Ch.2 - Les circuits de transport des liquides

Ch.2 - LES CIRCUITS DE TRANSPORT DES LIQUIDES Contenu:

Circuits de transport des liquides (6h), Les pompes centrifuges : Principe de fonctionnement, caractéristiques, La cavitation, point de fonctionnement, lois de similitudes. Association des pompes, L’étanchéité : presse étoupe, principe des garnitures mécaniques, mise en service d’une pompe centrifuge.

1 - Description générale

Un circuit de transport de liquide se compose essentiellement : - d'un réservoir de liquide : source

- d'une pompe

- d'un réservoir de stockage : destination - d'une tuyauterie

Il peut comporter aussi :

- une vanne de réglage de débit placé sur la conduite de refoulement.

- une crépine (avec clapet) placé à l'extrémité basse de la conduite d'aspiration.

- un clapet de retenue placé à la sortie de la pompe.

Pour le transport des liquides, les pompes les plus utilisées sont de type centrifuge qui est caractérisé par des débits élevés et des pressions faibles.

Figure 1 : Exemple d’un circuit de transport des liquides

2 - Les pompes centrifuges 2.1. Mise en situation

Les pompes centrifuges appartiennent à la famille des pompes non volumétriques, elles transforment l'énergie mécanique développée par un moteur en énergie hydraulique (sous forme d'énergie cinétique).

Elles permettent le transfert des liquides d'un endroit à un autre.

(sous forme d’énergie cinétique)

réservoir (destination)

réservoir (source)

Figure 2 : utilisation des pompes centrifuges

Les pompes centrifuges sont utilisées dans divers domaines, on cite:

 stations de pompage

 stations de raffinage

 stations de dessalement

 les châteaux d'eau

 stations d'épuration

 installations de refroidissement des centrales thermiques

 ...

2.2. Constitution d'une pompe centrifuge Une pompe centrifuge est constituée de :

- une roue à aubes, appelée : impulseur - un distributeur dans l'axe de la roue

- un collecteur de section croissante, en forme de spirale, appelée : volute

Figure 3: schéma d'une pompe centrifuge

Figure 4 : Composants d’une pompe centrifuge

2.3. Principe de fonctionnement d’une pompe centrifuge

Son principe de fonctionnement est d'utiliser la force centrifuge créée par la rotation de la roue pour transmettre l'énergie au liquide pompé. Le liquide à l'aspiration de la pompe est dirigé vers le centre de l'impulseur (rotor) en rotation d'où il sera propulsé radialement vers l'extérieur par la force centrifuge où il acquiert une énergie cinétique importante.

Cette vitesse est ensuite convertie en pression au niveau du diffuseur : l'énergie cinétique est convertie en énergie de pression dans la volute où la section est croissante.

2.4. Les différents types de pompes centrifuges On distingue deux types de pompes centrifuges :

 Les pompes monocellulaires équipées d'une seule roue.

 Les pompes multicellulaires équipées de plusieurs roues.

Pour ce type de pompes, plusieurs roues sont montées sur l’arbre d’entrainement et raccordées de sorte que le collecteur de la première cellule conduit le liquide dans l’ouïe (l’axe) de la cellule suivante.

A la sortie de la dernière roue, la pression du liquide sera égale à la somme des différentes pressions développées au niveau des différentes cellules de la pompe.

Figure 5 : Pompe centrifuge multicellulaire a arbre horizontal

3 - Les caractéristiques des pompes centrifuges

Les caractéristiques de la pompe centrifuge dépendent uniquement de leur construction.

Les caractéristiques fournies sont :

- la hauteur manométrique totale Hmt

- la puissance consommée par le moteur (kW) - le rendement

- NPSH : Net Positive Suction Head ou Hauteur de charge nette absolue ou charge nette à l'aspiration.

3.1. La hauteur manométrique totale Hmt

C’est la somme de la hauteur géométrique dans les niveaux du liquide et les pertes de charge causées par de frottements intérieurs qui se forment au passage du liquide dans les tuyaux, dans la pompe et les accessoires hydrauliques.

La hauteur manométrique permet de choisir la pompe pour une courbe de réseau imposée.

 La hauteur géométrique : (HG )

La hauteur géométrique H_G est la somme verticale de la hauteur de refoulement et la hauteur d’aspiration.

HG = Hrefoulement + Haspiration

 La pression utile : (pu )

Elle dépend du type d’utilisation au point de puisage (point d’utilisation de l’eau par les usagers).

