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FOrcepar Les pompes centrifuges
Image d’une pompe centrifuge Principe physique : Le mouvement de rotation permet d'accélérer le fluide. Il y a création d’une force qui va propulser le fluide, donc une accélération. La force est la force centrifuge du centre vers l'extérieur. Les forces centrifuges et centripètes sont opposées. La vitesse de rotation augmente, la force centrifuge augmente.
Une pompe centrifuge accélère le fluide qui la traverse, en lui procurant un mouvement de propulsion vers l’extérieur.
Les deux grandeurs physiques qui caractérisent la pompe :
♦ Le débit qui correspond à la vitesse du fluide. Q = Vitesse*Section.
♦ La pression en bar ou en mCE. 1 bar = 10 mCE (P = rho*g*h)
Le débit est en lien avec la vitesse de rotation du corps de pompe.
La pression est en lien avec la force centrifuge qui dépend de la géométrie du corps de pompe (volute).
Croquis de l’aube.
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Cette rotation engendre une puissance hydraulique. La puissance hydraulique fournie par la pompe est donnée par la relation :
Phydraulique = ρ g Q h.
Dans laquelle :
• Phydraulique est exprimée en watts
• ρ est la masse volumique du liquide (kg/m3)
• g est l’accélération de pesanteur soit 9,81 m/s2
• Q est le débit volumique du liquide exprimé en m3/s
• h est la hauteur manométrique de la pompe exprimée en mètres de colonne d'eau
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Une pompe centrifuge doit être choisie selon les caractéristiques réelles de l’installation dans laquelle on doit l’installer. Les donnés nécessaires pour un dimensionnement correct sont les suivantes:
Débit Q : Quantité de liquide débitée par la pompe dans l’unité de temps, normalement exprimée en m3 /h
Hauteur manométrique totale : Hmt C’est la somme de la hauteur géométrique dans les niveaux du liquide et les pertes de charge causées par de frottements intérieurs qui se forment au passage du liquide dans les tuyaux, dans la pompe et les accessoires hydrauliques.
L’expression à l’identifier est la suivante :
Hmt = Hg + ∆pc m colonne de liquide
Hg = hauteur géométrique à l’aspiration /Hga + hauteur géométrique au refoulement (Hgp)
∆pc = somme des pertes de charge dans l’installation calculée selon les éléments suivants :
- Diamètre, Longueur et matériel composant les tuyaux d’aspiration et de refoulement
- Quantité et type des coudes dans la tuyauterie et accessoires hydrauliques comme clapet de pied avec crépine, vannes, clapet de non-retour, filtres éventuels
- Nature du liquide (si différent de l’eau), température, viscosité et densité
Il faut faire attention à la hauteur manométrique en aspiration Hga + ∆pc asp, qui doit être comparée avec la capacité d’aspiration de la pompe.
Cette capacité d’aspiration ou NPSHr est définie comme hauteur de charge nette absolue demandée à l’aspiration, laquelle valeur est fournie par une courbe en fonction du débit.
A ce sujet, lorsque la pompe a été choisie selon le débit et la hauteur demandés, si possible au centre de la courbe, on doit vérifier la formule simplifiée: *
10 mt ± Hga - ∆pc asp. > NPSH demandé + 0.5 mt
Hga est la hauteur entre la surface de l’eau et l’axe de la pompe, avec valeur négative si la pompe se trouve au-dessus de la surface de l’eau. ∆pc asp. est la somme des frottements restants en aspiration distribués (tuyauterie) et concentrés (vannes, coudes, etc.)
Si le résultat de la vérification est négatif, normalement il ne faut que limiter le débit avec une vanne au refoulement, afin de rentrer entre des conditions de fonctionnement de la pompe les plus optimales et sans cavitation. Lorsque le liquide présente des températures supérieures à la moyenne optimale de 20°C environ, les pompes diminuent sa capacité d’aspiration. Ces variations, référant
Cette énergie hydraulique peut être assimilée à la somme d’une énergie cinétique déterminée par le mouvement du liquide et d’une énergie potentielle provenant de la hauteur d'eau située en amont de la pompe.
