Comment calculer le débit et la hauteur manométrique d'une pompe à eaux usées submersible

Choisir une pompe submersible pour eaux usées devient beaucoup plus simple une fois deux valeurs connues : le volume d’eaux usées à pomper et la hauteur manométrique totale que la pompe doit franchir . Ces valeurs sont généralement exprimées en débit (m³/h) et en hauteur manométrique (m). La difficulté réside dans le fait qu’il ne faut pas les estimer à partir de la puissance du moteur, du diamètre du tuyau de refoulement ou des valeurs maximales indiquées dans un catalogue.

Pour un système de pompage des eaux usées, le débit requis dépend de la vitesse d'arrivée des eaux usées dans la fosse ou la station de pompage et du fonctionnement prévu du système. La hauteur manométrique requise dépend de la différence de niveau de liquide entre l'aspiration et le refoulement, ainsi que de la résistance créée par la canalisation de refoulement, les vannes et les raccords. Une fois ces valeurs calculées, elles définissent le point de fonctionnement optimal de la pompe. Si vous hésitez encore sur le type de pompe adapté aux eaux usées, consultez notre guide. guide d'achat des pompes à eaux usées submersibles Premièrement, parce que les solides, les fibres, la corrosion et la conception de la turbine influent également sur le choix final.

1. Commencez par déterminer le débit d'eaux usées que vous devez réellement pomper.

Le débit de pompage requis doit être déterminé par la quantité d'eaux usées entrant dans le système, et non par le débit maximal d'un modèle de pompe adapté à la tuyauterie. Dans un réseau d'assainissement résidentiel ou commercial, le débit entrant peut varier au cours de la journée. Une usine peut rejeter des eaux usées en fonction des cycles de production, de lavage ou de procédés par lots. Les réseaux d'eaux pluviales et de drainage peuvent présenter des variations encore plus importantes entre les conditions normales et les pics de consommation. C'est pourquoi la conception doit prendre en compte le débit entrant maximal réaliste que le système de pompage est censé traiter , tout en considérant le volume utile du bassin de rétention et le mode de régulation des pompes.

Par exemple, si une fosse septique reçoit normalement 25 m³/h mais atteint 60 m³/h pendant la période de pointe prévue, le choix d'une pompe adaptée à ce débit moyen de 25 m³/h permettra au niveau d'eau de continuer à monter lorsque le débit d'entrée atteint son maximum. Cependant, l'installation d'une pompe de 150 m³/h n'est pas systématiquement la meilleure solution. Une pompe surdimensionnée peut vider une petite fosse très rapidement, puis redémarrer dès que le niveau remonte, engendrant ainsi de fréquents cycles d'arrêt et de démarrage. Dans un système bien conçu, la capacité de la pompe, le volume de stockage dans la fosse, les niveaux de démarrage et d'arrêt ainsi que le débit d'entrée prévu sont pris en compte conjointement. Pour les installations municipales ou industrielles de grande envergure, plusieurs pompes peuvent fonctionner en alternance ou en parallèle, plutôt que de dépendre d'une seule unité surdimensionnée.

2. Comprendre ce que signifie réellement la hauteur de refoulement de la pompe à eaux usées

Une fois le débit requis connu, l'étape suivante consiste à calculer la hauteur manométrique. Pour la plupart des systèmes de transfert d'eaux usées, la hauteur manométrique totale est principalement composée de la hauteur statique et des pertes par frottement . La hauteur statique est due à la différence d'altitude et de pression entre le liquide à la source et le point de rejet final. Les pertes par frottement correspondent à l'énergie perdue lors du passage des eaux usées dans les canalisations, coudes, vannes, clapets anti-retour et autres composants. L'Hydraulic Institute décrit la hauteur manométrique du système, pour un débit donné, comme la somme des conditions statiques et des pertes par frottement. Cette hauteur varie avec le débit, car le frottement augmente avec la vitesse.

Une relation simplifiée utile pour de nombreux systèmes de pompage des eaux usées est la suivante :

Hauteur manométrique totale = Hauteur manométrique statique + Pertes de charge dues au frottement dans les tuyaux et les raccords + Pression de refoulement requise, le cas échéant

Cela signifie que la profondeur de la fosse d'épuration ne correspond pas automatiquement à la hauteur de refoulement de la pompe. Si une pompe est installée à 6 mètres sous la surface du liquide, mais que les eaux usées n'ont besoin de remonter que de 8 mètres entre le niveau de fonctionnement et le point de refoulement, la hauteur de refoulement statique est calculée en fonction de cette différence de niveau, et non en additionnant simplement la profondeur d'installation de la pompe. Ce principe s'applique aussi bien à une petite fosse de collecte qu'à un système plus important. système de pompage des eaux usées submersible .

