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POMPES en aquaculture (3)

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3. Pompes centrifuges, hélico-centrifuges et axiales

(Crédit : L'expertise technique et scientifique de référence, Jean-François Lapray)

1. LES POMPES CENTRIFUGES

     Le mouvement du liquide résulte de l’accroissement d’énergie qui lui est communiqué par la force centrifuge.

1.1. Principe de fonctionnement

     Une pompe centrifuge est constituée par:

          • une roue à aubes tournant autour de son axe

          • un distributeur dans l'axe de la roue

          • un collecteur de section croissante, en forme de spirale appelée volute.

     Le liquide arrive dans l'axe de l'appareil par le distributeur et la force centrifuge le projette vers l'extérieur de la turbine. Il acquiert une grande énergie cinétique qui se transforme en énergie de pression dans le collecteur où la section est croissante.L'utilisation d'un diffuseur (roue à aubes fixe) à la périphérie de la roue mobile permet une diminution de la perte d'énergie.

1.2. Amorçage

     Les pompes centrifuges ne peuvent s'amorcer seules. L'air contenu nécessite d'être préalablement chassé. On peut utiliser un réservoir annexe placé en charge sur la pompe pour réaliser cet amorçage par gravité. Pour éviter de désamorcer la pompe à chaque redémarrage il peut être intéressant d'utiliser un clapet anti-retour au pied de la canalisation d'aspiration.

1.3. Caractéristiques

     Les hauteurs manométriques totales fournies ne peuvent dépasser quelques dizaines de mètres. Pour dépasser ces valeurs on utilise des pompes centrifuges multicellulaires où plusieurs roues sont montées en série sur le même arbre. Le refoulement d'une des pompes communique avec l'aspiration de la pompe suivante. Il est également possible de coupler en série plusieurs de ces pompes.

     Le rendement est de l'ordre de 60 à 70 %: il est inférieur à celui des pompes volumétriques.

     Les pompes centrifuges vérifient des lois (lois de similitude) qui à partir d'une courbe caractéristique établie pour une vitesse de rotation N de la roue de la pompe permettent d'obtenir la caractéristique pour une vitesse de rotation N' quelconque.

     Si on connaît pour une vitesse N, le débit QvN, la hauteur manométrique totale HtN et la puissance absorbée PN, on sait qu'il existe deux courbes caractéristiques (Ht en fonction de Qv et P en fonction de Qv) pour la vitesse N' tels que les points définis par les coordonnées (QvN', HtN') et (QvN', PN' ) en soient respectivement éléments.

     Les lois de similitude permettent de déterminer QvN' , HtN' et PN':

                                              QvN’ = QvN.(N’/N)

                                              HtN’ = HtN.(N’/N)2

                                              PN’ = PN.(N’/N)3

     On peut ainsi reconstruire point par point les caractéristiques pour la vitesse de rotation N' en prenant des points différents des caractéristiques établies pour la vitesse N.

1.4. Utilisation

     Ce sont les pompes les plus utilisées dans le domaine industriel à cause de la large gamme d'utilisation qu'elles peuvent couvrir, de leur simplicité et de leur faible coût.

     Néanmoins, il existe des applications pour lesquelles elles ne conviennent pas:

          • utilisation de liquides visqueux: la pompe centrifuge nécessaire serait énorme par rapport

                aux débits possibles.

          • utilisation de liquides "susceptibles" c'est-à-dire ne supportant pas la très forte agitation

                dans la pompe (liquides alimentaires tels que le vin, le lait et la bière).

          • utilisation comme pompe doseuse: la nécessité de réaliser des dosages précis instantanés

                risque d'entraîner la pompe en dehors de ses caractéristiques optimales.

     Ces types d'application nécessitent l'utilisation de pompes volumétriques.

     Par contre contrairement à la plupart des pompes volumétriques, les pompes centrifuges admettent les suspensions chargées de solides.

1.5. Fonctionnement avec la canalisation de refoulement bouchée

     Ce type de fonctionnement consécutif à une erreur est sans danger s'il ne se prolonge pas trop. Le risque à la longue est l'échauffement de la pompe, car le liquide n'évacue plus la chaleur. A ce moment la pompe peut se détériorer et ce d'autant plus qu'elle comporte des parties en plastique.

Remarque: pour une pompe centrifuge fonctionnant avec un moteur électrique, on comprend qu'il est préférable de démarrer la pompe centrifuge avec la vanne de refoulement fermée. En effet pour un débit nul la puissance consommée est alors la plus faible ce qui constitue un avantage pour un moteur électrique car l'intensité électrique le traversant est alors la plus faible. Les contraintes mécaniques sont également les plus faibles dans ce cas. Bien entendu il faut assez rapidement ouvrir cette vanne sous peine d'entraîner un échauffement de la pompe.