Ces pompes sont composées d'une partie électrique et d'une partie mécanique. Dans la partie électrique il y a un rotor et un moteur qui actionnent une roue à aubes tournant autour de son axe. Et ces aubes en tournant dans la partie mécanique mettent en mouvement l'eau circulant à l'intérieur de la volute.
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La théorie simplifiée du fonctionnement des pompes centrifuges est due à Leonhard Euler.
Pour la comprendre, il faut se représenter le bilan énergétique entre une particule de fluide à l’entrée de la roue, et cette même particule à la sortie. Dans la mesure où toute l’énergie du mouvement de rotation de l’impulseur est transférée au liquide, le couple appliqué sur les aubes sera égal au produit du débit du liquide par la variation de sa quantité de mouvement entre son entrée et sa sortie de la roue.
Si donc la vitesse du liquide fait à l’entrée de l’impulseur un angle α1 avec la tangente à la roue, et à la sortie un angle α2, si on note par ailleurs V1 et V2 les modules des vitesses d’entrée et de sortie, on aura pour le couple : C = ρ Q (r2V2 cos α2 – r1V1 cos α1).
Le gain en puissance hydraulique sera alors : Whydraulique = Cω, où ω est la vitesse angulaire de rotation de l’impulseur.
Courbe caractéristique - droite d'Euler - droite théorique.
Vert : pertes par frottements.
Rouge : pertes par chocs. La courbe de la pompe centrifuge réelle présente un
rendement optimum là où elle approche le mieux la droite théorique. Le calcul
théorique d'Euler correspondrait à une roue présentant une infinité d'aubes. Pour une
roue réelle, la droite de rendement 1 est donc située en dessous de celle d'Euler.
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On obtient donc la valeur théorique de la puissance (rendement égal à 1) sous la forme :
En appliquant par ailleurs le théorème de Bernoulli à la veine de fluide on trouve la hauteur manométrique h :
Les pompes volumétriques
Une pompe volumétrique est une pompe dans laquelle une certaine quantité de fluide
« emprisonnée » est forcée à se déplacer jusqu’à l’orifice de sortie.
Une pompe volumétrique est une pompe dont le débit reste constant. Elle est constituée d’un
cylindre, d’un piston et de soupapes d’entrée et d’échappement. Le fonctionnement d’une
telle pompe à piston est le suivant :
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Admission : La soupape d’admission s’ouvre. Un volume de liquide est aspiré par aspiration
grâce à un mouvement vers le bas d’un piston relié à un vilebrequin par une bielle.
Échappement : La soupape d’admission se ferme et la soupape d’échappement s’ouvre. Le
piston a alors un mouvement vers le haut refoulant le volume de fluide présent dans le
cylindre.
L’inconvénient de ce type de pompe est qu’elle ne doit pas démarrer à vide. Il doit y avoir du
fluide avant et après la pompe avant son démarrage. Pour cette raison, on met un bypass en
dérivation autour de la pompe pour remplir la canalisation aval avant de démarrer la pompe.
Sinon son moteur pourrait griller après chauffage intensif car la pompe va ramener le débit
d’une valeur nulle à une valeur non nulle.
Les pompes péristaltiques
Ce genre de pompe est utilisé pour les liquides et les gaz. Le liquide, contenu dans un tube flexible est entrainé par une pression du tube par des galets. Ce processus: le péristaltisme, est analogue au
processus du tube digestif.
La pompe est constituée d’un ou plusieurs tubes, de rotors et de galets servants à effectuer
alternativement des pressions et obstructions du tube, ce qui engendre une aspiration du liquide. Le
liquide n’est pas en contact avec la partie mécanique. (Pompe volumétrique)
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Les pompes immergées
La pompe immergée est une sorte de tube équipé d’un moteur, elle est constituée de trois parties
qui interagissent.
Le moteur dont le rôle est de fournir de la puissance de pompage, la puissance est ensuite portée
à la partie hydraulique par la transmission, et la partie hydraulique va à son tour transmettre la
puissance à l’eau pour la faire monter jusqu’à la surface.
