Calcul du NPSH : une étape

May 19, 2023

Ceci est le premier article d'une série en cinq parties.

Dans le monde de la psychologie et plus particulièrement dans le domaine des questions d'introspection, on déclare souvent que « ce à quoi vous résistez persistera ».

Vous l'avez déjà entendu, et c'est reparti. Apparemment, le concept le plus mal compris dans le monde des pompes est la tête d'aspiration positive nette (NPSH). J'ai écrit plusieurs articles sur le sujet, tout comme de nombreux autres techniciens ou ingénieurs de pompes et soi-disant experts.

Le nom NPSH lui-même, un acronyme, confond la plupart des néophytes de la pompe. Le sujet et les calculs requis confondent les nouveaux venus dans l'industrie, ceux de la périphérie (opérateurs ou administrateurs) et les professionnels qui croient à tort qu'ils comprennent parfaitement le sujet même après 25 ans dans l'entreprise.

Je suggère que nous devions nous préoccuper de ce problème, car les erreurs concernant les calculs du NPSH disponible (NPSHa) sont trop fréquentes et coûteuses à corriger.

L'une des parties amusantes de mon poste est d'enseigner dans plusieurs écoles de pompage par an et de consacrer une grande partie du cours à comprendre le concept de NPSH et à effectuer les calculs. Dans le processus d'enseignement, je couvre les cinq principaux exemples que vous rencontrerez probablement dans des applications industrielles normales. Les exemples sont adaptés du chapitre 1 du "Cameron Hydraulic Data Book".

J'expliquerai ces cinq exemples d'abord dans cette colonne et au cours des quatre prochains mois avec l'intention optimiste de base qu'une fois que vous aurez appris ces cinq exemples et quelques variantes de chacun, vous serez en mesure de gérer les applications rencontrées dans le monde réel. D'ici à Thanksgiving, vous voudrez peut-être lire et classer les cinq colonnes comme référence pratique. En toile de fond, veuillez réexaminer deux de mes précédents articles sur le sujet, l'un de Pumps & Systems d'août 2015 et l'autre d'avril 2018.

La hauteur d'aspiration positive nette est la hauteur d'aspiration totale en pieds de liquide (ou en mètres), moins la pression de vapeur (en pieds ou en mètres) du liquide pompé.

Considérez la tête comme un niveau d'énergie et non comme une pression semblable à une force. Toutes les valeurs sont absolues.

Le NPSHa est mesuré au niveau de l'axe central de la pompe ou de l'œillet de la turbine. Ces deux choses peuvent être à des endroits ou à des altitudes différentes. Considérez NPSHa comme le niveau d'énergie disponible du liquide à l'entrée de la pompe ou à l'œil de la roue. Le liquide se transformera en vapeur s'il n'y a pas assez de NPSHa. Ne confondez pas NPSHa avec la pression d'aspiration. Bien que la pression d'aspiration soit à certains égards un élément du mélange, il y a quelque chose de plus complexe dans l'histoire.

NPSHa est la quantité de NPSH dont dispose le système au niveau de l'œil de la roue de la pompe. Cette valeur NPSHa est entièrement fonction du liquide, de ses propriétés, des conditions ambiantes et de la conception et de la géométrie du système d'aspiration. Essentiellement, le calcul concerne le système d'aspiration lui-même et n'a rien à voir avec la pompe. Ce calcul doit être effectué par le propriétaire du système, l'utilisateur final et/ou son ingénieur ou consultant. Pour des raisons de responsabilité, il est normalement demandé aux fabricants de ne pas être impliqués dans les calculs des clients ; Cependant, à mesure que le temps passe, le fabricant s'implique davantage, principalement en tant que problème de conservation.

Le NPSH requis (NPSHr) est le plus souvent déterminé par le fabricant de la pompe par des méthodes empiriques et en utilisant les normes et les spécifications de l'Hydraulic Institute (HI). Les valeurs NPSHr sont normalement rapportées sur les courbes de performance de la pompe.

Notez que NPSHr et NPSH3 sont essentiellement la même chose. Au point de fonctionnement donné de la tête et du débit, la pompe cavite déjà légèrement en raison d'un NPSH insuffisant et la tête développée a chuté de 3 % alors que le débit est fixé à une certaine valeur.

La marge NPSH est de combien la valeur NPSHa dépasse le NPSHr. Il existe des lignes directrices pour les marges recommandées ou appropriées, et je dis que plus la marge est élevée, mieux c'est. Voir ANSI/HI 9.6.1-2012 pour plus d'informations à ce sujet.

J'aime considérer les formules comme mes "amis" car une fois que je connais la bonne formule à utiliser, je peux simplement remplir les valeurs des termes ou des composants de la formule, compléter les étapes mathématiques et trouver la bonne réponse. Au collège, nous appelions ce processus "plug and chug". Des amis m'ont dit que dès que je fais référence à une formule en classe ou dans mes articles, je perds 50% de mon audience ! Donc, pour ceux d'entre vous qui s'éclipsent et détestent les formules, vous devriez peut-être étudier l'image 1 pendant quelques instants et voir ce qui s'y passe avant d'aborder la formule.

Dans l'image 1, nous avons un réservoir d'eau claire à température ambiante (68 F, ce qui signifie également que la gravité spécifique sera de 1,0) et il est ouvert à la pression atmosphérique. Ici, le réservoir et le système de pompe sont à une altitude proche du niveau de la mer. La surface supérieure du niveau d'eau dans le réservoir est à 10 pieds au-dessus de la ligne médiane de la pompe. Nous appelons cela une "aspiration inondée" car la source du liquide se trouve au-dessus de la roue de la pompe. Il y a une tuyauterie de taille adéquate entre le réservoir et l'aspiration de la pompe avec un coude et une vanne d'isolement complètement ouverte. Nous supposerons que le niveau d'eau reste constant à 10 pieds pour l'exemple, mais dans le monde réel, vous voudrez calculer le NPSHa pour la pire condition, qui sera probablement à un niveau inférieur.

