N.P.S.H (Net Positive Suction Head) ou Hauteur de charge nette absolue

Une pompe possède une capacité maximum d'aspiration qui est la valeur du vide qu'elle peut produire. Cette caractéristique varie suivant le type et la conception technique de la pompe.

Théoriquement, la hauteur maximale d’aspiration, dans une cavité où règne le vide absolu, est égale à la pression atmosphérique, c’est à dire à 1013 mbar au niveau de la mer (10,33 m d'eau). Elle diminue progressivement quand l'altitude augmente.

En réalité cette hauteur est limitée, non seulement par les pertes de charge dans la conduite d’aspiration mais également par les propriétés physiques à chaque type de liquide.

Qu'est-ce le N.P.S.H.?

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

Pression atmosphérique (Patm)

Dans un même lieu cette pression atmosphérique de 1013 mbar au niveau de la mer peut varier selon les conditions météorologiques. Il n'est pas rare d'entendre d'une dépression de 960 mbar, ce qui représente une variation de 53 mbar par rapport à la pression atmosphérique normale.

La pression atmosphérique pratique d'aspiration généralement adoptée est une variation en moins de 25 à 30 mbar, pour se placer dans des conditions normales défavorables, soit de 985 mbar.

Pression de vapeur saturante (Pv)

C’est la pression de vapeur maximale que l’air peut supporter à une température donnée. C'est le cas de l'air en contact de l'eau. La pression de vapeur saturante augmente avec la température.

A une température donnée, un liquide à une pression d’ébullition bien donnée correspond sa tension de vapeur. Si la pression en un point de ce liquide devient inférieure à la tension de vapeur, il entre en ébullition.

Ces valeurs sont données sur ce site dans la table d'eau à la pression atmosphérique.

Pour un mélange de liquides, on prend comme valeur la tension de la vapeur de la fraction la plus volatile, donc la tension de vapeur la plus élevée.

Dans une enceinte fermée, il se vaporise jusqu’à ce que la pression se rétablisse. A l’air libre, au contraire, il se vaporise complètement.

Pour le pompage d’eau à 20°C, la tension de vapeur est de 2337 Pa (0,24 mCE). Pour une eau chaude, elle peut être de plusieurs mètres (101325 Pa ou 10,33 mCE à 100°C)

Calcul du NPSH disponible pour une pompe aspirante dans une nappe d’eau à l’air libre

Calcul de la hauteur manométrique totale (HMT) d'une pompe

Pour véhiculer un liquide d'un endroit à un autre, la pompe doit fournir une certaine pression appelée hauteur manométrique totale, cela dépend des conditions d'aspiration et de refoulement.

Densité du fluide

La densité est un facteur important à considérer lors du dimensionnement d'une pompe. La densité d'un liquide peut affecter la pression de sortie d'une pompe. Sur une hauteur verticale identique, un liquide plus lourd que l'eau exige une plus grande force pour véhiculer le fluide.

Le graphique ci-dessous compare en hauteur de liquide pour une pression identique les hauteurs de liquides ayant des densités différentes. Une colonne d'eau de 100 m (densité de 1 ou 1000kg/m3) exerce une pression de 9,81 bar, alors qu'une colonne de 83 m de saumure (liquide plus lourd) et une colonne 133 m d'essence (liquide plus léger) sont nécessaires pour exercer la même pression.

3. Les compresseurs

2.3.3.1. Applications

Les applications des compresseurs sont très diversifiées. La liste ci-après donne des exemples d'utilisation de ces machines :

• fabrication d'air comprimé (air instrumentation, nettoyage de pièces, peinture...) ;
• compression et déplacement des gaz procédés ;
• transport des matières pulvérulentes (transports « pneumatiques » des poudres) ;
• réalisation de vide et de dépression (distillation, cristallisation sous vide, évaporation...) ;
• assainissement des locaux (ventilation, climatisation...) ;
• brassage de bassins de fermentation.

2.3.3.2. Généralités

2.3.3.2.1. Critères de choix

• Qualité du gaz
• Propreté du gaz
• Nocivité du gaz
• Débit, pression (taux de compression)

Pour ces deux derniers points, la figure 14 donne une information sur les plages habituelles de fonctionnement des diverses catégories de compresseurs.

Figure 14

2.3.3.2.2. Taux de compression

Le taux de compression est le rapport de la pression au refoulement à la pression d'aspiration .

La dénomination classique des machines suivant le taux de compression est :

• ventilateur, pour ;
• soufflantes pour ;
• compresseurs pour .

2.3.3.2.3. Compression : aspect énergétique

2.3.3.2.3.1. Température

La compression nécessite du travail et dégage de la chaleur ; cette chaleur contribue à l'augmentation de la température du gaz (cf. augmentation de température du corps de la pompe à vélo lors du gonflage d'un pneumatique).

Dans le cas d'une compression adiabatique, cette température est donnée par la relation :

2.3.3.2.3.2. Travail de compression

Pour un compresseur parfait, le travail de compression () est égal au travail de transvasement du fluide () et vaut

Cette intégrale peut être déterminée par l'aire de la courbe dans un diagramme de Clapeyron .

