Refroidissement du moteur sous-marin: quand une pompe à forage a- t- elle besoin d'un manchon de débit?

Un moteur submersible fonctionne sous l'eau, mais le fait d'être immergé ne garantit pas automatiquement un refroidissement adéquat.

Le moteur génère de la chaleur chaque fois que la pompe fonctionne. Cette chaleur doit être transférée à l'eau qui s'écoule le long de la surface extérieure du moteur. Si l'eau ne circule pas à la vitesse requise autour du moteur, celui-ci peut surchauffer même si l'ensemble de la pompe reste immergé.

Un manchon de débit, également appelé manchon d'induction de débit, carénage de refroidissement ou chemise de refroidissement, contrôle le trajet de l'eau autour du moteur. Il force l'eau pompée à circuler le long de la surface du moteur avant d'entrer dans l'admission de la pompe.

Un manchon de débit est couramment requis dans les puits de grand diamètre, les réservoirs ouverts, les retenues d'eau, les puits à alimentation par le haut et d'autres installations où le mouvement naturel de l'eau peut ne pas assurer un refroidissement suffisant du moteur.

Cependant, il ne doit pas être ajouté sur la seule base d'une règle générale. L'ingénieur doit évaluer le diamètre du moteur, le diamètre du tubage, le débit de pompage, la température de l'eau, la position de l'afflux et l'orientation de l'installation.

Une pompe de forage se compose normalement de deux sections principales :

• La section de pompe hydraulique

• Le moteur électrique submersible

Dans une installation verticale conventionnelle, la section de pompe est positionnée au-dessus du moteur. L'eau entre dans la pompe par une aspiration située entre le moteur et la section hydraulique.

Lorsque les eaux souterraines entrent dans le puits sous le moteur, elles s'écoulent vers le haut le long de la surface du moteur avant d'atteindre l'aspiration de la pompe. Ce mouvement évacue la chaleur du moteur.

Un refroidissement adéquat dépend donc du mouvement de l'eau, et non de la simple présence d'eau.

Si le tubage est excessivement grand par rapport au moteur, le même débit de pompage est réparti sur une plus grande surface annulaire. La vitesse de l'eau autour du moteur diminue, et l'effet de refroidissement peut devenir insuffisant.

Le refroidissement peut également être inadéquat lorsque l'eau atteint l'aspiration de la pompe sans avoir d'abord circulé le long du moteur.

Un manchon de débit est un tube cylindrique monté autour du moteur submersible et d'une partie de l'ensemble de la pompe.

L'extrémité supérieure est normalement scellée près ou au-dessus de l'aspiration de la pompe. L'extrémité inférieure s'étend sous le bas du moteur et reste ouverte à l'eau environnante.

Cette disposition modifie le trajet de l'eau.

Au lieu d'entrer directement dans la pompe depuis le puits ou le réservoir environnant, l'eau doit entrer par l'ouverture inférieure du manchon. Elle s'écoule ensuite vers le haut dans l'espace étroit entre le manchon et le moteur avant d'atteindre l'aspiration de la pompe.

Le manchon remplit trois fonctions importantes :

• Il dirige l'eau le long de la surface du moteur.

• Il augmente la vitesse de l'eau de refroidissement autour du moteur.

• Il réduit le risque que l'eau contourne le moteur et entre directement dans la pompe.

Un manchon de débit n'augmente pas les performances hydrauliques de la pompe. Son objectif est de fournir au moteur un environnement de refroidissement approprié.

Un tubage de grand diamètre offre plus d'espace autour de la pompe, mais plus d'espace n'améliore pas nécessairement le refroidissement du moteur.

Lorsque le tubage est beaucoup plus grand que le moteur, la surface d'écoulement annulaire augmente. Si le débit de pompage reste inchangé, la vitesse moyenne de l'eau passant devant le moteur diminue.

