Sélection d'une pompe CVC

Apr 29, 2023

Il existe plusieurs types de pompes utilisées dans le transfert de fluide, mais la plus couramment utilisée dans les systèmes CVC d'aujourd'hui est la pompe centrifuge. Les types de pompes centrifuges comprennent les pompes à volute ou à flux axial. La volute prend l'eau de la roue et évacue l'eau perpendiculairement à l'arbre. Une pompe centrifuge à corps diffuseur (pompe à flux axial) refoule l'eau parallèlement à l'arbre de la pompe.

Les pompes centrifuges sont disponibles dans de nombreux types, y compris les circulateurs, les pompes à aspiration finale à un ou plusieurs étages, les pompes à carter divisé à un ou plusieurs étages et les pompes en ligne verticales.

Les pompes de circulation sont généralement utilisées dans les systèmes à basse pression et à faible capacité. La taille de ce système est généralement inférieure à 150 gpm et n'est pas conçue pour une pression de fonctionnement supérieure à 125 psig. Ce type de pompe est généralement monté directement dans et soutenu par le système de tuyauterie et est disponible avec le moteur en position verticale ou horizontale. Voir la figure 1 pour une pompe de circulation standard.

Les pompes à aspiration axiale sont à simple aspiration et peuvent être à accouplement fermé ou flexible. Une pompe monobloc a la roue directement montée sur l'arbre du moteur. Une pompe à aspiration axiale à accouplement flexible a la roue et l'arbre du moteur séparés par un accouplement flexible. L'avantage d'utiliser une pompe monobloc est que l'alignement de l'arbre du moteur sur la roue est fixe. Une pompe à accouplement flexible peut se désaligner pendant l'entretien. Cela peut créer des problèmes s'il n'est pas correctement remonté par du personnel qualifié. Les pompes à aspiration axiale sont conçues de manière à ce que l'eau entrante pénètre dans la pompe par l'extrémité de manière horizontale. L'eau change alors de direction et est évacuée verticalement, perpendiculairement à l'aspiration. Ces pompes sont généralement installées sur une base solide au sol. Une pompe à aspiration finale peut être utilisée dans les systèmes CVC avec des capacités allant jusqu'à 4000 gpm et 150 pieds de tête.

L'avantage d'utiliser une pompe monobloc est qu'elle nécessite moins d'espace au sol dans un local technique pour l'installation. L'un des inconvénients de l'utilisation d'une pompe monobloc dans un système HVAC est le type de moteur. Le moteur est généralement spécialement adapté au type d'arbre et aux joints de la pompe. Les pompes à accouplement flexible utilisent généralement des moteurs standard. Voir la figure 2 pour une pompe à aspiration finale couplée flexible typique.

Les pompes à carter divisé sont similaires aux pompes à aspiration finale en ce sens qu'elles sont couplées de manière flexible entre le moteur et la pompe. L'ensemble, y compris le moteur et la pompe, est monté rigidement sur une plaque de base commune. L'aspiration et le refoulement de la pompe sont disposés dans le sens horizontal et sont perpendiculaires à l'arbre.

Les pompes à carter divisé sont disponibles en simple ou double aspiration. Pour être une pompe à simple aspiration, l'eau entre dans la turbine d'un seul côté. Pour la double aspiration, le fluide entre dans la turbine des deux côtés. L'utilisation de la double aspiration réduit le risque de déséquilibre hydraulique. La réduction du déséquilibre hydraulique est l'une des raisons pour lesquelles les pompes à carter divisé à double aspiration sont préférées aux pompes à simple aspiration.

Le boîtier divisé peut également avoir plusieurs roues pour un fonctionnement à plusieurs étages. Plusieurs roues fournissent une hauteur manométrique disponible accrue dans une seule pompe.

Les pompes à carter divisé sont disponibles sous forme de carter divisé horizontal ou vertical. Pour les pompes horizontales à carter divisé, le corps de la roue est divisé dans le plan horizontal. Pour les pompes verticales à carter divisé, le corps de la roue est divisé dans le plan vertical. Le fait que le carter soit divisé permet un accès complet à la roue pour l'entretien.

Les pompes à carter divisé sont principalement utilisées dans les systèmes de protection contre les incendies, mais ont également été utilisées dans l'industrie du CVC pour les systèmes de grande capacité. Leur plage de capacité va jusqu'à 6500 gpm et 600 pieds de tête. Ces pompes sont également disponibles avec des pressions de fonctionnement accrues jusqu'à 400 psig. Voir la figure 3 pour une pompe horizontale typique à carter divisé.