La courbe est déterminée par le type de la compression (cf. thermodynamique) :

• compression isotherme (réalisée à température constante soit ) ;
• compression adiabatique (pas d'échange de chaleur avec l'extérieur soit ) ;
• compression polytropique (compression réelle déterminée par ).

Figure 15

Pour la compression isotherme par exemple, le travail de compression est représenté par l'aire hachurée de la figure 15.

On peut alors constater que W_isotherme < W_polytropique < W_adiabatique.

Il est donc plus intéressant d'un point de vue énergétique de réaliser une compression isotherme.

En conséquence, pour fournir un travail minimum, il est souhaitable de refroidir le compresseur (ou le gaz entre 2 étages de compression) et de ne pas le calorifuger.

2.3.3.3. Classification

Comme pour les pompes, les compresseurs sont classés en deux catégories suivant le mode de transfert de l'énergie au gaz : les compresseurs volumétriques et les compresseurs dynamiques (turbo-machines).

2.3.3.4. Compresseurs volumétriques

2.3.3.4.1. Compresseurs alternatifs

2.3.3.4.1.1. Étude du cycle de compression

Le volume balayé par le piston — du Point Mort Bas (PMB) au Point Mort Haut (PMH) — est appelé la cylindrée V_C. Le volume résiduel non balayé au-dessus du PMH s'appelle le volume mort ; il sera représenté par une fraction E de la cylindrée soit EV_C.

L'étude du cycle (cf. figure 16) commence alors que le piston se trouve au point mort haut (PMH). Il va alors se déplacer vers le point mort bas (point 1) et donc aspirer du gaz à la pression P₁. Lorsque le piston arrive au PMB (point 1), la phase de compression en vase clos commence (suivant la courbe de compression polytropique) pour atteindre la pression P₂ (point 2) : le clapet de refoulement s'ouvre et la phase de refoulement s'amorce et se poursuit jusqu'au point 3 (PMH). Là, commence la détente du gaz emprisonné dans le volume mort (EV_C) suivant une courbe de détente polytropique où la pression P₁ est atteinte au point 4.

Figure 16

Dans la suite, on notera V_i le volume au point i du cycle (cf. figure 16).

On constate alors que le volume aspiré par cycle est .

Le rendement volumétrique du compresseur est alors .

La compression étant supposée polytropique (cf. cours de thermodynamique), elle est définie par la relation .

En utilisant la relation précédente appliquée aux points i (exemple : ) et en remarquant que , le rendement volumétrique indiqué peut être mis sous la forme :

Il ressort de cette relation que :

• diminue si le volume mort augmente ;
• diminue si le taux de compression augmente.

Des remarques précédentes, il peut être déduit deux éléments essentiels dans le fonctionnement des compresseurs :

• la variation du volume mort peut être utilisée dans la régulation de débit d'un compresseur alternatif ;
• il n'est pas toujours possible d'obtenir le taux de compression souhaité en un seul étage ; au contraire, pour augmenter , il est préférable de réaliser une compression étagée (utilisation de compresseurs bi-étagés par exemple).

2.3.3.4.1.2. Différents types de piston

Le piston simple effet travaille sur une seule face.

Le piston double effet travaille sur ses deux faces: pendant qu'une face est en phase de compression, l'autre est en phase d'aspiration, le débit étant de ce fait plus régulier.

Le piston étagé comporte deux pistons superposés se déplaçant dans des cylindres concentriques.

Le piston différentiel comporte deux diamètres différents : il travaille en double effet mais sur des niveaux de pression différents et il permet de réaliser une compression bi-étagée.

Figure 17 - Différents types de piston

2.3.3.4.1.3. Schéma du compresseur à piston

Dans le cas d'un compresseur à double effet, le mouvement rectiligne du piston (nécessaire pour assurer l'étanchéité de la tige du piston côté mécanisme) est assuré par une crosse coulissant dans une glissière (encrossage).

Figure 18 - Compresseur alternatif

2.3.3.4.1.4. Compresseur à membrane

C'est la déformation élastique d'une membrane qui assure l'aspiration et la compression du gaz. Un système hydraulique permet d'assurer la flexion de la membrane : un piston se déplace dans le cylindre et agit sur le fluide hydraulique qui transmettra son mouvement oscillatoire à la membrane. Le rôle du plateau à trous est d'assurer une bonne répartition du fluide sous la membrane. Celle-ci est souvent constituée de trois disques métalliques : ce système a l'avantage de permettre la détection de la rupture de la membrane par une mesure de pression.

La membrane assure une étanchéité statique côté gaz procédé. De ce fait, les compresseurs à membrane sont utilisés pour des gaz dangereux, nocifs et corrosifs. La membrane permet également de réaliser l'étanchéité vis à vis de la partie mécanique.

