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Energie mécanique fournie au fluide (Circuit fermé), énergie mécanique en charge hydrostatique (Fluide sur circuit ouvert)- Energie dégradée (Puissance à l'arbre de la pompe) |
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Pour véhiculer un liquide d'un endroit à un autre, la pompe doit fournir une certaine pression appelée hauteur manométrique totale, cela dépend des conditions d'aspiration et de refoulement. Densité du fluide La densité est un facteur important à considérer lors du dimensionnement d'une pompe. La densité d'un liquide peut affecter la pression de sortie d'une pompe. Sur une hauteur verticale identique, un liquide plus lourd que l'eau exige une plus grande force pour véhiculer le fluide. Le graphique ci-dessous compare en hauteur de liquide pour une pression identique les hauteurs de liquides ayant des densités différentes. Une colonne d'eau de 100 m (densité de 1 ou 1000kg/m3) exerce une pression de 9,81 bar, alors qu'une colonne de 83 m de saumure (liquide plus lourd) et une colonne 133 m d'essence (liquide plus léger) sont nécessaires pour exercer la même pression.
Charge hydraulique (Hh)
Installation à circuit fermé Pour les installations de chauffage ou d'eau glacée avec dispositifs d'expansion fermé, les pompes hydrauliques sont déterminées selon : HMT = Perte de charge du circuit hydraulique Installation à circuit ouvert Ceci concerne par exemple les installations de chauffage ou d'eau glacée avec dispositif d'expansion ouvert, tour de refroidissement à circuit ouvert, les installations de distribution d'eau sanitaire, etc. Hauteur manométrique totale (HMT)
Autres cas avec des pressions relatives P1 et P2 différentes :
Une pompe possède une capacité maximum d'aspiration qui est la valeur du vide qu'elle peut produire. Cette caractéristique varie suivant le type et la conception technique de la pompe. Théoriquement, la hauteur maximale d’aspiration, dans une cavité où règne le vide absolu, est égale à la pression atmosphérique, c’est à dire à 1013 mbar au niveau de la mer (10,33 m d'eau). Elle diminue progressivement quand l'altitude augmente. En réalité cette hauteur est limitée, non seulement par les pertes de charge dans la conduite d’aspiration mais également par les propriétés physiques à chaque type de liquide. Qu'est-ce le N.P.S.H.? NPSH est simplement une mesure permettant de quantifier la hauteur manométrique d'aspiration disponible pour éviter la vaporisation au niveau le plus bas de la pression dans la pompe. Pression atmosphérique (Patm) Dans un même lieu cette pression atmosphérique de 1013 mbar au niveau de la mer peut varier selon les conditions météorologiques. Il n'est pas rare d'entendre d'une dépression de 960 mbar, ce qui représente une variation de 53 mbar par rapport à la pression atmosphérique normale. La pression atmosphérique pratique d'aspiration généralement adoptée est une variation en moins de 25 à 30 mbar, pour se placer dans des conditions normales défavorables, soit de 985 mbar. Pression de vapeur saturante (Pv) C’est la pression de vapeur maximale que l’air peut supporter à une température donnée. C'est le cas de l'air en contact de l'eau. La pression de vapeur saturante augmente avec la température. A une température donnée, un liquide à une pression d’ébullition bien donnée correspond sa tension de vapeur. Si la pression en un point de ce liquide devient inférieure à la tension de vapeur, il entre en ébullition. Ces valeurs sont données sur ce site dans la table d'eau à la pression atmosphérique. Pour un mélange de liquides, on prend comme valeur la tension de la vapeur de la fraction la plus volatile, donc la tension de vapeur la plus élevée. Dans une enceinte fermée, il se vaporise jusqu’à ce que la pression se rétablisse. A l’air libre, au contraire, il se vaporise complètement. Pour le pompage d’eau à 20°C, la tension de vapeur est de 2337 Pa (0,24 mCE). Pour une eau chaude, elle peut être de plusieurs mètres (101325 Pa ou 10,33 mCE à 100°C) Calcul du NPSH disponible pour une pompe aspirante dans une nappe d’eau à l’air libre
Calcul du NPSH disponible pour une pompe en charge
NPSH requis C'est la hauteur minimum de liquide (supposé à sa
température d'ébullition), nécessaire au-dessus
de l'aspiration, pour empêcher la cavitation. Il dépend:
Il est donné par le fabricant de la pompe sous la forme
d'une courbe donnant le NPSH requis (en mètre de liquide)
en fonction du débit. Exprimé ainsi (en mètres de liquide), le NPSH est
indépendant de la nature du liquide pompé. Quelques pompes spéciales, dites à faible NPSH autorisent des valeurs inférieures à 1 mètre. Il est indispensable que le NPSH disponible dans le système hydraulique soit plus élevé que le NPSH requis par la pompe. Généralement on prend une marge de sécurité supplémentaire de 0,5 m. Cavitation Est un terme employé pour décrire le phénomène qui se produit dans une pompe quand le NPSH est insuffisamment disponible. La pression du liquide est réduite à une valeur égale ou inférieure à sa pression de vapeur là ou les petites bulles ou poches de vapeur commençant à se former. Le bruit d'accompagnement est le moyen le plus facile pour identifier la cavitation. La vibration et les dommages mécaniques tels que la défaillance de roulement peuvent également se produire en raison du fonctionnement dans la cavitation. Le seul moyen d'empêcher les effets indésirables de la cavitation c'est de s'assurer que le NPSH disponible dans le système est plus élevé que le NPSH requis par la pompe. Le circuit de refoulement n'intervient pas dans les problèmes de cavitation. Il ne faut jamais placer de vanne de réglage ou de vanne d'isolement sur la conduite d'aspiration.
