Comment lire la courbe d’une pompe et dimensionner correctement l’installation.
Savoir lire la courbe d'une pompe est la première étape pour sélectionner le modèle le plus adapté, en évitant les erreurs de dimensionnement, les gaspillages d’énergie et les problèmes de cavitation.
Lorsqu’on sélectionne une pompe pour une installation hydraulique, que ce soit pour une habitation, un puits ou un système d’irrigation, la courbe caractéristique est l’outil de départ pour faire un bon choix. Comprendre comment l’interpréter est fondamental pour :
- identifier le modèle capable de répondre aux exigences de l’installation tout en évitant les surdimensionnements ;
- prévenir les inefficacités énergétiques, avec des avantages en termes de coûts et d’impact environnemental ;
- garantir une longue durée de vie et des performances optimales de la pompe, grâce à l’identification du point de rendement maximal.
Courbe caractéristique d'une pompe hydraulique : une question de débit et de hauteur manométrique.
Comme on le sait, la pompe transforme l'énergie mécanique fournie par le moteur en énergie cinétique, en la transférant au fluide à travers les pales de la roue. Cette énergie est ensuite partiellement convertie en énergie de pression, permettant au fluide de circuler dans une installation. Pour décrire le comportement de la pompe, on se réfère à deux grandeurs fondamentales : le débit et la hauteur manométrique.
Le débit d'une pompe centrifuge indique le volume de fluide qu’elle peut déplacer dans un laps de temps donné. En termes pratiques, il s’agit de la quantité de liquide traversant la pompe par unité de temps, généralement exprimée en litres par minute (l/min) ou en mètres cubes par heure (m³/h). Aux États-Unis, on utilise aussi le GPM (gallons per minute). Cette grandeur est influencée par plusieurs facteurs, notamment les dimensions de la pompe, la vitesse de rotation de son arbre, ainsi que les propriétés physiques du fluide traité, comme la densité et la viscosité. Le débit représente l’une des caractéristiques techniques fondamentales d’une pompe centrifuge, car il détermine sa capacité à répondre aux exigences de flux d’un système ou d’un processus donné.
La hauteur manométrique d’une pompe représente la différence de pression entre le point de sortie et le point d’entrée du fluide, exprimée en termes de hauteur, généralement en mètres (m). Elle indique en substance à quelle hauteur la pompe est capable de soulever le fluide, en transformant l’énergie mécanique en énergie de pression. Ce paramètre est crucial car il détermine la capacité de la pompe à vaincre les résistances présentes le long du parcours du fluide, comme celles dues aux coudes, vannes, tuyauteries ou pertes de charge réparties. La hauteur manométrique constitue donc un élément clé dans la sélection de la pompe la plus adaptée à une installation spécifique, car elle doit être compatible avec les conditions structurelles du système, telles que la longueur et le diamètre des tuyaux, la hauteur de levage requise et la quantité de fluide à transférer.
La courbe caractéristique trace le comportement de la pompe hydraulique.
Le comportement de la pompe hydraulique, en termes de capacité à générer une hauteur manométrique à différents débits, est décrit par sa courbe.
La courbe est tracée sur un plan cartésien où l’axe horizontal (axe des abscisses) représente le débit — exprimé en m³/h, l/min ou GPM — et l’axe vertical (axe des ordonnées) indique la hauteur manométrique en mètres (m).
En général, la courbe a une tendance descendante : cela signifie qu’à mesure que le débit augmente, la hauteur manométrique diminue : une plus grande quantité de fluide en mouvement implique une moindre capacité de levage par unité de fluide.
Chaque pompe a cependant sa propre courbe caractéristique, en fonction de plusieurs facteurs, dont :
- la géométrie de la roue (diamètre, forme et inclinaison des pales) ;
- la vitesse de rotation de la pompe ;
- les pertes internes dues au frottement et aux turbulences ;
- les caractéristiques de construction du corps de pompe.
Dans tous les cas, la courbe permet de visualiser comment la pompe se comportera à un point donné dans sa plage de fonctionnement.
Comment sélectionner le bon modèle de pompe hydraulique.
Il faut tout d’abord identifier le débit et la hauteur manométrique nécessaires pour votre installation. Sur le graphique de la courbe caractéristique de la pompe, chaque point représente une combinaison de débit et de hauteur que la pompe peut réellement fournir.
