Personne ne peut choisir la pompe adaptée tant que les besoins de l'application ne sont pas quantifiés. « Transférer du solvant vers le réservoir de service » ne constitue pas un cahier des charges — une courbe de débit, en revanche, en est un. Avant de pouvoir choisir une pompe centrifuge ou vortex, trois paramètres doivent être déterminés : le débit requis par le procédé, la hauteur manométrique que la pompe doit générer pour fournir ce débit, et la pression d’aspiration disponible afin d’éviter la cavitation. Si ces trois paramètres sont correctement déterminés, le choix est simple. Si la hauteur manométrique est mal calculée ou si la vérification de la pression d’aspiration est négligée, on se retrouve avec une pompe qui surchauffe, qui cavite ou qui n’atteint jamais le débit requis.
Ce guide vous explique le processus de calcul tel que nous l'appliquons lorsqu'un client nous envoie une demande de devis : d'abord le débit, puis la hauteur manométrique totale, ensuite le NPSH, et enfin la puissance nécessaire pour le moteur. Il comprend les formules, un exemple complet que vous pouvez reproduire, ainsi que les erreurs de dimensionnement à l'origine de la plupart des problèmes. La méthode présentée ici s’applique aux pompes rotodynamiques (centrifuges et à vortex) ; le dimensionnement des pompes volumétriques s’effectue selon des principes différents, comme indiqué à la fin.
Les trois chiffres qui définissent le point de service
Le point de fonctionnement d'une pompe correspond aux conditions dans lesquelles elle doit fonctionner ; trois paramètres sont nécessaires pour le déterminer :
● Débit (Q) — le débit requis par le procédé par unité de temps, en m³/h ou L/min (ou GPM).
● Hauteur manométrique totale (TDH, ou H) — l'énergie totale que la pompe doit fournir pour faire circuler ce débit, exprimée en hauteur de liquide, en mètres (ou en pieds).
● Hauteur d'aspiration nette disponible (NPSHa) — quelle est la pression absolue disponible à l'entrée de la pompe au-dessus de la pression de vapeur du fluide, qui détermine si la pompe subit une cavitation.
Le débit et la hauteur de refoulement déterminent ensemble le point sur la courbe de la pompe. La valeur NPSHa est comparée à la valeur NPSH requise par la pompe afin de s'assurer que la pompe choisie fonctionnera effectivement à ce point sans cavitation. La puissance découle du débit et de la hauteur de refoulement, et permet de déterminer le moteur. Procédez dans cet ordre.
Débit : commencer par le processus
Le débit est généralement déterminé par le processus, et non par la pompe. Une boucle d’échangeur thermique nécessite un certain débit de circulation pour transporter la chaleur ; une ligne de remplissage doit remplir un récipient dans un délai défini ; une opération de transfert doit vider un camion-citerne au cours d’un poste de travail. Calculez le débit réellement requis par le procédé et, si les deux valeurs diffèrent, utilisez la demande de pointe plutôt que la moyenne. Une mise en garde : ne surdimensionnez pas le débit « par mesure de sécurité ». Un débit surdimensionné augmente la hauteur manométrique, la puissance et la taille de la pompe, et place celle-ci dans la mauvaise partie de sa courbe de performance. Dimensionnez la pompe en fonction des besoins réels et utilisez un variateur de vitesse si la demande varie.
La hauteur manométrique totale : un chiffre que beaucoup de gens interprètent mal
La hauteur manométrique totale est le point sur lequel on se trompe le plus souvent lors du dimensionnement d'une pompe, car on se base uniquement sur la hauteur statique et on oublie le reste. Pour avoir une vue d'ensemble, il faut prendre en compte quatre éléments :
TDH = hauteur statique + hauteur de frottement + hauteur de pression + hauteur de vitesse
● Hauteur manométrique — la différence de hauteur verticale entre la surface du liquide à l'aspiration et celle du liquide au refoulement. C'est l'élément dont la plupart des gens se souviennent.