L'énergie absorbée par la pompe se décompose-en : Energie mécanique fournie au fluide (Circuit fermé) C'est la puissance hydraulique communiquée au liquide lors de son passage à travers la pompe. Cette puissance mécanique est donnée par la formule suivante :
Avec :
Energie mécanique en charge hydrostatique (fluide sur circuit ouvert)
Avec :
Energie dégradée exprimée par le rendement de la pompe (Puissance à l'arbre de la pompe) C'est la puissance mesurée sur l'arbre de la pompe. L'énergie mécanique nécessaire à une pompe est toujours supérieure à l'énergie transmise au fluide, suite aux différents frottements des organes de rotation.
Avec :
Dans les pompes centrifuges, l'essentiel de l'énergie dégradée échauffe le liquide pompé. Dans les pompes alternatives, l'essentiel de l'énergie dégradée l'est dans les transmissions mécaniques et n'est pas communiquée au liquide. Les rendements généralement admis sont :
Motorisation Lors du choix du moteur, c'est la puissance absorbée par la pompe qui détermine la puissance délivrée par le moteur et donc aussi la puissance absorbée au réseau. Il faut donc prendre garde à ce que le moteur ait une puissance suffisante pour satisfaire toutes les situations de fonctionnement de l'installation. Prenons le cas d'une pompe ayant une puissance absorbée de 8.5 kW. Le moteur fournira ces 8.5 kW, indépendamment du fait qu'il soit conçu pour 7 kW ou 10 kW. Un moteur de 7 kW, devant fonctionner à 40°C, serait donc toujours surchargé de 21.5 %. La conséquence directe d'une surcharge du moteur est une augmentation de la température du bobinage. Lorsqu'elle dépasse la température limite prévue selon la classe d'isolation choisie correspondant à une durée de vie acceptable (30 000 h), la durée de vie de l'isolation diminue. Un dépassement de la température limite de 8-10°C, diminue la durée de vie de l'isolation d'environ la moitié. Des dépassements de 20°C signifie un raccourcissement de 75 %. Les moteurs de construction standard sont prévus pour une utilisation à température ambiante maximale de 40°C (et une altitude maximale du site de 1 000 m). Tout écart nécessite une correction des puissances nominales. Exemple de calcul Dans le programme de calcul HydroTherm, il y a un module de calcul complémentaire qui vous permet à partir d'une perte de charge donnée et d'un débit d'eau, d'estimer la puissance motorisée d'une installation hydraulique. Voir aussi les programmes suivants (HydroTherm - HydroExcel - ThermoVapor - AeroGaz - ThermGaz)
Pour un débit d'eau de 200 m3/h et une perte de charge de 3 bar, l'énergie utile absorbée sur l'arbre moteur est de 30,86 kW. La puissance nominale du moteur doit être supérieure ou égale à cette valeur. Les puissances motrices sont normalisées. Le dimensionnement de l'installation électrique sera effectué avec :
Dans le cas présent le moteur ne fonctionnera pas à pleine charge, il fonctionnera à 83% de sa puissance nominale. La consommation réelle d'énergie électrique sera de 38,91 kWh. C'est cette valeur qui sera utilisée si l'on veut effectuer un bilan annuel de consommation d'énergie électrique. Cela est bien entendu q'une évaluation (les rendements des pompes varient selon les fabricants), mais ces données seront très utiles lors d'un avant projet ou d'une estimation de prix. Dernière mise à jour :
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