À ce stade, avec uniquement les informations que je vous ai données à partir de la figure, vous disposez de toutes les données dont vous avez besoin pour calculer le NPSHa, à l'exception de la tête de friction. Pour ce premier exemple, je vais calculer la tête de friction pour simplifier le problème. Nous ignorerons la tête de vitesse puisque la valeur est normalement petite.

Dans de futurs exemples, nous discuterons des méthodes de calcul de la tête de friction, et je calculerai et montrerai également comment la tête de vitesse peut affecter ou non le résultat.

Pour calculer NPSHa, vous devez savoir :

Revenons à la formule (oui je l'ai glissée dans l'article).

Comme mentionné précédemment, vous disposez des informations nécessaires pour remplir ces quatre composants avec des nombres réels et effectuer le calcul pour déterminer NPSHa.

La première composante de l'équation (ha) représente la valeur de la pression absolue au-dessus du réservoir d'eau libre. Il a été donné plus tôt que le système est au niveau de la mer.

Le liquide dans le réservoir ouvert est soumis à la pression atmosphérique. Au niveau de la mer, on peut supposer que la pression atmosphérique est proche de 14,7 livres par pouce carré absolu (psia) ou 0 psi manométrique (psig).

Notez que les variations de la pression atmosphérique peuvent affecter et affecteront la valeur NPSHa.

Il ne vous reste plus qu'à convertir la pression atmosphérique de psia en pieds de tête. Multipliez 14,7 par 2,31, et le résultat est 33,957 pieds, arrondi à 34 pieds. La valeur du premier composant de l'équation est de 34 pieds.

Nous couvrirons les effets des altitudes plus élevées et du vide dans des articles ultérieurs.

Le deuxième composant de l'équation est hvpa, ou la pression de vapeur du liquide à cette température donnée de 68 F. Pour obtenir la valeur de la pression de vapeur, recherchez-la simplement dans un ouvrage de référence comme le "Cameron Hydraulic Data Book". La valeur (pression de vapeur saturée absolue) sera généralement donnée en unités de psia, variera directement avec la température et est également différente pour chaque type de liquide.

La valeur que vous devriez obtenir de votre recherche est de 0,33889 psia. Multipliez ce nombre par 2,31 pour convertir la tête en unités de pieds. Vous obtiendrez la valeur de 0,7828 pieds. Nous arrondirons à 0,783 pieds. Vous avez maintenant la deuxième valeur de l'équation : 0,783 pied.

La troisième composante de l'équation est la charge statique (hst). Il s'agit d'une mesure verticale entre la surface du liquide et la ligne médiane de la pompe (œil de la roue). N'oubliez pas de calculer le pire des cas (niveau le plus bas attendu). Dans notre exemple, il a été indiqué que la hauteur statique est de 10 pieds. Pas besoin de convertir car il est déjà dans les bonnes unités. Vous avez maintenant la valeur du troisième composant de l'équation : 10 pieds.

Le quatrième composant (hf) de l'équation est la perte par frottement dans la tuyauterie, que j'ai précédemment fournie à une valeur de 3,2 pieds. Vous avez maintenant les quatre valeurs pour déterminer la réponse.

Notez que le facteur de frottement donné de 3,2 pieds est fonction des propriétés du liquide, du débit et des matériaux et de la géométrie du tuyau (système d'aspiration). Il faut comprendre en termes simples que pour un débit de liquide donné, il y aura des pertes par frottement pour la longueur du tuyau, le coude, la vanne, la perte à la sortie du réservoir (transition grande à petite) et la perte à l'entrée dans la pompe (changement de diamètre du tuyau au nez de la pompe). Nous aborderons certains principes fondamentaux du frottement des tuyaux dans les exemples ultérieurs des mois à venir.

Enfin, rappelez-vous que nous n'abordons pas le cinquième facteur de la formule, qui est la tête de vitesse (hvel). Dans un système correctement conçu (avec des liquides newtoniens dans une application sans boue), la valeur de la charge dynamique sera généralement inférieure à 1 pied.

La valeur de la composante de charge dynamique est positive.

Pour l'instant, nous avons les quatre valeurs requises pour remplir les composants et calculer la réponse pour NPSHa.

Toutes les unités sont en pieds. Les pressions sont en valeurs absolues.

Veuillez parcourir l'exemple pour voir si vous obtenez la même valeur ou une valeur similaire.

Le mois prochain, nous calculerons NPSHa pour une condition de portance. Lisez-le ici.

Dans les éditions ultérieures, nous examinerons les effets des hautes altitudes, des liquides chauds, des hydrocarbures et des réservoirs d'aspiration sous pression. Nous aborderons également les conditions d'aspiration sous vide.

Les référencesLivre de données hydrauliques Cameron, 16e édition

Pour lire d'autres articles dans la colonne "Erreurs de pompage courantes", rendez-vous ici.

Jim Elsey est un ingénieur en mécanique qui s'est concentré sur la conception et les applications d'équipements rotatifs pour l'armée et plusieurs grands fabricants d'équipements d'origine pendant 47 ans sur la plupart des marchés industriels du monde. Elsey est un membre actif de l'American Society of Mechanical Engineers, de la National Association of Corrosion Engineers et de l'American Society for Metals. Il est directeur général de Summit Pump Inc. et directeur de MaDDog Pump Consultants LLC. Elsey peut être jointe à [email protected].