Pompe verticale ou horizontale NPSH : laquelle est la plus performante

Pourquoi NPSH décide du sort de votre pompe centrifuge

La pompe centrifuge verticale a-t-elle un meilleur NPSH que l'horizontale ? Cette question revient lors de presque toutes les réunions de sélection de pompes où le côté aspiration est étanche, le liquide est chaud ou le niveau du réservoir est bas. La réponse courte est oui : dans la plupart des installations, une pompe verticale fournit un NPSH disponible plus élevé qu'une pompe horizontale montée au-dessus du niveau de liquide, c'est pourquoi les pompes verticales cavitationont moins dans les applications à faible hauteur d'aspiration. La réponse la plus longue, qui est plus utile pour votre travail de conception, dépend si vous comparez NPSHa ou NPSHr.

NPSH signifie hauteur d'aspiration nette positive. C'est la marge entre la pression à l'entrée d'aspiration de la pompe et la pression de vapeur du liquide. Lorsque la pression locale chute jusqu'à la pression de vapeur, le liquide se transforme en bulles de vapeur. Ces bulles pénètrent dans la turbine et s'effondrent violemment, générant des ondes de choc qui érodent les surfaces de la turbine et du boîtier. Ce type de cavitation réduit les performances hydrauliques, augmente les vibrations et le bruit et raccourcit la durée de vie des joints et des roulements.

Deux numéros différents portent le label NPSH. NPSHr (obligatoire) est une propriété de la pompe : l'énergie d'aspiration dont la roue a besoin pour éviter une cavitation importante à un débit et une vitesse donnés, telle que publiée par le fabricant. NPSHa (disponible) est une propriété du système : l'énergie d'aspiration que le niveau du réservoir, la tuyauterie et l'élévation de la pompe fournissent réellement à la bride d'aspiration. La pratique technique maintient NPSHa confortablement au-dessus de NPSHr, avec une marge d'au moins 0,5 m (1,6 pi) et souvent de 1,0 m ou plus lorsque le liquide est proche de son point d'ébullition, que le débit varie ou que le niveau fluctue.

Une simple analogie est utile. Un milk-shake avec une courte paille est facile car la surface du liquide se trouve près de votre bouche. Avec une longue paille, vous filtrez plus fort et la faible pression à l'entrée de la paille fait bouillonner le liquide plus tôt s'il est proche de l'ébullition. La pompe est votre bouche, la conduite d'aspiration est la paille et le NPSH mesure l'effort d'aspiration restant avant que le liquide ne commence à clignoter.

NPSH dans les pompes centrifuges verticales et horizontales : ce qui diffère réellement

Une fois que l’on sépare NPSHa de NPSHr, les contradictions dans les discussions en ligne disparaissent. Les ingénieurs qui disent « il n'y a pas de différence perceptible entre les versions verticales et horizontales » parlent de NPSHr : deux pompes construites à partir de la même conception hydraulique ont une hauteur d'aspiration requise presque identique. Les ingénieurs qui affirment que les pompes verticales ont un meilleur NPSH parlent de NPSHa, qui dépend bien plus de la géométrie de l'installation que de l'orientation de l'arbre.

NPSHa provient de trois variables du système : la hauteur d'aspiration statique (la distance verticale entre la surface du liquide et l'entrée d'aspiration de la pompe), la perte par frottement de la tuyauterie d'aspiration et la pression sur la surface du liquide. En termes métriques, NPSHa est égal à la pression absolue au-dessus du liquide, plus la hauteur d'aspiration statique, moins la pression de vapeur, moins la perte de charge, le tout en mètres de colonne de liquide.

Le tableau explique la conclusion principale : une pompe verticale améliore le NPSHa car son entrée d'aspiration se trouve sous la surface du liquide et le trajet d'aspiration est court. Une pompe horizontale doit soulever le liquide à travers un tuyau plus long, et chaque mètre de hauteur d'aspiration ou de perte par frottement réduit directement le NPSHa.

NPSHr est une propriété hydraulique, pas une propriété d'orientation

Pourquoi NPSHr reste-t-il à peu près le même quelle que soit l’orientation ? Parce qu'il est défini par la géométrie de l'entrée de la roue, la vitesse de rotation et le débit. La roue ne sait pas si l'arbre tourne verticalement ou horizontalement ; il ne réagit qu'aux conditions d'écoulement entrant dans son œil. Deux pompes partageant la même conception hydraulique auront donc des valeurs NPSHr presque identiques.