3. Calculer la hauteur statique à partir des niveaux de liquide réels

Dans un système de relevage des eaux usées classique, la hauteur statique correspond à la différence de niveau vertical entre le niveau du liquide à l'aspiration et le niveau ou la pression du liquide au point de refoulement. Prenons l'exemple d'un puits humide où le niveau de pompage normal se situe à 2 mètres sous le niveau du sol et où le tuyau de refoulement débouche dans une chambre de réception ouverte à 10 mètres au-dessus du niveau du sol. La hauteur statique approximative est alors de 12 mètres. Le fait que la pompe elle-même soit installée 2 ou 3 mètres plus bas que le niveau d'eau de fonctionnement n'implique pas que ces mètres supplémentaires doivent être automatiquement ajoutés.

Le calcul doit également tenir compte des variations de niveau de liquide pendant le fonctionnement. Lorsque le niveau du réservoir humide baisse entre les points de démarrage et d'arrêt de la pompe, la hauteur manométrique augmente légèrement. Si le niveau d'eau dans le réservoir récepteur ou en aval varie également, le système peut présenter plusieurs conditions de fonctionnement. Pour un projet important, il est préférable de calculer les conditions de hauteur manométrique basse et haute plutôt que de choisir la pompe à partir d'une seule valeur. Si le refoulement est raccordé à une conduite sous pression plutôt qu'à une chambre ouverte, la pression déjà présente dans cette conduite doit également être convertie en hauteur manométrique et prise en compte dans le calcul.

4. Ajouter la perte de pression dans la conduite de refoulement

Le frottement dans les canalisations est souvent l'aspect le plus facilement sous-estimé lors du choix d'une pompe à eaux usées. Chaque mètre de canalisation oppose une certaine résistance à l'écoulement, et des pertes supplémentaires surviennent au niveau des coudes, tés, réducteurs, clapets anti-retour, vannes d'isolement et autres raccords. Les pertes par frottement augmentent avec la vitesse d'écoulement ; ainsi, une même canalisation ne présente pas une valeur de frottement fixe pour toutes les conditions de fonctionnement. L'Hydraulic Institute identifie précisément le diamètre des canalisations, les raccords et les vannes comme des facteurs contribuant fortement à la perte de charge due au frottement, ce dernier variant en fonction de la vitesse dans le système.

Ce facteur est crucial pour le choix du diamètre de la conduite de refoulement. Une conduite de plus petit diamètre peut sembler avantageuse en raison de son coût inférieur, mais contraindre le même débit d'eaux usées à travers un diamètre intérieur réduit augmente la vitesse et peut considérablement accroître les frottements. La pompe doit alors fournir une hauteur manométrique plus importante pour un même débit utile, ce qui peut accroître la consommation d'énergie et modifier son point de fonctionnement optimal. Par ailleurs, le dimensionnement des canalisations d'eaux usées ne peut se limiter à la minimisation des frottements ; la conception doit également garantir des conditions de transport adéquates pour les matières solides contenues dans les eaux usées. Pour les projets municipaux et industriels d'envergure, le diamètre de la conduite et la pompe doivent donc être considérés comme un système hydraulique unique et non comme des achats distincts.

Les pertes de charge par frottement peuvent être calculées à l'aide d'équations hydrauliques établies, telles que l'équation de Darcy-Weisbach, ou avec des logiciels d'ingénierie et des données de pertes de charge vérifiées. Pour obtenir un résultat pertinent, le calcul nécessite le débit nominal, le diamètre intérieur réel de la conduite, sa longueur, son matériau ainsi que le nombre et le type des principaux raccords. Une simple indication comme « la conduite mesure environ 100 mètres de long » est insuffisante pour choisir une pompe avec précision si le diamètre de la conduite et le débit de service sont inconnus.

5. Combiner le débit et la hauteur manométrique pour déterminer le point de fonctionnement de la pompe.

Prenons l'exemple simple du transfert des eaux usées. La capacité de pompage requise est de 80 m³/h . Dans les conditions nominales de fonctionnement, la différence de niveau entre les eaux usées dans le regard et le point de réception est de 14 mètres . Après calcul des dimensions de la conduite de refoulement, du clapet anti-retour, des coudes et autres raccords pour un débit de 80 m³/h, la perte de charge totale est estimée à 6 mètres . Les eaux usées sont rejetées dans un système de réception ouvert ; il n'y a donc pas de surpression requise.

