Lire une courbe de pompe

Lire une courbe de pompe

Les pompes sont souvent considérées comme des machines qui fournissent le débit et la pression requis, mais en réalité, les performances d'une pompe sont dictées par une courbe de performance précisant la manière dont la pompe fournit une gamme de débits à différentes pressions.

Les pompes fournissent une pression et un débit différentiels en fonction de leur installation. Il y a 3 gammes principales de pompes, à savoir les pompes centrifuges, les pompes volumétriques rotatives et les pompes volumétriques alternatives, qui présentent des caractéristiques différentes selon les circonstances auxquelles elles sont confrontées.

Qu'est-ce qu'une courbe de performance de pompe ?

Les pompes sont des machines simples qui fournissent une performance basée sur le système dans lequel elles fonctionnent, car la plupart des pompes n'ont pas d'interface de contrôle à moins d'être équipées d'un capteur de pression et d'un variateur de fréquence (VFD) et elles doivent être mises en service manuellement sur le site.

La performance d'une pompe sera fonction des pertes de pression dans le système, les pompes produisant un débit et une pression différentiels, compte tenu des conditions à l'entrée. Une courbe de pompe est une représentation graphique des débits et des pressions différentiels qui peuvent être produits par une pompe.

90 % des problèmes liés aux pompes proviennent du système dans lequel elles sont installées et il est donc important de noter que la sélection de la pompe n'est qu'une partie du processus de sélection d'une pompe adaptée au processus.

Pour pouvoir sélectionner une pompe pour votre processus, il est important de connaître les paramètres suivants :
1. Fluide pompé
2. Application
3. Débit requis
4. Pression requise
5. Viscosité du fluide et poids spécifique
6. Température
7. Puissance disponible / Puissance moyenne utilisée pour entraîner la pompe.

Il y a deux types de courbes de pompe en fonction de la pompe sélectionnée et il s'agit des courbes de pompes centrifuges et de pompes volumétriques.

Courbe de pompe centrifuge 

Les pompes centrifuges représentent 70 % des applications de pompage et leurs courbes ont généralement la forme d'une demi-lune où le point le plus élevé sur la gauche indique la pression la plus élevée, mais le débit le plus faible, et l'extrémité droite de la courbe le débit le plus élevé mais la pression la plus faible. Le point de fonctionnement affiche généralement le rendement indiqué en pourcentage.

Les chiffres à l'extrémité de la courbe correspondent au diamètre de la roue, qui est taillée pour obtenir le débit et la pression requis. Plus une roue est taillée, plus l'impact sur le rendement d'une pompe est important, car l'écart entre l'extérieur de la roue et le corps est plus grand, ce qui crée des inefficacités.

Bien qu'une courbe de pompe indique les différents points de fonctionnement qu'une pompe peut atteindre, l'exploitation de la pompe dans certaines zones de fonctionnement peut entraîner de nombreux problèmes.

Point de rendement maximal (PRM)

Ainsi qu'on peut le voir sur les illustrations ci-contre et ci-dessus, il y a un point typiquement à mi-chemin de la courbe de la pompe connu sous le nom de Point de Rendement Maximal, qui est le point le plus efficace auquel la pompe peut fonctionner.

Ainsi qu'on peut le voir sur l'illustration ci-dessous, si la pompe fonctionne à gauche, cela peut signifier une faible durée de vie des roulements, une défaillance de la garniture mécanique et de fortes vibrations.

Si la pompe fonctionne trop à gauche de sa courbe, il n'est pas tenu compte de la capacité supplémentaire en cas d'erreur de calcul des pressions du système. Si la pompe fonctionne trop à droite, il y a un risque de cavitation qui peut très rapidement détruire le corps de la pompe et la roue avec pour effet une ébullition du liquide. Une bonne pratique consiste à toujours disposer d'une marge de sécurité de 10 % vers la gauche du point de fonctionnement pour assurer que la pompe peut fonctionner comme il se doit, car la performance d'une pompe peut toujours être réduite, mais pas augmentée.

Courbe de pompe volumétrique

Une courbe de pompe volumétrique est différente de celle d'une courbe de pompe centrifuge, car il s'agit généralement une ligne droite.

Ceci provient du fait que le débit d'une pompe volumétrique est proportionnel à la vitesse en tr/min et qu'il ne diminue pas avec la pression, comme c'est le cas d’une pompe centrifuge. Une courbe de pompe volumétrique a généralement un axe séparé précisant la viscosité, où la pompe indique un débit en fonction de la viscosité selon la courbe ci-dessous.