Une nuance est importante pour les pompes multicellulaires verticales : la roue du premier étage se trouve au bas de la colonne, à proximité de l'entrée d'aspiration, gardant le débit d'entrée court et direct. Mais il s’agit d’un détail de conception et non d’une loi générale. L'orientation seule ne diminue pas le NPSHr ; la conception hydraulique le fait.

Trois façons pratiques dont les pompes verticales améliorent le NPSH disponible

Les pompes verticales gagnent leur réputation NPSH grâce à leur disposition mécanique. Trois mécanismes expliquent cet avantage.

1. Entrée d’aspiration abaissée

Une pompe submersible verticale ou une pompe verticale à arbre long place l'entrée d'aspiration au bas de la machine, en dessous du niveau minimum de liquide. La distance verticale entre la surface du liquide et l'entrée devient une hauteur statique positive qui s'ajoute directement au NPSHa. C'est ce que veulent dire les ingénieurs lorsqu'ils disent que l'installation « enterre » la pompe : l'extrémité d'aspiration est suffisamment profonde pour profiter de toute la colonne de liquide au-dessus d'elle. Pompes submersibles verticales série SCY , par exemple, sont construits autour de ce principe pour les puisards et fosses industriels.

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2. Tuyauterie d'aspiration courte

Étant donné que l’entrée d’aspiration fait partie intégrante du corps ou de la colonne de la pompe, il n’y a pas de longue conduite d’aspiration horizontale. Les pertes par friction dues à la longueur des tuyaux, aux coudes et aux clapets de pied disparaissent en grande partie. En service de fosse profonde et de puits collecteur, la pompe se trouve directement dans la fosse et le seul chemin entre le liquide et la roue est la cloche d'entrée courte. Chaque mètre de perte de charge évité est un mètre ajouté au NPSHa.

3. L'opération submergée élimine les problèmes d'amorçage

Lorsque l'entrée d'aspiration reste en dessous du niveau de liquide, la pompe s'amorce automatiquement. Il n’y a pas de poche d’air à purger ni de longue conduite d’aspiration pour sceller les fuites de vide. L'air pénétrant dans une conduite d'aspiration horizontale est une source courante de symptômes de type cavitation ; une pompe verticale immergée supprime complètement ce mode de défaillance.

Quand une pompe horizontale a encore du sens – et comment résoudre son problème NPSH

L’avantage NPSH des pompes verticales ne rend pas les pompes horizontales obsolètes. La plupart des stations de pompage utilisent encore des pompes horizontales à aspiration finale, à carter divisé ou pour procédés chimiques, et pour de bonnes raisons :

• Accès de maintenance plus facile à la garniture mécanique, à la roue et aux roulements sans retirer une longue colonne.
• Hauteur totale inférieure pour les bâtiments avec un dégagement limité.
• Large choix de modèles standards, y compris des arrangements coulissants vers l'arrière.
• Efficacité légèrement supérieure dans certaines conceptions en raison de dispositions plus simples en matière de roulements et d'étanchéité.

Les pompes horizontales sont le choix naturel lorsque le côté aspiration est favorable : un réservoir au-dessus du fond de la pompe, un niveau de liquide contrôlé et un tuyau d'aspiration court. Dans le secteur chimique, où le fluide est corrosif et où l'accès pour la maintenance est critique, les ingénieurs restent souvent avec Pompes centrifuges chimiques horizontales série IH lorsque ces conditions seront réunies. Pour les circuits généraux d'alimentation en eau industrielle, de surpression et de refroidissement, Pompes centrifuges horizontales série SLW Couvre la plupart des tâches sans nécessiter une fosse profonde.

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Si votre application est inclinée horizontalement mais que le NPSHa calculé est trop faible, réparez le système plutôt que d'abandonner l'orientation de la pompe :

1. Abaissez la pompe. Montez-le aussi près que possible du niveau de liquide ; l'abaissement de la ligne médiane augmente directement la tête d'aspiration statique.
2. Agrandissez le tuyau d'aspiration. Une taille nominale plus grande peut réduire considérablement les pertes par friction pour le même débit.
3. Raccourcir et redresser la course d'aspiration. Supprimez les coudes, les réducteurs et les vannes d'étranglement inutiles.
4. Augmentez le niveau de liquide du réservoir ou ajoutez un petit récipient d'aspiration pour augmenter la hauteur statique positive.
5. Refroidissez le liquide si la pression de vapeur est élevée. Une température plus basse augmente NPSHa pour la même pression absolue.
6. Ajoutez une petite pompe de surpression devant la pompe principale lorsque la pression d'aspiration reste insuffisante après un changement de tuyauterie.

