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Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Chapitre 1 Écoulement dans les conduites.

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1 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Chapitre 1 Écoulement dans les conduites

2 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Avis Référence pour le chapitre 1: – McCabe Chapitre 1 à 5 et 7. Ces acétates ont été créées suivant une adaptation des notes de cours des années précédentes © R.Toupin, G.Soucy, H.Cabana

3 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Objectifs du chapitre Expliquer: – Mécanique des fluides Calculer: – Paramètres de lécoulement – La perte de charge Décrire: – Types de pompes & fonctionnement Interpréter: – Courbe de rendement dune pompe Concevoir: – Design dun pipeline

4 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Propriétés physiques - FLUIDES Fluide: – Corps dont les molécules sont en déplacement et assimilé à un corps continu, sans rigidité, pouvant sécouler et se déformer sous laction dune force extérieure. – Incompressible : Liquide – Compressible : Gaz

5 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Propriétés physiques - FLUIDES Propriétés physiques (quelques définitions): – Poids spécifique – Densité (ou masse volumique) – Densité relative

6 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Cas de H 2 O Eau: – Densité maximale 4 o C – Par la suite: On sabaisse jusquau pt de congélation

7 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Viscosité Lorsquun fluide entre en mouvement: – Augmentation de la friction interne – Agit en opposition à lécoulement – a.k.a: Viscosité!

8 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Hypothèses Empilement, couches adjacentes, infiniment minces Le mouvement est laminaire Surface fixe Surface mobile à la vitesse V Au niveau de la couche limite : V fluide = V plaque Au niveau de cette couche limite : V fluide = V plaque = 0 e d(e) u u + du

9 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Propriétés physiques des fluides Viscosité dynamique (μ) – Résistance dun fluide à lécoulement N-sec/m 2 ou Pa*s Formule Viscosité cinématique (ν) – Viscosité dynamique par unité de densité m 2 /sec Formule

10 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Fluides Newtoniens Fluide Newtonien: – Viscosité constante – Ne dépend pas du taux de cisaillement

11 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Viscosité de H 2 O

12 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Fluides Newtoniens Aussi applicable aux milieux cellulaires: – < 14% (v/v) – Cellules sphériques plus particulièrement La viscosité du milieu est représenté par:

13 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Fluides Newtoniens Fractions volumétriques faibles: Concentrations élevées (=14%), eqn de Vand

14 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Fluides non-Newtoniens Fluide présentant une viscosité variable en f(x) du taux de cisaillement appliqué. Taux de cisaillement (dv/dy) Contrainte de cisaillement (F/A) Pseudoplastiques

15 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Fluides non-Newtoniens Taux de cisaillement (dv/dy) Contrainte de cisaillement (F/A) Taux de cisaillement (dv/dy) Contrainte de cisaillement (F/A) Rhéoépaississants ou Dilatant Plutôt rare!

16 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Fluides non-Newtoniens Fluide Plastiques: – Contrainte tangentielle initie un mouvement – Viscosité peut croître constante ou variable Taux de cisaillement (dv/dy) Contrainte de cisaillement (F/A) Plastique de Bingham « Yield Pseudoplastic » « Yield Dilatant »

17 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Fluides thixotropes Fluide dont la viscosité décroît avec le temps Taux de cisaillement (dv/dy) Contrainte de cisaillement (F/A)

18 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Viscosité = f(taux de cisaillement) Newtonien

19 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Exemple : polyoléfines

20 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Fluides non-Newtoniens Comportement pseudoplastiques: – Lors de la culture des champignons – Viscosité apparente f(x) concentration des cellules – Expression math:

21 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Tuyauterie et robinetterie

22 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Nature des écoulements Débit volumique (Unité: Volume/Temps) – Vol. de fluide par unité de t. dans une canalisation Vitesse moyenne découlement (Unité: Longueur / Temps) – Vit. en divisant le débit vol. par laire du tuyau Rappel: D nominal D interne !

23 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Nombre de Reynolds

24 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Nature des écoulements 24 Régime Laminaire – Faible vitesse découlement – Re < Régime Turbulent – Vitesse découlement élevée – Re > Régime Transitionnel – Vitesse intermédiaire – < Re < Laminaire Oscillatoire Transitionnel Turbulent Re =0 Re =2100 Re =4000 Re Re=0 Re= 2100 Re= 4000 Re

25 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Écoulement laminaire et turbulent Écoulement laminaire Le profil de vitesse complètement développé tend à prendre une forme parabolique. La friction est fonction du nombre de Reynolds. Écoulement turbulent Le profil de vitesse complètement développé est beaucoup plus aplati. La friction est fonction de la rugosité du tuyau.