On définit alors la hauteur utile Hu exprimée en [mCE].

g H_u p^u

 ρ avec pu : pression utile en [Pa]

 La pression de charge : (pc )

Lorsqu’une réserve de fluide fournit une pression de charge, elle correspond tout simplement à la hauteur du niveau de ce fluide dans le réservoir source et le point d’aspiration.

g H_c p^c

 ρ

 Expression de la hauteur manométrique totale : Hmt

La pompe doit vaincre dans le circuit : - La variation de hauteur HG .

- La pression utile pu au point de puisage.

- Les pertes de charge dans la tuyauterie ΔH.

Remarque : Les deux premiers facteurs (HG, pu) sont généralement constants.

On définit la Hauteur manométrique totale Hmt par :

Pompe en aspiration Pompe en charge

H H

H_mt _G H_mt  H_GH H_c

Fig. 6 : Installation de pompe

Remarque :

g H p

H_{mt pompe} ^pompe

ρ







 en [mCE]

Où ∆ppompe est la pression différentielle de la pompe (pression aux bornes de la pompe).

3.2. Motorisation et puissance consommée :

Lors du choix du moteur, c'est la puissance absorbée par la pompe qui détermine la puissance délivrée par le moteur et donc aussi la puissance absorbée au réseau. Il faut donc prendre garde à ce que le moteur ait une puissance suffisante pour satisfaire toutes les situations de fonctionnement de l'installation.

m m

m

 C ω

P

3.3. Puissance et rendement d’une pompe

Considérons un réseau muni d’une pompe. Celle-ci communique au liquide pompé une charge totale Hmt. Le débit de liquide est qv. Il est possible de calculer le débit d’énergie totale (la puissance) fournie par la pompe au fluide.

On appelle cette quantité la puissance hydraulique et on la note

P

h.

HG HG

HC

On a ainsi :

P

h = ρ· g· Hmt · qv

P

h = Δppompe· qv

= . . qv avec = g· Hmt

Le rendement de la pompe



_p sera le rapport de la puissance hydraulique

P

h réellement fournie au fluide et de la puissance

P

m fournie à la pompe.

m m

qv H g mt p h

P P

P ρ. . .



 η

3.4. Le N.P.S.H : Net Positive Suction Head (hauteur de charge nette d’aspiration) Qu'est-ce-que le N.P.S.H.?

Le NPSH est une mesure permettant de quantifier la hauteur manométrique d'aspiration disponible pour éviter la vaporisation du liquide au niveau le plus bas de la pression dans la pompe.

En d'autre terme, le NPSH est une notion qui permet de contrôler par le calcul, la pression à l’entrée d’une pompe et de vérifier qu’elle est suffisante en tenant compte de la chute de pression complémentaire entre la bride d’aspiration et la pompe.

3.5. Problèmes d’installation et de fonctionnement d’une pompe centrifuge :

Les problèmes d’installation et de fonctionnement d’une pompe centrifuge sont généralement à l’aspiration.

Dans les installations, on peut trouver les montages suivants :

 Pompe immergée :

Dans ce cas, il n’y a pas de problème mécanique mais on rencontre le problème d’étanchéité si le moteur est immergé, et le problème de corrosion.

 Pompe en charge :

 Pompe en aspiration (en dépression):

a) - hauteur maximale d'aspiration: ha max

2 1 2

2 2 2 1 2 1

1 H

g p g 2 z v g p g 2

z  v     

ρ ρ

(1)

Pompe au dessous du niveau du liquide. Ce circuit doit comporter une vanne pour empêcher la vidange du réservoir lors de l’entretien de la pompe.

Pompe au dessus du niveau du liquide. Ce type de circuit nécessite un amorçage (chasser l’air qui se trouve dans la conduite d’aspiration) à la première mise en marche ou après un long temps d’arrêt.

Appliquons le théorème de Bernoulli entre (1) et (2) pour déterminer la hauteur maximale d'aspiration

ha

(2)

Avec p1 = patm.

v1 ≈ 0

ΔH_1-2 = ΔH_asp.

z2 - z1 = ha

D'où 









  

 _asp.

2 2 2 atm

a 1

2 H

g 2

v g p g

= p = h - z

z ρ ρ

La hauteur d'aspiration est maximale lorsque 









   _asp.

