Théorie des pompes

Pompes chimiques

Pompe centrifuge

pompe centrifuge en polypropylèneLa principale caractéristique de la pompe centrifuge consiste à convertir l'énergie d'une source de mouvement (le moteur) d'abord en vitesse (ou énergie cinétique) puis en énergie de pression. Le rôle d'une pompe consiste en effet à conférer de l'énergie au liquide pompé (énergie transformée ensuite en débit et en hauteur d'élévation) selon les caractéristiques de fabrication de la pompe elle-même et en fonction des besoins spécifiques à l'installation. Le fonctionnement est simple : ces pompes utilisent l'effet centrifuge pour déplacer le liquide et augmenter sa pression. À l'intérieur d'une chambre hermétique équipée d'entrée et de sortie (cochlée ou volute), tourne une roue à palettes (roue), le véritable cœur de la pompe. La roue est l'élément tournant de la pompe qui convertit l'énergie du moteur en énergie cinétique (la partie statique de la pompe, c'est-à-dire la volute, convertit au contraire l'énergie cinétique en énergie de pression). La roue est à son tour fixée à l'arbre de pompe, directement emboîté sur l'arbre de transmission du moteur ou couplé à celui-ci par un couple rigide.
Lorsque le liquide entre dans le corps de la pompe, la roue (alimenté par le moteur) projette le fluide à la périphérie du corps de la pompe grâce à la force centrifuge produite par la vitesse de la roue : le liquide emmagasine ainsi une énergie (potentielle) qui sera transformée en débit et en hauteur d'élévation (ou énergie cinétique). Ce mouvement centrifuge provoque au même moment une dépression capable d'aspirer le fluide à pomper. En connectant ensuite la pompe à la tuyauterie de refoulement, le liquide sera facilement canalisé et atteindra l'extérieur de la pompe. La roue d'une pompe centrifuge peut être réalisée selon plusieurs variantes de fabrication : roues ouvertes, roues fermées, roues semi-ouvertes, roues monocanal, roues axiales, roues semi-axiales, roues en retrait, vortex, à spirale, etc.
Il existe des pompes centrifuges à un étage, c'est-à-dire équipées d'un seul générateur de portée et de pression (une roue). En présence de plusieurs roues (la première décharge le liquide sur la deuxième et ainsi de suite…), il s'agira au contraire de pompes centrifuges à plusieurs étages, caractérisées par la somme des pressions fournies par chaque roue. Le fonctionnement de la pompe centrifuge dépend non seulement du moment initial de l'amorçage, mais aussi de la façon dont est assurée l'aspiration du liquide même : en effet, si la pompe est située à un niveau inférieur à celui de la veine d'où le liquide est prélevé, ce dernier entre spontanément dans la pompe (cas d'une installation en charge). En revanche, si la pompe est située au-dessus de la source d'où l'on veut pomper, le liquide devra alors être aspiré : la pompe (comme la tuyauterie d'aspiration) devra donc être amorcée de façon préventive, c'est-à-dire remplie de liquide (cas d'une pompe auto-amorçante).
Le système centrifuge présente d'innombrables avantages par rapport aux autres types de pompage : il garantit un volume d'encombrement réduit, un service relativement silencieux et une mise en œuvre facile avec tous les types de moteurs électriques disponibles sur le marché. Il s'adapte aussi aisément à tous les problèmes de traitement des liquides puisqu'en l'adaptant aux conditions d'utilisation particulières, il est capable de répondre aux exigences spécifiques des installations de destination.

Courbe de la pompe

Les prestations d'une pompe centrifuge peuvent être mises graphiquement en évidence sur une courbe caractéristique qui présente normalement des données relatives à la hauteur géodésique totale, à la puissance effective du moteur (BHP), à l'efficacité, au NPSHr et à la charge positive, des informations indiquées en fonction de la capacité de la pompe.
Chaque pompe centrifuge est donc caractérisée par sa courbe caractéristique particulière qui est la relation entre son débit et sa hauteur d'élévation. Cette représentation graphique, c'est-à-dire la transposition de ce rapport à l'intérieur d'un graphique cartésien, représente la meilleure façon de savoir quel sera le débit obtenu pour une hauteur d'élévation donnée (et réciproquement).
En l'occurrence, la courbe consiste en une ligne qui part d'un point (équivalent à débit zéro/hauteur d'élévation maximum) et qui arrive en fin de courbe avec la hauteur d'élévation qui diminue lorsque le débit augmente.
Il est évident que d'autres éléments comme la vitesse, la puissance du moteur ou le diamètre de la roue interviennent aussi dans la modification de cette représentation. Il faut également considérer qu'il est impossible de connaître les prestations d'une pompe sans connaître tous les détails du système dans lequel elle travaillera.
La courbe de prestations de chaque pompe varie, en outre, en fonction de la vitesse selon les lois suivantes :
  1. la quantité de liquide transporté change en fonction de la vitesse
  2. la hauteur d'élévation varie en fonction du carré de la vitesse
  3. la puissance consommée varie en fonction du cube de la vitesse
La quantité de liquide pompé et la puissance absorbée sont à peu près proportionnelles. L'évacuation d'une pompe centrifuge à vitesse constante peut varier d'un débit nul (fermeture complète ou vanne fermée), jusqu'à un maximum qui dépend de la conception et des conditions de travail. Par exemple, si l'on double la quantité de fluide pompé, la vitesse redouble et les autres conditions restent inchangées, tandis que la hauteur d'élévation est multipliée par 4 et la puissance consommée par 8 par rapport aux conditions de départ.
La puissance absorbée par la pompe peut être identifiée au point où la courbe de la puissance croise la courbe de la pompe au point de travail. Ceci n'indique toutefois pas encore la taille de moteur exigée.
Il existe différentes façons de déterminer la puissance des moteurs d'alimentation de la pompe : Les prestations d'une pompe, et notamment des pompes rotodynamiques, sont normalement illustrées par une courbe semblable qui met bien en évidence le rapport entre liquide déplacé par unité de temps et augmentation de la pression.
Cependant, les courbes relatives aux différentes catégories de pompes ont des caractéristiques très différentes. Les pompes volumétriques, par exemple, ont un volume de débit virtuellement indépendant de la différence de pression (et la courbe relative est presque toujours une ligne verticale), tandis que les pompes centrifuges ont une courbe de prestations qui, comme nous l'avons vu, oppose la diminution du débit à l'augmentation de la hauteur d'élévation (et réciproquement). La courbe des pompes périphériques a, au contraire, un fonctionnement situé à mi-chemin entre ces deux types de pompe.
Une règle générale pour comprendre les forces développées par une pompe centrifuge est toujours la suivante : une pompe ne crée pas de pression mais ne fournit qu'un débit. La pression n'est que la mesure de la résistance du débit.