Étape par étape : vérifier le NPSH avant d'acheter

Quelle que soit l'orientation que vous choisissez, vérifiez les numéros avant de passer commande. Utilisez cette liste de contrôle en cinq étapes :

1. Identifiez le liquide et la température de fonctionnement la plus défavorable. Obtenez la pression de vapeur à cette température ; des conditions plus chaudes réduisent le NPSHa.
2. Déterminez la hauteur d'aspiration statique. Mesurez la distance verticale entre la surface du liquide et l'entrée d'aspiration de la pompe ; il est positif pour une pompe verticale immergée et négatif pour une pompe horizontale au-dessus du liquide.
3. Estimer la perte par friction de la tuyauterie d’aspiration. Tenez compte du diamètre du tuyau, de la longueur équivalente, des coudes, d'un clapet de pied le cas échéant et de la crépine.
4. Calculez NPSHa avec des unités cohérentes. Utilisez des mètres de colonne de liquide pour la pression de surface du réservoir, la hauteur d'aspiration statique, la pression de vapeur et la perte par friction.
5. Comparez avec la courbe NPSHr du fabricant à l'intersection de votre débit et de votre vitesse de fonctionnement. Confirmez que NPSHa moins NPSHr se trouve à au moins 0,5 m sous le niveau de liquide le plus bas attendu.

Demandez au fabricant la courbe NPSHr complète, et pas seulement un seul point minimum, car la courbe montre le comportement de la pompe sur toute sa plage de fonctionnement. La plate-forme de test de notre installation couvre des diamètres de pompe de 32 mm à 1 200 mm et des puissances de moteur de 1,1 kW à 1 200 kW, de sorte que les performances hydrauliques et le comportement d'aspiration peuvent être vérifiés avant qu'une unité ne quitte l'usine. Si vos conditions d'aspiration sont inhabituelles, contactez notre équipe d’ingénierie de pompes avec le point de fonctionnement et un schéma de tuyauterie pour vérification.

Quelle orientation de pompe devriez-vous choisir pour les applications à faible NPSH ? — Verdict final

La sélection découle directement de la distinction NPSHa/NPSHr.

Choisissez une pompe verticale - une pompe submersible verticale, une pompe verticale à arbre long ou une pompe à liquide verticale - lorsque le niveau de liquide est bas, la fosse est profonde, la hauteur d'aspiration est marginale ou le fluide doit être aspiré d'un puisard. L'entrée d'aspiration immergée et le court trajet d'aspiration offrent un NPSHa naturellement plus élevé, et la marge contre la cavitation est plus indulgente lorsque les niveaux fluctuent.

Choisissez une pompe horizontale lorsque la hauteur d'installation est limitée, l'accès pour la maintenance est une priorité et le côté aspiration peut être contrôlé - par exemple, une salle des pompes où le réservoir d'alimentation se trouve au-dessus du sol de la pompe. Avec un tuyau d'aspiration correctement dimensionné, les pompes horizontales gèrent de manière fiable la plupart des services d'eau propre et de produits chimiques.

Gardez les deux chiffres séparés lorsque vous lisez des conseils contradictoires en ligne. Si quelqu’un dit que les pompes verticales ont un meilleur NPSH, il veut dire NPSHa. Si quelqu’un dit qu’il n’y a pas de différence, il parle de NPSHr. Les deux affirmations peuvent être vraies à la fois. Nous avons couvert les compromis mécaniques plus larges dans notre comparaison précédente des pompes horizontales et verticales .

Avant de finaliser les spécifications de la pompe, vérifiez NPSHa par rapport à la courbe NPSHr du fabricant à chaque point de débit de fonctionnement et confirmez la marge au niveau de liquide le plus bas attendu. Quelques minutes de calcul peuvent désormais éviter des années de turbines endommagées par la cavitation et des temps d'arrêt imprévus.