Cours sur les Pompes PDF

CHAPITRE I Les turbomachines Dr. R. SAKER OUARGLI 1  Introduction L’évolution de la chimie et de la pétrochimie depuis plusieurs années a conduit à une utilisation de plus en plus fréquentes de pompes, compresseurs, turbines, …etc à haute performance capable de...

CHAPITRE I Les turbomachines Dr. R. SAKER OUARGLI 1  Introduction L’évolution de la chimie et de la pétrochimie depuis plusieurs années a conduit à une utilisation de plus en plus fréquentes de pompes, compresseurs, turbines, …etc à haute performance capable de satisfaire à des normes rigoureuses de rendement, de fiabilité et d’endurance par l’exploitation des grandes unités chimiques. Dr. R. SAKER OUARGLI 2 I. 1. POMPES Dr. R. SAKER OUARGLI 3  I. 1. 1. Fonction Elles permettent le plus souvent de transformer l’énergie mécanique d’un moteur en énergie hydraulique afin: 1. De faire passer un liquide d’un niveau à un autre niveau plus élevé (Pompe de transfert). 2. D’augmenter le pression d’un fluide. Energie mécanique Energie hydraulique Transformer Dr. R. SAKER OUARGLI 4 Remarques: On peut classer les pompes dans la catégorie des actionneurs (convertisseurs d’énergie). Le fluide peut être soit: Recyclé dans un circuit fermé (pompe à l’huile de voiture). Renouvelé dans un circuit ouvert (pompage d’eau). 5 Dr. R. SAKER OUARGLI I.1. 2. Les différents types de pompes On peut classer les pompes en deux grandes catégories. 1. Celles dont le déplacement du liquide est obtenu en agissant sur la vitesse du liquide. Elles sont dites Centrifuges. 2. Celles dont le déplacement du liquide est obtenu en variant le volume d’une cavité. Elles sont dites Volumétriques. Dr. R. SAKER OUARGLI 6  I.1. 2. Les différents types de pompes Centrifuges Pompes Alternatives Volumétriques Rotatives Dr. R. SAKER OUARGLI 7  Remarques: qL’utilisation d’un type de pompe ou d’un autre dépend des conditions d’écoulement du fluide. qDe manière générale, si on veut augmenter la pression d’un fluide on utilisera plutôt les pompes volumétriques, tandis que si on veut augmenter le débit on utilisera plutôt les pompes centrifuges. Dr. R. SAKER OUARGLI 8 I.1. 3. Domaine d’utilisation des pompes centrifuges et volumétriques Dr. R. SAKER OUARGLI 9  I. 1. 4. LES POMPES VOLUMETRIQUES Ces pompes sont classées aussi en deux catégories : volumétriques rotatives et alternatives. Les pompes volumétriques rotatives sont des pompes à vis, à engrenages, à palettes, à lobes. Par contre, les pompes alternatives sont à piston, à diaphragme, à cylindre, à vérin. Dr. R. SAKER OUARGLI 10  I.1. 4. 1. Principe et caractéristiques générales § Un volume V de fluide emprisonné dans un espace donné (le récipient de départ) est contraint à se déplacer de l’entrée vers la sortie de la pompe par un système mécanique. Ce volume prélevé dans la conduite d’aspiration engendre une dépression qui fait avancer le fluide vers la pompe par aspiration. Cet effet confère aux pompes volumétriques d’être auto- amorçante. On obtient un débit théorique moyen proportionnel à la vitesse de rotation. Dr. R. SAKER OUARGLI 11  On appelle "débit" (symbole de grandeur : Qv) la quantité de fluide mise en mouvement en fonction du temps. Qv = quantité de fluide/ temps Le débit d'une pompe dépend de deux facteurs importants : Ø la cylindrée de la pompe et la vitesse de rotation de la pompe. Ø La cylindrée est la quantité du fluide consommée par rotation de la pompe (litre/tour). Q = Cyl x N Q : débit (l/mn) N : vitesse de rotation (tr/mn) Cyl : (l/tr) Dr. R. SAKER OUARGLI 12  Exercice d’application: Calculer le débit d’un fluide en l/min, refoulé par une pompe ayant une cylindrée de 75 cm3/tr et ayant une vitesse de rotation de 1500 tr/min. Dr. R. SAKER OUARGLI 13  Remarques: 1. Si le volume aspiré ne peut s’évacuer dans la canalisation de sortie (vanne fermée, ou canalisation obstruée) l’augmentation de pression aboutirait soit à l’éclatement de la conduite, soit au blocage du moteur d’entraînement de la pompe. C’est pourquoi une soupape de sûreté doit être impérativement montée à la sortie de la pompe. 