Packo pompe academy

Le fonctionnement d'une pompe centrifuge est basé sur les forces centrifuges qui surviennent lorsqu'un liquide tourne à grande vitesse dans un boîtier. La construction d'une pompe centrifuge signifie fondamentalement toujours qu'une roue tourne dans un corps de pompe. Le liquide dans la roue est entraîné par les aubes de la roue et tourne avec elles. Du fait qu'une force radiale est créée sur le liquide vers l'extérieur, la pression à l'extérieur de la roue est plus grande qu'au centre.

Lorsque le liquide peut s'écouler à la sortie de la pompe, l'espace qui est libéré dans le corps de la pompe sera rempli de liquide provenant de la roue. Le liquide dans la roue se déplace du centre vers l'extérieur. L'espace est libéré au centre de la roue et remplacé par le liquide nouvellement aspiré de l'entrée de la pompe. Par conséquent, l'entrée d'une pompe centrifuge est toujours dans la ligne médiane de la roue.

Dans la roue, le liquide tourne à grande vitesse avec les pales. Il pénètre donc dans le corps de pompe en tournant autour de l'axe de la pompe. Lorsque le fluide se déplace de la roue vers l'extérieur du corps de pompe, il est doucement ralenti dans ce mouvement circulaire. Ce ralentissement crée une poussée supplémentaire sur l'eau, ce qui augmente encore la pression. En science, on enseigne que la dynamique est convertie en pression statique. Pour que ce freinage ait lieu le plus efficacement possible en énergie d'une part, et pour collecter le liquide qui s'écoule sur toute la circonférence de la roue d'autre part, la section d'écoulement dans le corps de pompe augmente vers la sortie. On dit que le boîtier de la pompe a une forme de volute.

Le diamètre extérieur de la roue détermine la hauteur (pression) qu'une pompe générera à une certaine vitesse. La taille de l'entrée de la roue (entrée de la pompe), la hauteur des aubes et la zone d'écoulement du corps de pompe sont toutes adaptées les unes aux autres et déterminent à quel débit la pompe fonctionnera de manière économe en énergie. Par exemple, une pompe avec une roue à aubes étroite (plate) de grand diamètre est une pompe qui exercera principalement une pression à un faible débit, et une pompe avec une aube élevée dont le diamètre d'entrée est grand par rapport au diamètre extérieur du la turbine est une pompe qui fournit principalement un débit important à moyenne pression.

L'action de pompage est générée dans une pompe à lobes rotatifs par contre-rotation de deux éléments de pompe (rotors) à l'intérieur d'une chambre (boîtier de rotor). Les rotors sont montés sur des arbres synchronisés par des engrenages afin que les rotors tournent sans entrer en contact l’un avec l’autre. Le jeu des rotors entre eux et celui entre les rotors et le boîtier de rotor n'est que de quelques dixièmes de millimètre pour maintenir les fuites internes à un faible niveau. Au fur et à mesure que les roues passent par l'orifice d'aspiration, la cavité générée augmente, provoquant une chute de pression qui amène le fluide pompé à s'écouler dans le boîtier de la roue. La cavité tourne autour du diamètre extérieur du boîtier du rotor et déplace le liquide de l'aspiration à la décharge. Lorsque les rotors traversent l'orifice de vidange, la cavité entre les rotors est comprimée et le liquide est forcé dans la décharge.

Le but d'une pompe est d'augmenter la pression dans le liquide. Le liquide pénètre dans l'entrée de la pompe à basse pression. Pendant son écoulement dans la roue, la pression est augmentée par les forces centrifuges. Pendant le ralentissement de la vitesse périphérique du liquide dans le corps de pompe, une poussée supplémentaire est créée qui augmente encore la pression.

Il y a toujours des pertes à l'entrée de la roue, en partie parce que le liquide qui ne tourne pas encore à ce moment entre en collision avec les aubes de la roue, qui elles tournent déjà à grande vitesse. Ces pertes garantissent que la pression à l'entrée de la roue chute d'abord un peu, puis augmente dans la roue et plus loin dans le corps de pompe. L'amplitude de cette chute de pression à l'entrée de la roue est appelée la valeur NPSH (Net Positive Suction Head). La valeur NPSH est déterminée par la qualité de la conception de la pompe et également par le point de fonctionnement de la pompe. Moins il y a de pertes d'énergie lors de l'entrée dans la roue, plus la valeur NPSH est basse, meilleure est la conception de la pompe.

Ces pertes à l'entrée de la roue sont désavantageuses en termes d'efficacité énergétique et entraînent donc une faible perte d'efficacité de la pompe. Mais en plus, elles présentent parfois un inconvénient bien plus important: elles peuvent provoquer une cavitation.