1.6. Réglage du débit

     Trois moyens sont possibles:

variation de la vitesse de rotation de la pompe par un dispositif électronique

vanne de réglage située sur la canalisation de refoulement de la pompe pour éviter le risque

   de cavitation1: suivant son degré d'ouverture, la perte de charge du réseau va  augmenter

   ou diminuer ce qui va entraîner la variation du point de fonctionnement

réglage en "canard" avec renvoi à l'aspiration d'une partie du débit.

     Le réglage du débit est important pour des besoins dus au procédé mais aussi pour se placer dans des plages de fonctionnement où le rendement est meilleur.

2. LES POMPES VOLUMETRIQUES

     L’écoulement résulte de la variation d’une capacité occupée par le liquide.

2.1. Principe de fonctionnement et généralités

     Une pompe volumétrique se compose d'un corps de pompe parfaitement clos à l'intérieur duquel se déplace un élément mobile rigoureusement ajusté. Leur fonctionnement repose sur le principe suivant:

          • exécution d'un mouvement cyclique.

          • pendant un cycle, un volume déterminé de liquide pénètre dans un compartiment avant

                d'être refoulé à la fin.

     Ce mouvement permet le déplacement du liquide entre l'orifice d'aspiration et l'orifice de refoulement.

     On distingue généralement:

          •les pompes volumétriques rotatives : Ces pompes sont constituées par une pièce mobile

               animée d’un mouvement de rotation autour d’un axe, qui tourne dans le corps de pompe et

               crée le mouvement du liquide  pompé   par  déplacement  d’un volume  depuis  l’aspiration

               jusqu’au refoulement.

          •les pompes volumétriques alternatives: la pièce mobile est animée d'un mouvement alternatif.

     Les pompes volumétriques sont généralement auto-amorçantes. Dès leur mise en route, elles provoquent une diminution de pression en amont qui permet l'aspiration du liquide. Il est nécessaire néanmoins d'examiner la notice du fabricant.

     Les pompes volumétriques permettent d'obtenir des hauteurs manométriques totales beaucoup plus élevées que les pompes centrifuges. La pression au refoulement est ainsi plus importante. Le débit est par contre généralement plus faible mais il ne dépend pratiquement pas des caractéristiques du réseau.

     Le rendement est souvent voisin de 90 %.

     Si la canalisation de refoulement est bouchée, Il faut arrêter immédiatement une pompe volumétrique dans cette situation pour éviter les risques d'une augmentation de pression très importante dans la pompe qui pourrait entraîner de graves détériorations.

     S'il y a possibilité de fermetures de vannes placées sur le circuit de refoulement, il faut prévoir un dispositif de sécurité à la sortie de la pompe: une dérivation équipée d'une soupape de sûreté et reliée au réservoir d'aspiration constitue une bonne solution.

     Le réglage du débit s'effectue en agissant sur la vitesse de rotation du rotor pour les pompes rotatives et sur la fréquence ou la course du piston pour les pompes alternatives. L'utilisation d'une vanne de réglage sur le circuit de refoulement est bien entendu à proscrire.

2.2. Pompes volumétriques rotatives

2.2.1. Pompes à palettes libres

Fonctionnement : un corps cylindrique fixe communique avec les orifices d'aspiration et de refoulement. A l'intérieur se trouve un cylindre plein, le rotor, tangent intérieurement au corps de la pompe et dont l'axe est excentré par rapport à celui du corps. Le rotor est muni de 2 à 8 fentes diamétralement opposées deux à deux, dans lesquelles glissent des palettes que des ressorts appuient sur la paroi interne du stator. Le mouvement du rotor fait varier de façon continue les différentes capacités comprises entre les cylindres et les palettes en créant ainsi une aspiration du liquide d'un côté et un refoulement de l'autre.

Caractéristiques et utilisation : ce sont des pompes caractérisées par des débits allant jusqu'à 100 m3.h-1 et des pressions au refoulement de 4 à 8 bars. Elles conviennent aux liquides peu visqueux.

Avantages : pas de brassage, ni d’émulsionnage du liquide pompé

                    débit régulier

                    marche réversible de la pompe

Inconvénients : usure du corps par frottement des palettes

                         difficile pompage des produits visqueux

2.2.2. Pompes à engrenages extérieurs

Fonctionnement : Elle est constituée par deux engrenages tournant à l’intérieur du corps de pompe. Le principe consiste à aspirer le liquide dans l’espace compris entre deux dents consécutives et à le faire passer vers la section de refoulement.

