Causes des pertes hydrauliques dans les pompes et mesures d'atténuation

Causes des pertes hydrauliques dans les pompes et mesures d'atténuation : un guide complet

Les pompes sont indispensables à une grande variété d'applications industrielles et municipales, des usines de traitement des eaux aux industries pétrolières et gazières. Conçues pour transporter efficacement les fluides, elles subissent néanmoins inévitablement des pertes hydrauliques en fonctionnement. Ces pertes peuvent entraîner une baisse des performances, une augmentation de la consommation d'énergie et des coûts d'exploitation plus élevés. Comprendre les causes des pertes hydrauliques et les atténuer est essentiel pour optimiser les performances des pompes et garantir leur fiabilité à long terme. Cet article explore les principales causes de pertes hydrauliques dans les pompes et présente des exemples pratiques de mesures d'atténuation.

1.Que sont les pertes hydrauliques ?

Les pertes hydrauliques désignent la perte d'énergie lors du transfert du fluide par la pompe. Ces pertes se manifestent par de la chaleur et des turbulences dues au frottement et à la résistance rencontrés par le fluide lors de son écoulement à travers les composants de la pompe, tels que la roue, le corps et les tuyauteries. On peut classer les pertes hydrauliques en deux grandes catégories :

• pertes par friction:Ces pertes se produisent en raison du frottement entre le fluide et les surfaces internes de la pompe et de la tuyauterie.

• Pertes locales:Ces pertes résultent de changements soudains de vitesse, de direction ou de section transversale, qui créent des turbulences et augmentent la résistance.

2.Causes des pertes hydrauliques

a) Pertes par frottement

Les pertes par frottement se produisent lorsque le fluide circule dans le corps de la pompe, la roue ou les conduites de raccordement. La viscosité du fluide, la rugosité des surfaces internes et la vitesse d'écoulement contribuent toutes aux pertes par frottement.

• ViscositéLes fluides à viscosité élevée, comme les huiles ou les boues, subissent des frottements plus importants lors de leur passage dans la pompe. Plus la viscosité est élevée, plus l'énergie nécessaire pour déplacer le fluide dans le système est importante, ce qui entraîne des pertes par frottement accrues.

• Rugosité de surfaceLa rugosité des surfaces internes de la pompe, comme la roue et le carter, peut augmenter la turbulence du fluide, ce qui entraîne une résistance au frottement plus élevée. Plus les surfaces sont lisses, moins le fluide rencontre de résistance.

• Vitesse d'écoulement:Des vitesses d'écoulement plus élevées augmentent les pertes par frottement, car les fluides se déplaçant plus rapidement exercent plus de pression sur les surfaces internes de la pompe, augmentant ainsi la traînée de frottement.

b) Pertes locales dues aux perturbations du débit

Les pertes locales résultent de modifications soudaines du trajet d'écoulement, telles que la présence de coudes, de vannes ou de restrictions de débit. Ces perturbations provoquent des variations brutales de vitesse et de pression, entraînant turbulences et dissipation d'énergie.

• Coudes et coudes de tuyauxLorsque le fluide rencontre des coudes dans la tuyauterie, le trajet de l'écoulement est brusquement modifié, ce qui provoque des turbulences et des pertes localisées. Plus le coude est abrupt, plus les turbulences et, par conséquent, les pertes sont importantes.

• Vannes et raccordsLes vannes et autres raccords peuvent entraîner d'importantes pertes d'énergie en raison des variations soudaines de pression et de débit. Des vannes partiellement fermées ou des raccords mal dimensionnés aggravent ces pertes.

c) Cavitation

La cavitation est un phénomène qui se produit lorsque la pression du fluide chute en dessous de sa pression de vapeur, provoquant la formation de bulles de vapeur dans la pompe. Lorsque ces bulles éclatent, elles créent des ondes de choc susceptibles d'endommager les composants de la pompe et d'augmenter les pertes d'énergie. La cavitation se produit généralement à des débits élevés ou à de faibles pressions d'aspiration.

• Cause de la cavitationUne pression d'aspiration insuffisante, une température élevée ou une accélération rapide de la pompe peuvent entraîner une cavitation. Cela entraîne un fonctionnement inefficace de la pompe, une réduction de sa capacité et des dommages potentiellement graves aux composants internes de la pompe.

3.Mesures d'atténuation des pertes hydrauliques

a) Optimisation de la conception des pompes et des tuyauteries

L’un des moyens les plus efficaces de minimiser les pertes hydrauliques consiste à s’assurer que la pompe et le système de tuyauterie associé sont conçus pour des caractéristiques de débit optimales.

• Dimensionnement de la pompeUn choix judicieux de la pompe est essentiel pour réduire les pertes hydrauliques. Une pompe surdimensionnée peut entraîner des vitesses excessives, une augmentation des frottements et un gaspillage d'énergie. À l'inverse, une pompe sous-dimensionnée peut fonctionner de manière inefficace et présenter de la cavitation. Un dimensionnement adapté aux exigences du système permet de minimiser les pertes inutiles.

• Surfaces et revêtements lissesL'utilisation de matériaux lisses pour les composants de la pompe, notamment le corps et la roue, peut réduire les pertes par frottement. Par exemple, l'utilisation de revêtements en acier inoxydable poli ou en céramique dans les applications à haute viscosité peut réduire la résistance et augmenter le rendement.