Par exemple, le même débit de pompe produira une vitesse de refroidissement plus faible dans un tubage large que dans un tubage qui s'adapte plus étroitement à la pompe.

Cela ne signifie pas que chaque grand puits nécessite automatiquement un manchon de débit. La condition de refroidissement réelle doit être vérifiée à l'aide de :

• Débit de pompage

• Diamètre extérieur du moteur

• Diamètre intérieur minimum du tubage

• Vitesse de refroidissement du moteur requise

• Emplacement de l'afflux du puits

Si la vitesse calculée ou confirmée est inférieure à l'exigence du fabricant du moteur, un manchon de taille appropriée devrait être envisagé.

Les pompes de forage submersibles sont parfois installées dans des réservoirs d'eau, des retenues, des étangs ou d'autres plans d'eau ouverts.

Dans ces applications, l'eau peut approcher l'aspiration de la pompe de toutes les directions. Elle peut entrer dans la section hydraulique sans circuler le long de toute la surface du moteur.

L'eau environnante peut donc rester relativement stagnante autour du moteur, en particulier lors d'un fonctionnement continu à forte charge.

Un manchon de refroidissement assure un trajet d'eau contrôlé et est couramment nécessaire pour ce type d'installation.

Les informations d'installation SLAPK QJ conseillent spécifiquement d'ajouter une chemise de refroidissement autour du moteur de la pompe lorsque l'unité est utilisée dans une piscine. La conception finale du manchon doit toujours être confirmée pour le moteur et l'installation sélectionnés.

Un puits à alimentation par le haut est un puits dans lequel une partie importante des eaux souterraines entre dans le tubage au-dessus du moteur ou de l'aspiration de la pompe.

L'eau s'écoulant d'une formation supérieure peut atteindre l'aspiration de la pompe sans passer le long du corps inférieur du moteur. Par conséquent, le moteur peut être immergé mais recevoir peu de débit de refroidissement efficace.

Un manchon avec son entrée sous le moteur force l'eau à circuler vers le bas à l'extérieur du manchon, puis vers le haut le long du moteur avant d'entrer dans la pompe.

La position de l'afflux doit donc être prise en compte lors de l'examen du schéma de complétion du puits et des informations de test de pompage.

Si la pompe est positionnée sous la section principale crépine ou perforée du puits, l'eau peut entrer au-dessus de la pompe.

Cela crée un risque de refroidissement similaire à une installation à alimentation par le haut. L'eau peut se déplacer directement vers l'aspiration sans passer sur toute la surface du moteur.

La profondeur d'installation doit être examinée par rapport à :

• Intervalles de crépine

• Sections de tubage perforé

• Formations productrices d'eau

• Élévation de l'aspiration de la pompe

• Position du moteur

Le niveau d'eau dynamique seul ne révèle pas la direction du mouvement de l'eau à l'intérieur du puits.

Une pompe de forage peut être installée horizontalement dans un réservoir ou une retenue lorsque le montage vertical n'est pas pratique.

Le fonctionnement horizontal nécessite une confirmation spécifique du fabricant de la pompe et du moteur. Les roulements, les conditions de poussée, le dégagement d'aspiration et le refroidissement du moteur doivent tous être pris en compte.

La convection naturelle autour d'un moteur horizontal ne remplace pas le débit de refroidissement requis. Un manchon de refroidissement correctement supporté peut être nécessaire pour diriger l'eau sur le moteur.

Le manchon ne doit pas reposer directement sur le fond du réservoir ni être obstrué par des sédiments. Un dégagement d'entrée et un support structurel adéquats sont requis.

Une pompe peut être physiquement grande mais fonctionner à un débit relativement faible en raison d'un étranglement, d'une résistance du système ou d'un contrôle à vitesse variable.

Un débit plus faible peut réduire la quantité d'eau circulant devant le moteur. Un système de refroidissement adéquat à débit de conception maximal peut devenir inadéquat à la vitesse minimale de fonctionnement ou au débit continu minimum.