Ces pompes ont généralement un encombrement réduit dans un espace d'usine et ne nécessitent pas de bases d'inertie. Les bases d'inertie sont généralement installées pour réduire les vibrations des pièces rotatives à l'intérieur de la pompe. les tuyauteries d'évacuation sont disposées dans le plan horizontal. Les pompes verticales en ligne sont disponibles en simple ou double aspiration. Les pompes verticales en ligne sont monobloc. La pompe et le moteur sont montés directement sur le corps de pompe. La pompe est généralement montée et supportée par le système de tuyauterie dans lequel elle est installée. Pour les pompes en ligne verticales de plus grande capacité, l'ensemble de pompe peut être fourni avec une base pour le montage au sol. L'aspiration de la pompe et

Les pompes verticales en ligne ont une capacité allant jusqu'à 25 000 gpm et 300 pieds de tête. Voir la figure 4 pour une pompe en ligne verticale typique.

Il existe deux types de systèmes dans lesquels les pompes peuvent être installées : les systèmes en boucle fermée et les systèmes en boucle ouverte. Dans l'industrie CVC, les boucles fermées sont des systèmes dans lesquels l'élévation statique n'est pas prise en compte dans les calculs de pression de refoulement. Les systèmes d'eau glacée et de chauffage à eau chaude sont généralement des systèmes en boucle fermée. Un système en boucle ouverte est défini par le système ayant un tuyau qui est ouvert à l'atmosphère. Les systèmes de pompage associés aux tours de refroidissement sont considérés comme des systèmes en boucle ouverte dans la mesure où les buses de pulvérisation au sommet de la tour sont ouvertes à l'atmosphère. Voir la figure 5 pour les configurations générales en boucle fermée et en boucle ouverte.

Lors de la sélection d'une pompe pour les systèmes en boucle fermée, plusieurs facteurs doivent être pris en compte, tels que les pertes de pression associées à la longueur totale horizontale et verticale de la tuyauterie, les coudes et les tés de tuyauterie (raccords), les vannes du système, divers accessoires de tuyauterie , les serpentins de l'équipement, la pression minimale du système à maintenir et la hauteur d'aspiration positive nette requise (le cas échéant).

Chaque taille de tuyau a une chute de pression associée en fonction de la vitesse à laquelle le fluide circule. Les raccords ont également une chute de pression spécifique qui leur est associée. Chaque vanne du système, telle que les vannes d'arrêt, les clapets anti-retour, les vannes d'équilibrage, les crépines, etc., a publié la documentation du fabricant concernant la chute de pression pour la taille et le débit indiqués. Chaque pièce d'équipement du système, y compris les serpentins de refroidissement, les serpentins de chauffage et les refroidisseurs, dispose également de la documentation du fabricant relative à la chute de pression à un débit donné. Le tableau 1 est un exemple de comment additionner les pertes de pression dans un système en boucle fermée.

Comme le montre le tableau 1, une chute de pression pour le système équivaut à environ 81 pieds. La pompe requise pour le système indiqué dans le tableau 1 devrait fournir un minimum de 81 pieds de hauteur pour distribuer correctement le fluide dans le système.

Pour les systèmes en boucle ouverte, en plus de la perte de pression associée à un système en boucle fermée, l'élévation statique doit également être prise en compte.

Dans le tableau 2, nous avons remplacé l'équipement de traitement d'air (serpentins) et la pression du système par une tour de refroidissement et l'élévation statique, respectivement. L'élévation statique du système est la différence de hauteur entre l'entrée de la tour de refroidissement et la décharge de la tour de refroidissement.

Lors de la sélection d'une pompe pour un système ouvert, la hauteur d'aspiration positive nette requise (NPSHr) et la hauteur d'aspiration positive nette disponible (NPSHa) doivent également être prises en compte. Le NPSH est défini comme la pression à l'entrée de la pompe. Si la pression à l'entrée de la pompe est inférieure à la pression de vapeur du fluide à la température locale, le liquide bouillira au niveau de la roue, créant des bulles de vapeur. La création des bulles de vapeur est définie comme la cavitation. La cavitation dans une pompe peut entraîner une défaillance prématurée due à l'érosion de la roue et à la fatigue des paliers et des joints d'arbre.

Le calcul pour déterminer NPSHa est :

NPSHa = Patm + Ps – Pvp – Pf

Patm : pression atmosphérique (pi)

Ps : Hauteur statique de l'eau au-dessus de la roue de la pompe (pi)

Pvp : Pression de vapeur de l'eau (ft)

Pf : Pertes par frottement dans la tuyauterie (ft)

Comme indiqué à la figure 6, le NPSHa équivaut à 45,9 pi (34,2 pi + 15 pi – 1,3 pi – 2 pi = 45,9 pi).

Le NPSHr est généralement fourni par le fabricant de la pompe utilisée dans le système. Le NPSHa doit être supérieur au NPSHr pour éviter la cavitation. Il est recommandé d'appliquer une marge de sécurité au NSPH pour s'assurer qu'aucune cavitation ne se produit dans le système. Une marge de sécurité typique est de 3 pieds lors de la détermination du NPSH d'un système. Si le NPSHa est de 45,9 pieds, une pompe avec un NPSHr maximum de 40 pieds doit être utilisée.

