11 juin, 2021

Déterminer efficacement la hauteur statique lors du dimensionnement des pompes centrifuges dans les applications minières

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Au cours des travaux de conception, il nous arrive souvent d’effectuer des calculs de systèmes de pompage. La hauteur statique du système est l’un des paramètres devant être établi afin de bien dimensionner les pompes. Cette réflexion survient souvent lorsqu’on envisage un type de configuration spécifique pour la tuyauterie. Cela arrive souvent dans les systèmes de pompage en usine, surtout lorsqu’il s’agit de pomper des liquides chargés. Cet article de blogue tentera de démystifier la question et de fournir certaines recommandations pratiques sur la façon de déterminer la valeur de la hauteur statique.

  1. Description du problème

    Deux types de systèmes de pompage peuvent être utilisés, selon le profil d’élévation de la tuyauterie.

    Type 1 : Les systèmes dont aucune section de la tuyauterie n’a une élévation supérieure au point de déversement. Quand il s’agit de pomper des liquides chargés, par exemple, ce type de système est utilisé pour pomper vers des distributeurs gravitaires alimentés par le bas (Figure 1). Pour ce type de système, la hauteur statique (SH) n’est pas ambiguë et doit être établie ainsi.

  2. Type 2 : Les systèmes qui ont une section de tuyauterie dont l’élévation est supérieure au point de refoulement (Figure 2).

  3. Cette configuration est parfois choisie pour s’adapter à l’aménagement spécifique d’une usine. On s’en sert aussi quand on souhaite augmenter artificiellement la tête de pompe pour l’inclure dans l’enveloppe opérationnelle. Cette situation se produit quand il faut pomper « de l’autre côté du plancher » (plutôt que vers le haut), soit à partir d’un module de pompage jusqu’à un équipement ou un réservoir situé à la même élévation ou légèrement plus haut.

    Dans les cas qui présentent cette configuration, voici la question à se poser : Laquelle des deux valeurs de hauteur statique – SH1 ou SH2 – devrait servir au calcul du système?

    Discussion

    Le refoulement se produit comme suit dans une configuration de type 2. Une fois le pompage amorcé, le liquide atteint tout d’abord le point d’élévation supérieur correspondant à SH1. Ensuite, il amorce le siphon (section entourée d’un nuage sur la figure 2). Une fois que l’écoulement est établi et que le débit de refoulement à l’extrémité du tuyau est constant, la pompe commence à alimenter le circuit de tuyauterie avec une hauteur statique correspondant à SH2. À partir de ce moment, la section du siphon sera soumise à une pression négative.

    À la lecture de cette description, on pourrait croire qu’il faut utiliser SH1 pour les calculs. Toutefois, bien que cette approche pourrait paraître logique, elle devrait être examinée attentivement pour les raisons suivantes :

    A. La pompe doit quand même pouvoir produire la tête hydraulique suffisante pour permettre au liquide d’atteindre le point d’élévation le plus haut, afin d’alimenter le siphon. Il n’est pas garanti qu’une pompe à vitesse constante dimensionnée avec une hauteur statique correspondant à SH2 le pourra. L’examen de la courbe type d’une pompe permet de déduire, au minimum, que la différence d’élévation correspondant à la hauteur de refoulement DH (Figure 2) ne doit pas dépasser le gain de tête hydraulique entre la hauteur d’exploitation établie et la tête d’arrêt de pompe, soit la valeur DH1 sur la courbe correspondant à la pompe (Figure 3). En outre, pour des raisons pratiques, le gain de tête réel devrait être inférieur à DH1 pour veiller à ce que, pendant l’amorce du siphon, le débit de la pompe ne se trouve pas trop près de zéro. En pratique, il devrait être établi à 15 ou 20 % du débit nominal.

  4. Cette analyse est encore plus importante quand il s’agit de pomper des liquides chargés. En effet, puisque les courbes des pompes de ces liquides sont généralement assez planes, la hauteur DH1 est souvent réduite.

    B. La force de la pression négative présente dans le siphon dépend de la valeur DH (hauteur de refoulement). La pression absolue dans le manomètre à vide est d’environ 10 m pour la colonne d’eau, mais de 10/(densité relative) pour la colonne de liquides chargés. Il n’est pas réaliste d’atteindre ce niveau de vide. Je recommanderais d’établir la valeur de service du vide présent dans le siphon à au maximum 50 à 60 % de ce maximum absolu. En appliquant ce critère à un système de pompage de liquides chargés dont la densité relative est de 1,5, la DH maximum ne devrait pas être supérieure à 10 x (50 à 60 %)/1,5 = 3,35 à 4 m. C’est beaucoup plus pragmatique ainsi.

    C. Si l’aménagement de l’usine exige que la DH soit plus haute que 4 m pour les réseaux de liquides chargés, alors le dispositif anti-refoulement devrait être installé à l’élévation de tuyauterie la plus haute pour annuler la pression négative dans le siphon. Par la suite, la pompe devrait être dimensionnée avec une hauteur statique du système correspondant à la valeur SH1. Par conséquent, aucun vacuum ne sera observé dans la section du siphon du circuit de tuyauterie.

    D. Au moment de dimensionner une pompe à vitesse variable, on peut prévoir un jeu puisque sa vitesse pourrait être surmultipliée au moment de charger le siphon au début du cycle de pompage. Cependant, aussitôt le débit permanent établi, vous devrez réduire la vitesse pour la rétablir au point d’exploitation nominal, pour une hauteur statique du réseau correspondant à SH2. Cette précaution empêchera l’augmentation du débit de la pompe – sans raison dicté par les conditions du procédé. La réduction de la vitesse devrait être contrôlée par un transmetteur de pression qui intervient quand se produit une baisse de pression au refoulement une fois l’écoulement permanent atteint.

    Conclusion

    Lorsque vous devez dimensionner des pompes dans un circuit de tuyauterie de type 2, la hauteur statique devrait être soigneusement étudiée. Dans le cas contraire, cette négligence pourrait entraîner une vitesse de pompe mal choisie, une mauvaise estimation de la puissance de moteur requise et des effets indésirables dans la section du siphon du circuit de tuyauterie. Des poches d’air pourraient se former dans le siphon et entraîner une interruption de l’écoulement, de possibles problèmes de cavitation et une performance irrégulière de la pompe (c.-à-d., un écoulement réduit ou intermittent). C’est encore plus important quand il s’agit de dimensionner des systèmes de pompage de liquides chargés étant donné la nature des courbes de pompes de liquides chargés et le fait que le liquide chargé est plus lourd que l’eau et que le vacuum au siphon sera atteint aux valeurs DH plus basses.

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