Le système est le patron (Partie 1 de 2 … La partie facile)

Jul 27, 2023

Le système de tuyauterie indique à la pompe où fonctionner sur sa courbe de performance. Le système physique peut être représenté géographiquement par une courbe parabolique et est appelé courbe de frottement du système ou, plus communément, courbe de résistance du système (SRC).

Je commence mes cours de formation sur les pompes en déclarant que les pompes sont stupides. C'est le système, et non la pompe, qui dicte où la pompe fonctionnera sur sa courbe de performance, si la pompe est même capable de fonctionner à ce point.

La pompe fonctionnera là où sa courbe de performance croise la courbe du système. Nous ne savons pas toujours où se trouve le point d'intersection - et pour compliquer les choses, il peut changer rapidement en raison d'une pléthore de variables. Pour plus d'informations, consultez ma chronique d'août 2019, « Pourquoi votre pompe fonctionne-t-elle hors de la courbe ? »

La connaissance de la forme et de la position de la courbe du système est cruciale pour résoudre de nombreux problèmes de terrain. Si vous êtes responsable de la fiabilité des pompes et que vous n'avez jamais essayé de calculer la courbe du système pour l'un de vos processus, cette colonne peut vous donner l'impulsion pour amorcer votre parcours éducatif.

La détermination du point de fonctionnement réel de la pompe (hauteur et débit) est une étape critique dans la résolution de problèmes. Si la pompe n'est pas usée et que le système a été correctement conçu et utilisé en premier lieu, il suffit de mesurer la pression différentielle (hauteur) à travers la pompe (hauteur de refoulement moins hauteur d'aspiration = hauteur totale) pour vous rapprocher de la courbe de la pompe , mais cette information ne donne qu'un seul point sur la courbe du système.

Pour cette colonne en deux parties, nous examinerons les trois principaux facteurs qui composent une courbe de système pour une seule pompe centrifuge dans un système ouvert avec une aspiration noyée. Je couvrirai les deux premiers facteurs (les plus faciles) ce mois-ci et les frictions (les plus difficiles) le mois prochain.

Sur le terrain, je rencontre souvent des systèmes qui ont été conçus correctement, mais au fil du temps, des révisions ont été apportées à la conception initiale sans tenir compte de la fiabilité ou des coûts d'exploitation/maintenance à long terme. Malheureusement, j'ai également expérimenté des conceptions de systèmes vouées à l'échec dès le départ. Lors de la résolution d'un problème de système de pompe, je demanderai souvent une copie de la courbe du système au propriétaire. Cependant, il est rare que l'opérateur du système sache quelle est la courbe du système et/ou où elle se trouve. Par conséquent, nous passons les prochaines heures à "parcourir le système" et à développer la courbe du système. Plus de discussion sur "marcher le système" le mois prochain.

Certains concepteurs concevront d'abord le système de tuyauterie, puis choisiront la pompe, tandis que d'autres feront le contraire. Un choix judicieux serait de faire les deux en même temps. Le processus de conception du projet dictera les paramètres de base du système et l'économie (pensez à la taille optimale du tuyau). Les décisions concernant la durée de vie du système doivent être guidées par le niveau de fiabilité requis/souhaité équilibré avec le coût total de possession estimé.

La courbe du système est composée de trois facteurs de base : la charge statique (élévation), la pression et la friction (chute de pression).

En termes simples, une courbe de système définit la relation entre la perte de charge totale et le débit.

Une courbe de charge du système est une représentation cartésienne (quadrant graphique 1) de la charge requise par le système sur toute la plage des débits de conception.

La courbe du système affichée sous forme de graphique représente la relation fonctionnelle entre le débit et la combinaison globale des têtes de charge statique, de pression et de frottement.

Dans la pratique classique, le débit (Q) est affecté à l'axe X horizontal et la tête (H) est à l'axe Y vertical. Pour les systèmes ouverts sans retour avec une aspiration noyée, la tête de pompe totale est la somme totale de toutes les pertes par frottement plus la tête statique et la tête de pression, mais pour un système en boucle fermée, il s'agit simplement des pertes par frottement.