26 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Tuyaux Outil le plus couramment* utilisé pour transporter un fluide dun point à lautre Tuyaux de section circulaire – Résistance structurale intrinsèque – Ratio (Surface/Volume) minimal

27 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Tuyauterie OD (Outside Diameter) : Diamètre externe ID (Inside Diameter) : Diamètre interne T (Wall Thickness) : Épaisseur de paroi

28 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Tuyauterie Tuyaux 1/8 à 12 NPS: – Identifiés selon leur diamètre nominal – Dimension qui na pas de sens physique réel Pour les tuyaux de + de 12 – Diamètre nominal = diamètre externe Pour les calculs: – Vérifier les dimensions réelles – Ne surtout pas utiliser les valeurs nominales

29 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Tuyauterie Diamètre externe: – Normalisé et demeure constant – Épaisseur (parois) détermine de diamètre interne La norme de lANSI: – Schedule (varie de 5-160) – Voir appendice 3 dans McCabe – Valeurs varient en f(x) du matériel Généralement: – Tuyauterie rigide (18-22 pieds) – Flexible (rouleaux colis de longueur variable

30 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Énergie dans un fluide Énergie potentielle – Capacité à effectuer un travail en f(x) de la position dans un plan de référence. Énergie cinétique – Capacité dun fluide à effectuer un travail en f(x) de sa vélocité Énergie de pression – Capacité dun fluide à effectuer un travail en vertu de sa pression

31 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Théorème de Bernoulli Bilan dénergie État de régime Sans friction

32 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Théorème de Bernoulli Énergie potentielle Énergie cinétique Énergie de pression Ne tient pas compte de lénergie associée à la friction dans le système

33 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Théorème de Bernoulli Système International (SI) Unités

34 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Théorème de Bernoulli Système pied-livres (fps) Unités

35 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Théorème de Bernoulli Quelle vitesse est utilisée dans une conduite?

36 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Théorème de Bernoulli Pour un écoulement isotherme (ρ = constant) Pour un écoulement laminaire

37 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Théorème de Bernoulli Pour un écoulement turbulent

38 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Théorème de Bernoulli Distribution de la vitesse dans la conduite: – Correction de lénergie cinétique Le facteur de conversion est donc défini:

39 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Théorème de Bernoulli Distribution de la vitesse dans la conduite: – Correction de lénergie cinétique Écoulement laminaire α = 2 Écoulement turbulent α = 1,05 (1!)

40 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Théorème de Bernoulli généralisé Conditions 1 Conditions 2 Pompe

41 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Théorème de Bernoulli généralisé Comme léquation est un bilan dénergie mécanique: – Il faut considérer deux autres éléments; Le travail effectué par une pompe (W p ) La perte dénergie due à la friction du fluide sur les différentes parois (h f ) Énergie fournie au système POMPE Énergie retirée du système PERTE DE CHARGE CAUSÉE PAR LA FRICTION

42 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Puissance de la pompe

43 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Perte de charge dans une tuyauterie Lécoulement dun fluide = friction Friction = perte dénergie Comment lestimer?

44 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Friction dans les tuyauteries La perte dénergie mécanique (h f ) est due à deux phénomènes distincts: – Friction de surface – Friction de forme Présence de valve, coudes et cie Formation de turbulence (augmente lentropie)

45 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Friction Éléments influençant hf: – Propriété du fluide Densité: – Impact sur la vitesse du fluide – Impact convectif (formation de tourbillons) Viscosité – Impact sur le transfert dE au niveau moléculaire – Dépend du type de fluide

46 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Friction Éléments influençant hf: – Conditions découlement Laminaire, intermédiaire, turbulent Cisaillement à la parois Séparation de la couche limite Formation de tourbillons

47 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Friction

48 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Friction Détermination de h f Bilan des forces

49 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Friction Détermination de h f Où: En appliquant léquation de Bernoulli

50 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Friction Détermination de h f Doù: On définit le coefficient de Fanning (f) f est une fonction adimensionnelle et F(propriétés, écoulement)

51 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Coefficient de Fanning f est fonction du nombre de Reynolds, de la viscosté et du diamètre du tuyau

52 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Différentes situations a) Écoulement laminaire, fluide Newtonien, conduite cylindrique *Voir Bird, Stewart, Lightfoot,Transport Phenomena 2nd edition, Wiley, 2002

53 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Différentes situations a) Écoulement laminaire, fluide Newtonien, conduite cylindrique Connaissant ƒ, nous obtenons en combinant:

54 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Différentes situations a) Écoulement laminaire, fluide Newtonien, conduite cylindrique De plus, léquation de Hagen Poiseuille: Nous permet de calculer le h f

55 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Différentes situations b) Écoulement laminaire, fluide non-Newtonien, conduite cylindrique Utilisation du nombre de Reynolds généralisé (Re gen )

56 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Différentes situations b) Écoulement laminaire, fluide non-Newtonien, conduite cylindrique Si les propriétés du fluide sont constantes sur une gamme de taux de cisaillement, alors:

57 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Différentes situations b) Écoulement laminaire, fluide non-Newtonien, conduite cylindrique Détermination de ƒ:

58 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Différentes situations c) Écoulement turbulent, fluide Newtonien, conduite cylindrique Impact de parois: – Les tuyaux réels ne sont pas lisses: impact de la rugosité (roughness)

