Disposez le réservoir d’alimentation au-dessus de la pompe et placez la pompe aussi bas que possible. La distance verticale entre le niveau de liquide minimal en fonctionnement ou la sortie inférieure du réservoir et la bride d’aspiration de la pompe doit être maximisée. Cette élévation fournit une charge statique de liquide, augmente le NPSH disponible (NPSHₐ) et maintient la pression d’aspiration au-dessus de la pression de vapeur du liquide. Les pompes et les équipements de régulation côté aspiration peuvent rester au niveau du sol ou à proximité d’une plateforme accessible, tandis que les réservoirs d’alimentation, rebouilleurs, condenseurs et autres sources d’aspiration sont surélevés.
Le principe de base de l’implantation est simple : placez la source de liquide en hauteur et la pompe en bas, puis vérifiez que le NPSHₐ obtenu est supérieur au NPSH requis de la pompe (NPSHᵣ) sur toute la plage de fonctionnement.
Pourquoi l’élévation des équipements évite la cavitation
La charge statique augmente la pression d’aspiration
La colonne de liquide située au-dessus de la pompe crée une pression hydrostatique au niveau de la bride d’aspiration. Une plus grande distance verticale entre le niveau de liquide dans le réservoir et l’entrée de la pompe produit davantage de charge de pression disponible pour empêcher la formation de vapeur.
Cela est particulièrement important pour les liquides chauds, les liquides présentant une pression de vapeur élevée et les pompes ayant des exigences élevées en matière de NPSHᵣ.
La cavitation se produit lorsque la pression d’aspiration est insuffisante
La cavitation commence lorsque la pression absolue à l’entrée de la pompe s’approche de la pression de vapeur du liquide ou devient inférieure à celle-ci. Des bulles de vapeur se forment alors près de l’entrée de la roue et implosent lorsque le liquide atteint des zones de pression plus élevée à l’intérieur de la pompe.
L’implosion des bulles qui en résulte peut provoquer du bruit, des vibrations, l’érosion de la roue, une réduction du débit et une perte de pression de refoulement.
Le NPSH doit être évalué à l’entrée de la pompe
Le critère de conception est le suivant :
[ NPSH_A > NPSH_R ]
où le NPSHₐ est la charge disponible du système et le NPSHᵣ est la charge requise par la pompe pour un débit donné.
Une expression simplifiée du système d’aspiration est la suivante :
[ NPSH_A = \frac{P_{\text{tank, abs}}}{\rho g}
- h
- h_f
- \frac{P_v}{\rho g} ]
Ici, (P_{\text{tank, abs}}) est la pression absolue à la surface du liquide dans le réservoir, (h) est l’élévation du liquide au-dessus de l’aspiration de la pompe, (h_f) est la perte de charge par frottement dans la conduite d’aspiration et (P_v) est la pression de vapeur du liquide à la température de fonctionnement.
Comment disposer le réservoir d’alimentation et la pompe
Surélever le réservoir d’alimentation
Surélevez le réservoir d’alimentation suffisamment pour que son niveau minimal de liquide en fonctionnement reste au-dessus de l’entrée de la pompe avec la charge statique requise. Le calcul doit utiliser le niveau de liquide minimal crédible, et non le niveau normal ou maximal.
Pour les réservoirs qui se vidangent pendant le fonctionnement, le niveau final utilisable peut être la condition déterminante pour le NPSH.
Installer la pompe à une faible élévation
Placez la pompe au niveau du sol, dans une zone d’équipements plus basse ou dans une fosse lorsque cela est pratique et sûr. Abaisser la pompe augmente la charge verticale de liquide sans nécessiter un réservoir plus haut.
La pompe doit rester accessible pour les inspections, le remplacement des garnitures, l’alignement et les autres opérations de maintenance.
Garder la conduite d’aspiration courte et directe
Acheminez la tuyauterie d’aspiration avec une longueur minimale, peu de raccords et aucun changement de direction superflu. Les pertes par frottement réduisent directement le NPSHₐ : la conduite d’aspiration doit donc généralement être plus grande et moins restrictive que la conduite de refoulement.
Évitez autant que possible les longues sections horizontales, en particulier lorsqu’elles nécessitent plusieurs coudes ou crépines.
Éviter les restrictions côté aspiration
Une vanne de régulation, une vanne d’isolement partiellement fermée, une crépine sous-dimensionnée ou un filtre colmaté peut créer une chute de pression importante en amont de la pompe. Ces restrictions réduisent la pression disponible à l’œil de la roue et peuvent déclencher une cavitation même lorsque le réservoir est surélevé.
Les vannes d’isolement doivent être complètement ouvertes pendant le fonctionnement, et les crépines doivent être sélectionnées et entretenues afin de limiter les pertes de pression.
Prévoir un circuit d’aspiration constamment ascendant ou à purge automatique
La configuration de l’aspiration doit éviter les points hauts où la vapeur peut s’accumuler. Pour les liquides proches de leur point d’ébullition, la vapeur piégée peut interrompre l’écoulement et produire des symptômes similaires, voire plus graves, que ceux d’une cavitation conventionnelle.
La géométrie de la tuyauterie doit permettre à la pompe et à la conduite d’aspiration de rester remplies de liquide dans les conditions normales de fonctionnement.
Confirmation de l’élévation requise
Calculer le NPSH dans la condition de fonctionnement la plus défavorable
Évaluez le NPSHₐ en utilisant la température de liquide la plus élevée prévue, la pression la plus faible dans le réservoir, le niveau de liquide le plus bas, le débit maximal et les pertes attendues dans la conduite d’aspiration. Ces conditions produisent généralement la marge la moins favorable.