● Tête de friction — l'énergie perdue par frottement dans les canalisations d'aspiration et de refoulement, les vannes et les raccords. Elle est proportionnelle au carré du débit ; elle augmente donc rapidement dans les conduites longues ou sous-dimensionnées. On la détermine à partir de tableaux de pertes par frottement ou on la calcule à l’aide des formules de Darcy-Weisbach ou de Hazen-Williams en fonction du diamètre, de la longueur et des raccords de la conduite.
● Hauteur de refoulement — uniquement si le réservoir d'aspiration ou de refoulement est sous pression ou sous vide. Convertissez la différence de pression en hauteur de liquide : hauteur en mètres = pression (kPa) ÷ (ρ × 9,81). Pour les réservoirs ouverts aux deux extrémités, ce terme est nul.
● Tête de vitesse — l'énergie cinétique du fluide en mouvement, V²/2g. Aux vitesses habituelles dans les canalisations, elle est faible et, dans la plupart des calculs de dimensionnement, on ne la prend pas en compte.
En additionnant ces éléments, on obtient la hauteur manométrique que la pompe doit générer au débit requis. La principale erreur de dimensionnement consiste à ne tenir compte que de la hauteur manométrique statique : une pompe dimensionnée pour une hauteur de refoulement de 16 m dans l'exemple ci-dessous, sans tenir compte des 5 m de perte par frottement, présenterait un déficit de hauteur manométrique d'environ 5 m et n'atteindrait jamais son débit nominal.
Un exemple détaillé, de A à Z
Considérons un cas concret : le transfert de 20 m³/h d’un solvant organique, de densité 0,87, dont la pression de vapeur est d’environ 12 kPa à 30 °C, sur un site situé près du niveau de la mer (pression atmosphérique de 101 kPa). Le niveau du réservoir d'aspiration se trouve à 2 m au-dessus de la pompe (aspiration submergée) ; le niveau du réservoir de refoulement est à 18 m au-dessus de la pompe ; les deux réservoirs sont ouverts à l'atmosphère. Le frottement dans la conduite d'aspiration est de 0,6 m et celui dans la conduite de refoulement est de 4,5 m pour ce débit. Voici le calcul complet :
| Quantité | Valeur | Comment |
| Débit requis (Q) | 20 m³/h | Demande de traitement |
| Hauteur manométrique | 16 m | Niveau de refoulement 18 m – niveau d'aspiration 2 m |
| Hauteur de refoulement par frottement (aspiration + refoulement) | 5,1 mètres | 0,6 + 4,5, d'après les tableaux de frottement |
| Hauteur manométrique | zéro mètre | Les deux réservoirs sont à pression atmosphérique |
| Hauteur manométrique totale (TDH) | Vingt-et-un virgule un mètres | 16 + 5,1 |
| Hauteur de colonne d'air (Ha) | 11,8 mètres | 101 kPa ÷ (870 × 9,81) |
| Pression statique d'aspiration (Hz) | Deux mètres | Aspiration inondée, niveau d'eau au-dessus de la pompe |
| Frottement d'aspiration (Hf) | 0,6 mètre | Conduite d'aspiration uniquement |
| Pression de vapeur (Hvp) | un virgule quatre mètres | 12 kPa ÷ (870 × 9,81) |
| NPSH disponible | 11,8 mètres | 11,8 + 2 − 0,6 − 1,4 |
| NPSH requis (d'après la courbe) | 3,0 m | Fabricant, à 20 m³/h |
| Marge NPSH | 8,8 mètres | 11,8 – 3,0 → sans danger |
| Énergie hydraulique | 1,0 kW | 20 × 21,1 × 0,87 ÷ 367 |
| Puissance à l'arbre (rendement de 55 %) | 1,8 kilowatts | 1,0 ÷ 0,55 |
| Moteur (taille supérieure) | 2,2 kW | Puissance à l'arbre plus marge |
Le point de fonctionnement est de 20 m³/h à 21,1 m ; l'aspiration est assurée avec une marge NPSH de près de 9 m, et la puissance du moteur est de 2,2 kW. Les sections ci-dessous décrivent plus en détail les circuits d'aspiration et d'alimentation électrique.
