Comment résoudre les problèmes NPSHa
Dans la plupart des problèmes réels de NPSH, nous ne sommes pas la personne qui effectue le calcul initial du NPSHa pour un système et sélectionne initialement la pompe. Le scénario le plus probable est que nous sommes coincés avec un problème de système existant et que la pompe associée cavite vers une fin de vie courte et très coûteuse. Les coupables sont partis ou ne parlent pas.
Pourquoi la cavitation est une mauvaise chose
Si le NPSHa est insuffisant, la pompe va caviter. La cavitation endommage la pompe et réduit ses performances. Les dommages de la pompe se manifestent par des dommages au joint mécanique et au roulement. Dans les étapes ultérieures, il peut également détruire une roue. Tous les dégâts coûtent cher.
La plupart des lecteurs savent que la cavitation (classique) est la formation de bulles de vapeur dans le liquide. Ces bulles se forment parce que la pression sur le liquide est tombée en dessous de la pression de vapeur (le NPSH requis [NPSHr] dépasse le NPSHa). Ce problème se produit normalement près de l'œil de la turbine puisqu'il s'agit de la zone de pression la plus basse du système d'aspiration. Les bulles s'effondrent ensuite lorsqu'elles atteignent une zone de pression plus élevée à environ un tiers à la moitié de la distance le long de la face inférieure de l'aube de la turbine. La formation des bulles fait peu de dégâts physiques. La cavitation affectera les performances hydrauliques de la pompe. L'effondrement des bulles crée potentiellement de graves dommages à la roue.
J'aurai un article expliquant comment la cavitation cause des dommages dans un prochain numéro.
Marge NPSH
Pour éviter ou atténuer la cavitation, vous devez avoir plus de NPSHa que la pompe n'en a besoin.
Équation 1
NPSHa ÷ NPSHr = marge NPSH
Où:
NPSHr est également égal à NPSH3
La marge NPSH dont vous avez besoin pour empêcher la cavitation varie avec chaque application. Plus il y a de marge, mieux c'est. Les lignes directrices et les règles empiriques sont aussi nombreuses et fiables que les mythes urbains. Je vous recommande de lire la spécification 9.6.1 de l'American National Standards Institute/Hydraulic Institute (ANSI/HI) pour mieux comprendre. Les propriétés du liquide et le niveau d'énergie d'aspiration sont les facteurs de différenciation.
Comment réparer une pompe à cavitation
On me pose souvent cette question et je suggère normalement de jeter un coup d'œil à la formule NPSHa et à ses quatre composants pour la solution.
En utilisant chacun des quatre composants de la formule, vous pouvez cartographier des solutions potentielles pour résoudre le problème NPSHa.
Équation 2
NPSHa = hun –havp +hSt –hF
Où:
hun = la pression absolue. Pression absolue mesurée en pieds de tête du liquide pompé à la surface du liquide. Ce sera la pression barométrique si l'aspiration provient d'un réservoir ouvert, ou la pression absolue existant dans un réservoir fermé tel qu'un puits chaud ou un dégazeur de condenseur.
havp = la pression de vapeur. La tête en pieds correspondant à la pression de vapeur du liquide à la température pompée.
hSt = la hauteur statique du liquide au-dessus de l'axe de la pompe ou de l'œil de la roue pour une aspiration inondée en pieds (valeur positive pour une aspiration inondée). Tous les axes de la roue ne correspondent pas à l'axe de la pompe.
hF = la perte de charge totale en pieds de tête pour le système côté aspiration.
Le premier facteur de la formule est la pression absolue (hun). Ce facteur est toujours positif. Si la source d'aspiration est déjà ouverte à l'atmosphère, vous ne pouvez pas faire grand-chose car il est à la fois peu probable et irréaliste de modifier quoi que ce soit sous votre contrôle. Vous ne pouvez pas modifier la pression atmosphérique ou déplacer l'emplacement de la pompe/du système à une altitude inférieure par rapport au niveau de la mer. Cependant, s'il y a un problème, cela vous aidera à comprendre pourquoi la pompe cavite. Si le système est fermé et sous pression, il est possible d'augmenter la pression (par conséquent la hauteur absolue [hun]) d'une certaine manière. D'après mon expérience avec les propriétaires et les exploitants d'usines, l'augmentation de la pression d'aspiration du système ne se produira presque jamais en raison de contraintes prioritaires et/ou prioritaires.