59 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Rugosité relative Ration de la rugosité absolue sur une dimension caractéristique (diamètres du tuyau) La rugosité relative est u nombre adimensionnel Pour déterminer la rugosité: – Tableau synthèse des valeurs de rugosité – Fiche technique du produit

60 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Différentes situations c) Écoulement turbulent, fluide Newtonien, conduite cylindrique Importance de la rugosité de la paroi

61 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Différentes situations c) Écoulement turbulent, fluide Newtonien, conduite cylindrique Tube lisse: Équation de von Kármán Expression peu pratique car itérative

62 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Différentes situations c) Écoulement turbulent, fluide Newtonien, conduite cylindrique Tube lisse: Simplification – Pour Re < 10 5 on peut utiliser la formule de Blasius: – Pour < Re < 10 6 : – Pour < Re < 10 6 :

63 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Différentes situations c) Écoulement turbulent, fluide Newtonien, conduite cylindrique Tube rugueux (k/D): Utilisation du diagramme

64 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Facteurs de friction Attention! Il y a le facteur de friction de Moody (ou Darcy) et le facteur de friction de Fanning... f Moody = 4 f Fanning

65 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Effet de lâge Pertes de charge liées à la friction: – Très semblable aux variations de diamètre – Très semblable aussi à la rugosité Pour débit donné + facteur de friction fixe: – Perte de charge inv. prop. au D 5 – Réduction de D de 2% = perte de charge +11% – Réduction de D de 5% = perte de charge +29%

66 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Tuyaux neuf et vieux Habituellement: – Calculs pour tuyaux neufs – Avec le temps, colmatage On doit donc envisager: – Perte de charge

67 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Conduites non-circulaires Dans certains cas cest possible Comment gérer la situation: – Même méthode que pour circulaire – Diamètres de conduite équivalents

68 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Rayon Hydraulique Ration de la section découlement sur le périmètre mouillé

69 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Conduites non-circulaires Après avoir trouvé R H, on trouve D H On peut aller chercher Re avec DH On détermine le facteur de friction….

70 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Conduites non-circulaires Rayon hydraulique: – Ne sapplique pas aux fentes étroites (h<

71 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Écoulements non-isothermes T 1 T 2 et T W = température de la parois Impacts sur : – Densité – Viscosité T1T1 T2T2 TwTw

72 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Écoulements non-isothermes T1T1 T2T2 TwTw Température moyenne Correction

73 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Écoulement des fluides Une approche empirique! Seule une certaine partie peut être résolue par les mathématiques Dans la plupart des cas: Coefficients empiriques: – Déterminés expérimentalement précédemment – Doù les nombreuses tables dans le McCabe

74 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Diamètre optimal dun tuyau Rôle du concepteur: – Sélectionner les bons tuyaux – Minimiser le coût total du système Points dont ling. doit tenir compte: – Contraintes dordre technique – Capital dinvestissement – Coûts dopération

75 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Diamètre optimal dun tuyau Il existe un calcul détaillé… Mais aussi une technique rapide pour estimer: D : Diamètre (mm) ρ : poids volumique (kg/m 3 ) F : Débit vol. (m 3 /h) f pv : « pipe velocity factor » (m (kg/m 3 ) 0,3 /s) Pompe centrifuge et soufflante : f pv = 14 Compresseur: f pv = 24 (tuyau de diamètre < 6) source: Chem.Eng. July 1995, p

76 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Diamètres recommandés Opinion divergent mais généralement: – 5-10 pieds par seconde (liquide) – 1,5-3 m/s (liquide)

77 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Vitesse recommandée (conduites) Typiquement : – Par gravité : 0.3 m/s – Entrée dune pompe : 0.9 m/s – Sortie dune pompe : 3 m/s – Ligne de transfert : 2.4 m/s Liquide à haute viscosité : – Entrée dune pompe : 0.15 m/s – Sortie dune pompe : 0.6 m/s Air : 30 m/s Vapeur : 15 m/s

78 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Quelques accessoires Vannes, robinets, clapets Débitmètres Raccords: coudes, Tees, unions, etc. Contrôle de circulation Crépine à clapet Buse Filtre à tamis Régulateur de pression

79 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Types de raccords de tuyauterie Le raccordement des accessoires avec la tuyauterie peut se faire par : –Raccords filetés (ou vissés); –Raccords soudés; –Raccords bridés; –Raccords sanitaires; –Raccords de compressions; –Autres types de raccords.

