Réseaux de chaleur et de froid urbains

Dans les applications en génie climatique, on utilise essentiellement des pompes centrifuges. Une pompe centrifuge est constituée d’une ou plusieurs turbines tournant à l’intérieur d’un corps.

Une pompe est faite pour satisfaire un débit dans une installation. Cependant, un même débit sur différentes installations nécessitera une pression ou une HMT spécifique fournie par la pompe. La courbe caractéristique d’une pompe est toujours une courbe débit / pression.

Débit d’une pompe

Le débit d’une pompe est la quantité de liquide qu’elle déplace par unité de temps. Pour une pompe centrifuge donnée, le débit dépend :

• De la résistance du circuit (pertes de charge liées à l’installation)
• De la vitesse de rotation
   

Les caractéristiques hydrauliques d’une pompe varient en fonction de ces deux paramètres.

Point de fonctionnement d’une pompe

Chaque pompe se cale sur un point de fonctionnement qui correspond à l’équilibre entre la pression donnée par la pompe et la perte de charge ou résistance du réseau. Ce point est matérialisé par l’intersection de la courbe hydraulique de la pompe et de la courbe des pertes de charge du réseau, comme le montre le diagramme ci-contre. 

La courbe caractéristique d’une pompe permet donc de connaître en son point A d’utilisation le débit qv1 et la pression J1 fournis par la pompe. Pour une pompe centrifuge, une modification de sa courbe ne peut être obtenue que par la modification de la vitesse de rotation, du diamètre de roue et du nombre d’étages (pompe  multicellulaire).

Dans une installation, une modification du point de fonctionnement ne peut être obtenue qu’en augmentant ou en diminuant la résistance du circuit (par exemple en ouvrant ou en fermant une vanne).

Le point de fonctionnement est toujours l’intersection de la courbe de la pompe et de la courbe de réseau.

Hauteur manométrique d’une pompe

La hauteur manométrique totale d’une pompe (HMT) correspond à l’augmentation énergétique du fluide  entre son aspiration et son refoulement. Cette énergie, fournie par la pompe, se traduit sous forme de pression différentielle. C’est l’élément caractéristique d’une installation.

Dans un circuit dit hydrauliquement fermé aucune partie de l’installation n’est en contact avec l’atmosphère. Le fluide est recyclé en permanence. C’est en général le cas des installations de chauffage et de climatisation.

Compte tenu de l’incompressibilité des liquides, les circuits fermés exigent un dispositif d’expansion. Dans un circuit fermé, la gravité et les hauteurs géométriques n’interviennent pas dans le calcul de la Hauteur  Manométrique Totale (HMT) de la pompe. Toutes les colonnes d’eau montantes et descendantes se compensent naturellement. 

Dès qu’une pompe débite dans un circuit fermé, l’énergie qu’elle fournit (HMT) est par conséquent rigoureusement égale aux seules pertes de charge du circuit.

Lecture d’une courbe de pompe

Pompe à vitesse fixe (réseau à débit constant)

Lorsque le débit est constant, le point de fonctionnement est fixe. La zone normale d’utilisation est la zone 2, c’est une zone dans laquelle :

• Les efforts mécaniques sur les pièces de la pompe sont sains et équilibrés,
• Le rendement énergétique global est bon, la courbe comporte un point particulier appelé point de meilleur rendement.
   

Zone de sélection sur courbe de pompe à vitesse fixe

Pompe à vitesse variable (réseau à débit variable)

Dans le cas d’une installation à débit variable, la résistance du réseau varie en fonction de l’ouverture et de la fermeture des vannes de régulation à 2 voies. La pompe ajuste sa vitesse sur la consigne de pression définie (∆p constant ou ∆p variable). 

A la différence d’une pompe à vitesse fixe, la zone normale d’utilisation se trouve à l’intérieur de l’aire définie par la zone 2. Le point de fonctionnement nominal (besoin maximal de l’installation) peut être choisi à l’extrémité droite de la zone 2 car celui-ci n’est atteint que 2 ou 3 jours dans l’année. Il offre ainsi à la pompe une amplitude de variation maximale permettant d’optimiser la consommation électrique de l’appareil notamment lorsque le débit est situé entre 10% et 50% du débit nominal. 

La zone de meilleur rendement (2ème tiers de courbe) est ainsi atteinte sur une plus longue période. Le point nominal ne doit pas être sélectionné dans la zone 1 : la pompe ne varie pas ou peu et n’apporte aucun intérêt économique et technique.

