Le sujet de cet article est peut-être bien l'un des aspects les moins bien compris en matière d'application et d'utilisation d'une pompe. La hauteur nette d'aspiration (NPSH) n'est pas difficile à calculer et il s'agit d'une mesure très importante pour la bonne conception et le bon fonctionnement d'un système de pompe. La NPSH doit être calculée lors de l'étape de conception de tous les systèmes de pompe ou de révision des systèmes existants.
Cet article présente les définitions de la NPSH, la méthode de calcul de la NPSH, les effets sur les pompes et systèmes en cas de NPSH insuffisante, ainsi que les solutions possibles lorsque la NPSH est un facteur contraignant.
Hauteur nette d'aspiration (NPSH) - La mesure de la pression du liquide à l'orifice d'aspiration de la pompe, pompe comprise.
Hauteur nette d'aspiration disponible (NPSHa) - La différence entre la pression atmosphérique normale et la combinaison de la pression atmosphérique à la hauteur prise en compte, de la hauteur dynamique totale d'aspiration, de la tension de vapeur et de la marge de sécurité. Le résultat doit être égal ou supérieur à la NPSHr.
Hauteur nette d'aspiration requise (NPSHr) - La pression minimale requise pour aspirer le liquide par l'orifice d'aspiration de la pompe. La NPSHr est directement liée au modèle de la pompe.
Pression atmosphérique ambiante - Le poids de l'atmosphère à un endroit et un moment précis.
Pression atmosphérique normale - Le poids de l'atmosphère au niveau de la mer dans des conditions atmosphériques normales (14,7 PSI, 33,9 pieds d'eau, 10,3 mètres et 29,9 pouces de mercure).
Hauteur dynamique totale d'aspiration (TDSL) - Cette mesure combine la hauteur statique et les pertes liées au frottement dans la conduite d'aspiration. Pour une hauteur d'aspiration, la hauteur dynamique totale d'aspiration se calcule en additionnant la hauteur statique d'aspiration et la perte par frottement pour un débit donné. Pour un système où l'eau est au-dessus de la pompe, la hauteur dynamique totale d'aspiration se calcule en soustrayant la perte liée au frottement à la pression d'entrée ou à la hauteur statique. Dans les deux cas, la valeur de la hauteur dynamique totale d'aspiration d'un système correspond à la mesure indiquée par le manomètre d'aspiration de la pompe en fonctionnement.
Tension de vapeur (VP) - La pression à laquelle le liquide s'évapore. Cette pression est liée à la température du liquide.
Densité relative - Le poids d'un liquide par rapport à celui de l'eau.
Marge de sécurité - Cette valeur est utilisée pour calculer la NPSH afin de tenir compte des fluctuations de pression atmosphérique.
La NPSH mesure la pression atmosphérique à l'orifice d'aspiration de la pompe, pompe comprise. Cette valeur peut se calculer, et ce calcul est le sujet du présent article. Une fois compris, le calcul de la NPSH est simple et permet de gagner du temps.
Nous vivons au fond d'une « mer » d'air atmosphérique. C'est la pression que cette mer applique sur nous qui pousse le liquide dans une pompe. La force de cette pression est égale à 14,7 PSI, 33,9 pieds d'eau, 10,3 mètres d'eau et 29,9 pouces de mercure, selon l'unité retenue. (Ces valeurs sont exactes à une altitude égale au niveau de la mer). Imaginez-vous un tuyau de 35 pieds de long fermé hermétiquement d'un côté. Remplissez maintenant ce tuyau d'eau et fermez-le hermétiquement. Retournez le tube dans un seau et ouvrez l'extrémité du tube située dans le seau. Lorsque vous ouvrez l'extrémité située dans le seau, l'eau va sortir du tube jusqu'à ce que la hauteur de l'eau soit égale à la pression atmosphérique exercée sur l'eau dans le seau. C'est ce principe qui permet à un baromètre d'indiquer les changements de pression atmosphérique.
Maintenant que nous avons compris la nature de la force extérieure qui nous permet de faire monter l'eau dans un tuyau d'aspiration lors de l'amorçage et du fonctionnement, regardons comment calculer cette force lors du fonctionnement afin d'assurer un débit de liquide suffisant vers la pompe. Comme nous l'avons indiqué ci-dessus, la pression atmosphérique normale au niveau de la mer dans des conditions atmosphériques normales équivaut à 33,9 pieds d'eau. Rappelez-vous que cette valeur doit être convertie en fonction de la densité relative du liquide pompé. À partir de cette pression, cinq soustractions doivent être effectuées en fonction de l'endroit, de la conception de la pompe et du système, de la température et du produit pompé. En soustrayant la correction liée à l'altitude, la tension de vapeur du liquide pompé, la hauteur dynamique totale d'aspiration et la marge de sécurité, on détermine la hauteur nette d'aspiration disponible. À cette valeur on retranche un cinquième élément, la hauteur nette d'aspiration requise. Cela termine le calcul de la hauteur nette d'aspiration. Cette valeur doit être supérieure ou égale à zéro afin d'assurer le bon fonctionnement de la pompe et du système. Si cette valeur est inférieure à zéro, un phénomène de cavitation se produira à l'intérieur de la pompe. Cela ne veut pas dire que la pompe ne s'amorcera pas, mais que la pompe sera exposée à la cavitation lorsqu'elle aura atteint son régime de fonctionnement dynamique. Ce n'est que lorsque la déduction de l'altitude entraîne un résultat négatif que la pompe ne pourra pas s'amorcer. Cela signifie que la pompe devrait être installée à une altitude suffisamment élevée pour que la pression atmosphérique cesse d'assurer la hauteur statique d'aspiration. Dans ce cas-là, l'eau n'ira pas assez loin dans le tuyau d'aspiration pour atteindre la pompe en raison de la trop faible pression atmosphérique.