80 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Raccords filetés / vissés Utilisé pour: – Robinetterie de petite dimension (< 2 ½ ) Deux types de filetage: – GAZ et NPT Avantages: – Économique et démontable Désavantages: – Risque de fuites et pas sanitaire Pressions inférieures à 100 bars

81 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Raccords soudés Utilités: – Situation ou étanchéité totale requise Deux types de raccords soudés: – Soudure avec emmanchement: Socket welding : Simple surtout pour diamètre nominal (plus petit que 80 mm) Butt welding: Péparation requise mais soudure de bonne qualité Butt weldSocket weld

82 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Raccords bridés Montage et démontage rapide de laccessoire Désavantage: – Raccords nécessitent un joint détanchéité On peut obtenir une bonne étanchéité: – Avec serrage et joint appropriés Il y a des joints pour tous les types dapplication

83 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Raccords sanitaires Montage/démontage facile et rapide Sanitaire: – Peut être nettoyé entièrement (voir autoclavé) Inconvénients: joint détanchéité Utilisé dans: – Industries alimentaires – Industries pharmaceutiques

84 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Raccord compression Compression fittings

85 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Autres types de raccords « Quick connect » Cannelé Joint collé

86 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pertes de charge par friction Les accessoires et valves: – Provoquent aussi des pertes de charges Les plus répandues sont: – Méthode de longueur équivalente (L/D) – Méthode de Crane – La méthode des 2K (Hooper) – Méthode des 3K (Darby) Dans notre cas: L/D et Hooper

87 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Longueur équivalente (L/D) Approche: – Déterminer un longueur de tuyau équivalente (L éq ) – Ayant une perte équivalente à laccessoire – Pour un nombre de Reynolds (tuyau) donné

88 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Longueur équivalente L tot = L tuyau + Laccessoire

89 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Méthode 2K (Hooper) Approche: – Basé sur données expérimentales – Différent pour chaque accessoire

90 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Méthode 2K (Hooper) Toutefois: Nécessite beaucoup de données RaccordsKfKf Coude standard 45° °0.75 Raccord en T Passage au travers0.4 Utilisé comme coude1.0 Coude à 180°1.5 Robinet-vanne ½ ouvert % ouvert0.17 Robinet déquerre, 100% ouvert 2.0 Robinet à soupape, 100% ouvert 6.0

91 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pertes de charge - EXPANSIONS Utilisation dun coefficient de perte (Hooper) Longueur équivalente d1d1 d2d2 Laminaire Turbulent

92 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pertes de charge - CONTRACTIONS Utilisation dun coefficient de perte (Hooper) Longueur équivalente d1d1 d2d2 Laminaire Turbulent

93 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Robinetterie Fonctions: – Isolement Deux positions de lobturateur (fermée/ouverte) – Réglage Plusieurs positions intermédiaires – Non-retour Empêche un écoulement dans le mauvais sens – (Clapets) – Sécurité Protection contre sous et sur-pressions, sur-vitesses, etc

94 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Paramètres – choix dun robinet Fonctions à assurer: – Isolement, réglage, sécurité ou non-retour Nature du fluide: – Fluide corrosif, abrasif, visqueux, compatible? Température dopération Pression dopération Taille requise du robinet Conditions de manœuvre Perte de charge en grande ouverture, vitesse maximale du fluide Autre: – Type de raccordement – Coût dachat – Encombrement

95 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Robinets-vanne (Gate valves) Type ISOLEMENT: – Peu de résistance à lécoulement (lorsque ouverte) – Bonne étanchéité (fermée) Écoulement en ligne droite Idéale pour utilisation occasionnelle Ouverture / fermeture lente Pas appropriée pour contrôle

96 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Robinets-vanne (Gate valves)

97 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Robinets à soupape droits (Globe valves) Type CONTRÔLE: – Le fluide change de direction Pour utilisation fréquente: – Robustesse – Entretien simple – Flexibilité dutilisation Ouverture/fermeture (peut être rapide) Perte de charge importante

98 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Robinets à soupape droits (Globe valves)

99 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Robinets à manchon déformable (Pinch valves) Type ISOLEMENT ou CONTRÔLE – Écoulement en ligne droite Avantages: – Pas de fentes ou pièces mobiles en contact – Peut sceller autour de solides (ex.: boues) – Entretient simple – Flexibilité dutilisation Peu de contrôle avant dêtre ½ fermé Peu de résistance (pression et température)

100 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Robinets à manchon déformable (Pinch valves)

101 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Robinets à diaphragme (Diaphragm valves) Type ISOLEMENT ou CONTRÔLE Avantages: – Pas de fentes ou de pièces mobiles en contact – Sanitaire – Entretient simple – Flexibilité dutilisation Idéal pour application propre (biotech/pharma) Plus de matériaux disponibles p/r pinch valves Résistance modérée (pression et température) Perte de charge non négligeable

102 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Robinets à diaphragme (Diaphragm valves)

103 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Robinet à tournant sphérique (Ball valves) ou Vanne à bille Type ISOLEMENT (et CONTRÔLE?) Avantages: – Compact et simple – Ouverture et fermeture rapide – Étanche – Faible perte de charge (écoulement droit) – Conçu pour isolement, utilisé aussi pour contrôle – Idéal pour application propres (biotech/pharma) Peu fonctionner avec solides peu abrasifs Plusieurs matériaux disponibles

104 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Robinet à tournant sphérique (Ball valves) ou Vanne à bille

105 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Robinet à tournant conique (Plug valves) Type ISOLEMENT principalement Semblable à la vanne à bille: – Corps cylindrique ou conique Avantages: – Pratique les mêmes que robinets à bille Inconvénients: – Difficile à opérer (force requise parfois importante) – Particules dans la cavité – source de contamination

