Chapitre 2 Revue de littérature 2
2.11 Pompes 41
La pompe est le cœur du système de pulvérisation. C’est elle qui met en mouvement et sous pression le liquide et souvent, permet le brassage de la solution. Plusieurs paramètres servent à caractériser une pompe. Le rendement, la hauteur manométrique totale (HMT) et le ‘’net positive suction head’’ (NPSH) peuvent être déterminés pour connaitre le type de pompe à utiliser.
2.11.1 Équation de Bernoulli
L’équation de Bernoulli permet de déterminer les pertes de charge causées par le pompage d’un fluide au travers d’un système de tuyauterie, valves, coudes, etc. L’équation 2.15 présente l’équation de Bernoulli.
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où HT est la hauteur manométrique totale du système (m de liquide), V la vitesse du fluide (m/s), p la pression du fluide (Pa), Z l’élévation par rapport au plan de référence (m), γ le poids spécifique du fluide (N/m3, γ=ρg), g l’accélération gravitationnelle (m/s) et ∑hf les pertes de charge dues à la friction (m de liquide). En désignant le crochet 1 par H2 et le crochet 2 par H1, il est possible de simplifier l’équation 2.15 par l’équation 2.16.
2.16
2.11.2 Puissance de pompe
La puissance d’une pompe peut être calculée par l’équation 2.17. 2.17
où P est la puissance hydraulique (W), H la hauteur manométrique de la pompe (m de fluide), ρ la masse volumique du fluide (kg/m3), g l’accélération gravitationnelle (m/s2) et Qv le débit volumique du fluide (m3/s).
2.11.3 Efficacité
L’efficacité totale d’une pompe représente la puissance transmise au fluide. Elle est toujours inférieure à 1 (100%). L’efficacité totale peut être calculée à l’aide de l’équation 2.18.
2.18
où P est la puissance hydraulique (W) et Parbre la puissance fournie à l’arbre de transmission de la pompe (W).
2.11.4 Cavitation
La cavitation survient lorsque la pression dans la pompe diminue sous la pression de vapeur du liquide. Il y a formation de bulles de vapeur qui implosent violemment au contact du rotor en arrachant de la matière. L’utilisation d’une pompe en cavitation peut rapidement mener à sa destruction. L’équation d’Antoine (équation 2.19) permet de prédire la pression de vapeur en fonction de la température d’un liquide.
2.19
où pvap est la pression de vapeur du liquide (mbar), T la température (K), A, B et C les paramètres de l’équation d’Antoine.
43 2.11.5 NPSH
Le NPSH sert à déterminer la hauteur manométrique disponible pour éviter la cavitation dans la pompe. À cet effet, la pression d’aspiration doit être plus grande que la pression de vapeur du liquide. L’équation 20 permet de déterminer le NPSHdisponible.
2 2.20
où uasp est la vitesse du fluide à l’aspiration (m/s). Le NPSHdisponible doit être plus grand que zéro pour éviter la cavitation. Cependant, cette expression n’est pas assez restrictive car chaque type de pompe présentera un NPSHrequis qui lui est propre en lien avec la géométrie du rotor. Les fabricants fournissent donc une courbe NPSHrequis vs débit qui caractérise la pompe. Il suffit de s’assurer que le NPSHdisponible soit plus grand que le NPSHrequis.
2.11.6 Pompes volumétriques
Les pompes volumétriques ou à déplacement positif utilisent le déplacement d’un objet en rotation ou alternatif (piston, membrane, vis, lobes, etc.) pour ajouter périodiquement de l’énergie en confinant le liquide dans une cavité, ce qui augmente sa pression. La plupart des pompes volumétriques sont auto-amorçantes, car les éléments mobiles sont parfaitement ajustés au corps de la pompe. Elles permettent d’obtenir des hauteurs manométriques élevées avec des débits moyens en comparaison aux pompes centrifuges. Elles ne doivent pas fonctionner avec le refoulement bloqué sous peine de bris. Une soupape de sécurité à la sortie de la pompe permet d’éviter que la pression soit trop élevée. Le réglage du débit se fait en variant la vitesse des éléments mobiles de la pompe. Le rendement des pompes volumétriques peut atteindre 90%.
La pompe à membrane est une pompe alternative à piston qui déforme une membrane souple et étanche. Le mouvement provoque l’aspiration et le refoulement grâce à des valves anti-retour. Ces pompes possèdent généralement deux pistons ou plus à cause de la faible amplitude des mouvements qui ne peuvent pas déplacer de grands volumes de liquide. Un plus grand nombre de pistons en parallèle permet aussi de diminuer la pulsation du liquide à la sortie de la pompe. La présence de membranes permet d’isoler parfaitement la chambre de liquide à pomper des parties mécaniques évitant ainsi les fuites potentiellement dangereuses. Des dispositifs existent sur certaines pompes pour déceler une rupture de la membrane. La figure 2.18 présente une pompe à membrane.
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Figure 2.18: Schéma de fonctionnement d’une pompe à membrane pneumatique (Delange, 2008).
La pompe à vis possède un ou des rotors s’emboîtant avec le corps de la pompe. Chaque rotation entraine le liquide et le comprime vers la sortie. La figure 2.19 montre son principe de fonctionnement.
Figure 2.19 : Principe de fonctionnement d’une pompe à vis hélicoïdale (Bornemann Pumps, 2005).
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Une pompe à lobes comprend des rotors tournant en sens inverse pour capter le fluide entre les lobes et le corps de la pompe. Le fluide est ensuite refoulé puis le cycle recommence. Ces pompes peuvent pomper des liquides avec de grosses particules. La figure 2.20 montre une pompe à lobe.
Figure 2.20 : Pompe à lobes avec rotors à trois lobes (INOXPA, 1999).
2.11.7 Pompe centrifuge
Une pompe centrifuge ou dynamique utilise la force centrifuge pour déplacer le liquide. Un rotor tournant à grande vitesse aspire en son centre le liquide qui entre en mouvement avec des aubes. Celles-ci expulsent le liquide vers l’extérieur ou sa vitesse diminue et sa pression augmente. L’énergie est fournie en continue contrairement à la pompe à déplacement positif. La figure 2.21 montre une pompe centrifuge.
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Figure 2.21 : Principe de fonctionnement d’une pompe centrifuge (Jouve, 2008).
Les pompes centrifuges sont les plus utilisées dans le domaine industriel, car elles sont polyvalentes, simples (un seul élément rotatif et pas de valves) et économiques. Elles peuvent fonctionner pendant un certain temps avec la canalisation de refoulement bouchée sans s’abimer. Par contre, n’étant pas étanches, elles doivent être amorcées car elles ne peuvent pas pomper de l’air. De plus, elles ne sont pas adaptées au pompage de liquides visqueux, fragiles (vin, lait, bière) et aussi aux applications de dosage. Le rendement des pompes centrifuges est aussi plus faible que celui des pompes volumétriques. Le réglage du débit est effectué soit en variant la vitesse de rotation, en contrôlant une valve sur le conduit de refoulement ou en renvoyant à l’aspiration une partie du débit.
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