Pour une application à variateur de fréquence, vérifiez le refroidissement du moteur sur toute la plage de vitesse prévue plutôt que seulement au point de fonctionnement nominal.

L'étranglement continu doit également être examiné attentivement. Il peut éloigner la pompe de sa plage de fonctionnement préférée tout en réduisant simultanément le débit de refroidissement.

L'eau chaude évacue la chaleur du moteur moins efficacement que l'eau plus froide.

Un système de refroidissement adapté aux températures normales des eaux souterraines peut ne pas être suffisant dans un puits géothermique, un réservoir d'eau chaude ou une application de procédé industriel.

Le service à haute température peut affecter :

• Isolation des enroulements du moteur

• Roulements

• Câbles d'alimentation

• Composants d'étanchéité

• Lubrifiants

• Débit de refroidissement requis

• Charge moteur admissible

Un manchon de débit peut améliorer le mouvement de l'eau, mais il ne rend pas automatiquement un moteur standard adapté à l'eau chaude. Une configuration de pompe, de moteur et de câble QJR à température nominale peut être nécessaire.

La vitesse de l'eau de refroidissement dépend principalement de trois variables :

• Débit de pompe réel

• Diamètre extérieur du moteur

• Diamètre intérieur du tubage ou du manchon

Le débit disponible traverse l'espace annulaire entre le moteur et le tubage ou le manchon. Une surface annulaire plus petite produit une vitesse moyenne plus élevée pour le même débit.

La relation de base est :

La surface d'écoulement annulaire est déterminée à partir du diamètre intérieur du tubage ou du manchon et du diamètre extérieur du moteur.

Avant d'effectuer le calcul, assurez-vous que toutes les unités sont cohérentes. Ne mélangez pas les mètres cubes par heure, les litres par seconde, les millimètres et les mètres sans les conversions correctes.

La vitesse calculée doit ensuite être comparée à l'exigence du modèle de moteur exact.

N'appliquez pas une vitesse minimale universelle à tous les moteurs submersibles. La valeur requise peut varier en fonction de :

• Diamètre du moteur

• Puissance du moteur

• Fabricant

• Température de l'eau

• Charge du moteur

• Orientation verticale ou horizontale

• Service continu ou intermittent

Demandez le manuel d'installation du moteur ou une confirmation écrite du fournisseur.

La désignation nominale de la série de la pompe ne détermine pas la condition de refroidissement.

Une désignation 6SP ou 8SP identifie la classe de diamètre approximative de la pompe, mais les calculs de refroidissement dépendent du diamètre extérieur réel du moteur et du diamètre intérieur réel du tubage ou du manchon.

Le schéma complet du modèle doit être vérifié car les dimensions suivantes peuvent différer :

• Diamètre de la pompe hydraulique

• Diamètre du moteur

• Saillie du guide-câble

• Diamètre de l'accouplement

• Diamètre intérieur du manchon

• Épaisseur de paroi du manchon

Un manchon doit fournir suffisamment d'espace pour le moteur, le câble et les tolérances d'assemblage tout en produisant la vitesse de refroidissement requise.

Pour plus d'informations dimensionnelles, voir Pompes de forage 6 pouces vs 8 pouces : Comment choisir.

L'extrémité inférieure du manchon doit s'étendre sous le moteur afin que l'eau doive entrer par en dessous.

Si l'ouverture inférieure se termine au-dessus du bas du moteur, une partie de l'eau peut contourner la surface du moteur.

L'extension requise et le dégagement d'entrée doivent être confirmés pour l'assemblage spécifique.

La zone supérieure du manchon est normalement scellée autour de la pompe près de l'aspiration.

Un mauvais joint permet à l'eau d'entrer directement par le haut, réduisant ainsi le débit passant le long du moteur.