106 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Robinet à tournant conique (Plug valves)

107 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Robinets à papillons (Butterfly valves) Type ISOLEMENT et CONTRÔLE Avantages: – Conception très compacte – Comme les vannes à billes: Se ferment en ¼ de tour – Facile à opérer – Faible perte de charge – Peuvent être bidirectionnels, étanches – Pas de fluide emprisonné dans la vanne Inconvénients: – Une partie de la vanne dans le trajet – Résistent mal aux fluides abrasifs

108 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Robinets à papillons (Butterfly valves)

109 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Clapets (Check valves) Type NON-RETOUR Fonction: – Empêcher lécoulement dans le sens inverse – Sans nuire à lécoulement dans le sens normal Plusieurs types: – À clapet guidé – À battant et à double battant – À papillon – À boule – À disques concentriques

110 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Clapets (Check valves)

111 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Écoulement normal ds un robinet Amont Aval ΔP P1P1 P2P2 Vena contracta P min P V1 P MIN

112 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Cavitation dans un robinet Amont Aval ΔP P1P1 P2P2 Vena contracta P min P V2 P MIN A B A: Vaporisation du liquide B: Implosion des bulles de gaz Conséquences Bruit, vibrations, ondes de choc, usure prématurée

113 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Actionneurs Valves: – Actionnées manuellement – Actionnées avec actionneurs à lNRJ auxiliaire: Pneumatique, électrique ou hydraulique – Choix du type dactionneur: Fréquence et durée des manœuvres Accessibilité des robinets Importance de leffort à développer Degré de centralisation des commandes Niveau dautomatisation Économie souhaitée de personnel Réduction des coûts dopération

114 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Coup de bélier (Water hammer/surge) Phénomène: – Arrêt soudain dun écoulement – Canalisation fermée Aura pour effet de cause des dommages: – Tuyaux, pompes, accessoires et instrumentation Il faut: – Prévoir le coup, ouverture graduelle des valves – Prévoir les équipements de protection: Exemple: Accumulateurs hydrauliques

115 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Accumulateurs hydrauliques Appareils servant à emmagasiner lénergie La distribue à la demande Rôle: – Accumuler lénergie et la distribuer à puissance voulue – Agir comme antibélier – Absorber les pulsations de pression produites par une pompe – Compenser pour les fuites en accumulant une réserve sous pression – Absorber les variations de volume provoquées par les – variations de température

116 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Robinetterie de protection Exemple dapplication: – Fermeture accidentelle dune vanne sur un circuit – Arrêt ou mauvais fonctionnement dun condenseur – Crevaison dun tube (ex.: échangeur) – Feu extérieur – Expansion thermique du liquide Disques de rupture

117 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Robinetterie de protection Soupapes de sûreté

118 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Installations typiques Disque de rupture seul Disque de rupture et soupape Disque de rupture entre soupape et procédé

119 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Les coudes Coude 90° Coude 45° Coude 180° Coude 90° à rayon long

120 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Les «Tees» Branch Flow Line Flow

121 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Entrées et sorties de tuyauterie Flush pipe entrance r/d = 0.00 (sharp edged)0.50 r/d = r/d = r/d = r/d = r/d > 0.15 (well rounded)0.04 Inward projecting pipe entrance all types0.78 Pipe exit all types1.0

122 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Coefficients de perte Concentric reducers enlarging C/D = enlarging C/D = enlarging C/D = enlarging C/D = enlarging C/D = contracting C/D = contracting C/D = contracting C/D = contracting C/D = contracting C/D =

123 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Branche morte (deadleg) Longueur de tuyau: – Se terminant par un accessoire – Le fluide ne sécoule pas au travers – Zone de stagnation D 2D Règle du 2D «...Les branches mortes doivent être évitées car elles sont sources de contamination et nuisent à lefficacité des opérations de nettoyage et de désinfection.» Un « deadleg » vertical avec ouverture vers le bas est préférable à un deadleg horizontal. Ce dernier demeure néanmoins préférable à un « deadleg » vertical avec ouverture vers le haut!

124 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Réservoirs Considérations pour concevoir un réservoir: – Qttés à entreposer – Risques associés au produit à entreposer – Taille et forme du réservoir – Position sur le site / disponibilité spatiale – Matériaux compatibles – Contraintes réglementaires – Facilité de nettoyage et dentretient – Autres exigences: Agitation, capteurs, accès, double parois, crépine, etc…

125 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) LOI L.R.Q., chapitre A Loi sur les appareils sous pression SECTION I DÉFINITION ET APPLICATION «appareils sous pression». 1. Dans la présente loi, à moins que le contexte n'indique un sens différent, l'expression «appareils sous pression» désigne un des appareils suivants y compris la tuyauterie et les accessoires servant à son fonctionnement: 1° une chaudière ou une fournaise fonctionnant à la vapeur ou à l'eau chaude ou au moyen d'un autre liquide ou gaz; 2° un appareil automatique servant au chauffage d'une chaudière ou d'une fournaise; 3° un appareil frigorifique; et 4° un réservoir ou un récipient contenant un gaz ou un liquide sous pression. 1979, c. 75, a. 1. Réglementation. 2. Le gouvernement peut, par règlement, assujettir d'autres appareils sous pression à l'application de la présente loi et de ses règlements ou exempter certains appareils ou catégories d'appareils de l'application en tout ou en partie de la présente loi et de ses règlements. 1979, c. 75, a. 2. Application de la loi. 3. La présente loi s'applique à la fabrication de tout appareil sous pression.