• Optimisation de la disposition des tuyauteriesUne conception soignée du système de tuyauterie permet de minimiser les pertes locales. Cela implique l'utilisation de tuyaux larges et lisses, la réduction des coudes et des coudes, et la réduction du nombre de raccords. Lorsque des coudes sont nécessaires, il est conseillé d'utiliser des courbes progressives (plutôt que des angles vifs) pour éviter les turbulences. Le diamètre des tuyaux doit être choisi de manière à maintenir une vitesse d'écoulement raisonnable et à éviter les pertes par frottement.

b) Contrôle de la vitesse d'écoulement

La gestion de la vitesse d'écoulement est essentielle pour réduire les pertes par frottement. Dans de nombreux systèmes, le contrôle du débit pour atteindre le point de fonctionnement optimal de la pompe peut réduire considérablement les pertes.

• Variateurs de vitesse (VSD)L'installation de variateurs de vitesse sur les pompes permet aux opérateurs d'ajuster la vitesse de la pompe en fonction de la demande du système. En contrôlant le débit, les variateurs de vitesse permettent d'éviter les vitesses excessives qui contribuent à des pertes par frottement plus importantes. Cela améliore également l'efficacité énergétique, car la pompe fonctionne uniquement à la vitesse requise, évitant ainsi un pompage excessif et une consommation d'énergie inutile.

• Vannes de régulation de débitL'utilisation de vannes de régulation de débit permet d'éviter les vitesses élevées dans la tuyauterie. En maintenant un débit optimal, ces vannes contribuent à réduire les pertes par frottement et les pertes locales.

c) Prévention de la cavitation

La cavitation peut être minimisée en maintenant une pression d’aspiration adéquate et en s’assurant que la pompe fonctionne dans les limites de ses paramètres de conception.

• NPSH (hauteur d'aspiration nette positive) appropriéeIl est essentiel de garantir que le système fournit un NPSH suffisant pour éviter la cavitation. Le NPSH requis par la pompe doit toujours être inférieur au NPSH disponible dans le système. Pour ce faire, il est possible de rapprocher la pompe de la source de fluide, d'augmenter le diamètre du tuyau d'aspiration ou de réduire les pertes par frottement du système.

• Éviter les changements soudains de débitL'installation de sections de conduite progressivement coniques et la réduction des variations brusques de direction ou de vitesse d'écoulement peuvent contribuer à maintenir un débit constant et à prévenir les chutes de pression responsables de la cavitation. De plus, l'ajustement de la vitesse de fonctionnement de la pompe peut également réduire le risque de cavitation.

d) Entretien et surveillance réguliers

L’entretien et la surveillance de routine du système de pompage peuvent aider à identifier et à résoudre les problèmes qui entraînent des pertes hydrauliques.

• Inspection des composants de la pompe: Une inspection régulière de la turbine, du carter, des joints et des roulements permet de détecter toute usure susceptible d'entraîner une augmentation des frottements et une perte d'efficacité. Le remplacement des pièces usées garantit le bon fonctionnement de la pompe.

• Surveillance du débit et de la pressionL'installation de débitmètres et de manomètres permet aux opérateurs de surveiller les performances du système et d'identifier tout écart par rapport aux conditions optimales. Une baisse du débit ou de la pression peut indiquer une augmentation des pertes hydrauliques due à un colmatage, à l'usure ou à la cavitation.

4.Étude de cas : Économies d'énergie dans une usine de traitement des eaux

Une station de traitement des eaux souffrait d'une forte consommation énergétique en raison d'importantes pertes hydrauliques dans son système de pompage. L'usine utilisait plusieurs pompes centrifuges surdimensionnées pour le débit requis. Par conséquent, les pompes fonctionnaient à des vitesses élevées, entraînant des pertes par frottement excessives dans la tuyauterie. De plus, une cavitation se produisait à l'aspiration des pompes en raison d'un NPSH insuffisant.

Pour atténuer ces problèmes, les mesures suivantes ont été prises :

• Les pompes ont été réduites pour répondre aux exigences du système, réduisant ainsi les vitesses d'écoulement et les pertes par frottement associées.

• Des variateurs de vitesse ont été installés pour permettre aux pompes d'ajuster leur vitesse en fonction de la demande, améliorant ainsi l'efficacité énergétique.

• Le système d’aspiration a été repensé pour assurer un NPSH adéquat et les vannes de régulation de débit ont été ajustées pour maintenir des débits optimaux.

• Une surveillance régulière du débit et de la pression a permis de remédier rapidement à toute anomalie opérationnelle.

L’usine a ainsi pu réduire sa consommation d’énergie de 15 % et améliorer considérablement l’efficacité de ses pompes.

Conclusion

Les pertes hydrauliques des pompes peuvent avoir un impact significatif sur l'efficacité du système, la consommation d'énergie et les coûts de maintenance. Comprendre les causes de ces pertes, telles que le frottement, les perturbations locales et la cavitation, permet aux ingénieurs de mettre en œuvre des stratégies d'atténuation efficaces. En optimisant la conception des pompes, en contrôlant les débits, en prévenant la cavitation et en effectuant une maintenance régulière, les exploitants peuvent réduire considérablement les pertes hydrauliques et améliorer les performances globales de leurs systèmes de pompage. Une planification rigoureuse et une gestion continue du système permettent de réaliser des économies substantielles et des gains d'efficacité opérationnelle.