2. Les pompes volumétriques nécessitent des hauteurs manométriques totales (HMT) beaucoup plus élevée que les pompes centrifuges. Dr. R. SAKER OUARGLI 14  Remarques: 3. La pression de refoulement est ainsi plus importante. Le rendement de ce type des pompes est d’ordre de 0.9 (90%). 4. On distingue généralement deux types de pompes : des pompes alternatives et des pompes rotatives. Dr. R. SAKER OUARGLI 15 I. 1. 4. 2. Pompes volumétriques alternatives A. Pompes à piston Selon le principe de fonctionnement les pompes à piston ce divise en trois types : 1. Pompes à piston à action simple pendant un va et vient du piston, la pompe aspire une fois et refoule une fois. Dr. R. SAKER OUARGLI 16  Pompes à piston à action simple 1- clapet d’aspiration 2-clapet de refoulement Pa : pression atmosphérique P1 : pression de liquide dans le cylindre P2 : pression de liquide dans le réservoir Animation pompes\Video pompes\Pompes à piston 2.wmv Dr. R. SAKER OUARGLI 17 2. Pompes à piston à action double Pendant le va et vient du piston, la pompe aspire deux fois et refoule deux fois. 1, 2 : Clapets d’aspiration et 3, 4: Clapets de refoulement Dr. R. SAKER OUARGLI Mon film 15.wmv18  3. Pompe à piston à action triple Cette pompe est la liaison de trois pompes à piston à action simple grâce à l’existence d’un axe commun. Les trois pistons se trouvent dans des positions différentes. 1, 3, 5 : Clapets d’aspiration et 2, 4, 6 : Clapets de refoulements Animation pompes\Pompe à pistons en ligne.mp4 19 Dr. R. SAKER OUARGLI  Remarques Soit S la surface du piston et L sa course, le volume Vo de liquide déplacé est : Vo = S.L Si le piston effectue N allers-retours en 1 seconde alors le débit volumique théorique d’une pompe à piston simple est donnée par la relation suivante : Qv = N S L Dr. R. SAKER OUARGLI 20 4. Pompes à diaphragme (doseuses) Les pompes à diaphragme sont essentiellement à piston, appelées aussi pompes à membrane. Le fluide n’entre pas en contact avec les éléments mobiles de la machine. Ces pompes sont donc bien adaptées au pompage des liquides corrosifs ou/et chargés de particules solides. Ces pompes sont caractérisées par un dédit de refoulement très faible (de quelque L/h ou m3/h) et peuvent atteindre des pressions de refoulement allant jusqu’à 300 bar, elles sont auto- amorçantes et n’accepte que les viscosités faibles. 21 Dr. R. SAKER OUARGLI  Les principaux domaines d’applications Dosage fin des produits chimiques et injection du carburant automobile. Pompes à diaphragme Animation pompes\Pompe à membrane.mp4 22 Dr. R. SAKER OUARGLI 5. Pompes à piston plongeur Cette machine est un compromis entre la pompe à piston et la pompe à membrane. Le fluide n’est pas isolé du piston, mais les frottements de celui-ci sont faibles car limités au niveau du presse-étoupe qui assure l’étanchéité. Ces pompes sont adaptées la production de hautes pressions. Dr. R. SAKER OUARGLI 23 Pompe à piston plongeur Dr. R. SAKER OUARGLI 24 I. 1. 4. 3. Pompes volumétriques rotatives Ces pompes montrent un grand succès pour le transfert des liquides visqueux, sont simple de point de vue de construction. Elles sont caractérisées par l’absence des soupapes ou de clapets et l’obtention de débit régulier et peuvent être élevés. A. Pompes à engrenage Il existe un plus grand nombre de variantes de ce type de pompe. Elles différent entre elles par la disposition et la forme des dentures. Dr. R. SAKER OUARGLI 25 1- chemise de la pompe. ; 2- engrenage A. ; 3- engrenage B. 4- tube d’aspiration ; 5- tube de refoulement. ; 6- axe de moteur. L’axe de l’engrenage B est couplé à un moteur quand l’axe B fait la rotation l’engrenage A est entraîné par B mais dans le sens inverse, donc le liquide est entraîné par A et B du bas vers le haut.Animation pompes\Pompe à