126 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Réservoir Horizontal

127 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Réservoir Vertical

128 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Fond des réservoirs a h Ellipsoïde Sphérique Conique D fond convexe fond concave Flat bottom (fond plat)

129 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Dimensionnement Capacité calculée par géométrie Toutefois: – On peut en faire une approximation simple – Habituellement suffisant pour les besoins Pour un liquide: – Capacité doit être nettement supérieure (>10%) Pour un gaz: – Soumis à une réglementation

130 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Exemple: Dimensionnement dun réservoir Vous devez concevoir et acheter un nouveau réservoir de stockage pour un produit liquide. Voici les informations dont vous disposez: –Les besoins quotidiens de lusine pour ce produit sont de 350 litres mais passeront à 500 litres dici quelques mois. –Le fournisseur vous garantie que le produit peut être livré en 2 jours et que son camion-citerne contient 5000 litres, ni plus ni moins. –La section de l usine où le réservoir sera installé a un plafond à 4,55 mètres, et il y a une fosse de rétention carrée qui fait 2,20 m. par 2,8 m. avec une profondeur de 50 centimètres. Il y a une de margelle de 30 centimètres en bordure de la fosse. Quelles seraient les dimensions que vous proposeriez pour ce réservoir?

131 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Dimensionnement dun réservoir (A + BN)/0.9 = C A : Volume dune Livraison B : Usage quotidien N : Nombre de jours de réserve C : Capacité totale requise Réservoir rempli à <90% ( *2)/0.9 = 6667 litres Vous avez déterminé que le polypropylène constitue un matériau à la fois économique, pratique et que la compatibilité chimique du PP avec votre produit est excellente. Lentreprise Plasticpro vous propose sa gamme de réservoirs cylindriques verticaux de 7250 litres à fond plat. Comme cest le seul fournisseur qui peut vous livrer dans les délais prévus, lequel choisissez- vous? Réservoir A : diam.1,50 m., hauteur :4,30 m. Réservoir B : diam.1,75 m., hauteur :3,20 m. Réservoir C : diam. 2,00 m., hauteur :2,50 m. Réservoir D : diam. 2,25 m., hauteur :2.05 m.

132 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes

133 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Type de moteurs Majorité des moteurs: – Électriques Différents types denveloppes de moteur – Ouvertes – Fermées La sélection: – Dépend des conditions environnantes

134 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Enveloppes ouvertes Ouvertures: – Permettant le passage de lair ambiant autour des composantes internes Moteur abrité (Open dripproof) Moteur encapsulé (Encapsulated)

135 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Moteur abrité (Open dripproof) Conçue pour résister à leau de condensation – Mais pas aux jets deau ni à limmersion Conçu pour environnements: Propres Sans risques

136 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Moteur encapsulé (Encapsulated) Moteur abrité Stator est enrobé: – Recouvrement protecteur Plus résistant: – Humidité – Corrosion

137 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Enveloppes fermées Le nom de le dit: – Complètement fermées – Ne permettent pas léchange dair (intérieur- extérieur) Moteur fermé autoventillé Moteur antidéflagrant

138 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Moteur fermé autoventillé (totally enclosed fan-cooled) Équipé dun ventilateur de refroidissement Intégré au moteur – Mais hors de lenveloppe Les moteurs TEFC – Idéaux pour environnements difficiles Humides Sales Poussiéreux

139 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Moteur antidéflagrant (explosion proof, dust-ignition proof) Moteur fermé Résiste aux explosions internes Prévient lignition dun combustible Pour: – Environnements réglementés – Environnements à risque Poussières, vapeurs organiques, gaz combustibles, solvants…

140 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes Pompe: Appareil servant à transformer: – Énergie mécanique Énergie hydraulique Deux grandes catégories – Pompes à déplacement positif – Pompes à énergie cinétique

141 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Classification des pompes

142 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Comment choisir?