Zone de sélection sur courbe de pompe à vitesse variable

NPSH et pression minimum d’aspiration d’une pompe dans un circuit fermé

NPSH est l’abréviation de l’expression anglaise Net-Positive-Suction-Head, encore appelée hauteur d’aspiration nette positive ou hauteur totale de pression de retenue.

Afin de garantir le bon fonctionnement d’une pompe ou d’un circulateur en circuit fermé, il ne faut jamais que le fluide vaporise dans la roue, sous risque de cavitation. On distingue le NPSH de l’installation, NPSH disponible (NPSHd [m]) et le NPSH de la pompe, NPSH requis (NPSHr [m]). 

En comparant simplement les deux valeurs, NPSH disponible et NPSH requis, il est possible de déterminer si la pompe choisie pour l’installation concernée est adaptée ou non. Pour qu’une pompe fonctionne sans cavité, on doit avoir la condition suivante :

La valeur du NPSHd > NPSHr
Marge de sécurité de + 0,5 à 1 m

Cette condition doit être remplie sur la totalité de la plage de fonctionnement admissible de la pompe.

Représentation du point de cavitation

Le NPSH de l’installation (NPSH disponible)

Le NPSH disponible équivaut à la réserve totale de pression au-dessus de la tension de vapeur du produit qui est disponible à la bride d’aspiration de la pompe. Cette notion résume en un terme toutes les données de l’installation qui ont une influence sur la pression d’aspiration de la pompe. Il suffit au constructeur de la pompe de connaître la valeur de NPSH disponible pour pouvoir garantir un fonctionnement irréprochable de la pompe.

Le NPSH de la pompe (NPSH requis)

Le NPSH requis d’une pompe, exprimé en mètres de liquide, indique la charge nette absolue minimum qui doit être assurée à l’entrée de la pompe pour un fonctionnement correct.

Le NPSH requis dépend seulement des caractéristiques de la pompe et non de celles de l’installation. Il est variable pour chaque pompe en fonction du débit et de la vitesse de rotation. De plus, il est toujours positif. Le NPSH requis est  indépendant de la nature du fluide transféré. 

Les valeurs de NPSH requis mentionnées sur la courbe caractéristique de chaque pompe résultent de mesures effectuées avec de l’eau froide. Ces valeurs ont été obtenues sur un banc d’essai spécialement conçu à cet effet. Le NPSH requis donne une indication sur la possibilité d’aspiration de la pompe en un point précis de la courbe. 

La capacité d’aspiration de la pompe est d’autant plus grande, que la valeur du NPSH requis est faible. Grâce à une construction adaptée, on peut obtenir de faibles valeurs de NPSH requis. Ces valeurs jouent un rôle très important, notamment dans le cas de transfert de liquides proches du point d’ébullition.

Le NPSH requis, la tension de vapeur (tableau en annexe), la pression atmosphérique et une garde de sécurité permettent de définir la pression (au manomètre) minimum à l’aspiration de la pompe.

Approche simplifiée 

Détermination de la pression mini d’aspiration d’une pompe dans un circuit fermé à eau chaude

La tension de vapeur correspond à la pression absolue nécessaire à la surface de l’eau pour éviter qu’elle ne se vaporise. Si la pression absolue à la surface du liquide est inférieure à cette tension de vapeur, il en résulte une vaporisation immédiate donnant naissance à des  « bulles » qui vont aller se résorber dans les zones de plus haute pression.

L’altitude est à prendre en compte dans la pression atmosphérique.

Nous considérons la sélection d’une pompe Wilo-Stratos-GIGA2.0-I 50/1-37/3,0 débitant 32 m³/h pour une consigne de pression de 22 mCE qui véhicule de l’eau chaude à 90°C sans additif. Le NPSH requis de cette pompe étant de 5,4 mCE, on peut déterminer les conditions limites d’utilisation.

La tension de vapeur de l’eau à 90°C équivaut à 0,7 bar absolu. Dans ces conditions, la pression minimale d’aspiration de la pompe, lue au manomètre, devra être de 3,07 mètres de liquide, soit 0,3 bar (Installation au niveau de la mer).

Correction liée à l’altitude 

Supposons maintenant que la chaufferie est située à 1500 mètres d’altitude. Selon le tableau ci-dessus, la pression exercée par l’atmosphère sera de 8,62 mCE. Dans ces conditions, la pression à maintenir à l’aspiration lue au manomètre sera non plus de 0,3 bar mais de 0,5 bar.

D’une manière générale pour un réseau fermé sous pression d’une température inférieure à 90°C, il est vivement conseillé d’assurer une pression d’aspiration minimale d'1 bar au point de fonctionnement nominal de la pompe.