engrenage Dr. R. SAKER OUARGLI 26 B. Pompe à palette rigide C’est la classique des pompes à vide. Un rotor excentré tourne dans un cylindre fixe. Sur ce rotor, des palettes, libres de se mouvoir radialement, et poussées par des ressorts s’appliquent sur la face intérieure du cylindre fixe. Les espaces ainsi délimités varient au cours de la rotation et créé les dépressions nécessaires au fonctionnement d’une pompe volumétrique. Animation pompes\Video pompes\Ppe à palettes.wmv Dr. R. SAKER OUARGLI 27 Dr. R. SAKER OUARGLI 28  D. Pompe à vis Cette pompe comporte deux ou trois vis logées dans un carter. La vis centrale est entraînée par le moteur électrique et transmet le mouvement de rotation aux autres vis. L’espace libre entre les vis se déplace sans variation de volume et transporte le fluide de l’orifice d’aspiration vers l’orifice de refoulement. Dr. R. SAKER OUARGLI 29  Pompe à double vis Pompe à trois vis Animation pompes\Pompe à double vis.mp4 Animation pompes\Pompe à vis.mp4 Dr. R. SAKER OUARGLI 30  I. 1. 5. LES POMPES CENTRIFUGES Le principe de base des pompes centrifuges repose sur la mise en rotation du fluide à pomper en le faisant circuler dans une roue tournant à une vitesse plus ou moins élevée (en tr.mn-1). Le fluide est admis au centre de la roue (l’ouie) avec une pression dite pression d'aspiration où il est repris par les aubes de la roue. Lors de sa mise en rotation et de son déplacement vers la périphérie de la roue, sa vitesse et son énergie cinétique augmentent. Dr. R. SAKER OUARGLI 31 POMPE CENTRIFUGE Animation pompes\Pompe centrifuge.wmv 32 Dr. R. SAKER OUARGLI a. Les avantages et les inconvénients de ces pompes Ce sont des machines de construction simple et plus compactes que les machines volumétriques, d’utilisation facile et peu coûteuse. Leur rendement est souvent meilleur que celui des volumétriques. Impossibilité de pomper des liquides trop visqueux et une production d’une pression différentielle peu élevée (de 0,5 à 10 bar). Dr. R. SAKER OUARGLI 33 a. Les caractéristiques des pompes Les caractéristiques d’une pompe sont les suivant: HMT (Hauteur manométrique totale) = f (Qv) NSPH (Net positive Suction Head) requis et disponible La puisance = f (Qv) Le rendement = f (Qv) Dr. R. SAKER OUARGLI 34 b. Pression différentielle engendrée par la pompe Sur l’installation ci-contre, la pompe qui tourne à vitesse constante élève le liquide contenu dans le réservoir inférieur et le rejette dans le réservoir supérieur. Entre « A » et « E » : le fluide s’élève par aspiration, on dit que la pompe travaille à l’aspiration. Entre « S » et « B » : la pompe travaille au refoulement. La différence de pression de la pompe est : ΔP = PS - PE Dr. R. SAKER OUARGLI 35 Dr. R. SAKER OUARGLI 36  c. Hauteur manométrique totale HMT C’est la force qui permet le transport du fluide dans la tuyauterie et son utilisation au point le plus élevé de l’installation. La HMT requise pour un circuit et un débit donné correspond à l'énergie (en Joule par m3 de fluide, unité équivalente au Pascal Pa) pour vaincre les forces de pression entre A et B, pour élever le fluide de A à B, pour vaincre les pertes de charge par frottement entre A et B (notées JA->B), et pour accroître éventuellement la vitesse du fluide entre A et B. Ceci se traduit, en mCE, par l'équation de Bernoulli généralisée suivante: Dr. R. SAKER OUARGLI 37 Exercice d’application: Soit une installation comprenant une pompe centrifuge pompant de l'eau d'un réservoir A à un réservoir B avec un débit de 9m3/hr. Données : Pertes de charges (Tronçon aspiration et refoulement) = 4% Tuyauterie d'aspiration de 15 m Tuyauterie de refoulement de 25m pression résiduelle de 2 bar Calculer la hauteur manométrique totale de cette pompe si la hauteur d’aspiration est de 5m et celle du refoulement est de 10m. Dr. R. SAKER OUARGLI 38  d. N.P.S.H Hauteur de charge nette absolue (Net Positive Suction Head) Une pompe possède une