Caractéristiques et utilisation : ce sont des pompes qui peuvent atteindre des pressions au refoulement de l’ordre de 5 à 30 bars. Les débits peuvent atteindre 300m3.h-1. La hauteur manométrique maximale est de 50 à 200 m CE. Elles n’admettent pas le passage de particules solides sous peine de destruction. Elles sont utilisées pour les produits auto lubrifiants et alimentaires.

Avantages : débit régulier

                    pas de clapets nécessaires

                    marche de la pompe réversible

Inconvénients : nombreuses pièces d’usure

                         pas de particules solides dans cette pompe, ni de produits abrasifs (la présence de traces

                                 de solide ayant pour effet d’accélérer l’usure mécanique des pignons et de diminuer

                                 l’étanchéité entre le corps de pompe et les dents).

2.2.3. Pompes à rotor hélicoïdal excentré

Fonctionnement : elles sont composées de deux engrenages hélicoïdaux : le rotor tourne à l’intérieur du stator. Le mouvement tournant excentré du rotor permet de véhiculer le produit pompé.

Caractéristiques et utilisation : Ces pompes peuvent atteindre des pressions au refoulement de 20 à 60 bars. Le débit est de 500 m3.h-1. Elles sont utilisées notamment pour les produits pétroliers et les produits alimentaires. Son utilisation pour alimenter les filtres-presses est fréquentes.

Avantages : passage de particules solides, de produits abrasifs et de boues

                    débit régulier

                    marche de la pompe réversible

Inconvénients : pas de marche à sec de la pompe

                          maintenance assez difficile et coûteuse

                          encombrement important

2.2.4. Pompes péristaltiques

Fonctionnement : l’effet de pompage est obtenu par la compression d’un tube en élastomère par des galets fixés sur le rotor. Les galets, en se déplaçant, entraînent le liquide jusqu’au refoulement.

Caractéristiques et utilisation : elles permettent de pomper des liquides très abrasifs et chargés à un débit pouvant aller à 50 m3.h-1. La pression au refoulement est de 15 bars. La hauteur manométrique maximale est de 160 m CE. Elles s'utilisent pour les produits chimiques et alimentaires.

Avantages : utilisation comme pompe doseuse possible

Inconvénients : débit limité

                          refoulement très saccadé

                          température d’utilisation assez faible

2.3. Pompes volumétriques alternatives

2.3.1. Pompes à piston

Fonctionnement : son principe est d'utiliser les variations de volume occasionnés parle déplacement d'un piston dans un cylindre. Ces déplacements alternativement dans un sens ou dans l'autre produisent des phases d’aspiration et de refoulement.Quand le piston se déplace dans un sens le liquide est comprimé: il y a fermeture du clapet d'admission et ouverture du clapet de refoulement. Le fonctionnement est inverse lors de l'aspiration du liquide dans la pompe. Une membrane est parfois liée au piston.

Caractéristiques et utilisation : elles ne conviennent que pour des débits moyens de l’ordre de 80 m3.h-1. L'intérêt des membranes est l'utilisation avec des produits chimiques corrosifs, abrasifs ou acides. La pression au refoulement peut aller jusqu'à 25 bars.

Avantages : fonctionnement à sec sans dommage

                    bon rendement (> 90%)

Inconvénients : débit limité

                          viscosités assez faibles

                          pompage de particules solides impossible: la pompe ne fonctionne bien que si

                               l'étanchéité est parfaite entre le cylindre et le piston.

Il existe des pulsations importantes au refoulement : on peut remédier à ceci en utilisant des dispositifs de pots anti-béliers.

2.3.2. Pompes doseuses

     Elles sont essentiellement à piston et (ou) à membrane. L'introduction d'un débit bien déterminé de liquides est rendu possible grâce à un dispositif précis de réglage de la course du piston et de sa fréquence.

     Elles ont des débits relativement faibles (de quelques L.h-1 à quelques m3.h-1) et peuvent mettre en œuvre des pressions au refoulement allant jusqu'à 300 bars.

     Elles sont auto-amorçantes mais n’acceptent que des viscosités faibles.

     Les principales applications sont : - le dosage fin de produits chimiques ;

                                                           - l'injection de carburant pour les véhicules automobiles.

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1 La cavitation correspond à la formation de bulles de vapeur, sans élévation de température dans l'eau mais par une action mécanique. Par exemple, sous l'action d'une certaine agitation, comme le mouvement d'une hélice, il peut se produire localement une baisse de pression suffisante pour provoquer leur vaporisation, même en dessous de leur température d'ébullition. Les bulles formées créent des ondes de choc qui sont néfastes pour l’hélice et l'use rapidement.

 

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