2 2

2 H

g 2

v g p

ρ ^{ 0}

 g p ha ^atm

ρ max

Remarque : dans la pratique le terme 









   _asp.

2 2

2 H

g 2

v g p

ρ ne peut pas tendre vers 0.

En effet, lorsque la pression d’aspiration se rapproche de la pression du vide absolu (p2  0 c.à.d.

g 0 p₂

ρ  ), des cavités remplies de vapeur se forment dans le liquide, il se produit un phénomène appelé : CAVITATION.

b) - phénomène de cavitation

Le phénomène de cavitation correspond à une vaporisation du liquide qui se traduit par l'apparition de bulles de gaz au sein du liquide ou contre les parois.

La cavitation apparaîtra dans les zones où la pression est minimale. Ces zones se situent à l'entrée de la roue au voisinage du bord d'attaque des aubes.

La cavitation entraine des effets comme:

 Une baisse des performances de la pompe.

 Une érosion des pièces métalliques.

 De fortes vibrations préjudiciables à la longévité de la pompe.

 Bruit anormal.

Figure 7: Phénomène de cavitation sur des aubes de pompe centrifuge

Figure 8 : Piqûres de cavitation

c) - Condition de non cavitation

La cavitation est caractérisée par le N.P.S.H On distingue :

 N.P.S.H requis : pour un débit, une vitesse de rotation et une pompe donnée. Il est spécifié par le constructeur.

 N.P.S.H disponible : qui, pour le même débit, résulte de l'installation.

Il est obtenu en calculant la pression à l'entrée de la pompe.

La condition de non-cavitation entraîne :

N.P.S.H disponible  N.P.S.H requis

Avec asp

atm v r

disponible H

g p g

p H p

N.P.S.H   





 ρ ρ

Où:

H [m] : élévation (+) ou charge (-)

pr [Pa] : pression effective (relative) régnant à la surface libre du réservoir d'alimentation.

pr + patm = pabsolue

pv [Pa] : pression de vapeur saturante du liquide pompé mesurée par rapport au vide absolu.

ΔHasp [m] : pertes de charge à l’aspiration entre le réservoir d’alimentation et l’entrée de la pompe.

3.5. Courbes caractéristiques d’une pompe centrifuge

Les caractéristiques d’une pompe centrifuge sont présentées pour une vitesse de rotation constante et en fonction du débit volumique Q en [m³/h ou l/s] soient :

- la hauteur manométrique Hmt, - la puissance absorbée,

- le rendement - le NPSHrequis

Exemple : une pompe centrifuge de type KV50, dont la vitesse de rotation de l'arbre moteur est N = 2900 tr/min.

Hauteur manométrique Hmt en [m]

KV 50 - 2900 tr/min

Puissance absorbée P^* en [kw]- Rendement η* en [%]

NPSHrequis en [m]

3.6. Point de fonctionnement d’une pompe centrifuge

a) - Equation caractéristique d’un circuit de transport de liquide Pour un circuit donné, la hauteur manométrique est :

H H

H_mt _G

^{Avec H:} somme des pertes de charge linéaires (régulières) et singulières dans le circuit (aspiration et refoulement).

g 2 k v D

L g

2 k v D H L

2

r r r r 2

a a a a

r a







 

 











 



 λ λ

Où : Q v_a .S_a v_r.S_r et

4 D S π

2



Donc ₄ ²

r r r r 4 r

a a a a

2 a Q

D k 1 D L D

k 1 D L g

H 8 . . .

















 

 











 



 λ λ

π On pose :



















 

 







 

 ₄

r r r r 4 r

a a a a 2 a

D k 1 D L D

k 1 D L g

A 8 λ . λ .

π

Donc Hmt  HG A.Q² où A est une constante pour un circuit donné (caractéristique d'un circuit).

Le point de fonctionnement est l’intersection de la courbe caractéristique du circuit

2 G

mt H A Q

H   . avec la courbe caractéristique de la pompe : H_m f(Q) b) - Traçage des courbes caractéristiques et point de fonctionnement

Point de fonctionnement de pompe

Après superposition des deux courbes caractéristiques, on détermine le point de fonctionnement de la pompe dont les caractéristiques (H^*_mt , Q^*).

c) - Interprétation

 Si le débit souhaité est inférieur à celui qui est déterminé, on peut choisir un diamètre de conduite plus petit ou une pompe moins puissante ou bien on utilise une vanne de réglage de débit (augmenter les pertes de charge dans le circuit).

