Résistance au colmatage

PUBLICATION TECHNIQUE
La résistance d’une pompe au colmatage
Mai 2012
Pourquoi la résistance d’une pompe au colmatage ne
peut pas être déterminée par sa section de passage ?
La section de passage d’une pompe sert souvent de référence pour spécifier la résistance d’une
pompe face au colmatage, bien que de nombreuses données montrent la non pertinence
de cette mesure. Le colmatage est un problème de fonctionnement hautement critique et
indésirable dans le domaine du pompage des eaux usées, ce qui augmente les coûts de
fonctionnement et les appels d’urgence des utilisateurs finaux. Le colmatage réduit de façon
conséquente le rendement et entraîne de nombreux arrêts intempestifs des pompes.
L’exigence numéro 1 concernant les pompes d’eaux usées est
de pouvoir pomper des eaux usées sans colmatage. Cet article
décrit l’importance de la conception de l’hydraulique d’une
pompe pour permettre un fonctionnement sans colmatage. Il
est également établi que la section de passage est un critère
trompeur ne permettant pas de garantir une résistance au
colmatage.
Historique
La définition traditionnelle de la section de passage fait
référence au passage libre de particules au travers d’une roue
de pompe. La section de passage est déterminée par le plus
grand diamètre d’un objet sphérique, dur et solide, pouvant
traverser une pompe. Ce concept est ancien datant de 1915,
et a été développé à une époque où le coût de l’énergie n’était
pas significatif. Les fabricants de pompes pensaient alors
intuitivement que le colmatage des pompes pouvait être évité
en ayant simplement des pompes dont la section de passage
serait égale ou supérieure à ce qui pouvait passer dans les
toilettes.
Les fabricants de pompes pensaient alors que les objets
passeraient au travers des pompes aussi facilement que dans les
canalisations. Cette conception se nomme conception à section
de passage maximale. L’idée était que les sections importantes
permettraient d’accroître la fiabilité et réduiraient les appels pour
maintenance non planifiée. Nous appellerons par la suite cette
conception de l’hydraulique « conception traditionnelle ».
Les recherches et développements menés ces quelques
dernières dizaines d’années sur des centaines de milliers de
pompes en fonctionnement, ont prouvé que la logique simpliste
de la section de passage était incorrecte, voire trompeuse
bien qu’encore communément utilisée dans les cahiers de
spécifications techniques d’achats de pompes d’eaux usées.
Comment les fabricants ont-ils pu réaliser de larges sections
de passage ?
La section de passage la plus réduite dans une pompe se situe
au niveau de la roue.
Il existe deux principales options de conception d’hydraulique
permettant d’obtenir une section de passage maximale :
1. Roue mono-canal (ouverte ou fermée, valable principalement
pour les petites pompes)
2. Roue Vortex
Figure 1 : Exemple de roue
monocanal
Figure 2 : Exemple de roue
Vortex
Ces conceptions présentent les inconvénients suivants :
Roue mono-canal :
• Niveau de rendement moyen (le rendement augmente avec
le nombre de canaux dans la roue)
• Efforts radiaux élevés (cela entraine des efforts importants
sur l’arbre et les roulements ainsi qu’un accroissement des
vibrations et du bruit)
• Equilibrage difficile (la roue est remplie d’eau durant son
fonctionnement)
• Le rognage de roue accroit encore le déséquilibre
Roue Vortex :
• Rendement très faible
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Eaux usées modernes
Les études menées sur les eaux usées modernes ont démontré
qu’elles ne contiennent que très rarement des objets durs,
solides, sphériques ayant un diamètre aussi grand que le
diamètre intérieur des conduites du réseau. Des objets
réellement solides et durs, tels que des pierres, de la brique
ou de l’acier sont eux aussi rares, et ces éléments atteignent
rarement les pompes car ils sont bloqués dans les surfaces
horizontales où l’effluent stagne ou a une vitesse trop faible
pour les transporter. En fait, les solides les plus répandus dans
les eaux usées municipales sont d’origine organique et sont
souvent longs et filandreux, tels que des fibres.
Comme montré sur les photos ci-dessous, les fibres s’accrochent
préférentiellement sur les bords d’attaque du canal des roues.
Toutes les conceptions de roue comportent au moins un tel bord
d’attaque de ce style.
