Hauteur Nette de Succion Positive (N.P.S.H) et Cavitation
Cet article traite de la Hauteur Nette de Succion Positive (NPSH) et de la Cavitation. Pour en savoir plus sur les pompes centrifuges, veuillez consulter notre article principal sur les Pompes Centrifuges.
Hauteur Nette de Succion Positive Disponible (NPSHA)
La Hauteur nette de succion positive ou NPSH est un indicateur de la capacité d'une pompe à fonctionner correctement avec une basse pression à l'entrée de succion. Imaginez une pompe connectée à un réservoir de succion avec un niveau de liquide en baisse (Figure 1). Le niveau baisse jusqu'à ce que le liquide couvre juste le tuyau de succion et la pompe fonctionne encore normalement (B). Si le niveau continue de baisser, la pression à la succion pourrait devenir inférieure à la pression atmosphérique. À un certain point, si le niveau continue de baisser, la pompe ne pourra plus fonctionner correctement, entraînant une réduction du débit et de la pression de refoulement (D). À un certain niveau, la pompe commencera à caviter.
Figure 1 Conditions de Succion de la Pompe
Note : une pompe fonctionnant avec une configuration de fosse nécessitera un clapet de pied (clapet anti-retour) pour maintenir le liquide dans le tuyau de succion et éviter de devoir réamorcer la pompe lorsqu'elle est arrêtée.
Pression Relative et Absolue
La quantité de pression à la succion de la pompe est liée au NPSHA. Il est courant d'utiliser l'échelle de pression absolue (Figure 2). La hauteur est convertie en pression absolue en utilisant la relation suivante :
Où h : hauteur en pieds ou en mètres
SG : gravité spécifique, densité du liquide par rapport à l'eau ;
p : pression en kPa ou psi ;
h : hauteur statique en pieds ou en mètres.
Les échelles de pression relative et absolue sont essentiellement les mêmes mais sont décalées de 14,7 psi (1 bar). Sur l'échelle impériale, zéro psi sur l'échelle relative correspond à 14,7 psi sur l'échelle de pression absolue (Figure 2). Parce que les problèmes de NPSH se situent dans la région où les pressions sont inférieures à la pression atmosphérique, il est utile d'utiliser l'échelle de pression absolue.
Figure 2 Échelles de Pression Relative et Absolue
Hauteur Nette de Succion Positive Disponible (NPSHA)
Le NPSHA est un concept que beaucoup trouvent difficile à comprendre, en partie parce que dans certaines industries, le NPSHA n'est pas souvent un problème, et donc les gens ne savent pas quelle valeur il devrait avoir. Avant de discuter des valeurs et de la définition exacte du NPSHA, obtenons une compréhension intuitive du NPSHA. Le NPSHA est une mesure de l'énergie spécifique de pression présente à la succion de la pompe. Plus la pression est élevée, plus le NPSHA est élevé et mieux la pompe fonctionnera.
Hauteur
La hauteur est mesurée en pieds en Amérique du Nord et en mètres ailleurs. Une valeur très basse de NPSHA serait de 3-4 pieds (1 m). Une valeur typique serait d'environ 36 pieds (11 m). Nous commençons à nous inquiéter autour de 20 pieds (6 m). Par inquiéter, je veux dire que nous devons vérifier la recommandation de NPSHR (NPSH Requis) du fabricant pour cette pompe à notre débit spécifique pour nous assurer que nous sommes au-dessus de leur recommandation. La formule pour le NPSHA est une définition stipulée par les organisations qui publient des normes de pompes, telles que l'Hydraulic Institute aux États-Unis (http://www.pumps.org/). Concernant les normes européennes ou d'autres pays, chaque pays a ses propres normes et je renvoie le lecteur à :
https://www.pumpsandsystems.com/understand-european-pump-standards-organizations-processes Les fabricants membres de l'Hydraulic Institute ont convenu de suivre cette définition :
NPSHA = h - hf + ha - hva (1.2)
Où :
h : la hauteur statique de succion en pieds ou en mètres ;
Ha : la pression atmosphérique en pieds ou en mètres ;
Hf : la perte de charge par friction en pieds ou en mètres ;
Hva : la pression de vapeur en pieds ou en mètres.
C'est une définition très logique qui inclut tous les termes qui affectent la pression à l'entrée de succion de la pompe :
- La hauteur statique (h) - positive ou négative.
- La perte par friction (hf) dans le tuyau de succion (négative).
- La pression atmosphérique (ha), qui est additive.
- La pression de vapeur (hva) (négative), qui dépend de la nature du fluide et de la température (la pression de vapeur sera discutée plus tard dans l'article).
Si le réservoir de succion est pressurisé, c'est-à-dire fonctionne au-dessus de la pression atmosphérique, alors la pression supplémentaire devra être ajoutée à la hauteur statique de succion.
NPSHA = hpr + h - hf + ha - hva (1.3)
(si le réservoir de succion est pressurisé)
Où hpr est la pression supplémentaire sur la surface du liquide dans le réservoir de succion.