La combinaison de la pression et de la température détermine si un milieu est liquide ou bouillira et deviendra vapeur. Nous savons tous que l'eau bout à la pression atmosphérique lorsque nous la chauffons jusqu'à 100 ° C. D'autre part, nous pouvons également faire bouillir de l'eau à, par exemple, 95 ° C dans un espace clos lorsque nous commençons à abaisser la pression de l'air au-dessus de la surface du liquide ou, en d'autres termes, à créeer un vide. La pression minimale sous laquelle un milieu doit être maintenu pour le maintenir liquide à une certaine température est connue en science sous le nom de pression de vapeur de ce liquide à cette température.

Si nous commençons maintenant à pomper cette eau à 95 ° C, nous savons déjà qu'une chute de pression se produit à l'entrée de la roue. Si cette perte de charge est importante (pompe à valeur NPSH élevée), il se pourrait bien que la pression à l'entrée de la roue tombe en dessous de la pression de vapeur de l'eau et l'eau à ce point bouillira spontanément et deviendra ainsi vapeur. On dit que la pompe cavite. Avec une pompe mieux conçue, une pompe avec une valeur NPSH inférieure, la perte de charge à l'entrée est plus petite, la pression ne descend jamais en dessous de la pression de vapeur, l'eau ne bout pas et cette pompe mieux conçue ne cavite pas.

La cavitation est un phénomène qui a de nombreux effets néfastes. Tout d'abord, cette ébullition spontanée du liquide à l'entrée de la pompe provoque du bruit et des vibrations, mais le pire est sans doute la perte de capacité de la pompe. Dans l'entrée de la roue, une bulle de vapeur se forme et il est très difficile de le faire s'échapper. La vapeur est plus légère que le liquide et est continuellement repoussée vers le centre de la pompe par les forces centrifuges et finalement la bulle de vapeur obstrue le passage du liquide. Plus l'espace dans la roue est rempli de vapeur légère, plus la pompe perd de sa puissance, car les forces centrifuges sur la vapeur légère sont plus faibles que sur le liquide plus lourd.

Le cisaillement, c'est la différence de vitesse entre 2 couches dans le liquide. Le degré de cisaillement est exprimé par le taux de cisaillement, qui représente le gradient de vitesse dans le liquide. Lorsque 2 couches de liquide distantes de 1 m ont une différence de vitesse de 1 m / s, alors il y a un taux de cisaillement de 1 / s dans le liquide entre ces 2 couches.

Dès qu'un liquide est en mouvement, un cisaillement est créé. La vitesse n'est jamais la même pour chaque goutte de liquide, il y a donc toujours un mouvement relatif d'une gouttelette par rapport à l'autre, créant ainsi un cisaillement. Même avec ce que l'on nomme un écoulement piston, un cisaillement se formera sur la paroi car celle-ci est soit stationnaire ou soit en déplacement plus rapidement que le liquide et donc ralentit ou entraîne ainsi le liquide.

Dans les pompes, il existe des pièces mobiles ainsi que des boîtiers fixes. Étant donné la faible distance entre les pièces mobiles et les boîtiers, il y aura un gradient de vitesse important ou un taux de cisaillement élevé dans le fluide entre eux. Ensuite, bien qu'il soit plus faible, Il y aura également un cisaillement dans les lignes d'alimentation et de décharge en raison du débit.

Le cisaillement ne peut pas être évité et n'est pas un problème en soi. Parfois, un degré élevé de cisaillement est même souhaitable. Dans une pompe à fort cisaillement, par exemple, un taux de cisaillement élevé est généré pour former des émulsions ou des dispersions, ou en général, pour mélanger des liquides difficiles à dissoudre les uns dans les autres de manière plus ou moins stable.

Cependant, l'impact du cisaillement sur la microstructure d'un fluide n'est pas toujours positif ou souhaitable. Le cisaillement, par exemple, peut également endommager les liquides sensibles. En raison de la contrainte de cisaillement entre les particules liquides, de nombreux liquides complexes ont également un impact sur leur viscosité.

Les liquides dont la viscosité n'est pas influencée par le taux de cisaillement sont appelés liquides newtoniens. Ce sont généralement des liquides chimiquement simples: eau, huile, solutions sucrées, ...