Les eaux usées modernes contiennent une quantité plus
importante de tissus synthétiques et de fibres artificielles que
précédemment. Les produits d’entretien ménager, tels que les
lavettes, lingettes, et les torchons, en sont la cause. Ces produits
doivent être éliminés à la poubelle ou en compost, mais de
nombreux consommateurs déversent ces produits dans les
toilettes, ajoutant ainsi des fibres synthétiques dans le flux des
eaux usées.
Figure 4 : Accumulation dans
une roue mono-canal
Figure 5 : Accumulation dans
une roue mono-canal
Figure 6 : Accumulation dans
une roue vortex
Figure 7 : Accumulation dans
une roue vortex
Probabilité de présence dans
des eaux usées modernes
Taille d’objets
mous et filandreux
Taille d’objets
sphériques solides
Figure 3
La figure 3 est une représentation conceptuelle de la probabilité
de trouver dans des eaux usées modernes divers types d’objets
solides. La partie gauche montre des objets sphériques durs
(pierres, graviers, sable, gravillons, vase,…) et la partie droite les
objets de tailles et formes diverses, de sphériques à très larges
et allongées. La courbe de distribution montre que la probabilité
de trouver des objets durs et de grandes dimensions est faible
comparativement à de petites particules dures mais aussi divers
petits et grands objets organiques mous et fibreux.
Impact sur les conceptions traditionnelles d’hydrauliques
Les objets filandreux ont tendance à s’accrocher sur les roues
traditionnelles, même si elles ont une section de passage
importante.
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En permanence, des objets mous, résistants et allongés sont
absorbés par la pompe, certains rencontrent le bord d’attaque
d’un des canaux de la roue. Les fibres ont tendance à s’enrouler
autour de ce bord d’attaque et à s’agglomérer de part et d’autre
dans le canal. Sur les bords d’attaque droits ou faiblement
incurvés, les débris ne pourront s’évacuer, au contraire les
débris vont ainsi s’accumuler. Ces accumulations vont créer de
gros amas et paquets de matière organique solide (appelés
quelquefois balles de chiffon). Lorsque ces objets s’accumulent
dans des roues de conception traditionnelle, il est probable que :
1. Le débit de la pompe diminue du fait que les matières
solides commencent à réduire le passage libre pour l’effluent.
Cela conduit habituellement à un rendement réduit. Ce
phénomène est nommé colmatage partiel car la pompe
continue de fonctionner. Le temps de pompage d’une bâche
sera supérieur avec une pompe dont la roue est partiellement
colmatée qu’avec une roue ayant un passage complétement
dégagé au niveau de ses canaux.
2. La puissance consommée augmente au fur et à mesure que
les débris accumulés entrent en contact avec la roue et la
volute et ainsi un couple résistant. Ce couple résistant réduit
le rendement et augmente le risque d’un arrêt du moteur
de la pompe induit par une surcharge. Les solides font office
de frein, ce qui accroit la puissance d’alimentation requise.
Dès que l’intensité absorbée est supérieure à l’intensité de
déclenchement, la pompe d’un colmatage complet.
Pour une pompe fonctionnant avec un rendement dégradé,
les coûts opérationnels sont augmentés car une surcharge du
moteur ou un déclenchement de la pompe amplifie les coûts
pour l’utilisateur final. En effet, cela nécessitera l’intervention
d’un technicien sur la station de pompage afin de déboucher et
redémarrer la pompe.
Dans le cas de pompes fonctionnant par intermittence, une
chasse d’eau se produira naturellement lors de chaque arrêt
de la pompe, par retour de la colonne d’eau de refoulement
vers la bâche. Cela permet un nettoyage des bords d’attaque
de la roue et évacue les solides accumulés dans la bâche via
la bride d’aspiration de la pompe. Cette évacuation a lieu
dans le système qu’il y ait ou non un clapet anti-retour sur le
refoulement.
Probabilité de présence dans
des eaux usées modernes
Taille d’objets
sphériques solides
Taille d’objets
mous et filandreux
Figure 9 : Conception hydraulique autonettoyante moderne
A la fin des années 90, un test standard de résistance a été
développé par Flygt et est depuis lors utilisé pour tester les
conceptions hydrauliques existantes ainsi que de nombreuses
idées innovantes. Ce développement conduit durant plus de 15
années, a permis de concevoir une pompe qui dépasse toutes
les conceptions traditionnelles de pompes pour les eaux usées.