Le deuxième facteur de la formule est la pression de vapeur (havp). Plus la température est élevée, plus la pression de vapeur est élevée et plus l'effet négatif est important. D'après mon expérience, je n'ai été témoin que d'un seul cas où le client était disposé ou capable de réduire la température du système, mais c'est toujours une question qui doit être posée. Même quelques degrés peuvent avoir un effet significatif.
Le troisième composant de la formule est la charge statique (hSt). Parfois, vous pouvez convaincre le propriétaire du système de maintenir le réservoir d'alimentation (situation inondée) ou le puisard (condition de levage) à un niveau supérieur. Si vous êtes chanceux, les quelques pieds d'augmentation de la charge statique peuvent faire une grande différence. J'ai été impliqué dans quelques cas où la pompe a été déplacée à un niveau inférieur et dans un cas, un niveau inférieur a été créé pour la pompe. Ces solutions sont coûteuses.
Le quatrième composant de la formule est le facteur de frottement (hF). De tous les facteurs de la formule, j'ai eu plus de « chance » pour convaincre le propriétaire du système de remplacer ou de modifier la tuyauterie d'aspiration dans le but de réduire la composante de friction. Vous pouvez augmenter la taille du tuyau et éventuellement réduire le nombre de coudes, de tés et d'autres composants dans le système d'aspiration pour minimiser la friction.
Autres possibilités en dehors de la formule
Si vous ne pouvez pas augmenter le NPSHa, vous pouvez peut-être réduire le NPSHr.
Recherchez différentes options de pompe ou de turbine qui nécessitent moins de NPSH. Il n'est pas rare qu'un fabricant ait des roues différentes pour la même pompe avec des exigences NPSH différentes. Certains fabricants proposent un inducteur qui fonctionne en conjonction avec la roue pour réduire le NPSHr. Ne pas ajouter d'inducteur sans consulter le fabricant, car les inducteurs doivent être adaptés à la roue. Parfois, une pompe différente est nécessaire.
Le passage à une turbine à double aspiration (deux yeux) aura un effet significatif sur le problème puisque le NPSHr sera réduit de 50 %.
Réduisez la vitesse de la pompe soit en incorporant une vitesse variable, soit en utilisant simplement une pompe qui complétera le service (débit [Q] et hauteur manométrique [TH]) à une vitesse inférieure. La mise en garde est que la pompe sera probablement deux fois plus grande (physiquement) que la pompe initiale avec un coût plus élevé associé.
Dans de nombreux cas, la solution consiste à ajouter une pompe de surpression à l'aspiration de la pompe initiale. Dans les centrales électriques et autres systèmes à vapeur, il n'est pas rare d'avoir une pompe à condensat qui pompe vers une pompe de surpression d'alimentation avant que le liquide n'atteigne la pompe d'alimentation proprement dite.
Matériaux
Parfois, il n'y a rien que vous puissiez faire pour empêcher la pompe de caviter, donc votre option est de traiter le symptôme au lieu du problème. Différents matériaux offrent différentes gammes de résistance aux dommages causés par la cavitation. De plus, certains matériaux offrent une meilleure protection que d'autres au cours d'un phénomène appelé érosion-corrosion induite par la cavitation.
La résistance aux dommages par cavitation est définie comme l'inverse du taux de perte de volume pour un métal donné. Les propriétés mécaniques du matériau qui font partie de cette équation sont la résistance à la traction ultime, la limite d'élasticité, l'allongement ultime, la dureté Brinell, le module d'élasticité et l'énergie de déformation.