Inversement, avec un résultat de calcul positif, la pompe fonctionnera normalement. Sachez qu'avec un résultat égal à 5, la pompe ne fonctionnera pas mieux qu'avec un résultat égal à 2 et qu'avec un résultat égal à 10, la pompe ne fonctionnera pas mieux qu'avec un résultat égal à 1. Le résultat indique tout simplement que la pression atmosphérique est suffisante pour pousser le liquide jusqu'à la pompe et pour maintenir le liquide à l'état liquide durant le fonctionnement.
La hauteur nette d'aspiration est généralement calculée durant la phase de conception d'une pompe et d'un système. Après la fin de la conception, la valeur de NPSH est bien souvent oubliée. N'oubliez pas que la valeur de NPSH change lorsque la vitesse change en raison de l'augmentation du débit ou lorsque la ligne d'aspiration est modifiée. L'augmentation de la vitesse entraîne alors une augmentation de la vélocité du liquide dans la ligne d'aspiration. Cette augmentation de vélocité augmente la perte par frottement. La hauteur dynamique totale d'aspiration augmente elle-aussi. Le débit supplémentaire va également augmenter la déduction de la NPSHr.
Comme mentionné plus haut, nous commençons notre calcul par la pression atmosphérique normale. Nous commençons donc par 33,9 pieds d'eau. Souvenez-vous que cette valeur doit être convertie pour les liquides qui ont une densité différente de celle de l'eau et les liquides similaires à l'eau ayant une densité relative de 1,0. Pour la première étape du calcul, la pression atmosphérique normale doit être divisée par la densité relative du liquide pompé. Retrouvez ci-dessous la correction de la pression atmosphérique normale pour les liquides moins denses ou plus denses que l'eau.
Par exemple : dans le cas de l'essence, la densité relative est de 0,75
Dans le cas des eaux usées industrielles, la densité relative est de 1,2
Cependant, pour ce calcul, nous utiliserons de l'eau d'une densité relative de 1,0, commençant ainsi à 33,9 pieds.
Les cinq déductions à soustraire de la pression atmosphérique normale sont les suivantes :
Exemple :
1. Altitude ou élévation du chantier.
2. Tension de vapeur du liquide pompé.
3. Hauteur dynamique totale d'aspiration.
4. Marge de sécurité (2 pieds pour l'eau et les liquides similaires, 3 pieds pour le carburant et les liquides similaires).
5. Hauteur nette d'aspiration requise par la pompe.
Ce sont les seules déductions nécessaires.
Les données indiquées ci-dessous sont les données minimum nécessaires pour calculer la NPSH.
Débit - 1800 gallons par minute (GPM)
Liquide - Eau
Température - 100 ºF
Élévation du chantier - 2000 pieds
Hauteur dynamique totale d'aspiration (mesure du manomètre) - 15 pieds
Supposons que la pompe ait été sélectionnée selon les critères ci-dessus. Certaines données supplémentaires peuvent être fournies, comme la hauteur d'amorçage, la hauteur dynamique totale, les exigences relatives aux solides, la disposition de l'entraînement, etc.
La fiche de calcul de la Figure 1 reflète les différentes étapes de calcul. La dernière page de cet article est une fiche de calcul de la NPSH.
Étape 1
Insérez la pression atmosphérique normale. N'oubliez pas de corriger la mesure pour les liquides qui ont une densité différente de celle de l'eau ou des liquides similaires. Insérez la valeur 33,9.
Étape 2
L'altitude du chantier indiquée est de 2000 pieds. Pour convertir cette élévation, consultez la Figure 2, Conditions de pression atmosphérique, élévation au-dessus du niveau de la mer (en pieds). La colonne de gauche du tableau correspond à l'altitude au-dessus du niveau de la mer. Cherchez 2000 pieds. Pour cette déduction, utilisez la colonne Réduction de la hauteur d'aspiration pratique. La valeur correspondant à 2000 pieds est 2,3 pieds. Insérez la valeur indiquée de 2,3.