Figure 3 Composants du NPSHA dans les Systèmes de Pompe
Pourquoi la pression atmosphérique ou barométrique est-elle incluse dans la définition du NPSH ?
Les systèmes de pompe fonctionnent partout sur la planète. La pression atmosphérique appuie sur la surface du liquide du réservoir de succion, fournissant de l'énergie à la succion de la pompe. Cependant, comme la pression atmosphérique n'est pas la même partout, nous devons la prendre en compte dans nos calculs de NPSHA. La pression atmosphérique varie avec l'altitude. Par exemple, Johannesburg est à 5 200 pieds (1 585 m) d'altitude avec une pression atmosphérique de 12 psia (83 kPaa), et Mexico City est à 8 500 pieds (2 590 m) avec une pression atmosphérique de 10,8 psig (74,5 kPaa). Ces petites différences peuvent être significatives dans certaines applications critiques (voir l'annexe pour les données sur la pression barométrique par rapport à l'altitude).
Pourquoi la pression atmosphérique est-elle incluse dans la définition d'un système de pompe avec un réservoir de succion pressurisé ?
Lorsque le réservoir est d'abord pressurisé, il commencera à zéro pression ou à la pression atmosphérique locale. Par conséquent, nous devons toujours inclure la pression atmosphérique locale pour tenir compte de l'altitude de la pompe.
La Figure 4 montre la taille relative des valeurs des composants du NPSHA dans une situation typique où la pression de vapeur est faible.
Figure 4 NPSHA – La Taille Relative des Divers Paramètres du NPSHA
Dans de nombreuses applications, la pression de vapeur (hva) est petite par rapport aux autres termes du NPSHA, mais ce n'est pas toujours le cas. La perte par friction (hf) est généralement petite car la ligne de succion est normalement courte et généreusement dimensionnée. Le plus grand composant est généralement la pression atmosphérique (ha) (34 pieds ou 10,4 mètres), qui est ajoutée à la hauteur statique de succion, l'autre plus grand composant.
La combinaison de la hauteur statique et de la perte par friction est l'un des principaux composants du NPSHA. Nous pouvons calculer ces termes, ou nous pouvons mesurer la pression à la succion de la pompe, ce qui combinera les effets des deux valeurs. Mais d'abord une digression pour expliquer ce que la mesure de pression que nous prenons signifiera.
Que se passe-t-il avec le débit et la pression dans la pompe après le point de mesure ?
La Figure 5 montre que la pression baisse considérablement lorsque le fluide entre dans l'œil de l'impulseur de la pompe. Cela se produit pour plusieurs raisons :
- Vitesse à mesure que le fluide approche de l'œil augmente, car la zone de flux augmente, ce qui provoque une diminution de la pression (principe de Bernoulli),
- Friction réduit la pression.
- Turbulence du flux réduit encore la pression.
Figure 5 Variation de Pression à Plusieurs Points le Long du Chemin du Liquide
Il est possible que la pression locale soit suffisamment basse pour que le liquide bouille, ou flashe, au “Point de Basse Pression” (D).
Le liquide va-t-il bouillir à basse pression ?
Il y a deux façons de faire bouillir un liquide. Une façon est d'augmenter la température tout en maintenant la pression constante jusqu'à ce que la température soit suffisamment élevée pour produire des bulles de vapeur. Dans la Figure 6, c'est ce qui se passe si vous prenez un point dans la phase liquide et que vous vous déplacez horizontalement (c'est-à-dire à pression constante) en augmentant la température. Finalement, vous atteignez la ligne de vaporisation du fluide particulier et le fluide commence à bouillir, ou à produire des bulles de vapeur. Nous faisons la même chose tous les jours lorsque nous faisons bouillir de l'eau dans une casserole. Pour en savoir plus sur la relation entre volume et température à pression constante, veuillez consulter la Loi de Charles.
Figure 6 Pression de Vapeur v Température
L'autre façon de faire bouillir un liquide est de réduire la pression. Si vous maintenez la température constante et réduisez la pression, le liquide bouillira comme indiqué par la ligne pointillée verticale dans la Figure 6. Dans la Figure 6, c'est ce qui se passe si vous prenez un point dans la phase liquide et que vous vous déplacez verticalement (c'est-à-dire à température constante) en diminuant la pression. Encore une fois, lorsque vous atteignez la ligne de vaporisation du fluide particulier, le fluide commence à bouillir ou à produire des bulles de vapeur. Et bien sûr, vous pouvez traverser la ligne de pression de vapeur en diminuant la pression et en augmentant la température simultanément. Pour en savoir plus sur la relation entre volume et pression à température constante, veuillez consulter la Loi de Boyle.
Si la casserole était couverte et que vous aviez une source de vide (voir Figure 7), alors en abaissant la pression dans la casserole, vous pourriez faire bouillir l'eau à une température plus basse. Lorsque la pression est de 7,5 psia (52 kPaa) ou (14,7 - 7,5 = 7,2) ou 7,2 psi (50 kPa) inférieure à la pression atmosphérique, l'eau bouillira à une température de 180 °F (82 °C) et lorsque la pression est de 1,5 psia (10,3 kPaa), l'eau bouillira à 120 °F (49 °C). C'est ce qui se passe à la succion de la pompe lorsque la pression est suffisamment basse pour faire vaporiser le liquide.
