Le clapet de retenue à faible perte de charge : Un facteur d'économie d'énergie

Dès qu’il y a écoulement, la pression amont chute et la pression de fermeture tend à refermer le clapet, jusqu’à ce que l’équilibre se produise.

Sur les gros diamètres de canalisations le clapet à double battant, dont chacun pivote autour d’un axe central, et actionné par un ressort, présente de nombreux avantages par rapport aux appareils conventionnels :

• — encombrement et poids réduits ;
• — montage dans toute position et facilité de mise en place entre la plupart des types de brides ;
• — utilisation sur tous orifices ;
• — étanchéité élevée, conforme aux normes, assurée avec joint souple ou métal sur métal ;
• — fonctionnement silencieux ;
• — pression d’ouverture réglable suivant les ressorts utilisés ;
• — fonctionnement indépendant de chaque battant ;
• — ouverture complète à faible vitesse d’écoulement (évitant les risques de battement) ;
• — pertes de charge réduites.

L’utilisation de ces clapets à faible perte de charge permet, en particulier, de réduire la consommation d’énergie nécessaire pour assurer un débit donné dans des conditions de service déterminées ; c’est ce que nous démontrerons ci-après.

Prenons l’exemple d’une pompe débitant sur une tuyauterie de 250 mm de diamètre équipée d’un clapet conventionnel présentant un coefficient de perte de charge C égal à 9 avec une hauteur de refoulement H de 16 mètres, possédant les caractéristiques suivantes :

• — débit nominal : Vₙ = 500 m³/h ;
• — rendement : Rₚ = 0,83 ;
• — rendement du moteur : Rₘ = 0,9.

Le temps de fonctionnement tᵥ sera pris égal à 2 000 h par an et le tarif du courant fixé à 0,40 F/kWh.

Nous effectuerons une première approche du calcul de la consommation annuelle d’énergie de la façon suivante :

a) Valeur de la perte de charge :

Le débit réel de la pompe étant de 670 m³/h, la vitesse dans la tuyauterie sera de 3,79 m/s. La perte de charge est donnée par la formule :

ΔP₁ = C F W₁² / 2

dans laquelle on a :  
ΔP₁ = perte de charge en Pa  
C = coefficient de perte de charge  
F = poids spécifique du fluide en kg/m³ = 1 000  
W₁ = vitesse d’écoulement dans la tuyauterie en m/s = 3,79,

d’où ΔP₁ = 64 000 Pa (0,65 bar).

b) Énergie consommée :

La puissance, transformée en chaleur dans le clapet, est donnée par la formule :

P₁ = ΔP₁ Q₁ (Q₁ : débit du fluide en m³/s)

soit  
ΔP₁ = 64 600 Pa  
Q₁ = 670 / 3 600 = 0,186 m³/s

P₁ = 12 000 W

Le rendement de l’ensemble pompe-moteur est de R₀ = 0,83 × 0,9 = 0,75, et la consommation annuelle d’énergie :

E = 1,2 × 12 000 × 2 000 / 0,75 = 32 × 10⁶ Wh soit 12 800 F par an.

Si l'on remplace le clapet conventionnel par un clapet à faible perte de charge à double battant, le coefficient de perte de charge Ck passe à 1,2 et l'on obtient avec ΔPk = 8 600 Pa (0,086 bar) :

E = 1 700 F par an

L'économie réalisée serait donc, d’après le calcul précédent, de 12 800 – 1 700 = 11 100 F par an ; en réalité celui-ci donne des résultats erronés, car deux facteurs restent à considérer : d'une part, il faut prendre en compte l’ensemble formé par la pompe, le clapet et la tuyauterie ; d’autre part, la durée du fonctionnement doit être réduite pour un même volume refoulé.

Pour le même débit de 670 m³/h et une hauteur de refoulement statique de 1,6 bar, le rendement de la pompe tombe en effet à 0,78 et, en effectuant à nouveau les calculs, nous avons :

E = 1 / (Rₚ × Rₘ) × ΔPT × QV × tV

Formule dans laquelle :

PT = PV + PP + PC = 267 000 Pa (2,67 bars)
QV = 0,186 m³/s (pour 670 m³/h)
tV = 2 000 h/an

On trouve ainsi E = 141,4 × 10⁶ Wh par an, soit un coût de 56 595 F par an.

On peut donc constater au passage que 40 % seulement de l'énergie est utilisée pour refouler l’eau à 16 m de hauteur.

Après remplacement du clapet classique par un clapet à faible perte de charge à double battant, et compte tenu des nouvelles conditions de fonctionnement, nous aurons les données suivantes :

Rm = 0,9
RP = 0,7
PT = 220 000 Pa (2,20 bars)
QV = 0,202 m³/s (730 m³/h)

t = 2 000 × 670 / 730 = 1 835 h

On en tire : E = 129,44 × 10⁶ Wh/an, soit une dépense d’énergie de 51 776 F par an.

L’économie annuelle due à la substitution des clapets ressort donc à 4 819 F par an, soit 8,5 %, ce qui n’est pas négligeable.

Cette différence avec la première approche du montant de l’économie s’explique par le fait que le clapet à double battant, s’il réduit les pertes de charge et d’énergie, conduit toutefois à une diminution de rendement de la pompe due au fait que le point de fonctionnement de celle-ci s’écarte du point de service de son débit nominal de 500 m³/h.

Cet exemple montre que le calcul de comparaison des dépenses d’énergie entraînées par le fonctionnement d’un système de distribution muni d‘un clapet ne doit pas être effectué en ne considérant que les pertes de charge dues au clapet, mais en prenant en compte l’ensemble pompe, clapet et tuyauterie.

Bien que ce mode de calcul fasse ressortir la diminution du rendement de la pompe entraînée par la mise en service d’un clapet à faible perte de charge, il en ressort que l'utilisation de celui-ci permet des économies d’énergie substantielles ; il faut souligner que, dans certaines conditions d'utilisation, ce bénéfice peut encore s’accroître de façon appréciable dans la mesure où le rendement de la pompe approchera de son optimum.