Avec des liquides (préparations) beaucoup plus complexes, la viscosité diminuera à mesure que le taux de cisaillement augmentera. Ces liquides sont appelés thixotropes. Dès que le taux de cisaillement diminue, la viscosité augmente à nouveau. Le cisaillement ne détruit pas la structure liquide et ne la modifiera pas de façon permanente. Cela signifie qu'un liquide thixotrope a la viscosité la plus élevée dans un réservoir où il est au repos, donc sans cisaillement. En raison du cisaillement créé par l'écoulement dans un tuyau, la viscosité diminue. Dans une pompe, où le taux de cisaillement est beaucoup plus élevé, la viscosité est à son plus bas. Lorsque le liquide quitte la pompe, la viscosité se rétablit à mesure que le taux de cisaillement diminue.

Pour d’autres liquides en revanche, la viscosité augmente à un taux de cisaillement plus élevé. Ces liquides sont appelés dilatants. Des exemples de liquides dilatants sont le miel et les solutions concentrées d'amidon. En raison de leur comportement dilatant, ces liquides sont très difficiles à pomper.

L'influence du taux de cisaillement sur la viscosité de ces trois types de liquides est représentée graphiquement ci-dessous:

Pour générer les forces centrifuges, la roue d'une pompe centrifuge doit toujours tourner à grande vitesse dans le corps de pompe et cela nécessite de l'énergie. L'énergie que le moteur fournit à la roue peut être divisée en énergie utile et en pertes. L'énergie utile est l'énergie que les pales utilisent pour mettre le liquide en mouvement à partir d'une vitesse de rotation quasiment nulle à l'aspiration et le faire tourner avec la roue. (Une partie de cette énergie sera perdue plus tard, mais nous n'en tiendrons pas compte ici). En plus du déplacement du liquide, de l'énergie est également nécessaire pour faire tourner la roue seule dans le corps de pompe rempli de liquide. Lorsque vous faites tourner un disque sous l'eau, une friction se crée entre le disque et le liquide. La couche d'eau la plus proche du disque tourne, l'eau à la paroi du corps de pompe est immobile. Il y a donc une différence de vitesse entre les couches d'eau, ou en d'autres termes, les couches d'eau glissent les unes sur les autres. C'est précisément ce glissement qui nécessite de l'énergie, qui augmente d'autant plus que le liquide est visqueux. La puissance que le moteur de la pompe doit fournir pour vaincre les forces de cisaillement dans l'eau entre la roue et le corps de pompe peut être considérée comme une perte totale. A un faible débit, peu de liquide neuf entre dans la roue qui doit être mise en mouvement (énergie utile), mais les forces de cisaillement dues à la rotation de la roue sont déjà présentes (pertes). Par conséquent, à faible débit, le rapport énergie utile / perte ou l'efficacité de la pompe est faible. Au fur et à mesure que le débit augmente, il y a de plus en plus de liquide qui doit être mis en mouvement. La puissance nécessaire augmente, mais les forces de cisaillement restent presque les mêmes. La partie utile de l'énergie augmente, tandis que les pertes restent pratiquement les mêmes, augmentant ainsi l'efficacité de la pompe.

Si une pompe doit être conçue pour une hauteur de charge plus élevée, le diamètre de la roue doit être plus grand : la hauteur de charge est proportionnelle au carré du diamètre de la roue. La surface de la roue augmente également de façon quadratique avec le diamètre. Cependant, comme la force de cisaillement est plus éloignée de l'axe de la pompe (bras de levier) d'une part, et la vitesse (et donc la force de cisaillement) plus importante d'autre part, l'impact de la force de cisaillement sur le plus grand diamètre est plus important. Cela provoque une augmentation des pertes beaucoup plus rapide que celle de la pression et rend impossible la conception d'une pompe à haut rendement pour une haute pression à faible débit. Afin d'augmenter l'efficacité, des roues plus petites avec une hauteur de refoulement plus petite (mais un meilleur rendement) sont placées l'une après l'autre. Une pompe à plusieurs étages est créée.

La courbe de performances d'une pompe centrifuge donne la hauteur de refoulement, la puissance absorbée, le rendement et le NPSH en fonction du débit à vitesse fixe. Habituellement, la courbe de performances est publiée pour l'eau, soit un liquide d'un poids spécifique de 1 kg / litre et d'une viscosité de 1 centipoise.