Qu'est-ce que le NPSH d'une courbe de pompe ?

Le NPSH d'une courbe de pompe NPSH représente la Charge Nette Absolue à l'Aspiration (NPSH) requise en mètres (m) pour atteindre le point de fonctionnement. Le NPSH d'une pompe centrifuge est généralement stable sur le côté gauche de l'axe, où une pompe produit la pression la plus élevée, mais le débit le plus faible. Après le Point de Rendement Maximal, la courbe NPSH augmente régulièrement avant de monter brusquement à la fin de la courbe de performance où la pompe cavitera si elle est opérationnelle. La courbe NPSH est plus pertinente pour les pompes centrifuges rotatives et moins pour les pompes volumétriques qui risquent moins de fonctionner en fin de courbe et donc de caviter. Sur la courbe ci-dessous, un NPSH de 3,32 m est nécessaire pour obtenir les performances requises.

Qu'est-ce qu'une courbe de système ?

Une courbe de système fournit une image graphique de la tête de pompe nécessaire pour faire circuler le fluide dans le système prévu. La courbe du système prend en compte les pertes de tous les composants nécessaires à différents débits au sein du système, ainsi que dans la hauteur statique de pression. Une courbe de système sera tracée sur une courbe de pompe, et l'endroit où les deux se croisent détermine le débit et la pression qui seront produits dans le système.

Qu'est-ce qu'une courbe de rendement de pompe ?

Une courbe de rendement de pompe indique l'efficacité d'une pompe sur toute la gamme des débits et des pressions produits par une pompe. Sur le côté gauche de la courbe, le rendement sera compris entre 0 et un maximum d'environ 85 % de rendement avant de diminuer après environ le milieu de la courbe de performance. Dans le cas idéal, une pompe doit fonctionner aussi près que possible de son Point de Rendement Maximal (PRM) pour assurer une durée de vie maximale des composants et une usure minimale.

Si les pompes sont utilisées en dehors du Point de Rendement Maximal (PRM), leur performance en sera réduite et si elles sont exploitées de manière inefficace, elles risquent de subir des dégâts entraînant leur destruction en quelques minutes.

Courbe de pompe vs tr/min

Les courbes de pompe sont affichées à la vitesse maximale du moteur, mais toute réduction de la vitesse de la pompe entraînera une réduction de la courbe. Le bord extérieur de la courbe se déplacera vers l'intérieur pour se rapprocher de l'axe de tous les côtés, ce qui signifie une réduction de la pression et du débit à la sortie. La réduction de la vitesse d'une pompe est plus efficace que la réduction du diamètre d'une roue, car les jeux entre l'extrémité de la roue et le corps restent faibles. 2 pompes fonctionnant à une capacité de 50 % économiseront plus d'énergie qu'une seule pompe fonctionnant à capacité maximale. 

Courbe de pompe vs puissance

La puissance utilisée pour fournir une performance spécifique varie en fonction de la position de fonctionnement de la pompe sur sa courbe.  Les pompes sont souvent munies de moteurs plus puissants que nécessaire pour le point de fonctionnement, pour assurer que si la pompe fonctionne vers l'extrémité de sa courbe, elle continuera à fonctionner, selon les besoins, et ne se déclenchera pas. Ainsi qu'on peut le voir à l'extrémité gauche de la courbe ci-dessous, la pompe absorbe (consomme) légèrement plus de 3,5 kW au point de fonctionnement et une puissance de 7,09 kW s'avérera nécessaire pour fournir le débit requis. La puissance absorbée par la pompe continue de monter après le point de fonctionnement, ce qui signifie en pratique qu'une pompe doit être munie d'un moteur d'une puissance d'au moins 7,5 kW pour couvrir l'extrémité de la courbe. 

Remarques et hypothèses importantes

Base de la courbe
Les courbes sont toujours basées sur de l'eau douce à 20 °C au niveau de la mer, ce qui peut ne pas refléter les exigences de votre application. C'est la raison pour laquelle la viscosité du fluide et le poids spécifique sont nécessaires pour créer une représentation précise de ce que votre équipement va réaliser.

Viscosité
La viscosité peut varier de manière significative avec certains fluides tels que les huiles et il est important de s'assurer que le chiffre cité est correct. De nombreux fluides ont une viscosité indiquée à 20 °C ou 60 °C, qui peut être éloignée de la température réelle de pompage, en particulier dans les applications de refroidissement où la pompe doit fonctionner avant le chauffage de l'huile.