C’est en fait une sorte de fonctionnement circulaire, dans lequel chacun des éléments importants
(moteur, partie hydraulique, eau) va jouer un rôle pour la stabilité de l’ensemble. La pompe sert
principalement à faire monter l’eau.
Selon ces mêmes critères et suivant la pompe, la motorisation peut être électrique (mono ou
triphasée) ou thermique (moteur 2 ou 4 temps). (Pompe centrifuge à étage)
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Pompes à diaphragme :
Les dépressions et compressions sont provoquées par une membrane dont le mouvement est
provoqué par un piston qui n’est plus en contact avec le fluide. Ce type de pompe est
particulièrement adapté au transfert de fluide corrosif. (Pompe volumétrique)
Les pompes à engrenages :
Pompe à engrenage, et à palette : Le fluide gazeux ou liquide est entraîné par les pales d’un
rotor : l’avantage de ce type de pompe est que le débit est régulier. Pompe volumétrique
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Les caractéristiques de choix d’une pompe
• Type
• Débit
• Pression
• Hauteur de refoulement
• Hauteur d'aspiration
• Hauteur manométrique totale
• Matériaux
• Types de liquide
Avantages et inconvénient : Pompes centrifuges
avantages inconvenients
• construction simple, peu de composants
mobiles, longue durée de service • débit de
refoulement facile à ajuster par une soupape
à la sortie de la pompe ou par la vitesse de
rotation
• vitesse de rotation élevée, entraînement
direct possible par moteur électrique ou
turbine
• limiteur de pression intégré, pas de
soupape de sécurité requise
• fonctionnement très silencieux grâce à un
bon équilibrage des masses et à l’absence de
masses oscillantes
• refoulement continu sans pulsations
• acheminement possible de matières solides
• pas auto-amorçantes (des types spéciaux
tels que la pompe à canal latéral peuvent
être auto-amorçantes) • risque de cavitation
avec de l’eau chaude ou des pressions
d’aspiration faibles
• le débit volumétrique dépend de la
pression de refoulement
• plusieurs étages requis pour les pressions
de refoulement élevées
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• conviennent à des puissances élevées
• concentration élevée de la puissance et
petit espace de construction
Pompes volumétriques
Avantages inconvénients
• faible dépendance du débit de refoulement
par rapport à la hauteur de refoulement;
conviennent donc bien pour les pompes de
dosage et pompes à injection
• adaptées aux pressions élevées à très
élevées; seul un étage requis
• très bonne puissance d’aspiration, même
avec une part gazeuse
• adaptées aux fortes viscosités (pâtes)
• débit de refoulement ajustable de manière
très exacte et reproductible par le biais de la
course et du nombre de courses
• alimentation cyclique possible
• bien adaptées aux faibles vitesses de
rotation d’entraînement
• pour les pompes oscillantes, entraînement
pneumatique, hydraulique ou
électromagnétique direct possible
• le principe de fonctionnement n’inclut pas
de limitation de la pression, c’est pourquoi
une soupape de sécurité ou soupape de
limitation de la pression est requise
• sur les pompes volumétriques oscillantes,
un fonctionnement sans vibrations n’est
possible qu’avec un complexe équilibrage
des masses
• les pompes volumétriques oscillantes ne
sont pas bien adaptées aux vitesses de
rotation élevées
• sur les pompes volumétriques oscillantes,
un débit de refoulement, et donc un
amortisseur de pulsations sont requis • pour
certains types, construction avec soupapes
compliquée et propice aux pannes
• davantage de pièces d’usure que sur les
pompes centrifuges
Pompes péristaliques
Avantages inconvénients
• Zéro fuite. Sa conception fait de
la pompe péristaltique une pompe
complètement étanche sans garniture
mécanique et sans étanchéité dynamique
avec le liquide pompé. (Le liquide circule
à l’intérieur d’un tuyau) Par
conséquent, aucune fuite n’est possible,
ni aucune contamination du liquide
pompé.
• Rotation à sec. La pompe
péristaltique peut également tourner à
sec en continu sans que ses performances,
sa pression et sa précision ne soient
affectées.