Étape 3
La température de l'eau est de 100 º Fahrenheit. Pour convertir cette température en valeur déductible, consultez la Figure 3, Tension de vapeur, Caractéristiques de l'eau. Dans ce tableau, la colonne de gauche indique la « Température, en degrés Fahrenheit ». Cherchez 100 º Fahrenheit. La valeur utilisée pour la déduction se trouve dans la colonne intitulée « Tension de vapeur, en pieds ». La déduction qui correspond à 100 º F est 2,19. Insérez la valeur indiquée de 2,19.
Étape 4
La hauteur dynamique totale d'aspiration est la combinaison de la hauteur statique d'aspiration et de la perte de frottement dans la ligne d'aspiration. Cette valeur est aussi la mesure indiquée par le manomètre d'aspiration de la pompe en fonctionnement au débit prévu. Indiquez la valeur de 15 pieds.
Étape 5
Insérez la marge de sécurité adéquate. Comme indiqué ci-dessus, la valeur est retranchée afin de prendre en compte les fluctuations de la pression atmosphérique. Une fois encore, la marge de sécurité est de 2 pour l'eau et les liquides similaires et de 3 pour les carburants et les liquides similaires. Indiquez la valeur de 2 pieds.
Étape 6
Somme des valeurs indiquées aux étapes 2, 3, 4 et 5.
Étape 7
Soustrayez la somme de l'Étape 6 à la pression atmosphérique normale de l'Étape 1. Cette valeur correspond à la Hauteur nette d'aspiration disponible (NPSHa).
Étape 8
Trouvez la Hauteur nette d'aspiration requise (NPSHr) sur la courbe de performance de la pompe (Figure 4). Repérez la courbe qui démarre dans le coin inférieur gauche. Elle est accompagnée de l'indication « NPSH à 1350 tr/min ». Pour trouver la valeur de la NPSHr, repérez le débit, en gallons par minute, en dessous de la courbe. À 1800 GPM, remontez jusqu'à ce que la ligne 1800 GPM croise la courbe NPSH. Lisez la mesure à droite, au niveau de l'intersection. Les colonnes dans le coin inférieur droit portent l'indication « NPSH, pieds, mètres ». Dans la colonne de gauche (pieds), la valeur correspondant au niveau de l'intersection doit être égale à 8 pieds.
Étape 9
Soustrayez la NPSHr (Étape 8) à la NPSHa (Étape 7). Le résultat donne la valeur de la NPSH. Vous avez maintenant terminé le calcul de la NPSH. Le calcul de l'exemple ci-dessus donne un résultat positif. Cela indique que le système du calcul fonctionnera correctement dans les conditions prévues. Si le calcul de la NPSH avait donné un résultat négatif, la pression atmosphérique n'aurait pas été suffisante pour maintenir le liquide à l'état liquide durant le fonctionnement dans les conditions prévues. Un phénomène de cavitation se serait donc produit.
Si le calcul de la NPSH donne un résultat négatif durant la conception de la pompe et du système, il est généralement possible d'effectuer quelques modifications simples en vue d'obtenir une NPSH positive. Mais que faire lorsqu'un système existant est modifié et que cela entraîne une NPSH négative ? Dans ce cas, retournez à la fiche de calcul utilisée pour le calcul négatif et posez-vous des questions à chaque étape. Par exemple, à l'Étape 1, la pression atmosphérique normale au niveau de la mer est de 33,9 pieds. Nous savons tous que ce chiffre ne peut être modifié, ou augmenté dans notre cas. La marge de sécurité peut-elle être réduite ? Nous conseillons de ne jamais modifier la marge de sécurité. C'est l'élément de l'équation qui prend en compte les fluctuations de la pression atmosphérique. Observez chacune des étapes. Vous remarquerez que l'Étape 4, la hauteur dynamique totale d'aspiration, est l'élément le plus facile à modifier. Comment peut-on donc adapter le système d'aspiration afin de réduire la hauteur dynamique totale d'aspiration ? Envisageons deux méthodes :
Hauteur statique d'aspiration - Le simple fait d'élever le niveau de l'eau dans le puisard va réduire la hauteur et la TDSL.
Diamètre de la conduite - L'augmentation de la section de la conduite d'aspiration va réduire la vélocité de l'eau dans la conduite, ce qui diminuera la perte par frottement. Et la diminution de la perte par frottement va permettre de réduire la TDSL.
N'oubliez pas que toute modification peut avoir des conséquences sur le fonctionnement de la pompe et du système. Par exemple, l'augmentation de la section de la conduite d'aspiration va augmenter la durée de l'amorçage. Avec une conduite plus large, il y aura plus d'air à évacuer durant le cycle d'amorçage. La réduction de la hauteur d'aspiration peut affecter négativement la capacité de rétention du puisard ou entraîner des conditions septiques. Quel que soit le cas, soyez conscient des effets négatifs que peuvent causer les modifications visant à augmenter la NPSH.