Techniquement, il existe une quatrième composante de la courbe du système de la charge dynamique qui peut être ignorée pour cette version "101" du calcul de la courbe du système car, dans un système correctement conçu, il s'agit normalement d'un facteur négligeable.

Vous pouvez créer la courbe du système sur une feuille de papier millimétré, puis ajouter la courbe de la pompe. Alternativement, j'aime simplement dessiner la courbe du système (superposer) sur une copie imprimée de la courbe de la pompe. Cette dernière méthode peut être un peu désordonnée, mais les axes de tête et de flux avec des valeurs assignées sont déjà établis.

Réflexion: Beaucoup d'entre vous peuvent remettre en question mon choix de papier millimétré à l'ancienne, et j'acquiescerai que vous souhaiterez peut-être simplement faire le travail dans Excel (ou la feuille de calcul de votre choix). Il me reste encore des blocs de papier millimétré d'ingénierie de mes études universitaires (vers 1969) en plus d'une boîte de cartes de compilateur IBM Key Punch pour mes projets Fortran. J'essaie de consommer ces articles avant de me retirer complètement.

La hauteur statique est parfois appelée hauteur d'élévation et est indépendante du débit. Ce premier facteur dans le calcul de la courbe du système est relativement facile à chiffrer et ne nécessite qu'une mesure physique. En bref, la charge statique est la différence de hauteur verticale (changement d'élévation) entre le niveau de surface liquide de la source d'aspiration et le niveau de surface liquide du point de refoulement.

Une autre perspective est que la hauteur statique totale est la différence entre la hauteur d'aspiration statique et la hauteur de décharge statique sur un système inondé. Voir l'image 1 et les commentaires et mises en garde ci-dessous pour plus d'informations.

La hauteur statique est le changement net de hauteur que la pompe doit surmonter. Dans le système des unités coutumières des États-Unis (USCU), les unités sont les pieds et dans le système international d'unités (SI), elles sont exprimées en mètres.

La charge statique ne s'applique qu'aux systèmes ouverts et à leurs variantes. Notez que dans un système en boucle fermée comme un système hydronique, la charge statique est nulle car la pompe n'a pas besoin de surmonter une élévation lorsqu'elle est considérée comme un système complet. Une partie du système pousse le fluide vers le haut, et de l'autre côté du système, la gravité le tire vers le bas pour une somme nette nulle.

Par définition, une "aspiration inondée" signifie simplement que le niveau de liquide du côté aspiration est au-dessus de l'axe central de la turbine de la pompe. Cela n'implique pas qu'il y ait une hauteur d'aspiration positive nette adéquate (NPSHa) et/ou une submersion comme beaucoup le pensent.

Remarque : Du côté aspiration de la pompe, la quantité de distance verticale (hauteur) du liquide au-dessus de l'axe central de la pompe peut être soustraite de la distance verticale à laquelle la pompe doit déplacer le liquide du côté refoulement.

Si le niveau de liquide côté aspiration était inférieur à l'axe central de la pompe (considéré comme une hauteur d'aspiration), la distance verticale devrait être ajoutée car c'est le travail que la pompe doit effectuer.

Lors de la détermination de la charge statique, nous ne nous soucions pas de la forme du tuyau ou du récipient ou s'il y a une distance horizontale significative. Ce facteur simple est uniquement la différence d'altitude.

La hauteur statique (totale, aspiration ou refoulement) est mesurée en l'absence de débit, c'est-à-dire dans des conditions statiques avec la pompe à l'arrêt.

La longueur du composant de distance (axe X) du tuyau horizontal sera capturée plus tard dans le facteur de friction. Pour l'instant, nous nous intéressons simplement à l'effet gravitationnel sur le liquide.

Du côté refoulement de la pompe, vous devez tenir compte de la hauteur entre l'axe central de la pompe et le point le plus élevé du système. Si vous pompez dans un réservoir/récipient (comme dans l'illustration), l'élévation la plus élevée correspond généralement au niveau de liquide dans le réservoir. Cependant, dans de nombreux processus, le refoulement de la pompe est ouvert au-dessus du réservoir, de sorte que le niveau de refoulement du tuyau est le point haut.