• Encombrement. La pompe péristaltique
est une pompe à vitesse lente. Cela
signifie que son encombrement et son
poids sont donc importants.
• Pièce d’usure. Cette pompe est munie
d’une pièce d’usure: Le tuyau interne.
Des opérations de maintenance doivent
donc naturellement être prévues.
L’utilisation d’un détecteur
capacitif monté sur le corps de pompe
permet de détecter une élévation du
liquide lié à une crevaison du tuyau et
permet d’arrêter la pompe avant tout
dégât.
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• Les capacités d’amorçage de la pompe
péristaltique sont très importantes
(Jusqu’à 9 mètres de profondeur). Il faut
noter que la pompe
péristaltique s’amorce naturellement à
sec. Elle ne nécessite pas d’être pleine de
liquide pour s’amorcer.
• La maintenance de cette pompe est
particulièrement simple puisqu’elle se
limite au remplacement de la pièce
d’usure : Le tuyau. Nous réalisons
la réparation de pompe péristaltique
• Bas NPSH. La pompe péristaltique, de
par sa conception (Le liquide passe dans
un tuyau) présente une caractéristique
de NPSH requis extrêmement faible,
permettant de limiter le risque
de cavitation (Phénomène destructeur lié
à une ébullition du liquide pompé lorsque
la pression devient inférieure à la tension
de vapeur du fluide).
• Liquides chargés. La pompe péristaltique
est totalement insensible aux fluides
chargés de particules ou de cristaux.
• Faible taux de cisaillement. La
technologie péristaltique génère un taux
de cisaillement très faible, rendant cette
pompe tout à fait adaptée pour le transfert
de liquides fragiles et sensibles au taux de
cisaillement.
• Réversibilité. La pompe péristaltique
est réversible, cela signifie qu’elle peut
fonctionner dans les 2 sens de rotation.
Cet avantage permet, par exemple, en fin
de transfert, en changeant le sens de
rotation, de vider le tuyau de
refoulement.
• Compatibilité du tuyau élastomère: Le
tuyau (Caoutchouc naturel ou NBR ou
EPDM ou Hypalon®) peut présenter des
incompatibiltés chimiques avec le liquide
pompé, empêchant donc l’utilisation de
la technologie péristaltique. Il convient
donc, avant toute acquisition, de
consulter les tables de compatibilité
chimique ou à défaut, de procéder à des
essais de trempage d’échantillons de
tuyaux.
• Pulsations. La pompe péristaltique
produit un débit pulsatoire. S’il est
gênant, ce phénomène peut être corrigé
par un antipulsateur.
• Bypass. La pompe péristaltique est une
pompe volumétrique rotative. A ce titre,
la règle de l’art impose l’utilisation, au
refoulement, d’un bypass de protection
(Ou protection électromécanique ou
électronique). Un tel accessoire permet
de limiter la montée en pression de
l’installation en cas de fermeture ou
bouchage accidentel de la tuyauterie de
refoulement. Le design de la pompe
péristaltique ne permet pas d’accueillir
un bypass de sécurité. Cela signifie
qu’un bypassage mécanique doit être
prévu sur la tuyauterie de la pompe.
Notez qu’une protection par pressostat
électronique muni d’un séparateur peut
aussi être installé sur la tuyauterie de
refoulement.
Pompes immergées
Avantages inconvénients
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• Efficace : si la pompe est choisie en fonction de la pression nécessaire, le débit est régulier.
• Discrète : seul le tuyau est visible. • Silencieuse : le bruit est atténué par
l'eau.
• Prix : selon le modèle, il peut être très élevé.
• Entretien régulier à prévoir
Pompes à diaphragme
Avantages inconvénients • Cycle très régulier et linéaire, pas de
phénomène pulsatoire • Pas de phénomène d’écrasement ou de
cisaillement des molécules • Pas d’échauffement des solutions dû au
brassage
• Pression maxi : 4 ou 6 bars suivant les
versions
• Pas de relargage de micro-particules telles
que celui que l’on peut trouver avec les
tuyaux de pompes péristaltiques
• Disponible en version ATEX
• Faible débit