Avec les pompes centrifuges, il existe une formule pour convertir la courbe de performances d'une vitesse de rotation à une autre:

  • Le débit est directement proportionnel à la vitesse
  • La hauteur de refoulement et le NPSH sont quadratiquement proportionnels à la vitesse
  • La puissance absorbée est proportionnelle au cube de la vitesse
  • L'efficacité est indépendante de la vitesse

Une pompe à lobes est une pompe volumétrique et donc le débit délivré et la puissance nécessaire sont initialement directement proportionnels à la vitesse. C'est également le cas des liquides très visqueux et on peut facilement dire que le débit et la puissance varient linéairement avec la vitesse. Le débit est ce qu'on appelle la cylindrée de la pompe multiplié par la vitesse de la pompe. La cylindrée d'une pompe à lobes rotatifs est le volume de liquide qui est déplacé par tour des rotors de l'aspiration au refoulement de la pompe.

Cependant, avec des liquides visqueux plus minces, une fuite se produit entre les rotors d'une part et entre les rotors et le corps de pompe d'autre part, de sorte que la pompe délivre moins de débit. Avant d'expliquer l'influence de la vitesse sur la courbe de pompe avec des liquides visqueux fins, nous allons d'abord discuter de la construction de la courbe de performances en utilisant l'eau comme exemple.

Pour chaque rotation, la pompe déplace initialement la cylindrée d'eau de l'aspiration au refoulement. Cependant, sous l'influence de la différence de pression à travers la pompe, un certain débit d'eau s'écoule en continu du refoulement (où il y a une pression plus élevée) vers l'aspiration de la pompe (où il y a une pression plus basse). Ce taux de fuite est proportionnel à la racine carrée de la différence de pression à travers la pompe. Ainsi, avec une petite différence de pression à travers la pompe, ce débit de fuite sera faible et probablement plus faible que le débit d'eau que la pompe déplace par rotation (la cylindrée expliquée plus haut * la vitesse). En terme de circulation nette, la pompe continue de pomper l'eau de l'aspiration vers le refoulement.

Si la différence de pression à travers la pompe devient importante, alors le débit de fuite peut devenir plus important que le volume que la pompe déplace en raison de la rotation et finalement la circulation nette de l'eau s'écoule du refoulement vers l'aspiration de la pompe. Dans le graphique ci-dessous, c'est le cas avec une différence de pression supérieure à 7,5 bar.

Le taux de fuite est indépendant du tr/min. Donc, quand nous augmentons la vitesse, alors :

  • le débit que nous transférons de l'aspiration au refoulement par la rotation augmentera linéairement avec la vitesse
  • le taux de fuite restera le même

Comme le débit net des pompes est la différence entre les deux, les courbes des pompes se déplacent vers le haut parallèlement à l'augmentation de la vitesse.

La courbe de performances montre la hauteur de refoulement en fonction du débit : elle indique la hauteur de refoulement que la pompe délivre à une vitesse fixe pour chaque débit. En général, on s'attend à ce que cette courbe soit continuellement en baisse : plus le débit est important, moins la pompe fournit de hauteur de refoulement. Une telle courbe à chute continue est également appelée courbe de performances stable. Si la hauteur de refoulement diminue rapidement avec l'augmentation du débit (comme dans l'exemple ci-dessous), on parle de courbe de performances raide.

Si la hauteur de refoulement est quasiment constante en fonction du débit (comme dans l'exemple suivant), on parle de courbe plate.

Avec des pompes centrifuges qui délivrent une hauteur de refoulement assez élevée à faible débit, il arrive parfois que la courbe de la performances monte légèrement: la hauteur de refoulement augmente légèrement à des débits plus élevés. Une telle courbe de pompe (comme l'exemple ci-dessous) est parfois appelée courbe instable.

Le terme courbe instable est un peu malheureux car il a une connotation négative. Ce n'est pas nécessairement le cas. Une pompe avec une courbe instable ne fonctionnera pas forcément de manière instable, au contraire. Il est extrêmement exceptionnel qu'une courbe de performances ascendante soit responsable d'un fonctionnement instable.

Une pompe fonctionne toujours au débit où la courbe de pompe et la courbe de résistance de la tuyauterie se croisent. Tant que cette intersection est assez nette (comme sur la figure ci-dessous), elle est sans ambiguïté et garantit un débit stable.

Lorsque la pompe est utilisée pour pomper un liquide à une hauteur statique très élevée, ou pour pomper un liquide dans une cuve sous haute pression, la courbe de résistance ne démarre pas à zéro, mais bien plus haut sur l'axe vertical. Vous pouvez voir un exemple d'une telle situation dans la figure ci-dessous.

Même dans cet exemple, la pompe fonctionne toujours de manière stable car il existe une intersection sans ambiguïté entre la courbe de pompe et la courbe de résistance.