Le système de joint doit tenir compte de :

• Géométrie de la pompe

• Câble d'alimentation

• Guide-câble

• Fixations

• Tolérances d'assemblage

• Matériau du manchon

Le joint doit guider le débit sans endommager le câble d'alimentation ni restreindre l'accès à la maintenance.

L'ouverture inférieure du manchon doit avoir une surface libre suffisante pour admettre le débit complet de la pompe sans perte d'entrée excessive.

L'entrée ne doit pas être bloquée par :

• Sédiments du puits

• Fonds de réservoir

• Supports structurels

• Débris

• Murs voisins

• Filtres mal positionnés

Dans une installation horizontale, le manchon doit être supporté de manière à ce que son entrée reste dégagée.

La conception du manchon ne doit pas pincer, frotter ou plier brusquement le câble du moteur.

Le routage du câble doit être planifié avant la fabrication. Toute ouverture de câble doit être lisse et protégée contre les bords métalliques tranchants.

Le câble doit rester sécurisé pendant l'installation, le fonctionnement et le retrait de la pompe.

Le matériau du manchon doit être compatible avec le liquide pompé et l'environnement d'installation.

Les matériaux possibles comprennent l'acier inoxydable, l'acier revêtu ou des plastiques techniques appropriés. Le choix dépend de :

• Chimie de l'eau

• Température

• Risque de corrosion

• Charges mécaniques

• Diamètre du manchon

• Profondeur d'installation

• Durée de vie requise

Un manchon en acier au carbone ne doit pas être placé dans de l'eau corrosive sans examiner la durée de vie du revêtement et l'interaction galvanique avec les composants en acier inoxydable.

Un moteur peut rester complètement sous l'eau et surchauffer s'il n'y a pas suffisamment de mouvement d'eau le long de sa surface.

L'immersion protège l'aspiration de la pompe de l'aspiration d'air, mais elle ne prouve pas que la vitesse de refroidissement requise existe.

Le débit continu le plus bas attendu peut régir l'examen du refroidissement.

Considérez le fonctionnement étranglé, le fonctionnement à vitesse variable, la diminution du rendement du puits et les changements de résistance du système.

Les mesures du niveau d'eau montrent la quantité d'eau au-dessus de la pompe, mais elles ne montrent pas si l'eau circule devant le moteur.

Examinez la crépine du puits, les perforations et les formations productrices.

Un manchon inutilement grand laisse un large espace annulaire autour du moteur et peut ne pas générer une vitesse de refroidissement suffisante.

Le diamètre du manchon doit être sélectionné par calcul et examen du fabricant.

Un manchon trop petit peut interférer avec le câble du moteur, les tolérances d'assemblage et l'installation. Il peut également augmenter la perte hydraulique ou rendre le retrait difficile.

Si le manchon ne s'étend pas sous le moteur, l'eau peut contourner une partie de la surface qui a besoin de refroidissement.

Un manchon de refroidissement ne peut pas corriger :

• Débit de pompe excessif

• Rendement de puits insuffisant

• Tête dynamique incorrecte

• Immersion de pompe inadéquate

• Tension moteur inappropriée

• Température de l'eau excessive

• Fonctionnement en dehors de la courbe de la pompe

Chaque problème doit être évalué séparément.

Dans les applications de pompes de forage, les termes suivants sont souvent utilisés pour des dispositifs similaires :

• Manchon de débit

• Manchon d'induction de débit

• Manchon de refroidissement

• Carénage de refroidissement

• Chemise de refroidissement

La terminologie varie entre les fabricants et les marchés.

La question importante n'est pas le nom mais la fonction : l'appareil force-t-il l'eau pompée à circuler le long de la surface du moteur à la vitesse requise ?

Une chemise conçue uniquement comme une couverture de protection peut ne pas fournir la même fonction hydraulique qu'un manchon d'induction de débit correctement scellé.