Plusieurs configurations peuvent être utilisées dans les systèmes de pompage. Les pompes peuvent être disposées en parallèle, en série et également dans une configuration de pompage primaire/secondaire. Les pompes installées dans une configuration parallèle sont utilisées lorsqu'un débit supplémentaire est requis à la même pression du système et qu'une seule pompe n'est pas capable de répondre aux exigences du système (voir Figure 7). Les pompes installées dans une configuration en série sont utilisées lorsqu'une pression supplémentaire à un débit maximal défini est requise et qu'une seule pompe n'est pas capable de répondre aux exigences du système (voir Figure 8).

Le pompage primaire/secondaire est utilisé lorsque le débit volumétrique varie entre l'équipement et le système. Au fur et à mesure que la technologie progresse sur les équipements utilisés dans les systèmes de fluides, une réduction de l'utilisation des systèmes primaires/secondaires a été constatée.

Les systèmes d'eau glacée et d'eau de chauffage étaient généralement conçus comme primaires/secondaires. La raison de l'utilisation d'une configuration de pompage primaire/secondaire était due au fait que les refroidisseurs et les chaudières nécessitaient un débit constant à tout moment. Le circuit primaire est à débit constant 100% du temps de fonctionnement. Le circuit secondaire utilise un débit variable. La pompe monte et descend sur le variateur de fréquence (VFD) pour adapter le débit aux exigences du système.

L'utilisation de vannes à deux voies dans le système a permis de réduire le débit au niveau de l'équipement pour correspondre aux charges de la batterie. L'augmentation de la pression dans le système en fermant les vannes renvoie un signal à la pompe pour réduire le débit. Ceci est accompli en installant des capteurs de pression différentielle dans le système de tuyauterie. La pression différentielle est maintenue constante. Lorsque les vannes se ferment, la pression du système augmente. Cela indique à la pompe de ralentir et de réduire le débit pour maintenir la pression constante.

Avant les avancées technologiques du VFD, les systèmes d'eau glacée et de chauffage fonctionnaient avec des pompes à débit constant et des vannes à trois voies. La vanne à trois voies permettait à l'eau de passer par le serpentin ou d'être détournée par une dérivation vers le système. Ce système était à volume constant 100% du temps. Cela signifie que quelles que soient les exigences de charge du système, la pompe fonctionnait à 100 % de sa capacité nominale. Faire fonctionner un système de cette manière est un énorme gaspillage d'énergie. Avec l'introduction des VFD, la boucle du bâtiment pouvait être exploitée à un point compatible avec la charge. Au fur et à mesure que la charge dans le bâtiment diminuait, la pompe a pu réduire sa capacité de pompage. Un exemple de pompage primaire/secondaire est illustré à la figure 9.

Lors de la sélection d'une pompe, plusieurs facteurs doivent être pris en compte. Une fois que les charges CVC du bâtiment ont été déterminées, le débit peut être établi. Ensuite, les pertes de charge du système doivent être calculées. Considérez l'exemple suivant :

Un système d'eau glacée doit être conçu pour un bâtiment. Le système comprendra un refroidisseur refroidi par air, des unités de traitement d'air et une distribution de tuyauterie. La perte de chaleur maximale pour le bâtiment est calculée à 2 400 MBH avec une perte de chaleur minimale de 840 MBH. Cela a été déterminé par les charges CVC effectuées sur le bâtiment. En utilisant un delta de 12 F pour les températures d'entrée et de sortie de l'eau au refroidisseur, un débit maximum de 400 gpm et un débit minimum de 140 gpm sont requis. Le système de distribution a une longueur totale développée (TDL) de 350 pieds de tuyauterie, y compris les raccords. Comme indiqué précédemment, les pertes de charge doivent être calculées. Voir le tableau 3 pour un résumé des pertes de pression dans le système.

Pour calculer les pertes de pression associées à la tuyauterie, la règle d'or consiste à utiliser 2 à 3 pieds par 100 pieds de tuyauterie comme perte de pression et à maintenir également une vitesse maximale de 8 à 10 pieds/seconde (fps). L'érosion de la tuyauterie peut se produire si la vitesse est trop élevée. Dans le calcul ci-dessus, 2,5 pieds par 100 pieds de tuyauterie ont été utilisés pour les pertes de charge.

Sur la base des calculs ci-dessus, la sélection de la pompe sera à une condition de conception de 400 gpm et 85 pieds de charge dynamique totale (TDH).