Ce n'est que dans des cas très exceptionnels qu'il arrive que la hauteur statique du système soit presque aussi élevée que la hauteur de refoulement de la pompe. Toute la pression demandée à la pompe est nécessaire pour surmonter une différence de pression statique. La composante qui représente les pertes de débit dans les tuyaux est presque nulle. En conséquence, la courbe de résistance est très plate et presque parallèle à la courbe de performances. Si la courbe de performances est également plate ou légèrement ascendante, il n'y a plus d'intersection nette entre la courbe de performances et la courbe de résistance et le débit pompé devient instable. Une telle situation exceptionnelle est illustrée dans la figure ci-dessous.

Dans ces systèmes, il n'est pas possible de contrôler le débit par un contrôle de fréquence. Comme la courbe de performances et la courbe de résistance sont presque parallèles, une modification minime de la vitesse de la pompe entraînera une perte totale de débit. Dans l'exemple ci-dessous, vous pouvez voir qu'à une vitesse d'environ 2900 tr/min, l'intersection entre la courbe de performances et la courbe de résistance n'est pas clairement définie. Une très petite variation de la vitesse de la pompe fera sauter le débit dans toutes les directions et rendra le système incontrôlable.

Ce problème (de contrôle) ne se produit pas dans l'exemple ci-dessous avec une courbe raide (stable).

Beaucoup pensent pouvoir doubler le débit en mettant en parallèle 2 pompes centrifuges identiques. Rien ne pouvait être plus loin de la vérité.

Si vous souhaitez pousser plus de débit à travers un système de tuyauterie ou une installation, vous avez besoin de plus de pression pour surmonter plus de résistance à ce débit. Et pas seulement un petit peu, car la résistance (= pression requise) est généralement quadratiquement proportionnelle au débit. (le double débit nécessite 4 fois plus de pression).

Comme la mise en parallèle des pompes centrifuges n'augmente pas la pression, l'augmentation du débit sera très limitée. Le point de fonctionnement passera du point 1 au point 3, ce qui est bien moins que le doublement du courant.

Cela peut avoir plusieurs causes.

Tout d'abord, il faut vérifier que la pompe fonctionne correctement comme indiqué sur la plaque signalétique et le manuel. Une pompe centrifuge qui tourne dans le mauvais sens consomme beaucoup de puissance moteur, mais ne délivre presque aucun débit. De plus, la capacité de la pompe dépend également de la vitesse de la pompe. Pour le reste de cette explication, nous supposons que le sens de rotation et la vitesse sont corrects.

Le débit qu'une pompe centrifuge pompe est toujours un équilibre entre ce que la pompe peut faire et ce que la tuyauterie reliée à la pompe permet. La pression d'une pompe centrifuge (à vitesse fixe) diminue légèrement avec le débit, mais elle est tout à fait constante dans l'ensemble. Cependant, pour pousser un débit plus important à travers une tuyauterie, il faut de plus en plus de pression. Cette pression nécessaire consiste en partie en une différence de hauteur statique (vous souhaitez utiliser la pompe pour pomper le liquide de bas en haut) et en partie en pertes de tuyauterie. La différence de hauteur statique est indépendante du débit pompé, les pertes de tuyauterie avec des pompes centrifuges (qui pompent des liquides visqueux minces) sont généralement quadratiquement proportionnelles au débit. Ainsi, pour pomper deux fois plus de débit dans une tuyauterie, la pompe doit presser 4 fois plus fort, 4 fois plus de hauteur de refoulement est nécessaire.

Lorsque les pompes délivrent moins de débit que prévu et que celui indiqué sur la plaque signalétique de la pompe, en pratique, la pompe délivre généralement la pression indiquée sur la plaque signalétique, mais pas le débit souhaité. Cela n'est pas causé par la pompe, mais par une estimation erronée des pertes dans les tuyaux. En d'autres termes, la pompe délivre la pression attendue, mais la tuyauterie permet moins de débit à cette pression. Afin de pouvoir pomper le débit souhaité à travers la tuyauterie, la pompe devrait pousser plus fort. En d'autres termes plus de pression est nécessaire, donc plus de pression que celle indiquée sur la plaque signalétique de la pompe. En d'autres termes, la pompe délivre la pression attendue, mais plus de pression est nécessaire pour atteindre le débit souhaité à travers la tuyauterie.

Il y a 2 raisons possibles pour lesquelles une pompe ne délivre pas la pression indiquée:

  • Soit le liquide pompé est gazeux. En raison de la phase gazeuse dans le liquide, le poids spécifique moyen p est inférieur à celui de l'eau et la formule p * g * h produit une pression plus faible. À des concentrations de gaz plus élevées, même une bulle de gaz s'accumule dans l'œil de la roue et la pompe délivre encore moins de pression.
  • Soit la pompe est en cavitation. La cavitation recueille également une bulle de gaz dans la roue de la pompe.