Fournissez les informations suivantes lorsque vous demandez à un fournisseur de pompe de vérifier si un manchon de débit est requis :

• Modèle complet de la pompe

• Modèle et puissance nominale du moteur

• Débit de fonctionnement réel

• Débit continu minimum

• Diamètre extérieur du moteur

• Diamètre intérieur du tubage de puits

• Installation en réservoir ouvert ou en puits

• Orientation verticale ou horizontale

• Niveau d'eau statique

• Niveau d'eau de pompage stabilisé

• Profondeur d'installation de la pompe

• Intervalles de crépine ou de tubage perforé

• Emplacement de l'afflux d'eau

• Température de l'eau

• Programme de fonctionnement continu ou intermittent

• Plage de fonctionnement à vitesse variable

• Dimensions et matériau du manchon disponibles

• Distance entre le moteur et le fond du puits ou le fond du réservoir

Un dessin dimensionnel et un schéma de complétion du puits sont particulièrement utiles car ils montrent si l'eau est susceptible de contourner le moteur.

Non. Un puits conventionnel peut déjà diriger suffisamment d'eau vers le haut le long du moteur. Un manchon est requis lorsque l'installation naturelle ne peut pas fournir les conditions de refroidissement spécifiées pour le moteur.

Il peut être requis. Un tubage plus grand réduit la vitesse de l'eau autour du moteur pour un débit donné. Calculez la vitesse et comparez-la avec l'exigence exacte du moteur.

Souvent, oui. Dans un réservoir ouvert, l'eau peut approcher l'aspiration de la pompe sans passer le long du moteur. Un manchon crée un trajet de refroidissement contrôlé. Confirmez la disposition avec le fabricant.

Non. Un manchon améliore le refroidissement du moteur mais ne crée pas d'eau ni ne maintient le niveau d'eau dynamique. La protection contre le fonctionnement à sec doit être assurée par des capteurs de niveau, des commandes ou un équipement de protection moteur appropriés.

Non. Ce n'est pas une amélioration des performances hydrauliques. Son objectif est de guider l'eau de refroidissement devant le moteur. Un manchon mal conçu peut ajouter une perte d'aspiration au lieu d'améliorer les performances de la pompe.

Possiblement. Le moteur doit recevoir un refroidissement suffisant au débit et à la vitesse de fonctionnement continu les plus bas. La plage de fonctionnement complète du VFD doit être examinée.

Non. L'entrée d'eau doit rester dégagée. Fournissez des supports appropriés et un dégagement suffisant par rapport au fond du réservoir, aux sédiments et aux murs voisins.

Un moteur submersible est refroidi par l'eau circulant le long de sa surface extérieure. Être sous l'eau ne suffit pas si l'eau environnante est stagnante ou contourne le moteur.

Un manchon de débit doit être envisagé lorsque :

• Le tubage du puits est beaucoup plus grand que le moteur.

• L'eau entre dans le puits au-dessus de la pompe ou du moteur.

• La pompe est installée sous la section crépine ou perforée.

• L'unité fonctionne dans un réservoir, une retenue ou un autre plan d'eau ouvert.

• La pompe est installée horizontalement.

• Le débit de fonctionnement est trop faible pour maintenir la vitesse de refroidissement requise.

• La température élevée de l'eau réduit la marge de refroidissement disponible.

La sélection finale doit être basée sur le modèle de moteur réel, le débit de fonctionnement, le diamètre du tubage ou du manchon, la direction de l'afflux et la température de l'eau.

Envoyez à SLAPK votre débit et votre hauteur manométrique requis, le modèle de pompe et de moteur, le diamètre intérieur du tubage, le schéma d'installation, les niveaux d'eau statique et de pompage, la position de la crépine, la température de l'eau, l'orientation de l'installation, la tension, la fréquence et le programme de fonctionnement.

Nos ingénieurs peuvent examiner la configuration de la pompe QJ ou SP, les conditions de refroidissement du moteur et si un manchon de débit de taille appropriée est requis.

Contactez SLAPK pour une sélection de pompe de forage et un examen du refroidissement