 Si le débit souhaité est supérieur à celui qui est déterminé, on doit choisir un diamètre de conduite plus grand pour diminuer les pertes de charge ou une pompe plus puissante.

 Le point de fonctionnement doit être au voisinage à droite du débit souhaité.

Dans ce cas on peut améliorer le rendement en agissant sur la vanne de réglage du débit.

4. Lois de similitude

Après avoir établi les valeurs de débit Q et de la hauteur manométrique totale H_mt de l’installation, pour déterminer la puissance absorbée Pa de la pompe il faut appliquer la formule suivante :

η

p

367 ρ H Q

. . .

P a ^

en [kW]

Où on a :

Q : Débit en m ³/h H : Hauteur en mètres

ρ : Densité du liquide (pour l’eau = 1 kg/dm³)

η_p : Rendement de la pompe (Ex. Rendement pompe 0,68 ou 68%)

Les pompes, étant normalement couplées à des moteurs électriques, fonctionnant par exemple à 2900tr/min avec moteur à 2 pôles 50Hz ou à vitesse de 1450 tr/min avec moteur à 4 pôles 50Hz.

Elles peuvent fonctionner à n’importe quel autre régime, mais dans les limites de projet.

Donc, en variant le nombre de tours, les performances des pompes changent selon les règles suivantes :Lois de similitudes.

4.1. Loi 1: Effet de la vitesse

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

P

^N, 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.

Le débit, varie proportionnellement au rapport du nombre de tours (avec N = N₁ et N' = N₂)

1 2 1

2 N

Q N

Q  

La hauteur, varie proportionnellement au carré du rapport du nombre de tours :

2

1 2 1

2 N

H N

H 











La puissance absorbée, varie proportionnellement au cube du rapport du nombre de tours :

3

1 2 1 a 2

a N

N











P P

N : vitesse de rotation (tr/min)

Q : débit volumique (m³/s) H : hauteur manométrique (m) Pa : puissance absorbée (W)

4.2. Loi 2: Effet d’un changement dimensionnel

Le débit, varie proportionnellement au cube du rapport des diamètres:

3

1 2 1

2 D

Q D

Q 











La hauteur, varie proportionnellement au carré du rapport des diamètres :

2

1 2 1

2 D

H D

H 











La puissance absorbée, varie proportionnellement au rapport des diamètres exposant 5:

5

1 2 1 a 2

a D

D











P P

Q : débit (m³/sec)

H : hauteur manométrique (m)

Pa : puissance absorbée (W)

D : diamètre de la roue (m), (toutes les dimensions sont modifiées proportionnellement).

5. Couplage des pompes

Pour parvenir à obtenir certaines conditions de fonctionnement impossibles à réaliser avec une seule pompe, les utilisateurs associent parfois deux pompes dans des montages en série ou en parallèle.

On considère deux pompes P1 et P2 de même caractéristiques ou ayant des caractéristiques différentes.

5.1. Couplage en série

Il convient bien pour un réseau présentant des pertes de charge importantes.

Cette disposition se rencontre notamment :

- sur les pipelines où les stations de pompage sont réparties,

- sur le circuit de charge de colonne à distiller composée généralement de 2 pompes en série, - sur les installations de pompage équipées d’une pompe “booster” servant à mettre sous pression l’aspiration de la pompe principale.

Figure 9 : Couplage en série

Pour ce cas de couplage on a : Hmt série = Hmt 1 + Hmt 2 et QV = QV1 = QV2

5.2. Couplage en parallèle

Le couplage en parallèle permet d'augmenter le débit dans le réseau, il convient lorsque le besoin de débit plus important s’avère nécessaire.

Figure 10 : Couplage en parallèle

La différence de pression entre A et B est la même pour les 2 pompes. Le débit total est la somme du débit de chaque pompe.

La caractéristique de la pompe équivalente à 2 pompes en parallèle est établie de la façon suivante.

Pour ce cas de couplage on a : Hmt 1 = Hmt 2 = Hmt parallèle et Qv parallèle = Qv1 + Qv2 6. L'étanchéité des pompes centrifuges

Le rôle d’une étanchéité est d’empêcher une fuite de fluide de l’intérieur vers l’extérieur ou d’empêcher un contaminant extérieur d’entrer à l’intérieure d’un équipement.

