Pourquoi l'heure est venue d'utiliser la roue S-tube®

Pourquoi l'heure est venue d'utiliser la roue S-tube®La roue Grundfos S-tube® est conçue pour la circulation des grands volumes d'eaux usées sur de longues distances tout en consommant le moins d'énergie possible.
Analyse technique

Les principes fondamentaux de la roue S-tube® mise sur le marché par Grundfos en 2012, étaient à l'étude sur les planches à dessin des designers de pompes depuis des décennies. Jusque-là, aucun fabricant de pompes de relevage n'avait réussi. Le volume d'eaux usées à transporter est relativement faible et c'est pourquoi les détails comme la consommation d'eau et d'énergie étaient à peine considérés par les services publics.

Ce n'est que ces 20 dernières années que divers facteurs ont rendu la conception de la roue S-tube® pertinente. Il s'agit notamment de la sensibilisation aux problèmes environnementaux, des nouvelles lois et directives du gouvernement et la hausse du prix de l'eau, de l'énergie et du transport des eaux usées.

Les défis auxquels les services publics actuels sont confrontés
Les défis principaux et interdépendants auxquels font face les entreprises des services publics d'aujourd'hui en termes de transport des eaux usées peuvent se résumer ainsi :

• Hausse du prix de l'eau et de l'énergie et législation plus stricte (par exemple. les écotaxes sur la consommation d'eau et de l'énergie),
• Nécessité de réduire la consommation d'eau et de l'énergie,
• Nécessité de réduire le mélange des eaux usées.

L'une des raisons principales, qui poussent les services publics à changer d'approche concernant la gestion du relevage des eaux usées, est la hausse du prix de l'eau (voir Figure 1). Les consommateurs ont réduit leur consommation, ce qui a entraîné un changement dans la composition des eaux usées, avec une proportion plus élevée qu'avant de contenus solides.

Figure 1

Figure 1 : La hausse du coût des eaux usées a été un facteur déterminant obligeant les services publics du monde entier à revoir leur approche de la gestion des eaux usées. * Conversion en euros correcte à partir du 14 avril 2014. Source : Enquête tarif eau GWI - Mise à jour 2013

La réglementation gouvernementale, les normes et directives ont encore compliqué la tâche. Par exemple, l'Article 5 de la norme européenne sur les installations de pompage EN 752-6: 2008 stipule que les installations de pompage doivent « être planifiées et conçues en prenant en compte  des facteurs comme la consommation de l'énergie, les conditions de fonctionnement et les besoins de maintenance, ainsi que l'impact sur l'environnement".

Outre les normes plus strictes sur la consommation, la hausse du prix de l'énergie a davantage incité à trouver des méthodes plus efficaces pour transporter les eaux usées. Les innovations visant à économiser l'eau ont créé de nouveaux problèmes. Par exemple, les toilettes plus efficaces consomment moins d'eau, mais augmentent le risque de colmatage. Les pompes de relevage traditionnelles augmentent ce risque plutôt que de le résoudre, en raison des problèmes de conception suivants :

• Bords sur lesquels les eaux usées s'accrochent facilement
• Coudes de la tuyauterie
• Mécanismes de broyage
• Sections de passage réduites.

"Nous observons deux défis majeurs au niveau mondial en ce qui concerne le transport des eaux usées", explique Maurice Martaud, Ingénieur support technique du leader  français La Lyonnaise des Eaux, filiale du groupe multinational Suez Environnement. "Le premier défi est lié au changement de comportement social des consommateurs. Le premier défi est centré sur le changement de comportement social des consommateurs. D'une part, c'est le moteur de la mise en place de mesures destinées à réduire la consommation d'eau au minimum, et d'autre part, à faire face à l'augmentation de matières fibreuses jetées dans les systèmes de collecte. Ces changements remettent en question aussi bien l'hydraulique des pompes de relevage et le réseau de tuyauterie, puisque le flux véhiculé par les eaux usées devient plus épais et plus difficile à transporter."

"Le second défi porte sur la nécessité croissante de surveiller les systèmes de collecte afin d'éviter le colmatage des égouts gravitaires, des pompes et des tuyauteries de refoulement. Le colmatage causé par le mélange de graisses, de sédiments et de macro-débris est un problème récurrent qui monopolise une grande partie des ressources de maintenance. Par conséquent, tout risque de colmatage doit être anticipé autant que possible."

PHOTO : La roue S-tube® de Grundfos se distingue par son rendement hydraulique et sa section de passage, qui empêche l'obstruction de la pompe.

Différentes roues, différents problèmes
Face à ces changements, l'industrie s'est tournée vers des installations de gestion centralisée des eaux usées, quand cela est possible. Les pompes à vitesse variable sont également devenues un bon moyen pour économiser de l'énergie, mais tout débit réduit augmente les risques de colmatage, ce qui affecte à la fois l'efficacité et la durée de vie.

Tout cela pose un véritable problème pour les concepteurs de pompes de relevage : comment transporter plus d'eaux usées sur de longues distances, en consommant moins d'eau et d'énergie, avec peu ou pas de maintenance.

