Déterminer efficacement la hauteur statique lors du dimensionnement des pompes centrifuges dans les applications minières

Inspirée d’un projet réalisé récemment par des experts de BBA, cette deuxième partie fait suite à un article de blogue paru en 2021.

Le mandat

Le mandat consistait à pomper un liquide chargé jusqu’à un équipement de procédé en hauteur dans une configuration à alimentation par le haut. La configuration de la tuyauterie devait être de type 2 (Figure 1), c’est-à-dire un système avec une section de tuyauterie dont l’élévation est supérieure au point de refoulement.

L’option de base retenue pour la configuration de la tuyauterie est illustrée dans la capture d’écran du modèle 3D (Figure 2).

Il était également nécessaire de répartir uniformément le liquide chargé le long du réservoir d’alimentation allongé pour alimenter correctement le procédé. Le tuyau d’alimentation a donc été divisé deux fois de manière symétrique pour obtenir quatre tuyaux de descente équidistants qui aboutissent au réservoir d’alimentation.

Pour de telles configurations de tuyauterie de transport de liquides chargés, on conçoit habituellement une section droite de 4 à 6 diamètres immédiatement après le premier té, et ce, pour favoriser l’homogénéisation du produit dans la section verticale du collecteur. Il est préférable de recourir à des tés aux coudes, car ils génèrent davantage de turbulence, ce qui facilite le mélange du produit. Dans ce cas-ci, avec un tuyau d’un diamètre nominal de 250 mm, on a opté pour une longueur de 4 diamètres, soit 1 m, pour la première section verticale. Ainsi, l’élévation du point le plus haut du tuyau d’alimentation, à partir de l’extrémité de refoulement des tuyaux de descente (non immergés, de sorte que la mesure SH2 sur la figure 1 correspondrait à l’élévation du bout du tuyau de refoulement), serait 3,0 m (DH à la Figure 1). Avec un liquide chargé d’une densité relative de 1,2, on peut s’attendre à une dépression de 3,6 m de colonne d’eau (soit 0,36 atmosphère) dans ce tuyau si une soupape casse-vide n'est pas installée dans la section du haut.

Une autre disposition a également été envisagée, illustrée à la Figure 3, où le tuyau d’alimentation est divisé en amont et en dessous de la plateforme de commande de l’équipement, de manière à répartir le flux de produit entre deux tuyaux qui alimentent le réservoir par deux côtés.

Cet acheminement permet d’utiliser des tuyaux de plus petite taille (diamètre nominal de 200 mm). Dans ce cas, on ne divise qu’une seule fois chacun d’eux en deux tuyaux de descente, mais le liquide chargé entre dans le réservoir d’alimentation exactement aux mêmes endroits que pour le concept de base. Avec ce concept, on réduit également la différence d’élévation (DH dans la figure 1) à 2,0 m, de sorte que la dépression résultante sera de 2,4 m de colonne d’eau, ou 0,24 atmosphère, si on décide de garder le tuyau du haut exempt de soupape casse-vide.

Avantages et limitations

Cette courbe montre clairement que la différence entre la hauteur à débit nul (SO) et la hauteur dynamique totale (TDH) au point de fonctionnement n’est que de 2,0 m de colonne de liquide chargé.

Pour charger le siphon, la pompe doit fonctionner à au moins 15 % ou 20 % du débit nominal (voir la discussion dans la première partie de cet article de blogue), auquel cas la hauteur dynamique totale correspondante sera d’environ 35 m. La différence chuterait alors à 1,7 m, ce qui est nettement inférieur à la différence d’élévation DH de 3,0 m obtenue avec l’option de base et ce qui dépasse à peine la valeur DH de 2,0 m de l’autre configuration.

Cela prouve qu’une pompe dimensionnée pour la hauteur statique du système, telle que mesurée entre l’élévation du refoulement de tuyau de descente et le niveau du liquide chargé dans le module de pompage (SH2), ne pourrait pas commencer à pomper si elle était équipée d’un moteur à vitesse fixe ou si sa conception ne comprenait pas une option de moteur à vitesse variable lui permettant de passer outre à la vitesse nominale du moteur.

Il est évident que pour assurer la stabilité du pompage et un fonctionnement sans problème, il faut installer des soupapes casse-vide sur le tuyau du haut. Dans ce cas, la hauteur statique du système est toujours mesurée entre l’axe de la section supérieure du tuyau d’alimentation et le niveau du liquide chargé dans le module de pompage (SH1).

Si la soupape casse-vide est intégrée au concept, en abaissant le tuyau du haut de 1 m (comme dans la deuxième configuration de tuyauterie), on réduirait également la consommation d’énergie de la pompe, ce qui est un avantage supplémentaire de cet acheminement. Les économies d’énergie approximatives dans ce cas ont été estimées comme suit (en supposant la réduction d’une hauteur statique de 1 m et certaines réductions des pertes par frottement).

Conclusions

Cette étude de cas corrobore les conclusions suivantes, présentées de la première partie de l’article de blogue :