La propriété la plus importante de cette liste est l'énergie de déformation de rupture des métaux. C'est pour cette raison que les variations de bronze d'aluminium et d'aciers inoxydables duplex offrent une meilleure résistance que d'autres matériaux tels que l'acier au carbone ordinaire et le fer. Notez qu'en tant que correctif post-équipementier d'origine (OEM), plusieurs revêtements peuvent également être appliqués. Lors de l'utilisation de revêtements, je recommande la phrase décisive et le conseil pour la journée soit "caveat emptor", du latin pour "l'acheteur se méfie".
Avec les enduits, il y en a des bons et des mauvais et des bons mal appliqués.
Proximité du meilleur point d'efficacité (BEP)
Regardez où vous travaillez sur la courbe de la pompe (hauteur et débit). S'il est trop à droite, il y a un décalage entre le système et la pompe. Le NPSHr augmente de façon exponentielle lorsque vous vous déplacez vers la droite. Une conduite trop à gauche sur la courbe peut entraîner des problèmes similaires. Le NPSHr augmente en fait à mesure que vous approchez des zones de débits faibles et minimaux. Ceci n'est pas publié sur la plupart des courbes de pompe.
Vitesse spécifique d'aspiration (NSS)
Dans les années 1970, de nouvelles usines ou de nouveaux systèmes ont été conçus avec un mandat de plus en plus strict pour économiser de l'argent (parfois sur la fiabilité), en particulier sur les coûts de construction et de matériaux initiaux. Comme mesure de réduction des coûts, le NPSHa des systèmes a été réduit (pensez à des réservoirs et des pompes plus petits et plus bas à des niveaux plus élevés). Les propriétaires/acheteurs du système ont par la suite exercé une pression croissante sur les fabricants de pompes pour qu'ils conçoivent des pompes avec des exigences NPSH inférieures. La solution la plus simple et la plus rapide pour les fabricants de pompes consistait à augmenter la taille de l'œil de la roue. La bonne nouvelle était que le NPSHr était réduit, mais la mauvaise nouvelle était que la stabilité hydraulique de la pompe était également nettement réduite si et à mesure que le point de fonctionnement s'écartait du BEP. J'en aurai plus à ce sujet dans un article ultérieur.
Noter: Le «facteur de correction des hydrocarbures», qui fera l'objet d'un prochain article, n'est pas non plus abordé.
Conclusion
Quoi qu'il en soit, vous serez impliqué dans des applications de pompes, qu'elles soient nouvelles ou existantes, sous un aspect où le NPSH sera un facteur. Au moins maintenant, vous saurez pourquoi les roues ont de grands yeux, les réservoirs ont de longues jambes et les pompes traînent dans des endroits bas.
Conseils pour le calcul de NPSHa
1. Calculez toujours le NPSHa lors du choix, de l'application ou du dépannage d'une pompe.
2. Travaillez toujours en valeurs absolues.
3. Gardez les unités cohérentes. Je recommande de travailler en pieds de tête si vous travaillez en unités usuelles américaines (USC) ou en mètres de tête si vous utilisez des unités SI métriques.
4. Utilisez la formule NPSHa. C'est ton ami.
5. Calculez toujours pour la pire condition (la plus restrictive) du système.
6. La pression d'aspiration n'est pas NPSHa.
sept. Ne confondez pas submersion avec NPSHa. Vous devez calculer pour les deux.
8. Presque tous les problèmes de pompe se situent du côté de l'aspiration.
9. La pression de vapeur n'est pas votre amie. Connaissez toujours les propriétés du liquide.
dix. Dans le vide, il y a encore une certaine pression. C'est juste à un niveau inférieur à la pression atmosphérique.
11. Pour une pompe donnée, le même débit (Q) utilisant une roue plus petite nécessitera plus de NPSH. Envisagez d'utiliser une roue plus grande si possible. Notez que la charge dynamique totale (TDH ou TH) sera différente.
12. En cas de doute, revenez à cette série d'articles ou appelez votre "téléphone à pompe un ami".