Le prix d'achat d'une pompe est souvent la principale raison de choisir l'une ou l'autre pompe; l'efficacité des pompes est souvent oubliée ou sous-évaluée. Cependant, dans de nombreux cas, vous payez chaque année plus que le prix d'achat de la pompe à votre fournisseur d'énergie. Le graphique ci-dessous montre la comparaison de l'investissement initial et du coût énergétique annuel pour les pompes centrifuges avec une HMT de 4 bar. Le graphique montre la comparaison pour des pompes de capacités différentes, à la fois pour 40 heures et 100 heures de fonctionnement par semaine.

L'importance de la consommation d'énergie dans le coût total sur 5 ans est illustrée dans ce graphique:

Une différence de 10% dans le prix d'achat peut être un décideur. Cependant, une efficacité hydraulique de 60% contre 63% signifie 5% de consommation d'énergie supplémentaire. La consommation d'énergie supplémentaire est ce que vous devrez payer en plus chaque année à nouveau pour la durée de vie de la pompe. Ce graphique montre que vous paierez le gain de 10% du prix d'achat à votre fournisseur d'énergie dès les 2 premières années. À partir de la 3e année, le surcoût d'exploitation commence et sera répétée chaque année.

Dans les pompes centrifuges, la pression est générée par les forces centrifuges. Celles-ci sont elles-mêmes générées par la rotation rapide du liquide dans le corps de pompe. Les pompes centrifuges nécessitent donc de la vitesse pour générer de la pression. Plus la pression requise est élevée, plus la vitesse interne du fluide dans la pompe est importante.

La viscosité crée une friction dans le fluide situé entre la roue et le corps de pompe. Cette friction dans le fluide offre une résistance à la rotation. Il faut donc de l'énergie pour surmonter cette friction. Une viscosité croissante augmente donc la consommation électrique de la pompe. Cette augmentation est d'autant plus rapide à grande vitesse, donc particulièrement pour des pompes délivrant une haute pression. L'impact de la viscosité sur les performances des pompes centrifuges délivrant une faible pression est plus faible. Par conséquent, une pompe centrifuge n'est pas un bon choix pour générer des pressions élevées avec des liquides très visqueux.

Dans les pompes à lobes et les pompes à double vis, il y a toujours un petit jeu entre les rotors et entre les rotors et le corps de pompe. Pour que la pompe soit la plus efficace que possible, ces jeux sont maintenus aussi faibles que possible mais toujours présents pour pour éviter que les rotors ne se heurtent entre eux ou avec le corps de pompe, ils sont toujours présents. Ces jeux forment une connexion ouverte entre la sortie et l'entrée de la pompe. Avec les liquides visqueux minces, ces jeux entre les rotors et entre les rotors et le corps de pompe créent une fuite interne: du liquide est expulsé de la sortie de la pompe (pression la plus élevée) à travers ce passage étroit vers l'entrée. (pression la plus basse). Ce taux de fuite interne augmente au fur et à mesure que la viscosité du liquide pompé diminue. Par conséquent, les pompes volumétriques sont moins efficaces avec des liquides peu visqueux.

La question se pose maintenant de savoir jusqu'à quelle viscosité une pompe centrifuge est le meilleur choix et à partir de quelle viscosité une pompe volumétrique doit être choisie. La réponse à cette question est que cela dépend non seulement de la viscosité, mais également de la hauteur et du débit requis. On ne peut donc pas donner une valeur fixe de viscosité où il vaut mieux passer d'une pompe centrifuge à une pompe volumétrique. Avec une hauteur de refoulement élevée et un faible débit, une pompe volumétrique est meilleure à une viscosité inférieure, tandis qu'à un débit élevé avec une faible hauteur de refoulement, la sélection d'une pompe centrifuge sera plus appropriée. Les exemples ci-dessous devrait clarifier ces propos.

Lors du choix d'une pompe pour une pression de 5 m³/h - 4 bar, même avec de l'eau (viscosité 1cP), une pompe à lobes nécessite moins de puissance qu'une pompe centrifuge.

Lors de la sélection d'une pompe pour une pression de 40 m³/h - 1 bar, une pompe centrifuge nécessite toujours moins de puissance qu'une pompe volumétrique, même à une viscosité de 1 000 cP.

Outre la puissance nécessaire, le coût initial et les coûts de maintenance jouent également un rôle dans le choix de la technologie de la pompe.