comparaison de courbes

Comparaison de courbes

  
Courbe générale

Courbe générale






Principes d'hydraulique

Principes des pompes hydrauliques



Pompe centrifuge
Pompe qui utilise le mouvement de rotation d'une roue à palettes (roue) insérée dans le corps même de la pompe. La roue, en tournant à une vitesse élevée, projette l'eau aspirée précédemment à l'extérieur grâce à la force centrifuge développée, tout en faisant circuler le liquide dans le corps fixe puis dans le tuyau de refoulement.

Pompe immergée
La pompe immergée est une pompe à axe vertical conçue pour atteindre de grandes profondeurs grâce à la longueur de son tube d'aspiration. À ne pas confondre avec la pompe submersible caractérisée par son moteur étanche immergé dans le liquide à pomper.

Débit
Quantité de liquide (en volume ou en poids) qui doit être pompée, transvasée ou élevée par une pompe pendant un intervalle de temps donné : exprimée normalement en litres par seconde (l/s), litres par minute (l/min) ou en mètres cubes par heure (m³/h). Symbole : Q.

Hauteur d'élévation
Hauteur de soulèvement d'un liquide : le pompage sous-entend l'élévation d'un liquide depuis un niveau plus bas vers un niveau plus haut. Exprimé en mètres de colonne de liquide ou en bars (pression). Dans ce dernier cas, le liquide pompé ne franchit aucun dénivelé mais est exclusivement fourni au niveau du sol à une pression donnée. Symbole : H.

Courbe de prestations
Illustration graphique particulière qui identifie les prestations de la pompe : le diagramme représente en effet la courbe formée par les valeurs de débit et de hauteur d'élévation, indiquées par rapport à un type de roue spécifique et à un modèle de pompe particulier.

En charge
Type particulier d'installation de la pompe, située à un niveau inférieur à celui de la veine où l'eau est prélevée : de cette façon, l'eau entre spontanément dans la pompe sans aucune difficulté.

Amorçage
Remplissage de la pompe ou de la tuyauterie par retrait de l'air que celle-ci contient. Dans certains cas, il peut y avoir des pompes auto-amorçantes, c'est-à-dire équipées d'un mécanisme automatique qui facilite l'amorçage et, par conséquent, le démarrage de la pompe qui, autrement, serait impossible ou tout au moins très lent.

Cavitation
Phénomène créé par une instabilité du flux de courant. La cavitation se manifeste par la formation de cavités dans le liquide pompé et est accompagnée de vibrations bruyantes, d'une réduction du débit et, de façon moindre, du rendement de la pompe. Elle est provoquée par le passage rapide de petites bulles de vapeur à travers la pompe : leur explosion crée de micro-jets qui peuvent également provoquer des dommages sérieux.

Pertes de charge
Pertes d'énergie dues au frottement du liquide le long des parois de la tuyauterie et proportionnelles à la longueur de celles-ci. Elles sont aussi proportionnelles au carré de la vitesse de circulation et variables en fonction de la nature du liquide pompé. Toute occasion de ralentissement de la circulation normale du fluide déplacé représente de toute façon une cause de pertes charge, comme les brusques changements de direction ou de section des tuyauteries.
Pour un bon choix de la dimension de la pompe, la somme de ces pertes doit être ajoutée à la hauteur d'élévation initialement prévue.

Garniture mécanique
Garniture mécanique pour arbres rotatifs. Utilisée dans tous ces cas où aucun écoulement externe du liquide n'est admissible. Elle est composée de deux anneaux à surface plane, l'un stationnaire et l'autre rotatif : les deux faces sont pressées l'une contre l'autre de façon à ne laisser qu'un film hydrodynamique très fin formé du liquide à retenir, avec la fonction de lubrifier les pièces en frottement.

Viscosité
Il s'agit d'une caractéristique du fluide pompé : elle représente sa capacité à s'opposer au déplacement. La viscosité varie en fonction de la température.

Poids spécifique
Chaque fluide a une densité caractéristique.
L'eau, utilisée comme élément de comparaison a, par convention, un poids spécifique (ou densité) égal à 1 (à 4 C et au niveau de la mer). Le poids spécifique représente la valeur utilisée pour comparer le poids d'un certain volume de liquide avec le poids du même volume d'eau.



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