Imaginons devoir pomper de l’eau depuis une citerne enterrée vers un réservoir surélevé à l’aide d’une pompe. Les données à considérer sont la hauteur de levage, par exemple 15 mètres, à laquelle il faut ajouter les pertes de charge, et le débit requis, par exemple 12 m³/h.
Cela permet d’identifier le point de fonctionnement requis par l’installation, indépendamment de la pompe. Il faut alors évaluer la pompe et vérifier si le point de fonctionnement se situe sur sa courbe. Si le point est en dessous de la courbe, cela signifie que la pompe ne peut pas fournir la hauteur requise au débit souhaité ; si le point est au-dessus de la courbe, cela signifie que le système demanderait une hauteur inférieure à celle fournie par la pompe à ce débit. Dans le premier cas, la pompe ne peut pas vaincre la résistance du système, dans le second cas elle est surdimensionnée. En résumé, le point de fonctionnement doit se trouver sur la courbe caractéristique de la pompe pour qu’il y ait un véritable équilibre entre ce que la pompe peut fournir et ce que le système demande.
Point de fonctionnement et point de rendement maximal (BEP).
Mais il ne suffit pas que le point de fonctionnement soit sur la courbe : il est essentiel qu’il soit aussi proche que possible du point de rendement maximal, connu sous le nom de BEP (Best Efficiency Point).
Chaque pompe a en effet un débit auquel elle fonctionne dans des conditions optimales, avec un rendement maximal. Ce point se situe sur une courbe en cloche qui représente le rapport entre la puissance utile et la puissance absorbée, toujours en fonction du débit, et est généralement indiqué par les constructeurs sur la courbe caractéristique.
Par exemple, imaginons une pompe hydraulique dont le BEP est entre 7 et 10 m³/h, correspondant à 70 % - 80 % de son débit maximal. Si le point de fonctionnement de l’installation se situe dans cette plage, cela signifie que la pompe fonctionnera dans des conditions optimales.
Lorsque la pompe fonctionne trop loin de ce point, les conséquences sont négatives : à gauche (débit faible), il y a un risque de vibrations, de surchauffe et de bruit ; à droite (débit élevé), le rendement diminue et l’usure ainsi que la consommation augmentent.
Qu’est-ce que le NPSH et pourquoi est-il important.
Lorsqu’une pompe aspire un fluide, une dépression se crée à l’entrée (aspiration). Si cette pression descend trop, le fluide peut s’évaporer localement, générant des bulles et provoquant le phénomène de cavitation, qui peut gravement endommager la roue.
C’est pourquoi, en particulier pour les installations avec une aspiration profonde, il est important de considérer la valeur NPSHR – Net Positive Suction Head Required, soit la pression minimale (exprimée en mètres de colonne de liquide) qui doit être présente à l’entrée de la pompe pour éviter la cavitation. Elle est indiquée par le fabricant dans la fiche technique de la pompe, généralement en fonction du débit.
Plus le débit est élevé, plus la pompe nécessitera un NPSHR élevé. Le Net Positive Suction Head Available (NPSHA) indique au contraire la pression effectivement disponible à l’aspiration de la pompe, déterminée par les conditions de l’installation : niveau du liquide, pression atmosphérique, pertes en aspiration, hauteur d’aspiration. Pour un fonctionnement sûr, la valeur du NPSHA doit être supérieure à celle du NPSHR, avec une marge de sécurité d’au moins 0,5 à 1 mètre. Dans le cas contraire, la pompe risque de caviter, causant des dommages et une baisse de performance.
Le type de fluide fait également la différence.
Les courbes caractéristiques des pompes hydrauliques sont développées avec de l’eau, mais lorsqu’il s’agit d’autres fluides — plus visqueux, plus légers, plus chauds ou plus corrosifs — il faut tenir compte de variations importantes. La viscosité, par exemple, influence le débit et la puissance absorbée ; la densité influe sur la hauteur requise ; la tension de vapeur modifie la valeur du NPSHA.
Dans ces cas, il est nécessaire de corriger les courbes standard en appliquant des coefficients spécifiques, d’évaluer la puissance du moteur en fonction de la nouvelle charge et, surtout, de s’assurer que les matériaux de la pompe sont compatibles avec le fluide traité.