L'importance de sélectionner et d'utiliser les pompes pour le secteur des boissons et de la brasserie aussi efficacement que possible est encore largement sous-estimée. Dans les nouvelles constructions, les pompes sont souvent sélectionnées trop grandes (avec trop de réserve) ou la mauvaise technologie de pompe est choisie. Une fois en service, lorsque des modifications sont apportées à la ligne de production, à la capacité requise ou au processus, on oublie de vérifier si les pompes sont toujours adaptées aux nouvelles conditions. Cette sélection ou ce fonctionnement sous-optimal de la pompe entraîne la consommation d'une trop grande quantité d'énergie et l'endommagement des liquides sensibles (par exemple, la levure liquide, la maische, etc.), ou du moins la modification de sa structure et de ses propriétés naturelles.

Tout commence par le choix de la bonne technologie de pompe. Les deux erreurs les plus courantes sont les suivantes : (1) on part du principe que les liquides sensibles doivent toujours être pompés à la vitesse la plus faible possible et (2) le choix entre une pompe centrifuge ou volumétrique se fait uniquement sur la base de la viscosité alors que le débit et la hauteur manométrique ont également leur influence sur le choix de la bonne technologie de pompage.

Un régime inférieur ne signifie pas toujours une vitesse inférieure

On suppose généralement que les liquides sensibles doivent être pompés à faible vitesse. Avec une pompe centrifuge, la pression (hauteur) est créée par les forces centrifuges. L'ampleur de ces forces centrifuges est déterminée par la vitesse périphérique du diamètre extérieur de la roue, ou en d'autres termes par le produit de la vitesse et du diamètre de la roue. Si nous supposons que la hauteur de refoulement à fournir par la pompe est déterminée par le processus, la vitesse périphérique des pales est fixe. Si l'on choisit une pompe à faible vitesse, elle devra inévitablement avoir une roue de plus grand diamètre. Les forces de cisaillement liées à la vitesse et les collisions dans le liquide ne sont donc pas réduites par le choix d'une pompe à plus faible vitesse. Au contraire, le cisaillement et l'endommagement du produit sont plus importants en raison de la plus grande surface de la grande roue. C'est pourquoi, lors du choix d'une pompe centrifuge, les performances nécessaires d'une pompe plus petite qui fonctionne plus rapidement sont souvent inférieures, notamment avec des liquides un peu plus visqueux. La détérioration du liquide se produit précisément lorsque la pompe transfère trop d'énergie au liquide. En raison de la loi de conservation de l'énergie, cet excès d'énergie est converti en chaleur par toutes sortes de cisaillements et de collisions (qui endommagent le liquide), qui doivent souvent être éliminés plus tard dans le processus, ce qui coûte à nouveau de l'argent.

Pour la même raison, les pompes dont la roue est rétractée endommagent davantage le fluide qu'une pompe centrifuge conventionnelle. Au fur et à mesure que le fluide tourne en continu hors de la roue dans le dégagement de la roue et inversement, le fluide entre en collision avec l'avant des aubes, perd de la vitesse et est brusquement accéléré pour reprendre sa vitesse en entrant dans la roue. Cela nécessite de l'énergie supplémentaire et endommage le liquide. En pratique, on constate que les pompes à roue rétractée tournent beaucoup trop vite pour pomper des liquides avec de petites particules solides (comme de la maische). Des études universitaires ont montré que l'utilisation de pompes centrifuges classiques avec une conception de pale tridimensionnelle optimisée conduit à une teneur plus faible en ß-glucane dans la purée et à une filtration plus rapide. De plus, lors du pompage du caillé, plus de dommages se produisent avec une roue rétractée par rapport à une roue classique ouverte ou fermée, si nécessaire avec un passage légèrement plus grand.

Turbulence sévère typique dans une pompe vortex causant des dommages au produit

L'importance du meilleur point d'efficacité

Outre l'attention portée aux éléments de conception susmentionnés (géométrie des pales et choix de la vitesse - diamètre de la roue), il est peut-être encore plus important de s'assurer que la pompe fonctionne (approximativement) à son meilleur point d'efficacité (BEP). Il ne sert à rien d'acheter une pompe avec une efficacité supérieure à 80 % et de l'utiliser ensuite dans des conditions de process où elle n'atteint qu'une efficacité de 40 %. La raison pour laquelle les pompes ne fonctionnent pas dans leur BEP dans la pratique est souvent parce qu'elles sont sélectionnées avec trop de réserve. En conséquence, la pompe est non seulement trop grande et trop chère (CapEx) pour ce qu'elle doit faire, mais pendant le fonctionnement, elle consomme également plus d'énergie que nécessaire (OpEx), énergie qui va chauffer le liquide, ce qui signifie plus loin doit être réfrigéré (OpEx), et il y a plus de risque d'endommagement du produit.