Maintenant que le débit et la perte de pression sont connus pour le système, la sélection des pompes peut commencer. À ce stade du processus de sélection, une courbe de pompe sera requise. Avant de sortir les catalogues des fabricants ou de les rechercher en ligne, nous devons d'abord déterminer le meilleur type de pompe pour cette application. La façon dont cela est déterminé est en examinant la documentation du fabricant pour déterminer la plage de fonctionnement de chaque type de pompe. Les pompes de circulation sont généralement utilisées pour les applications à faible débit, ce type de pompe serait donc trop petit. Les pompes à aspiration axiale sont généralement utilisées pour les systèmes de petite à moyenne taille.

Comme ce système est un système de taille moyenne, la pompe à aspiration finale est une option potentielle. Les pompes verticales en ligne sont généralement utilisées dans les projets de petite à grande échelle, ces pompes sont donc une autre option. Les pompes à carter divisé sont généralement utilisées pour les grands systèmes hydroniques. Ce type de pompe serait trop grand pour répondre aux exigences du système décrit ci-dessus.

En fonction des utilisations de la pompe et des exigences du système, les pompes à aspiration axiale et les pompes verticales en ligne ont la capacité de fonctionner dans les paramètres de conception.

Il existe des calculatrices en ligne fournies par les fabricants qui peuvent aider à la sélection de la pompe, ou le catalogue du fabricant peut être utilisé. Pour le système de l'exemple ci-dessus, nous devons examiner si une seule pompe peut atteindre à la fois le débit maximal et le débit minimal. Ceci est déterminé en traçant les points sur les courbes de pompe potentielles. Si une seule pompe n'est pas capable d'atteindre les débits maximum et minimum, une deuxième pompe sera nécessaire et raccordée dans une configuration parallèle (voir Figure 7).

Comme indiqué dans les courbes de pompe de la figure 5, une seule pompe peut être utilisée pour répondre aux débits maximum et minimum du système.

Comme le montrent les figures 5 et 6, la pompe en ligne verticale n'est pas un bon choix car le point de fonctionnement se trouve à droite du meilleur point d'efficacité (BEP). De plus, l'efficacité de fonctionnement est d'environ 70 %. La pompe à aspiration finale semble être le meilleur choix des deux. Non seulement la pompe à aspiration finale a un rendement de fonctionnement supérieur à 76 %, mais le point de fonctionnement est situé à gauche du BEP.

Pour déterminer la pompe appropriée, il existe d'autres facteurs que la courbe et l'efficacité de la pompe qui doivent être évalués. Le coût d'exploitation sur la durée de vie du système est également un élément crucial. La pompe verticale en ligne représentée ci-dessus fonctionne à 11,39 chevaux-vapeur (ch)/8,50 kW à pleine charge. Pour simplifier, nous pouvons supposer que la pompe verticale en ligne fonctionne 24h/24 et 74 400 kWh sont consommés. Si le coût de l'électricité est de 0,10 $/kWh, un coût d'exploitation annuel de 7 440 $ est engagé par le propriétaire. La pompe à aspiration axiale représentée ci-dessus fonctionne à 10,71 ch/7,99 kW à pleine charge. En utilisant les mêmes heures de fonctionnement que la pompe verticale en ligne, le coût de fonctionnement encouru par le propriétaire pour la pompe à aspiration finale est de 7 000 $ par année. Une économie annuelle de 440 $ en frais d'exploitation est calculée pour la pompe à aspiration finale.

Comme on peut le voir par le coût de fonctionnement, la pompe à aspiration finale fonctionne non seulement à un point plus approprié sur la courbe de la pompe, mais a également un coût de fonctionnement réduit par rapport à la pompe verticale en ligne. Pour une analyse réaliste des coûts d'exploitation, les heures de fonctionnement de la pompe doivent être déterminées en fonction du profil de charge de l'installation pour laquelle la pompe est sélectionnée. Au lieu de calculer le coût d'exploitation sur la base d'un fonctionnement à pleine charge 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, des heures de fonctionnement à pleine charge équivalentes doivent être insérées dans les calculs.

Plusieurs facteurs peuvent avoir un impact sur la sélection de la meilleure pompe à utiliser sur un projet. Le débit, les pertes de charge, le meilleur point d'efficacité par rapport au point de fonctionnement et le coût d'exploitation sont tous des facteurs importants lors du choix d'une pompe. Commencez par le débit requis pour déterminer le type de pompe le mieux adapté à l'application, puis utilisez la courbe de la pompe et l'analyse des coûts d'exploitation pour finaliser la sélection.

Amy Lasseigne est directrice associée de la mécanique chez JBA Consulting Engineers. Son expertise est la conception de plusieurs usines centrales allant de 150 à 20 000 tonnes. Ces usines centrales desservent des établissements de villégiature de casino à grande échelle ainsi que des établissements d'enseignement et des immeubles de bureaux à petite échelle.

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