capacité maximum d'aspiration qui est la valeur du vide qu'elle peut produire. Cette caractéristique varie suivant le type et la conception technique de la pompe. Théoriquement, la hauteur maximale d’aspiration, dans une cavité où règne le vide absolu, est égale à la pression atmosphérique, c’est à dire à 1013 mbar au niveau de la mer (10,33 m d'eau). Elle diminue progressivement quand l'altitude augmente. En réalité cette hauteur est limitée, non seulement par les pertes de charge dans la conduite d’aspiration mais également par les propriétés physiques à chaque type de liquide. Dr. R. SAKER OUARGLI 39 Qu'est-ce le N.P.S.H.? NPSH est simplement une mesure permettant de quantifier la hauteur manométrique d'aspiration disponible pour éviter la vaporisation au niveau le plus bas de la pression dans la pompe. Dr. R. SAKER OUARGLI 40  A une température donnée, un liquide à une pression d’ébullition bien donnée correspond sa tension de vapeur. Si la pression en un point de ce liquide devient inférieure à la tension de vapeur, il entre en ébullition. Le NPSH requis est une donnée fournie par le constructeur. Il est généralement donné sous forme de courbe en fonction du débit. Dr. R. SAKER OUARGLI 41  𝑵𝑺𝑷𝑯𝒅𝒊𝒔 =(𝑷𝒂𝒔𝒑−𝑷𝒗𝒔) ‒ 𝝆 𝒈𝒉 ‒ ∑ 𝑱 Remarques Le NSPH requis ou nécessaire est un paramètre donné par le constructeur de la pompe et généralement donné sous la forme d’une courbe. Ø Pour éviter le phénomène de cavitation, il faut que NSPHdonné > NSPHrequis + 0,5 mce Avec : 0,5 mce est une marge de sécurité. Dr. R. SAKER OUARGLI 42  e. CAVITATION C’est un terme employé pour décrire le phénomène qui se produit dans une pompe quand le NPSH est insuffisamment disponible. La pression du liquide est réduite à une valeur égale ou inférieure à sa pression de vapeur là ou les petites bulles ou poches de vapeur commençant à se former. Le bruit d'accompagnement est le moyen le plus facile pour identifier la cavitation. La vibration et les dommages mécaniques tels que la défaillance de roulement peuvent également se produire en raison du fonctionnement dans la cavitation. Dr. R. SAKER OUARGLI 43  Exemple d’application : Soit une pompe qui aspire de l’eau à un débit de 60 m3/h avec une longueur de tuyauterie de 10m et une hauteur de 63 ; la pression de vapeur saturante est de 1700 Pa. Données : ρ = 103 kg/m3 ; 𝑔 = 9,81 m/s2, 𝐽=5% ; 𝑁𝑆𝑃𝐻'()*+, = 3mce Y a-t-il un risque de cavitation ? NSPHdisp= (Pasp-Pvs)‒ ρ gh ‒ J = (101325 ‒1700)/9,81. 103 ‒ 6 ‒5/100x 10 NSPHdisp = 3,65 mce 𝑁𝑆𝑃𝐻!"#$%& + 0,5 mce = 3+ 0,5 = 3,5 mce 𝐷𝑜𝑛𝑐: 𝑵𝑺𝑷𝑯𝒅𝒐𝒏𝒏é > 𝑵𝑺𝑷𝑯𝒓𝒆𝒒𝒖𝒊𝒔 + 0,5 Pas de risque de cavitation Dr. R. SAKER OUARGLI 44 Dr. R. SAKER OUARGLI 45 Ø Le seul moyen d'empêcher les effets indésirables de la cavitation c'est de s'assurer que le NPSH disponible dans le système est plus élevé que le NPSH requis par la pompe. Ø Le circuit de refoulement n'intervient pas dans les problèmes de cavitation. Ø Il ne faut jamais placer de vanne de réglage ou de vanne d'isolement sur la conduite d'aspiration. Dr. R. SAKER OUARGLI 46 e. PUISSANCE D’UNE POMPE C’est la puissance hydraulique communiquée au liquide lors de son passage à travers la pompe. Cette puissance est donnée par la relation suivante : 𝑸.𝝆.𝒈.𝒉 P= 𝜼 P : puissance en Watts 𝑄 : Débit volumique en m3/s 𝜌 : densité du liquide en kg/m3 ℎ : Hauteur de charge en mètre m η : Rendement global de la pompe. Dr. R. SAKER OUARGLI 47  e. PUISSANCE FOURNIE À L’ARBRE DE POMPE La puissance fournie par l’arbre d’entrainement de la pompe est donnée par la relation suivante : ∆O.P P= Q Dr. R. SAKER OUARGLI 48  f. RENDEMENT D’UN SYSTÈME DE POMPAGE Le rendement global d’un système de pompage est donné par la relation suivante : ηglobal = ηmoteur. ηpompe. ηtransmission ηmoteur : Rendement du moteur de la pompe ηpompe : Rendement de la roue mobile de la pompe η transmission : Rendement manométrique de la tuyauterie entre l’entrée et la sortie de la pompe. Dr. R. SAKER OUARGLI 49