielle (un léger vide peut-être?) Au voisinage de l'œil de la roue. Dans une moindre mesure, il faut également comprendre que les liquides ne possèdent pas de résistance à la traction significative (par rapport aux solides) ; par conséquent, la roue ne peut ni saisir ni tirer le liquide. Une source d'énergie externe doit fonctionner de concert avec la pompe pour réellement pousser (et non soulever ou aspirer) le liquide dans la pompe. Dans un système ouvert, l'énergie externe requise est généralement fournie par la pression atmosphérique environnante. Parce que nous dépendons de la pression atmosphérique, il est important de comprendre que la quantité d'énergie disponible n'est ni trop abondante ni constante. La pression atmosphérique changera avec la pression barométrique (météo) et, plus important encore, elle changera avec l'élévation au-dessus du niveau de la mer. Il existe de rares cas où la pression atmosphérique sera supérieure à 14,7 livres par pouce carré absolu (psia) parce que le site est en dessous du niveau de la mer (deux exemples célèbres sont Death Valley en Californie et la mer Morte à la frontière israélo-jordanienne).

Dans un monde parfait

S'il n'y avait pas d'effets de frottement ou de pression de vapeur dans le système de pompe, nous pourrions théoriquement soulever l'eau à la hauteur de la pression atmosphérique environnante équivalente. Par exemple, au niveau de la mer, la pression atmosphérique approcherait 14,7 psia (réel 14,696 livres-force par pouce carré). Converti en pieds de tête, 14,7 psia équivaudrait à environ 34 pieds (en supposant que l'eau a une densité de 1,0 et donc 14,7 X 2,31 = 33,957 pieds ≈ 34).

Nous ne vivons pas dans un monde parfait, et donc la friction et la pression de vapeur se manifesteront comme des facteurs négatifs qui réduiront davantage la portance maximale réalisable. Même pour une pompe à eau froide située au niveau de la mer, vous aurez probablement de sérieux problèmes de performances si la portance de votre système dépasse 26 pieds ou plus.

Pour plus d'informations et de détails sur la portance maximale, consultez les articles précédents sur ce sujet.

Temps d'amorçage

On me demande souvent combien de temps il faut pour qu'une pompe auto-amorçante s'amorce. Ma réponse sardonique mais précise est que cela dépend. Normalement, je dis aux gens que l'amorçage de quatre à cinq minutes est le laps de temps pendant lequel vous devez commencer à vous demander : « Qu'est-ce qui ne va pas ? mais réalisez également que certains systèmes peuvent prendre un peu plus de temps en raison de facteurs atténuants tels que la température du liquide, la viscosité, la portance statique légèrement élevée, le NPSH disponible (NPSHa), la submersion critique, l'intégrité du système et l'état mécanique général de la pompe. Il est également important de comprendre qu'il faut plus de temps à une pompe pour amorcer le système si elle était initialement pleine d'air plutôt que pleine de liquide. Remarque : Le corps de pompe a été amorcé, mais pas le tuyau d'aspiration. Si vous n'avez nulle part d'autre pour commencer votre estimation, je sais que certaines personnes expérimentées sur le terrain utiliseront une règle empirique de 25 secondes par pied de tuyau d'aspiration comme ligne directrice approximative. Les fabricants de pompes, les ingénieurs expérimentés et les meilleures pratiques de l'industrie vous conseilleront toujours de placer la pompe auto-amorçante aussi près que possible de la source d'aspiration. La principale raison de la proximité est de réduire le temps d'amorçage.

La considération suivante est le diamètre du tuyau d'aspiration. Pour la plupart des applications de pompe, vous devez sélectionner un diamètre de tuyau d'au moins une taille supérieure à l'aspiration de la pompe. Ce critère n'est pas toujours vrai pour les pompes en situation de relevage car, encore une fois, le but est de réduire le temps d'amorçage. Certes, les facteurs de friction, le NPSHa et les conceptions/axiomes des meilleures pratiques pour la vitesse maximale de la conduite d'aspiration peuvent dicter la taille de la conduite la plus grande. Ces facteurs supplémentaires devront être évalués au cas par cas et comparés au temps d'amorçage estimé pour l'application de levage. Je suis sûr à 100 % que la taille du tuyau d'aspiration ne doit jamais être inférieure à la buse d'aspiration de la pompe sur n'importe quelle pompe. Minimiser à la fois la longueur et le diamètre de la conduite d'aspiration réduit le volume d'air dans la conduite. Plus le volume d'air est petit, moins il faut de temps pour l'éliminer pendant le processus d'amorçage.

Le tuyau d'aspiration contient un certain volume d'air "x" qu'il faut évacuer pour que la pompe s'amorce et fonctionne ensuite de manière satisfaisante. En revenant au cours de géométrie du lycée, vous vous souviendrez que le volume d'un cylindre est facile à calculer. Le volume d'un cylindre est égal à pi (π ou 3,14159) fois le rayon au carré, fois la hauteur. Dans ce cas, notre cylindre est en fait un tuyau, donc la hauteur du cylindre devient simplement la longueur du tuyau. Attention à bien utiliser le diamètre interne du tuyau pour une meilleure précision. Utilisez toute la longueur, pas seulement la distance verticale (tête statique) et veillez à surveiller vos unités. C'est une erreur facile et courante d'indiquer le rayon en pouces et la longueur en pieds.