NPSH : La pompe va-t-elle subir de la cavitation ?
La cavitation se produit lorsque la pression à l'entrée de la pompe chute en dessous de la pression de vapeur du fluide : des bulles de vapeur se forment puis s'effondrent violemment à l'intérieur de la pompe, érodant la roue et les paliers et faisant vibrer l'ensemble de la machine. Le clapet anti-retour d'aspiration sert à empêcher ce phénomène. Le NPSH disponible correspond à la hauteur disponible à l'entrée du système, calculée en valeur absolue :
NPSHa = Ha + Hz − Hf − Hvp
Ha correspond à la pression absolue à la surface du liquide, exprimée en hauteur manométrique (pression atmosphérique à l'altitude du site) ; Hz correspond à la hauteur statique d'aspiration, positive en cas d'aspiration submergée et négative en cas d'aspiration par pompage ; Hf correspond au frottement dans la conduite d'aspiration ; et Hvp correspond à la pression de vapeur du fluide, exprimée en hauteur manométrique. Deux points prêtent souvent à confusion. Le NPSH est toujours calculé en pression absolue, car la pression de vapeur est une propriété absolue, et la hauteur de vitesse n’est pas prise en compte. Le NPSH requis (NPSHr) constitue l’autre moitié : il s’agit d’une propriété de la pompe, à lire sur la courbe du fabricant au débit de fonctionnement, et il augmente avec le débit ; il faut donc toujours le vérifier au débit maximal, et non au débit moyen.
La règle veut que la NPSHa soit supérieure à la NPSHr avec une marge suffisante. L’Hydraulic Institute recommande une NPSHa d’au moins 1,5 fois la NPSHr, ou égale à la NPSHr majorée d’environ 0,6 à 1 m, la valeur la plus élevée étant retenue. Les fluides chauds proches de leur point d’ébullition et les sites situés en haute altitude réduisent rapidement la valeur de NPSHa, et la hauteur d’aspiration aggrave encore la situation : la hauteur d’aspiration pratique dépasse rarement 4 à 5 m, même si la pression atmosphérique pourrait en théorie supporter environ 10 m d’eau froide. Si la marge est faible, relevez le niveau de la source, raccourcissez et élargissez la conduite d’aspiration, ou refroidissez le fluide. Nous abordons plus en détail le côté aspiration et les solutions dans notre prévention de la cavitation de la pompe page.
Puissance et taille du moteur
La puissance résulte du débit et de la hauteur manométrique. La puissance hydraulique — c'est-à-dire le travail utile fourni au fluide — est :
Puissance hydraulique (kW) = Q × H × SG ÷ 367, où Q est exprimé en m³/h et H en mètres.
Il s'agit là d'une valeur théorique. La puissance à l'arbre (ou puissance absorbée) que le moteur doit réellement fournir est supérieure, car aucune pompe n'a un rendement de 100 % : puissance à l'arbre = puissance hydraulique ÷ rendement de la pompe. Dans l’exemple, une puissance hydraulique de 1,0 kW avec un rendement de pompe de 55 % correspond à environ 1,8 kW à l’arbre ; ainsi, la taille de moteur immédiatement supérieure — 2,2 kW — offre une marge raisonnable. Deux règles permettent de s’en assurer. Choisissez la taille du moteur en fonction du cas le plus défavorable sur la courbe, car la puissance absorbée augmente avec le débit ; vérifiez donc cette valeur au débit maximal que la pompe est susceptible d’atteindre, et pas seulement au point de fonctionnement. Et ne surdimensionnez pas : un moteur surdimensionné gaspille de l’énergie à chaque heure de fonctionnement et constitue une fausse économie classique. Le rendement de la pompe est lui-même maximal à proximité du point de meilleur rendement (BEP), ce qui est le prochain élément à prendre en compte — voir notre rendement des pompes centrifuges industrielles guide.