143 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes centrifuges Augmentent le momentum et la pression Impulseur rotatif

144 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pourquoi choisir cette pompe? Construction simple et compacte Robustesse et fiabilité Faible coût relatif Maintenance simple Équipement peu bruyant, sans vibrations Toutefois: – Mal adaptées pour liquides visqueux – Les fluides chargés en solide – Les faibles débits

145 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes centrifuges Oeillard Impulseur Tubulure de refoulement Volute

146 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Écoulement radial, mixte ou axial Radial 500 < Ns < 5000 Mixte 3500 < Ns < Axial < Ns < La vitesse spécifique (Ns) est un ratio adimensionnel: Ns = n Q 0,5 / h p 0,75 n: vitesse (RPM) Q: débit (GPM) h p : Hauteur de refoulement (ft)

147 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Écoulement radial, mixte ou axial

148 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Composantes: ΔHp La hauteur de charge totale (ΔHp): – Mesure lhabileté à créer une pression Pression: – Produit la force motrice – Propulse le fluide à travers le système La hauteur de charge totale: – Prop. à la vitesse du fluide à la périphérie de limpulseur ΔHp si le diamètre de limpulseur ΔHp si la vitesse de rotation de limpulseur

149 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes centrifuges : 2 cas ΔH TS ΔH DS ΔH TS ΔH SS (« SUCTION LIFT ») (« SUCTION HEAD ») ΔH TS = ΔH DS - ΔH SS ΔH TS = ΔH DS + ΔH SS

150 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Hauteurs (Définitions 1) ΔH DS : Hauteur de décharge statique – «Static Discharge Head» – Distance verticales séparant: Centre de la pompe et le point de décharge libre Surface libre dans le réservoir de décharge ΔH SS : Hauteur daspiration statique – «Static Suction Head» – Distance verticale séparant: Centre de la pompe Niveau libre du fluide (réservoir dapprovisionnement)

151 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Hauteurs (Définitions 2) ΔH TS : Hauteur statique totale – «Total Static Head» – Distance verticales séparant: Le niveau libre de la source dorigine Le niveau libre de décharge ΔH F : Hauteur de friction – «Friction Head» – Hauteur requise pour: Surmonter la résistance à lécoulement Dans la tuyauterie et les accessoires

152 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Hauteurs (Définitions 3) ΔH V : Hauteur de vélocité – «Velocity head» – Hauteur correspondant à: Énergie du fluide issue de sa vitesse découlement ΔH EQ : Hauteur de Pression – «Pressure Head» – Hauteur correspondant à: Énergie du fluide issue dune pression dans le réservoir dapprovisionnement ou de décharge La pression dans un des réservoir diffère donc de la pression atmosphérique

153 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Hauteur de pression (suite) On additionne cette valeur à la hauteur du système quand il y a: – Pression positive dans le réservoir de décharge – Un vide dans le réservoir dapprovisionnement On soustrait cette valeur à la hauteur du système quand il y a: – Un vide dans le réservoir de décharge – Une pression positive dans le réservoir dapprovisionnement

154 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Théorème de Bernouilli Énergie fournie au système POMPE Énergie retirée du système PERTE DE CHARGE CAUSÉE PAR LA FRICTION La puissance de la pompe est :

155 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Énergie et Efficacité Travail effectué par une pompe: – Fonction de la hauteur de charge totale – Fonction du poids du liquide pendant une période de temps donné Puissance au frein (Brake horsepower) – BHPpuissance délivrée à larbre de pompe (pump shaft) Puissance hydraulique (Hydraulic horsepower) – WHPPuissance délivrée par la pompe au liquide

156 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Efficacité de la pompe Efficacité de la pompe: – Mesuré par ration de WHP/BHP

157 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Courbe Q-H P

158 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Diagramme de performance

159 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Hauteur de charge nette positive à laspiration «Net Positive Suction Head» Définition: – « Total suction head in feet absolute, determined at the suction nozzle and corrected to datum, less the vapor pressure of the liquid in feet absolute. » Plus simplement: – Analyses des conditions côté aspiration de la pompe – Déterminer si le liquide va vaporiser dans la pompe – Si il y a vaporisation : cavitation – Cavitation veut dire bris et/ou usure prématurée

160 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Hauteur de charge nette positive à laspiration requise NPSH required «Net Positive Suction Head required» Fonction du design de la pompe Quand on passe lœil de limpulseur – Vitesse du fluide augmente – Il y a des pertes de pression causées par le frottement (turbulences) Le NPSH requis : – Hauteur positive (en pied absolus) requis à laspiration de la pompe – Afin déviter la cavitation – Fonction de la vitesse et de la capacité: Informations habituellement disponibles

161 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Hauteur de charge nette positive à laspiration disponible NPSH available «Net Positive Suction Head available» Fonction du système où opère la pompe Pression (hauteur) du liquide (en pieds absolus) au dessus de sa pression de vapeur à lentrée de laspiration de la pompe Pour éviter la cavitation il faut donc: – NPSH disponible > NPSH requis

162 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Calcul de NPSHA (4 cas) NPSHA = P B - (V p + L s + h f ) NPSHA = P B + L h - (V p + h f ) NPSHA = P - (V p + L s + h f ) NPSHA = P + L h - (V p + h f ) P B = pression barométrique V p = pression de vapeur P = pression surface réservoir aspiration L s = Max.static suction lift L h = Max.static suction head h f = perte de charge friction du système

163 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Ratio de sécurité pour NPSH NPSH disponible > NPSH requis Ratio = NPSH disponible / NPSH requis Recommandation de Hydraulic Institute : Basse énergie daspiration: 1,2±0,1 Forte énergie daspiration: 1,5±0,3 Très forte énergie daspiration: 2,1±0,4 Nous allons maintenant voir comment calculer la vitesse spécifique daspiration...