Il n'est pas rare que les processus industriels fonctionnent à des températures proches ou supérieures à 120 oF. Par conséquent, si la température est élevée et que la pression diminue lorsque le fluide entre dans la pompe, cela augmentera la probabilité de cavitation en raison de la réduction de pression produite à l'intérieur de la pompe. Si la cavitation se produit ou est suspectée, deux solutions possibles sont :
- Augmenter la pression à l'entrée de la pompe (côté succion).
- Réduire la température du fluide.
Figure 7 Liquides Bouillants à Basse Température
La pression à laquelle un liquide se vaporise est connue sous le nom de pression de vapeur et est toujours spécifiée pour une température donnée et pour un liquide spécifique (voir un tableau des pressions de vapeur pour divers liquides dans l'annexe). Si la température change, la pression de vapeur change.
Pourquoi la pression de vapeur est-elle importante ?
Si la pression dans l'œil de l'impulseur de la pompe tombe en dessous de la pression de vapeur du liquide, la cavitation se produira. La cavitation commence lorsque des bulles de vapeur se forment à l'œil de l'impulseur en raison d'une chute de pression. Les bulles se forment à la position de la plus basse pression à l'entrée de la pompe (voir Figure 5), juste avant que le fluide ne soit agi par les aubes de l'impulseur. Ensuite, lorsque les aubes de l'impulseur commencent à agir sur les bulles avec pression, elles implosent rapidement. L'implosion des innombrables bulles de vapeur produit des ondes de choc qui impactent la surface de l'impulseur et érodent le métal. Au fil du temps, l'accumulation de piqûres crée des zones érosion qui peuvent éventuellement conduire à une défaillance de l'impulseur.
Figure 8 Implosion de Bulles de Vapeur
Le son de la cavitation est très caractéristique et ressemble au son de gravier dans un mélangeur à béton. Vous pouvez entendre ce son en cliquant sur ce lien.
La Figure 9 montre les dommages qui peuvent survenir à une hélice au fil du temps pendant la cavitation ; l'hélice montrée a subi une érosion légère due à la cavitation.
Figure 9 Impulseur Endommagé par Cavitation
Parce que le niveau du réservoir de succion peut être n'importe où par rapport à la succion de la pompe, il est utile d'utiliser un plan de référence qui est en dessous de la succion de la pompe et même en dessous du niveau d'une fosse. De cette façon, nous pouvons utiliser la même définition pour hauteur statique (h1 – hs) et obtenir toujours la valeur positive ou négative appropriée pour la hauteur statique à la succion de la pompe.
NPSHA = h1-hs - hf + ha - hva (1.4)
Figure 10 Les composants du NPSHA pour les Réservoirs de Succion Hors Sol et Souterrains
C'est la formule générale pour le NPSHA basée sur une mesure de pression à la succion de la pompe :
Où :
g : l'accélération due à la gravité, 32,17 ft/s2 en unités impériales ou 9,81 m/s2 en unités métriques ;
ps : la pression de succion en psia ou kPaa ;
vs : la vitesse à la succion de la pompe en ft/s ou m/s ;
pa : la pression atmosphérique en psia ou kPaa ;
pva : la pression de vapeur en psia ou kPaa.
Dans la partie 2, nous examinerons comment les fabricants de pompes déterminent l'exigence de NPSH (NPSHR).
Importance du NPSH
NPSH est une situation que de nombreux concepteurs n'auront jamais à considérer car de nombreux liquides tels que l'eau ou similaires ont une basse pression de vapeur et la température est basse, par exemple en dessous de 110 oF. Cependant, dans le cas d'un réservoir de succion souterrain en conjonction avec une pompe hors sol, la hauteur statique est faible et le NPSHA doit être soigneusement considéré. Quiconque travaille dans les industries de transformation des hydrocarbures ou chimiques devra examiner attentivement le NPSH disponible, car les propriétés des produits chimiques et des liquides d'hydrocarbures varient considérablement par rapport à l'eau.
Les fabricants de pompes demanderont toujours le NPSHA de votre système de pompe, peu importe le cas (sauf si vous demandez une pompe immergée) comme moyen de se protéger contre les problèmes de succion potentiels dans votre usine. Le NPSHA est la dernière chose que vous vérifierez après avoir conçu votre système de pompe et sélectionné votre pompe.
Figure A1 Pression Barométrique v Altitude
Figure A2 Pression de Vapeur pour Divers Liquides
Ressources Supplémentaires
https://www.pumpsandsystems.com/topics/understanding-npsh-npsh-definitions
https://en.wikipedia.org/wiki/Net_positive_suction_head
https://www.sciencedirect.com/topics/agricultural-and-biological-sciences/centrifugal-pump