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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.

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.

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.

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