Débit continu minimal de sécurité (MCSF)      

Le Débit Continu Minimal de Sécurité est le débit minimal qu'une pompe centrifuge peut fournir sans subir de problèmes tels que la cavitation ou l'usure excessive ; c'est souvent une valeur utilisée pour concevoir les vitesses de fonctionnement et les vannes de régulation de dérivation dans les procédés où les pompes peuvent fonctionner en continu, telles que les applications d'alimentation de chaudières, de refroidissement ou de lubrification.

Tailles des pôles de moteur
Les rotations des moteurs des pompes centrifuges sont déterminées par le nombre de pôles du moteur. Plus un moteur a de pôles, plus il tourne lentement. L'augmentation du nombre de pôles d'un moteur peut aider les pompes à produire plus de débit à des pressions plus faibles, et à bénéficier d'une réduction du NPSH requis, à subir une plus faible usure et à utiliser un moteur de plus petite puissance. Si une pression plus élevée est nécessaire, les pompes à faible débit fonctionneront à une vitesse (tr/min) plus élevée pour générer les pressions requises.

Changer le nombre de pôles du moteur n'est pas la seule manière de modifier la vitesse de la pompe. Les pompes peuvent également être réglées à des vitesses (tr/min) individuelles si elles sont utilisées par l'intermédiaire d'un inverseur ou d'un variateur mécanique. Les pompes volumétriques utilisent généralement un réducteur, la pompe fonctionnant à la vitesse maximale du moteur, afin de garantir qu'elle tourne à une vitesse (tr/min) déterminée.

Certaines applications nécessiteront qu'une pompe fonctionne pendant une courte période, et d'autres 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, par exemple pour le refroidissement, auquel cas une faible vitesse de moteur sera choisie. Une pompe volumétrique peut avoir un moteur bipolaire, plutôt qu'un moteur avec plus de pôles, en raison du couple de démarrage. Il faut également être prudent, car les moteurs peuvent être répertoriés comme ayant une vitesse élevée, mais en fait, la vitesse peut être considérée comme inférieure à celle du moteur. Les courbes des pompes North Ridge sont spécifiées en fonction de la vitesse (tr/min) exacte du moteur, plutôt qu'en utilisant une valeur générale.

Tolérances de conception de pompe - Essais ISO 9906

La norme ISO 9906:2010 précise les critères de performance hydraulique qu'une pompe rotodynamique doit respecter. Il y a trois niveaux d'acceptation, à savoir :

·         1B, 1E et 1U

·         2B et 2U

·         3B

Ceci signifie que, selon la classe utilisée pour les essais, la hauteur de charge peut varier entre +/- 0 % et +/-7 % et le débit entre 0 % et +/-9 %, ce qui nécessite un examen attentif lors de la sélection de la pompe. C'est souvent la raison pour laquelle des marges sont ajoutées aux performances demandées 

Tableau des tolérances de conception de pompe

Loi d'affinité de la courbe de pompe

Les lois d'affinité de la pompe sont un ensemble de formules qui peuvent être utilisées pour déterminer les performances d'une pompe lorsqu'une modification est apportée, comme par exemple, la vitesse ou le diamètre de la roue, au débit et à la pression produits avec un degré de précision élevé.

Il y a 3 lois d'affinité :

1) Le débit est proportionnel à la vitesse de l'arbre ou au diamètre de la roue 

Lorsque la vitesse de l'arbre ou le diamètre de la roue est modifié, le débit change dans les mêmes proportions. Si la vitesse d'une pompe est réduite de 20 %, le débit à la même hauteur de charge diminuera également de 20 %.

2) La pression produite est proportionnelle au carré de la vitesse de l'arbre ou du diamètre de la roue

En cas de modification du diamètre de la roue ou de la vitesse de l'arbre, la pression changera proportionnellement au carré du changement de la vitesse de l'arbre ou du diamètre de la roue. Si la vitesse d'un arbre augmente de 10 %, la pression au même débit augmentera de 21 %.

3) La puissance est proportionnelle au cube de la vitesse de l'arbre ou du diamètre de la roue

Si la vitesse de l'arbre augmente de 10 %, la puissance étant proportionnelle au cube de la vitesse de l'arbre, la pression augmentera de 33,3 %.