La vitesse variable est-elle une solution magique pour les pompes ? Partie 2 sur 2

Jul 13, 2023

Remarque de l'auteur : Dans la partie 1 de cette série du numéro de mai 2021 de Pumps & Systems, j'ai indiqué à tort que lors de l'utilisation des lois d'affinité, vous pouvez également considérer les changements comme un facteur de 4 pour la tête et un facteur de 8 pour la puissance . Ces déclarations ne sont vraies que si la vitesse est doublée (ou réduite de moitié). La version en ligne a été corrigée et peut être consultée sur pumpsandsystems.com/author/jim-elsey.

La forme (géométrie) d'une courbe de pompe est presque entièrement fonction de la forme physique de la roue, du changement d'angle du trajet d'écoulement, du rapport de diamètre (global à l'œil), du chevauchement des aubes, des angles d'aubes et du nombre d'aubes. Toutes ces choses sont essentiellement la vitesse spécifique (Ns) de la roue.

Une pompe fonctionnera là où sa courbe de performance croise la courbe du système ou, inversement, la courbe du système dicte où la pompe fonctionne sur sa courbe. Les courbes de pompe sont normalement décrites (par leur pente/forme) comme "plates" ou "montantes" et parfois comme "montant fortement".

La courbe de pompe plate entraînera généralement un grand changement de débit pour un petit changement de la tête du système, et une forme de courbe de pompe raide (montante) aura un petit changement de débit pour un grand changement de la tête du système. Ces caractéristiques susmentionnées, lorsqu'elles sont tracées avec la courbe du système, fonctionneront soit comme un grand avantage, soit comme une dilution de vos efforts d'économie d'énergie.

Une courbe de système représente toutes les restrictions, la somme des changements d'élévation et le frottement total dans le système pour la gamme complète des débits de conception. La courbe de résistance du système est composée de quatre facteurs de hauteur : hauteur statique, hauteur de pression, hauteur de friction et hauteur de vitesse. Nous pouvons rejeter la tête de vitesse en raison de l'effet minuscule.

La hauteur statique est la distance verticale sur laquelle le liquide doit être déplacé par la pompe. Bien que nous soyons normalement concernés par la charge statique positive, elle peut également être négative (oui, pompage en descente) et ces cas peuvent être gênants car cela déplacera l'intersection de la courbe de friction du système avec la courbe de la pompe plus à droite.

La hauteur de pression est la pression que la pompe doit surmonter pour déplacer le liquide dans un récipient tel qu'une chaudière ou un réacteur. La pression en livres par pouce carré (psi) nécessaire pour surmonter la résistance à l'écoulement est simplement convertie en tête. Le dernier, mais non le moindre, est la tête de friction. La tête de friction change avec le débit et varie selon le carré de la vitesse du liquide (se référer à la formule de Darcy-Weisbach). Ou, en termes simples : le frottement augmente de façon exponentielle avec l'augmentation des débits.

Les courbes système ne sont vraiment pas des entités statiques, malgré ce que plusieurs procédures de calcul et de conception peuvent vous faire croire. Les niveaux changeront avec le processus ainsi que la pression (le cas échéant) et la composante de friction changera lorsque les vannes de régulation changeront de position. De plus, les composants du système et la tuyauterie deviendront plus resserrés avec l'âge, l'encrassement et la corrosion.

La forme finale de la courbe du système aura un effet important sur la faisabilité et votre décision d'intégrer un variateur de fréquence (VFD). Les courbes du système sont normalement classées comme "dominées par le frottement" ou "dominées par la charge statique", mais vous pouvez également avoir des combinaisons des deux.

Les VFD fonctionnent bien là où la courbe de la pompe a une forme ascendante et la courbe du système est dominée par le frottement. Plus la courbe du système (hauteur statique dominée) est plate et plus la courbe de la pompe est plate, moins le système VFD sera efficace. En règle générale, plus la courbe de la pompe est raide, plus le potentiel d'économies d'énergie est élevé, mais une analyse est nécessaire pour plus de précision. Ce n'est pas parce que la courbe est plate que le retour sur investissement ne fonctionne pas.

Les trois principales catégories de systèmes qui peuvent convenir/s'appliquer aux VFD sont :

Lorsque la courbe du système est dominée par le frottement, la réduction de la vitesse entraînera le fait que les points de fonctionnement de la pompe (suivant la courbe du système) suivront la pente du meilleur point d'efficacité (BEP) pour la pompe, car la puissance, le débit et la hauteur diminuent également. Lorsque la courbe est plate (hauteur statique dominée), la pompe sort rapidement du BEP et de la plage de fonctionnement admissible (AOR) à mesure que la vitesse diminue. Vous pouvez également approcher le débit stable continu minimum (MCSF) sur le côté gauche de la courbe. Les limites du côté droit de la courbe sont approchées rapidement dans la petite plage de fonctionnement offerte.

Pour tous les pro-VFD qui lisent ceci, sachez que je suis de votre côté ; Je pense que les VFD sont de merveilleuses solutions, la plupart du temps. Mais il est également important que les opérateurs/propriétaires comprennent que, comme toutes les choses dans le monde, rien n'est parfait. Je suggère à tous les opérateurs, propriétaires et utilisateurs de travailler avec le fournisseur pour éviter ces problèmes répertoriés :

Cette colonne ne couvre qu'une petite partie des variateurs, des moteurs, des pompes, des systèmes et des commandes de processus du système pour les applications à vitesse variable et les évaluations économiques. Les fabricants d'équipements seront une source précieuse d'informations complémentaires et pertinentes. Je vous recommande également de consulter les directives et le matériel pédagogique de l'Institut hydraulique.

Jim Elsey est un ingénieur en mécanique avec plus de 50 ans d'expérience dans la conception et l'exploitation, principalement axé sur la fiabilité des équipements rotatifs dans la plupart des applications et marchés industriels du monde entier. Elsey est directeur général de Summit Pumps et membre actif de l'American Society of Mechanical Engineers, de l'American Society of Metals, de la National Association of Corrosion Engineers et de la Naval Submarine League. Elsey est également le directeur de MaDDog Pump Consultants LLC. Il peut être contacté à [email protected].