Attention aux niveaux minimum et maximum : lorsque vous prenez les mesures, vous capturez un moment statique dans un système dynamique. Considérez toujours le pire des cas, c'est-à-dire "le réservoir d'aspiration est-il à son point le plus bas ou le plus haut ?" Ensuite, demandez à nouveau le niveau ou le point du réservoir de décharge. Oui, vous pourriez avoir plusieurs courbes de système, en raison des différences de charge statique, en fonction de la dynamique du système, et c'est là que réside l'un des problèmes à discerner. La plupart des systèmes ne sont pas complètement définis par une courbe de tête de système à ligne unique (particulièrement applicable lorsque l'on considère la tête de friction).

Techniquement, nous devons mesurer à partir de l'axe central de la roue comme point de référence et, dans de nombreux cas, il s'agit également de l'axe central de la pompe. Cependant, ce n'est pas toujours le cas. Par exemple, une pompe verticale, certains auto-amorçants et/ou une pompe horizontale à boîtier divisé.

Parfois, et pour des raisons valables, des pompes sont utilisées pour pomper du liquide en aval. Dans ce cas, la charge statique sera en fait une valeur négative (quadrant cartésien 4).

Supposons pour notre exemple que la charge statique totale est de 20 pieds ; vous traceriez ensuite une ligne horizontale avec un point de départ sur l'axe Y vertical à une valeur de 20 pieds sur tout le graphique. Cette ligne n'est pas la courbe du système en soi ; c'est simplement un point de référence.

Le deuxième facteur dans le calcul de la courbe du système est la hauteur manométrique. Pour un véritable système ouvert (décharge libre et sans restriction), il n'y a pas de hauteur de pression, nous pouvons donc ignorer le facteur et aucune action n'est requise. Cependant, dans un système ouvert hybride, s'il y a une hauteur de pression, la pression serait convertie en hauteur et ajoutée à la hauteur statique. Pour accomplir cette tâche, il suffit de multiplier la pression par 2,31 et de diviser par la gravité spécifique pour arriver au nombre. Ma pratique personnelle et conservatrice consiste à ajouter une petite quantité supplémentaire de tête au nombre, car la pompe doit réellement surmonter la tête de pression, pas seulement la rencontrer.

Semblable à la tête statique, on suppose que la tête de pression ne change pas avec le débit de la pompe ; il s'agit donc d'une fonction linéaire. De plus, ce n'est pas la courbe du système mais un point de référence pour le point d'initiation de la courbe de frottement (Image 2).

Des exemples courants de hauteur de pression seraient un système d'alimentation de chaudière où la chaudière a une pression de vapeur interne qui doit être surmontée par la pompe ou une pompe à condensat surmontant la pression d'un dégazeur.

Le dernier élément clé du SRC combiné est la courbe de frottement.

Le mois prochain, j'expliquerai "parcourir le système" et aussi comment calculer la portion de friction pour compléter la courbe complète du système.

En termes simples, la charge dynamique est l'énergie nécessaire pour accélérer le fluide d'une vitesse nulle ou faible (à l'aspiration de la pompe) à une vitesse plus élevée en aval du système. La tête de vitesse est le facteur cinétique dans l'équation de Bernoulli (principe de conservation de l'énergie approprié pour les fluides en circulation) qui est un facteur de trois dans la tête totale. La tête de vitesse est généralement calculée car elle ne peut pas être mesurée par une configuration de manomètre standard. Notez que la charge dynamique est nulle dans les systèmes en boucle fermée. Si vous souhaitez en savoir plus, lisez ma chronique d'avril 2020 "Les Trois Mousquetaires".

Les références

Publication technique des grues 410

Livre de données hydrauliques Cameron

Livre de données d'ingénierie de l'Institut hydraulique

Conception de la station de pompage 3e édition, Garr M. Jones et al

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].