Différents types de roues ont été développés au fil des années pour parvenir à une meilleure fiabilité et un rendement hydraulique plus élevé : des roues vortex, semi-ouvertes, fermées ou hybrides.

"Les clients ont dû se procurer de coûteux assemblages", explique Mikael Nedergaard, chef de produits chez Grundfos. "Ceux-ci sont destinés à diriger, réduire ou traiter les eaux usées, mais ne présentent aucune amélioration notable en termes de fiabilité à long terme."

La roue S-tube® : aucun compromis
La norme EN 752-6: 2008 identifie à la fois  "l'optimisation du rendement" et "la possibilité de transporter des solides autorisés sans obstruer" comme des atouts essentiels à une pompe. Toutefois, selon   Mikael Nedergaard, "les clients ont souvent été amenés à croire qu'ils doivent accepter un compromis entre les deux". La roue S-tube®, qui équipe les pompes pour eaux usées de Grundfos, supprime ce compromis, proposant à la fois un excellent rendement hydraulique et une section de passage, empêchant la pompe de colmater.

"Le principal avantage de la conception de la roue S-tube® par rapport aux autres roues est qu'il n'y a nulle part où les eaux usées puissent s'accrocher et obstruer la pompe, explique Flemming Lykholt-Ustrup, responsable eau & mécanique des fluides chez Grundfos.

Figure 2 : Cette image en couleur montre comment la pression agit sur la surface d'une roue hydraulique S-tube® (aucun matériel ajouté). Le bleu indique la pression la plus faible, dont l'augmentation est indiquée en vert, puis jaune, puis rouge, la pression la plus élevée lorsque le fluide quitte la roue. Cette accumulation de pression indique un rendement prometteur, sans reflux, à gérer les matières solides. Au point  signalé, où le tube est le plus recourbé, il est encore presque impossible pour les solides de se coincer dans la roue S-tube® comme il n' y a pas de bord.

"Les caractéristiques spéciales de la plaque avant et arrière de la roue S-tube® fermée optimisent également le débit dans les cavités entre la roue mobile et le corps de pompe fixe."

Comme le diamètre interne de la roue S-tube®   est uniforme (voir Figure 2), il y a moins de risque de colmatage, même avec un débit relativement faible.


"Les innovations conçues pour économiser l'eau ont créé de nouveaux problèmes. Par exemple, les toilettes plus efficaces consomment moins d'eau, mais augmentent le risque de colmatage."

"Le gain de rendement hydraulique conséquent réduit les coûts énergétiques pour l'utilisateur final", indique Flemming Lykholt-Ustrup." Par ailleurs, l'absence de bord a l'avantage de diminuer fortement le NPSH à l'intérieur de la pompe centrifuge, là où l'hydraulique est plus sujette à la cavitation."

L'approche globale
Selon une étude publiée dans le livre "Pump Life Cycle Costs: A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems" (guide d'analyse des coûts du cycle de vie d'une pompe) avec la collaboration d'Europump et   Hydraulic Institute, montre que le prix d'achat initial représente rarement plus de 5 % du coût total d'une pompe durant toute sa durée de vie. La consommation d'énergie est de loin le facteur le plus important, représentant à elle seule 85 % des dépenses totales, tandis que les coûts de maintenance s'élèvent à environ 10 %.

Il est donc compréhensible que certains des principaux acteurs sur le marché aient reconnu qu'une approche globale est nécessaire pour optimiser une installation de pompage. Le modus operandi de Grundfos est ancré dans ses iSOLUTIONS [solutions intelligentes], qui englobent l'ensemble du cycle de vie d'une pompe, de la conception et du développement à la production, l'installation, la maintenance et au recyclage.

Selon Mikael Nedergaard, le retour des clients est la clé de cette approche.

"La participation du client final dans le développement du produit garantit une réponse adaptée aux besoins". Mais ce n'est pas le seul moteur d'améliorations de la conception. Par exemple, un aspect souvent sous-estimé par les clients est le traitement de l'air (voir la photo ci-dessous). Il est important de veiller à ce que la pompe soit en mesure de traiter une certaine quantité d'air dans le fluide. Les ingénieurs de Grundfos ont entrepris des recherches en Dynamique des Fluides (CFD) pour optimiser les zones critiques où l'air s'accumule, dans le but de minimiser la réduction du débit à travers la roue S-tube® lors du traitement de liquides gazeux ou aérés.

Photo : Dans cette simulation CFD multiphases, les deux roues sont de la même taille, mais avec une  légère différence géométrique (à quelques millimètres près) dans la forme. Le débit est le même pour les deux roues, avec 8 % d'air ajouté en continu. Les zones entourées montrent les bulles d'air accumulées et comment le traitement de l'air peut être optimisé par une conception spécifique.

Résumé
Les installations modernes de gestion des eaux usées doivent être capables de transporter de gros volumes de déchets sur de plus longues distances, tout en consommant le moins d'énergie possible. Cela nécessite une pompe centrifuge qui ne fait aucun compromis entre rendement hydraulique et longue durée de vie, avec un entretien minimal. Le vieux concept du tube, retravaillé par des ingénieurs qualifiés du 21e siècle en fonction des retours des utilisateurs, s'avère être la solution la plus efficace.





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