La hauteur manométrique totale requise est donc :

Hauteur manométrique totale (HMT) = 14 m de hauteur statique + 6 m de perte de charge par frottement

TDH = 20 m

Le point de service nominal est :

80 m³/h à une hauteur de chute de 20 m

Cela ne signifie pas que l'acheteur doive simplement rechercher une pompe avec un débit maximal supérieur à 80 m³/h et une hauteur manométrique maximale supérieure à 20 mètres. Une pompe centrifuge produit une hauteur manométrique différente selon le débit. pompe submersible pour le transfert des eaux usées La pompe devrait présenter une courbe de performance atteignant environ 80 m³/h tout en produisant une hauteur manométrique d'environ 20 mètres. Le point de fonctionnement réel est déterminé par la relation entre la courbe de la pompe et celle du système ; l'Hydraulic Institute le définit comme le point d'intersection de ces deux courbes.

6. Ne choisissez pas une pompe à eaux usées en fonction du débit maximal ou de la hauteur manométrique maximale.

Les catalogues de pompes indiquent généralement une plage de débit et une plage de hauteur manométrique, mais le débit maximal et la hauteur manométrique maximale ne sont généralement pas atteints au même point de fonctionnement. Une pompe peut être capable de fournir une hauteur manométrique élevée près de l'extrémité basse de sa courbe et un débit beaucoup plus important lorsque la hauteur manométrique du système est plus faible. Considérer le débit maximal à une extrémité de la courbe et la hauteur manométrique maximale à l'autre comme un seul point de fonctionnement aboutit à une spécification de pompe que celle-ci risque de ne jamais atteindre.

C'est pourquoi la courbe de performance doit être l'un des premiers documents consultés lors de la comparaison de pompes à eaux usées. Le point sélectionné doit se situer dans la plage de fonctionnement recommandée par le fabricant, et non à une extrémité de la courbe. Un fonctionnement hors de cette plage peut réduire l'efficacité et la fiabilité, tandis qu'un surdimensionnement d'une pompe centrifuge peut engendrer un débit excessif, une limitation de débit inutile et une surcharge mécanique. L'Hydraulic Institute souligne que les pompes surdimensionnées fonctionnant hors de leur plage de fonctionnement optimale peuvent contribuer à des charges plus élevées et à une usure prématurée de composants tels que les roulements et les joints d'étanchéité.

La courbe hydraulique n'est qu'un élément parmi d'autres dans le choix d'une pompe de relevage des eaux usées. Ces dernières doivent pouvoir traverser la pompe sans risque de colmatage ou d'usure excessive. Une pompe parfaitement adaptée à un débit de 80 m³/h à 20 mètres de profondeur, mais dont la roue est inadaptée aux fibres longues, aux lingettes ou aux matières abrasives, ne conviendra pas. C'est pourquoi, avant de choisir le modèle définitif, il est essentiel de prendre en compte le point de fonctionnement et d'analyser les caractéristiques des eaux usées.

7. Le débit et la hauteur manométrique peuvent varier lorsqu'il y a plusieurs pompes en fonctionnement.

De nombreuses stations de pompage des eaux usées utilisent deux pompes ou plus afin d'ajuster leur capacité en fonction des variations de débit entrant ou de disposer d'une unité de secours en cas d'indisponibilité d'une pompe. Il est important de comprendre que deux pompes identiques fonctionnant en parallèle ne produisent pas nécessairement un débit exactement deux fois supérieur à celui d'une seule pompe. Lorsque le débit combiné augmente, la vitesse dans la conduite de refoulement commune augmente également, ce qui accroît les pertes de charge et modifie le point de fonctionnement du système. L'Hydraulic Institute souligne notamment qu'une augmentation du débit de pompes en parallèle peut accroître la hauteur manométrique et entraîner un débit résultant différent de celui obtenu par un simple calcul de multiplication par deux.

Pour un petit système de pompage en service continu où une seule pompe fonctionne normalement, le point de fonctionnement optimal de cette pompe peut être relativement simple à déterminer. Pour une station où deux ou trois pompes sont censées fonctionner simultanément, le fournisseur doit vérifier les courbes de performance individuelles des pompes, la courbe de performance combinée des pompes et la courbe de performance du système. Les niveaux minimum et maximum du puits humide doivent également être pris en compte car ils modifient la hauteur manométrique. Ceci est particulièrement important pour le traitement des eaux usées municipales, le transfert des effluents industriels et d'autres applications où la station de pompage doit fonctionner de manière fiable sur une large plage de débits entrants. solutions de pompage des eaux usées Ces types d'applications sont couverts, mais le choix hydraulique doit tout de même se baser sur les données réelles du projet plutôt que sur une combinaison standard de débit et de hauteur manométrique.