Les connaissances accumulées sur les nombreuses installations
de pompes d’eaux usées ont fourni toutes les données
nécessaires pour développper les capacités autonettoyantes
de cette roue dont les performances sont confirmées aussi bien
pour tous les points de fonctionnement, qu’à vitesse réduite.
La fonction de transport du liquide a été séparée de la fonction
transport des solides. Cette conception hydraulique de roue
autonettoyante permet d’éviter l’accumulation des contaminants
typiquement contenus dans les eaux usées modernes.
Figure 8
Roue
Fond de volute
La figure 8 montre les divers types de solides qui peuvent passer
au travers d’une roue de conception traditionnelle, avec forte
section de passage. La zone en vert indique les objets qui ont
une forte probabilité de pouvoir traverser la pompe. La zone
rouge indique une forte probabilité de colmatage.
Certains concepteurs d’hydraulique prétendent que les roues
vortex sont autonettoyantes car après une chasse, les solides
seraient évacués de la roue. En pratique, ce n’est pas le cas.
Même si cette chasse débarrasse la roue d’une partie des
filasses, elles reviennent sur la roue au redémarrage, diminuant
considérablement le rendement et augmentant d’autant la
facture énergétique.
Conceptions modernes des hydrauliques de pompe
De nos jours, il existe des conceptions d’hydrauliques plus
sophistiquées permettant une meilleure résistance au colmatage
et une conservation d’un haut niveau de rendement dans le
temps. Une conception avec un bord d’attaque incliné ainsi
qu’une rainure de dégagement a prouvé son efficacité pour
résoudre la majorité des soucis de colmatage.
Guide pin
Rainure
de dégagement
Corps de
pompe
Figure 10
Les solides qui viennent au contact du bord d’attaque de la roue,
sont continuellement poussés vers la périphérie et évacués via
le refoulement de la pompe grâce à la rainure de dégagement
située dans le fond de volute.
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La figure 11 montre les performances atteintes par une
hydraulique moderne, autonettoyante, avec des bords d’attaque
inclinés et une rainure de dégagement. La zone en vert indique
les objets qui ont une forte probabilité de pouvoir traverser
la pompe. La zone rouge indique une forte probabilité de
colmatage. La zone en vert est bien plus étendue qu’avec une
hydraulique traditionnelle à forte section de passage, comme
Investissement
Non planifié
Fonctionnement
(énergie + maintenance)
Probabilité de présence dans
des eaux usées modernes
Figure 12
Taille d’objets
sphériques solides
Taille d’objets
mous et filandreux
traités.
La majorité des coûts étant les coûts de fonctionnement et les
coûts non planifiés, l’intérêt d’un utilisateur final est d’avoir une
solution de station de pompage bien conçue, comprenant des
pompes modernes anti-colmatages, fiables et à haut rendement
énergétique.
Figure 11 :
Performance d’une conception d’hydraulique moderne et
autonettoyante
indiquée en figure 8.
Une pompe équipée d’une hydraulique autonettoyante de
conception moderne n’accumulera pas les solides qui se
trouvent dans les eaux usées modernes. Elle gardera un
rendement durable et une résistance au colmatage élevée, ce
qui réduit les coûts de fonctionnement et de planifiés et non
planifiés.
Le colmatage impacte sensiblement le coût global des
pompes (LCC)
Une bonne solution de pompage permet une réduction du coût
total de l’installation. Le coût global peut être divisé en trois
parties distinctes :
Conclusion
Une section de passage de pompe n’est pas un critère
permettant de garantir le fonctionnement anti-colmatage d’une
pompe d’eaux usées, particulièrement pour les effluents actuels.
L’utilisateur a besoin d’une pompe d’eaux usées fiable et efficace
aussi bien pour des cycles de fonctionnement courts que longs.
L’utilisation d’une pompe moderne, garantissant un autonettoyage continu de son hydraulique, permettra des réductions
de dépenses de fonctionnement importantes grâce à sa
résistance accrue au colmatage et sa capacité à maintenir un
haut rendement lors du pompage d’eaux usées.
• Coûts d’investissement : coûts liés à l’étude, la conception, la
construction, les achats des équipements, l’installation et la
mise en service
• Coûts de fonctionnement : coûts liés à la consommation
d’énergie de la station, la maintenance et la main d’œuvre
• Coûts non planifiés : coûts associés aux problèmes et temps
d’immobilisation, tels que pannes de la pompe, colmatage
de la pompe, débordement de la station, appels d’urgence,
pompage de secours, inondations de caves, ou effluents non
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