Le système d’étanchéité qui empêche le passage du liquide du corps de pompe vers l’atmosphère (ou le moteur pour les pompes submersibles ou monobloc) est l’un des éléments les plus importants des pompes. Les deux principaux systèmes utilisés pour assurer cette étanchéité sont :

- du type garniture à tresse ou presse étoupe, - du type garniture mécanique.

Figure 11 : pompe centrifuge en coupe

6.1. Pompe équipée d'un presse-étoupe

La presse-étoupe est un système d’étanchéité très largement utilisé dans l’industrie. Son principe de fonctionnement est d’assurer l’étanchéité par la compression d’une tresse (garniture) autour de l’arbre en rotation.

Tresse simple Tresse avec bague d’arrosage Exemples de tresse de presse étoupe(Rubans PTFE) Figure 12

Montage des tresses

L'anneau tressé doit être coupé de façon à obtenir un léger serrage sur le diamètre extérieur et un jeu initial entre la chemise et l'anneau tressé. Pour cela, enrouler la tresse en hélice à spires jointives autour de la chemise d'arbre ou d'un mandrin de même diamètre. (Prendre toute précaution pour ne pas rayer la chemise).

Figure 13

Exemple de coupe droite Exemple de coupe biaise

Un système d'étanchéité par tresses exige une fuite légère, mais permanente. Pour ce faire, les écrous du fouloir seront au départ serrés à la main. Une fuite doit se produire peu après la mise sous pression du presse-étoupe. En cas d'absence de fuite, il y aura échauffement des tresses. Dans ce cas, il est nécessaire d'arrêter la pompe pour permettre un refroidissement avant de pouvoir redémarrer. La pompe fonctionnant à nouveau, bien s'assurer que la fuite obligatoire se produit réellement au presse-étoupe.

Figure 14 : mise en place des tresses

Conditions géométriques de montage

Figure 15 : Conditions géométriques de montage

Conditions d'environnement et mécaniques

- Température, propriétés physiques et chimiques du fluide suivant le matériau du joint (cf.

catalogue fabricant)

- Vitesse linéaire : Garnitures V < 0,5 m/s

Tresses V< 20 m/s - Pression: Tresses p < 100 MPa

Garnitures p < 40 MPa

La puissance perdue par frottement est importante

Figure 16 : Principe de joint tressé

Avantages Inconvénients

• Simple

• Économique

• Fiable

• Rigidifie la ligne d’arbre

• Nécessité d’une fuite (goutte à goutte)

• Pas pour liquides toxiques ou volatils

• Perte de puissance

 L'étanchéité est obtenue par suppression des jeux avec un fouloir.

 Un presse garniture ne doit pas être considéré comme un palier guide de l'arbre.

6.2. Pompe équipée d'une garniture mécanique

Très utilisées dans l’étanchéité des pompes ou des machines tournantes en général les garnitures mécaniques sont de type et de caractéristiques très différentes en fonction des paramètres du fluide à étancher.

- Fluides peu corrosifs (eau, huile, air)

- Liquides faiblement chargés de particules abrasives

- Vitesses circonférentielles jusqu'à 100 m/s. - pmax< 25 MPa

Une garniture mécanique est un dispositif assurant l’étanchéité entre un arbre rotatif et une enceinte stationnaire. De tels dispositifs sont généralement rencontrés avec des axes de pompe. Une garniture mécanique se place entre l'arbre de pompe et le corps de pompe.

simple à soufflet double en version

cartouche

Pour fonctionner correctement, une garniture d'étanchéité doit être refroidie et alimentée en permanence par un liquide appelé "flushing" ou "arrosage" ou encore "circulation".

Une garniture mécanique assure une étanchéité sans fuite et ne requiert aucun réglage. Néanmoins si une légère fuite se produisait au démarrage, elle doit disparaître après un temps de rodage des faces de frottement.

Figure 18 : Vue d'ensemble de la position de la garniture d'étanchéité et des points de graissage des roulements pour une pompe centrifuge (Doc. Carbone-Lorraine)

Une garniture mécanique est composée de deux bagues, l’une fixe (grain fixe dans un logement du corps de pompe) et l’autre en rotation (grain mobile entraîné par l’arbre). Ces bagues sont pressées l’une contre l’autre par un ressort et par la pression du liquide de façon à ne laisser qu’un film hydrodynamique très fin formé du liquide à retenir ayant pour fonction de lubrifier la surface de contact entre les bagues.

Figure 19 : Garniture mécanique simple

Figure17:

Figure 20 : Garniture mécanique compensée