8. N'oubliez pas que les propriétés des eaux usées peuvent influencer la sélection finale.

Le calcul ci-dessus constitue un bon point de départ pour les eaux usées ordinaires dont les propriétés hydrauliques sont proches de celles de l'eau, mais tous les liquides ne se comportent pas de la même manière. Les eaux usées contenant une forte concentration de boues, de graisses ou d'autres matières visqueuses peuvent se comporter différemment de l'eau propre, tant dans la canalisation que dans la pompe. L'Hydraulic Institute souligne que la viscosité du liquide peut modifier les performances rotodynamiques des pompes et nécessiter des corrections des données de performance des pompes à eau.

Les matières solides influencent également le type de pompe à utiliser, même lorsque le débit et la hauteur manométrique calculés restent inchangés. Les eaux usées domestiques contenant des fibres et des lingettes peuvent nécessiter une pompe hydraulique anti-colmatage, tandis que les eaux usées contenant des produits chimiques corrosifs peuvent nécessiter une pompe hydraulique anti-colmatage. pompe à eaux usées submersible en acier inoxydable résistant à la corrosion Les eaux usées contenant une grande quantité de particules fines ou de boues abrasives denses peuvent être mieux traitées par une pompe à boues ou à suspensions que par une pompe à eaux usées classique. La résistance au colmatage ne doit pas être évaluée uniquement par le diamètre de passage des solides indiqué ; le guide de Xylem sur le traitement des eaux usées souligne que la conception hydraulique joue un rôle important dans la résistance au colmatage et que la seule dimension du passage peut être trompeuse.

Quelles informations devez-vous fournir pour le choix d'une pompe à eaux usées ?

Pour obtenir un devis fiable, veuillez indiquer le débit normal et de pointe prévu, les niveaux de liquide minimum et maximum dans le bassin de rétention, l'altitude du point de rejet final, le diamètre et la longueur de la conduite de refoulement, son matériau, les principales vannes et raccords, ainsi que la pression présente à la sortie. Le fournisseur doit également connaître la composition des eaux usées, notamment la granulométrie approximative, la présence de fibres, de sable, de boues, la température et les agents corrosifs. Enfin, veuillez préciser la tension et la fréquence disponibles, le mode d'installation et si une ou plusieurs pompes fonctionneront simultanément.

Si le débit exact n'est pas encore connu, expliquez la provenance des eaux usées et le fonctionnement actuel du système plutôt que de donner une valeur arbitraire. Si les pertes de charge n'ont pas été calculées, fournissez les informations relatives à la canalisation afin qu'elles puissent être vérifiées. Un devis de pompe techniquement pertinent doit impérativement identifier un point de fonctionnement optimal – par exemple, 80 m³/h à une hauteur manométrique de 20 m – et l'indiquer sur la courbe de performance de la pompe proposée.

Conclusion

Le calcul d'une pompe submersible pour eaux usées repose sur deux questions distinctes : quel volume d'eaux usées doit être évacué et quelle résistance la pompe doit-elle surmonter ? La première détermine le débit requis, la seconde la hauteur manométrique totale.

Pour de nombreux systèmes de transfert des eaux usées, la relation de base est la suivante :

Hauteur manométrique totale = Hauteur statique + Pertes par frottement + Pression de refoulement additionnelle

Une fois le débit requis et la hauteur manométrique totale connus, il convient de les considérer conjointement comme un point de fonctionnement unique et de les comparer à la courbe de performance de la pompe. Il faut ensuite adapter la pompe aux eaux usées réelles, notamment en tenant compte des matières solides, des fibres, de l'abrasion et de la corrosion.

Choisir une pompe en suivant cet ordre est bien plus fiable que de comparer séparément la puissance du moteur, le diamètre de sortie, le débit maximal ou la hauteur manométrique maximale. Si vous prévoyez un projet de pompage d'eaux usées, indiquez le débit ou le volume d'eaux usées à l'entrée, les niveaux de liquide, la hauteur de refoulement, les informations sur la canalisation et les caractéristiques des eaux usées afin que la pompe soit sélectionnée en fonction des conditions réelles d'utilisation.