N'attendez pas trop longtemps

(Notez que cette section est un extrait abrégé de ma chronique d'octobre 2021)

Quel est le problème avec le temps d'amorçage ?

Première préoccupation : la lubrification des faces de la garniture mécanique est primordiale pour la santé de la garniture et le bon fonctionnement général de la pompe. Si la pompe fonctionne sans liquide (lubrification), les faces d'étanchéité seront détruites en une minute à New York (rapide). Si la pompe est équipée d'un presse-étoupe rempli, la garniture fonctionne à sec et elle aussi tombera rapidement en panne. Que votre pompe ait une garniture ou un joint mécanique, si elle tombe en panne à l'extérieur, de l'air s'infiltrera dans le système et la pompe ne s'amorcera pas.

La plupart des équipementiers de pompes auto-amorçantes conçoivent la position de la chambre d'étanchéité pour qu'elle soit automatiquement inondée (par défaut par position) avec du produit et/ou remplie d'un fluide compatible (par exemple de l'huile) pour empêcher un fonctionnement à sec pendant le processus d'amorçage. Cependant, sachez que le fabricant s'attend à ce que l'évolution de l'amorçage soit de courte durée. Pour les auto-amorçants avec presse-étoupe garnis, il est important de disposer d'une source externe de rinçage ou d'une méthode de lubrification alternative pendant la période d'amorçage. Renseignez-vous auprès du fabricant pour ses conseils. Par exemple, certaines pompes ont un orifice d'injection de graisse au niveau du presse-étoupe à utiliser uniquement pendant le processus d'amorçage.

Deuxième préoccupation : pendant le processus d'amorçage, l'eau dans la cavité d'amorçage (boîtier ou chambre auxiliaire) est recirculée et agitée par la turbine. Cette action de cisaillement ajoute de la chaleur et augmente la température du liquide assez rapidement.

Il est difficile de calculer avec précision la vitesse à laquelle la température du liquide augmentera pour votre installation spécifique car de nombreux facteurs sont impliqués, mais nous savons que l'ensemble de la puissance et de la vitesse sont des facteurs majeurs. Il est important de noter que les pompes fonctionnant à 3 550 rotations par minute (rpm) chaufferont le liquide huit à 10 fois plus vite qu'à 1 750 rpm.

Sur les pompes à vitesse plus élevée, il n'est pas rare que le liquide dans la chambre de garniture mécanique/boîte à garniture chauffe à une vitesse de 40 à 50 degrés par minute. Une partie de cette chaleur sera dissipée dans la température ambiante, mais le point saillant est que le liquide chauffe assez rapidement, ce qui modifie également la pression de vapeur. Lorsque le liquide entourant la garniture mécanique se réchauffe, il peut facilement s'évaporer. Remarque : Tous les joints mécaniques ne sont pas soumis à cette situation de chambre d'étanchéité telle que décrite, et cela dépend du fabricant, du modèle et de la conception.

Pendant ce temps, de retour dans la chambre de tubage/d'amorçage, la température et la pression de vapeur augmenteront également rapidement. Par conséquent, le risque/probabilité de flasher le liquide dans la chambre d'amorçage augmente également. Le but ultime est d'amorcer la pompe avant de flasher le liquide.

Calcul du temps d'amorçage

Pour calculer le temps d'amorçage estimé pour votre système unique, vous pouvez demander l'aide du fabricant de la pompe.

Avant de contacter l'OEM, vous devez d'abord connaître les informations suivantes :

Dans tout système ouvert, en utilisant une pompe auto-amorçante dans une application de levage, la pression de vapeur, la friction, la portance statique et le temps ne sont pas vos amis. Vous n'avez pas une quantité infinie d'énergie positive disponible dans votre arsenal pour les combattre.

Vos seuls alliés dans la recherche d'une pompe correctement amorcée sont la pression absolue et la minimisation du temps d'évolution de l'amorçage. Concevez le système pour avoir des temps d'amorçage courts en plaçant la pompe près de la source et dimensionnez correctement le tuyau d'aspiration.

Dans ma prochaine chronique, je vais passer en revue un exemple de calcul des heures de grande écoute et proposer quelques conseils pour un système sans problème.

Lire la partie 2 ici.

Jim Elsey est un ingénieur en mécanique avec plus de 50 ans d'expérience dans les équipements rotatifs pour les applications industrielles et marines à travers le monde. Il est conseiller en ingénierie pour Summit Pump, Inc., membre actif de l'American Society of Mechanical Engineers, de la National Association of Corrosion Engineers et de la Naval Submarine League. Elsey est également le directeur de MaDDog Pump Consulting LLC. Il peut être contacté à [email protected].