Pour un réservoir pressurisé, utilisez la pression absolue, et non la pression manométrique, dans le calcul du NPSH.
Comparer avec la courbe de la pompe
Obtenez la courbe de NPSHᵣ du fabricant pour la pompe sélectionnée et comparez-la au NPSHₐ calculé pour chaque débit pertinent. Le NPSHᵣ varie généralement avec le débit : vérifier uniquement le point de fonctionnement nominal peut donc faire manquer un risque de cavitation au démarrage, en réduction de charge ou au débit maximal.
La configuration n’est acceptable que lorsque le NPSHₐ reste supérieur au NPSHᵣ avec une marge d’ingénierie appropriée sur toute l’enveloppe de fonctionnement.
Tenir compte de la pression de vapeur et de la température
La pression de vapeur peut augmenter fortement lorsque la température du liquide s’élève. Une élévation de réservoir suffisante pour un liquide froid peut être insuffisante pour un flux chaud provenant d’un rebouilleur ou pour un autre fluide proche de l’ébullition.
La mesure de la température et les limites de fonctionnement doivent donc être intégrées à la conception de l’installation, en particulier dans les installations pilotes où les étudiants ou les opérateurs peuvent faire varier intentionnellement les conditions de procédé.
Comprendre les compromis
Les réservoirs surélevés nécessitent un support structurel
Surélever les réservoirs, condenseurs ou rebouilleurs augmente la quantité de charpente métallique, la hauteur des plateformes, les exigences d’accès et les charges structurelles. L’élévation supplémentaire doit être équilibrée avec la hauteur d’aspiration requise par la pompe.
Le réservoir ne doit être surélevé que dans la mesure nécessaire, après prise en compte de la pression, des frottements, de la pression de vapeur et de la marge de fonctionnement.
Les emplacements bas des pompes créent des problèmes d’accès et de sécurité
Installer une pompe dans une fosse peut améliorer le NPSHₐ, mais cela peut compliquer le drainage, la maintenance, la ventilation, la protection contre les inondations et l’accès des opérateurs. Une pompe au niveau du sol avec un réservoir surélevé constitue souvent une meilleure configuration lorsqu’elle fournit une charge d’aspiration suffisante.
Une plus grande élévation ne corrige pas une mauvaise tuyauterie d’aspiration
Un réservoir situé en hauteur ne peut pas compenser entièrement une conduite d’aspiration sous-dimensionnée, un étranglement excessif des vannes, une crépine obstruée ou une conduite mal acheminée. Le NPSHₐ dépend de l’effet combiné de la pression du réservoir, de la charge de liquide, des pertes par frottement et de la pression de vapeur.
L’ensemble du système d’aspiration doit être évalué, plutôt que de se fier uniquement à l’élévation.
Une marge nominale importante peut néanmoins être trompeuse
Les calculs de NPSH dépendent des conditions réelles de fonctionnement et de données fiables sur la pompe. Les incertitudes de mesure, le fonctionnement transitoire, la composition du fluide et les variations de température peuvent réduire la marge pratique.
Les symptômes de cavitation doivent être considérés comme la preuve que les conditions réelles du système diffèrent des hypothèses de conception.
Faire le bon choix selon votre objectif
Utilisez les priorités d’implantation suivantes lors de la conception d’une installation d’opérations unitaires ou d’une installation pilote :
- Si votre priorité est d’éviter la cavitation : surélevez le réservoir d’alimentation et placez la pompe sous son niveau minimal de liquide en fonctionnement, puis vérifiez que le NPSHₐ reste supérieur au NPSHᵣ dans la condition de fonctionnement la plus défavorable.
- Si votre priorité est l’accès pour la maintenance : gardez les pompes et les vannes de régulation au niveau du sol ou à proximité de plateformes accessibles, en ne surélevant les réservoirs d’aspiration que suffisamment pour fournir la charge statique requise.
- Si votre priorité est la manipulation de liquides chauds ou volatils : utilisez la pression de vapeur la plus élevée crédible, minimisez les pertes par frottement dans l’aspiration et incluez une marge de fonctionnement importante dans le calcul de l’élévation.
- Si votre priorité est la stabilité des expériences en installation pilote : utilisez une conduite d’aspiration courte, de grand diamètre, évitez les restrictions inutiles et surveillez la pression d’aspiration, la température et le débit pendant le fonctionnement.
Une implantation fiable pour les opérations unitaires maintient la source de liquide en hauteur, l’aspiration de la pompe en position basse et libre de toute restriction, et le NPSHₐ calculé nettement supérieur au NPSHᵣ de la pompe.
Tableau récapitulatif :
| Facteur d’implantation | Pratique recommandée | Bénéfice pour le NPSH |
|---|---|---|
| Élévation du réservoir d’alimentation | Maintenir le niveau de liquide le plus bas en fonctionnement au-dessus de l’aspiration de la pompe | Augmente la charge statique |
| Emplacement de la pompe | Installer la pompe aussi bas que possible tout en conservant un accès sûr | Augmente le NPSH disponible |
| Tuyauterie d’aspiration | Utiliser une conduite courte, directe et de grand diamètre avec un minimum de raccords | Réduit les pertes par frottement |
| Restrictions côté aspiration | Éviter les vannes étranglées, les crépines sous-dimensionnées et les filtres colmatés | Préserve la pression d’aspiration |
| Conditions de fonctionnement | Vérifier le niveau minimal, la température maximale, la pression minimale dans le réservoir et le débit maximal | Confirme le NPSH dans le pire des cas |
| Vérification de la conception | S’assurer que le NPSH disponible reste supérieur au NPSH requis sur toute la plage de fonctionnement | Réduit le risque de cavitation |
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