164 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Calculer NPHSA Déterminer quel cas sapplique P ou P B : Dépendamment si le système possède un pression extérieure (P) ou atmo (P B ) Vp tension de vapeur du liquide à la température de pompage* – Correction de 1,1 pieds est requise pour chaque 1000 pieds daltitude LS ou LH hauteur statique de la colonne de liquide – (dépendamment si le réservoir est sur ou sous la pompe) Hf: hauteur de la perte de charge du système – Avec tuyauterie et accessoires

165 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) 165 Le point dopération de la pompe

166 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) 166 Diagramme de Pré-sélection

167 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) 167 Diagramme de performance

168 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) 168 Diagramme général dune pompe à vitesse constante

169 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Lois de similitude Expriment les relations mathématiques liant: – Variables relatives et performances des pompes On distingue deux cas: – Diamètre de limpulseur(D), constant – Vitesse de rotation de limpulseur(N), constante

170 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Cas du diamètre constant Avec: – Q, la capacité; – H, la hauteur totale; – BHP, la puissance au frein; – N, la vitesse de rotation.

171 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Cas de la vitesse constante Avec: – Q, la capacité; – H, la hauteur totale; – BHP, la puissance au frein; – N, la vitesse de rotation.

172 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes en série ou en parallèle Pompes sont limitées: – Hauteur de charge et vitesse découlement Explique ces arrangements

173 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes multicellulaires (Multistage Pumps) Assemblage intégré de 2 à 8 pompes centrifuges en série: – Permet de produire une pression et hauteur de charge plus grande

174 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes à déplacement positif Positive displacement pumps Basé sur le principe suivant: – A laide dun élément mobile – On force mécaniquement un volume fixe de liquide à passer à travers la zone de décharge Pour les pompes centrifuges: – Hauteur totale de charge déterminée par la vitesse de rotation et la taille de limpulseur Pour les pompes à déplacement positif: – Théoriquement aucune limite sur la hauteur totale de charge

175 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Classification (pompes à déplacement positif) Pompes à déplacement positif – Deux sous-catégories Pompes volumétriques alternatives – Reciprocating pumps Pompes volumétriques rotatives – Rotary pumps

176 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes volumétriques alternatives 3 principaux types: – Pompes à piston – Pompes à plongeur – Pompes à diaphragme Peuvent être: – À simplex, duplex, triplex – À simple ou double effet

177 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes à piston

178 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes à plongeur

179 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes à diaphragme

180 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Comparaison Pompes volumétriques alternatives Avantages: – Rendement total élevé – Auto-amorçage dans plusieurs cas – Débit constant quelle que soit la hauteur de charge – Effet de viscosité moins important

181 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Comparaison Pompes volumétriques alternatives Inconvénients: – Coût initial élevé – Spacieuse – Maintenance intensive – Débit pulsatif – Manque de flexibilité – Protection contre surpression requise

182 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes volumétriques rotatives Même principe que les pompes alternatives Le fluide emprisonné: – Entre parois fixe et organe mobile Principales différences: – La pièce mobile tourne (rotor) – Il ny a pas de soupapes

183 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes volumétriques rotatives Plusieurs sont disponibles: – Pompes à engrenage – Pompes à lobes – Pompes à vis – Pompes à palettes

184 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes à engrenage externes

185 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes à engrenage internes

186 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes à lobes

187 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes à vis

188 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes à palettes

189 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes volumétriques rotatives Comparatif – Avantages: Rendement total élevé Auto-amoçage Débit constant indépendamment de la hauteur de charge Absence de soupapes Peu spacieuse Cout initial relativement bas Manquent de flexibilité Protection contre surpression requise

190 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pompes volumétriques rotatives Comparatif – Inconvénients: Risque de surpression du moteur Certains types ne tolèrent pas la présence de particules Sensibles à lusure Le rendement total est affecté: – Pour les produits visqueux

191 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Guide de sélection

192 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Autres pompes Pompes péristaltiques

193 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Autres pompes Pompes seringues

194 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Autres pompes Pompes à cavité progressive

195 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Protection des pompes PDP Pompes à déplacement positif: – Doivent être protégées des surpressions – On utilise une soupape de décharge (sureté) Soupape de sûreté Dérivation manuelle Pompe Vanne de régulation de contre-pression

196 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Courbe de performance Pour une pompe à déplacement positif – Situation idéale: Relation linéaire entre fréquence de la partie mobile et capacité

197 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) 197 Centrifuge vs Déplacement positif PerformanceDébitEfficacité Hauteur de charge Capacité Viscosité Hauteur de charge DébitEfficacité C C C DP

198 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 1Jean-Michel Lavoie (Ph.D) 198 « Slippage » Fuite de fluide du côté décharge vers le côté aspiration. Ideal Real slippage Pump Head Flowrate


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