Erreurs courantes en matière de choix de taille
La plupart des problèmes de dimensionnement proviennent d'une poignée de raccourcis :
● En utilisant uniquement la hauteur statique. Négliger la hauteur de refoulement est une erreur classique qui empêche la pompe d'atteindre son débit nominal.
● Augmenter le débit ou la hauteur de refoulement « par mesure de sécurité ». Des coefficients de sécurité arbitraires éloignent la pompe de son point de rendement optimal, entraînent un gaspillage d'énergie et accélèrent l'usure. Le surdimensionnement est le choix le moins sûr, et non le plus sûr.
● On ne vérifie pas le NPSH. Une pompe dont le débit et la hauteur manométrique semblent corrects peut tout de même présenter un phénomène de cavitation si l'aspiration n'a jamais été vérifiée.
● Vérification du NPSH et de la puissance uniquement au point de fonctionnement. Le NPSHr et la puissance absorbée augmentent tous deux avec le débit ; il convient donc de les vérifier au débit maximal.
● Dimensionnement insuffisant de la conduite d'aspiration. Une conduite d'aspiration de faible diamètre augmente la friction précisément là où le NPSH est déjà limité.
● Fonctionne loin du point de rentabilité. Optez pour une pompe fonctionnant à environ 80 à 110 % de son point de rendement optimal au débit de service.
● Sans tenir compte de la densité et de la viscosité. Un fluide plus dense nécessite davantage de puissance pour une même hauteur de refoulement, et un fluide visqueux influe à la fois sur le frottement et sur les performances de la pompe.
Du point de service à la pompe
Une fois que vous disposez des valeurs de débit, de hauteur de refoulement et de NPSHa, vous pouvez choisir la pompe. La courbe de fonctionnement indique le type de pompe à utiliser : un débit élevé pour une hauteur de refoulement modérée convient à une pompe centrifuge ; une hauteur de refoulement élevée pour un faible débit convient à une pompe à vortex (à turbine régénérative), dont nous parlons dans notre Guide de sélection des pompes à vortex industrielles; les applications sans fuite ou en milieu corrosif nécessitent une conception sans joint, comme nous l'expliquons dans notre Guide de sélection des pompes à entraînement magnétique. Les chiffres ci-dessus concernent les pompes rotodynamiques. Une pompe volumétrique — une pompe à engrenages ou à palettes destinée à des applications impliquant des fluides visqueux ou nécessitant un dosage précis — est dimensionnée différemment : son débit est déterminé par le volume par course et la vitesse plutôt que par une courbe débit-hauteur manométrique, et la pression du système correspond à la pression à laquelle la pompe doit résister. Notre Série de pompes à déplacement positif et le Série de pompes chimiques aborder ces options, ainsi que l'intégralité gamme de pompes industrielles couvre toute la gamme.
Envoyez-nous le point de service et nous nous chargerons de le dimensionner
Si vous préférez faire vérifier le calcul plutôt que de le faire réaliser de toutes pièces, envoyez-nous le débit, le schéma d’aspiration et de refoulement (altitudes, diamètres et longueurs des tuyaux, raccords), le fluide avec sa densité, sa pression de vapeur et sa température, ainsi que les pressions éventuelles des réservoirs. Notre équipe d'ingénieurs vous communiquera la hauteur manométrique totale, le contrôle du NPSH, la puissance requise, ainsi qu'une pompe adaptée — à entraînement magnétique sans joint, vortex, centrifuge ou à déplacement positif — pour cette application.
Contactez notre équipe : Contacter Aulank | WhatsApp : +86 13773157367 | E-mail : info@aulankpump.com
À lire également : Guide de sélection des pompes à vortex industrielles · Guide de sélection des pompes à entraînement magnétique