Faut-il dire que d'un point de vue énergétique on ne peut pas faire plus d'erreur que de contrôler le débit au moyen de vannes? D'abord on laisse la pompe générer trop de pression, pour cela elle consomme trop d'énergie (coût et risque d'endommagement du produit), elle fonctionne à un débit inférieur au BEP et un peu plus loin on étrangle la pression dans une vanne de régulation . Cette conversion d'énergie hautement concentrée de la pression en chaleur dans la vanne endommage davantage le produit. Lors du réglage du débit souhaité via le contrôle de la vitesse, on peut s'assurer que la pompe fonctionne dans son BEP, que seule l'énergie strictement nécessaire est utilisée et qu'il y a moins de dommages au produit. La consommation d'énergie d'une pompe centrifuge est proportionnelle au cube de la vitesse. Cela signifie qu'il suffit de réduire la vitesse de 20 % pour économiser la moitié de la puissance!

Effets du contrôle de la vitesse sur la puissance consommée

La bonne technologie de pompe

Tout comme la consommation d'énergie (l'efficacité de la pompe) doit être le paramètre le plus important lors du choix entre différents types et tailles de roues de pompes centrifuges, la consommation d'énergie doit également être évaluée lors du choix entre une pompe centrifuge et une pompe volumétrique. Dans une pompe centrifuge, la vitesse est nécessaire pour générer des forces centrifuges. Ainsi, plus la pression demandée est élevée, plus la vitesse et par conséquent les forces de cisaillement sont élevées. Dans une pompe volumétrique, le débit est proportionnel à la vitesse. Les forces de cisaillement sont donc plus susceptibles d'être liées à l'écoulement. Il est important d'être conscient de la cause complètement différente de la perte d'énergie et des dommages de produit qui en résultent entre les pompes centrifuges et volumétriques lors du choix d'une technologie de pompe. C'est pourquoi, pour pomper un petit débit à haute pression, une pompe volumétrique peut être le bon choix et pour pomper un très grand débit du même liquide à faible hauteur, une pompe centrifuge doit absolument être choisie.

Même avec des pompes volumétriques, une pompe avec une vitesse inférieure n'endommagera pas nécessairement moins le liquide. Une pompe plus grosse est nécessaire pour pomper le même débit à une vitesse inférieure. Ici aussi, la différence de vitesse circonférentielle du diamètre extérieur des rotors sera plutôt limitée (si la différence existe). Cela crée la même force de cisaillement dans le liquide qui pénètre dans l'espace entre les rotors et le boîtier. Parce que la pompe est plus grande, plus de liquide entrera dans ces espaces et plus de liquide subira ce cisaillement défavorable. Les fluides à faible viscosité entraîneront également plus de fuites internes dans une pompe plus grande, ce qui entraînera une perte d'efficacité et entraînera une consommation d'énergie plus élevée et un risque accru d'endommagement du produit.

Des pompes plus économes en énergie se rentabilisent

Le risque d'endommagement du produit lorsque les pompes ne sont pas efficaces sur le plan énergétique a été décrit et prouvé ci-dessus. En outre, les coûts énergétiques sont de plus en plus importants. Les moteurs à haut rendement (IE3 - IE4) sont exigés à juste titre par la loi. Cependant, en passant de IE2 à IE3 et IE4, on ne gagne que quelques à 5 % en efficacité énergétique. Une sélection correcte des pompes (technologie de pompe correcte, type de roue correct et utilisation des pompes à leur BEP) peut permettre d'économiser des dizaines de pourcents d'énergie. Saviez-vous qu'une pompe centrifuge qui fonctionne 40 heures par semaine consomme sa propre valeur en énergie après 1 à 3 ans? Les pompes centrifuges qui fonctionnent 100 heures par semaine consomment une valeur annuelle d'énergie supérieure à leur propre valeur. Dans la pratique, nous voyons des exemples d'investissements dans des pompes plus efficaces sur le plan énergétique qui sont rentabilisés en un an.

Lors du choix des pompes dans le secteur des boissons et de la brasserie, l'efficacité énergétique doit être le facteur déterminant. Choisir toujours la pompe avec le rendement le plus élevé sélectionne automatiquement la bonne technologie de pompe, minimise les dommages au produit et économise de l'énergie tout au long de la durée de vie de la pompe. Le prix d'achat initial de la pompe représente dans de nombreux cas moins de 10 % du coût total du cycle de vie de la pompe.

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