Figure 19 - Compresseur à membrane

2.3.3.4.1.5. Les clapets

La majorité des clapets utilisés actuellement sont des clapets dits passifs : leur mouvement d'ouverture ou de fermeture est obtenu par la différence de pression s'exerçant sur ses deux faces ; la fermeture est toutefois aidée par des ressorts.

Il existe deux grandes catégories de clapets: les clapets à lamelles et les clapets à disques.

Figure 20 - Clapets (d'après Doc. SULZER)

2.3.3.4.2. Compresseurs rotatifs

2.3.3.4.2.1. Compresseur à palettes

Il est constitué d'un stator cylindrique dans lequel tourne un rotor excentré. Ce dernier est muni de rainures radiales dans lesquelles coulissent des palettes qui sont constamment plaquées contre la paroi du stator par la force centrifuge (cf. Figure 21).

Figure 21 - Compresseur à palettes

La capacité comprise entre deux palettes est variable. Devant la tubulure d'aspiration, le volume croît : il y a donc aspiration du gaz. Ce gaz est ensuite emprisonné entre deux palettes et transporté vers la tubulure de refoulement. Dans cette zone, le volume décroît et le gaz comprimé s'échappe dans la tuyauterie de refoulement.

Deux conceptions de compresseur existent :

• fonctionnement avec lubrification : les palettes sont en général en acier et l'huile, outre l'amélioration du frottement entre palettes et stator, assure l'évacuation des calories et améliore l'étanchéité au niveau des contacts palettes/stator. Dans cette configuration, le gaz comprimé est pollué par l'huile.
• Fonctionnement à sec avec des palettes en composites chargés en graphite.

2.3.3.4.2.2. Compresseur à vis

La partie tournante est composée de deux vis engrenant l'une dans l'autre. Ces deux vis tournent en sens contraire. Le passage du gaz s'effectue parallèlement aux axes des deux vis. La vis femelle comporte toujours un pas de plus que la vis mâle avec un profil différent.

Figure 22 - Vis (d'après Doc. AERZEN)

Le gaz est comprimé (cf. Figure 23) en traversant des capacités de plus en plus petites jusqu'à la tubulure de refoulement (les chambres sont formées par les parois du corps et les filets des deux vis).

Figure 23 - Cycle de compression (d'après Doc. AERZEN)

2.3.3.4.2.3. Compresseur à anneau liquide

Ces compresseurs utilisent un liquide auxiliaire pour assurer l'étanchéité entre le rotor et le stator ; ce liquide est plaqué contre la périphérie du stator par la force centrifuge reçue de la roue à ailettes.

Un étage de compression est composé des quatre éléments suivants (cf. figure 24) :

• une roue à ailettes fixes montée sur l'arbre du compresseur (2) ;
• un corps cylindrique (stator) d'axe excentré par rapport à l'axe de rotation (3) ;
• deux disques (flasques (1) et (4)) placés de part et d'autre du stator et portant chacun une ouverture (lumière ou ouïe) permettant l'entrée du gaz (lumière d'aspiration) et la sortie du gaz (lumière de refoulement).

Figure 24 - compresseur à anneau liquide : composition

Le fonctionnement du compresseur est illustré par la figure 25.

Le liquide auxiliaire forme un anneau concentrique au corps. La roue étant excentrée, des capacités de volumes variables sont générées entre deux ailettes et l'anneau liquide. En fonction du sens de rotation de la roue, la lumière d'aspiration est placée devant des capacités grandissantes : il se crée une dépression et donc l'aspiration du gaz ; il est ensuite transporté (car emprisonné entre deux ailettes et le liquide) vers la lumière de refoulement qui, elle, est placée devant des capacités qui diminuent de volume : il se crée donc une compression et le refoulement du gaz comprimé est possible.

Figure 25 - fonctionnement du compresseur à anneau liquide

En ce qui concerne l'alimentation en liquide de l'anneau, trois configurations sont possibles (cf. figure 26) :

• fonctionnement en liquide perdu : le liquide refoulé n'est pas réutilisé ;
• fonctionnement en recyclage partiel : le liquide est séparé du gaz dans un pot séparateur ; une partie de ce liquide est recyclé avec un complément de liquide propre ;
• fonctionnement en recyclage total : après séparation (pot séparateur), la totalité du liquide est recyclé après avoir été refroidi dans un échangeur.

Figure 26 - Mode d'alimentation de l'anneau liquide

Figure 27 - Compresseur à anneau liquide à 2 étages (Doc. SIHI)

2.3.3.4.2.4. Compresseur à lobes (Roots)

Le rotor est formé de deux lobes (ayant la forme d'un huit) s'imbriquant l'un dans l'autre. Le mouvement de rotation des rotors est synchronisé par des pignons extérieurs. Il n'y a aucun contact entre les rotors entre eux et entre les rotors et le carter.

Figure 28 - Lobes (d'après Doc. AERZEN)

Le gaz à véhiculer arrive dans la tubulure d'aspiration et est transporté de force du côté du refoulement.

Figure 29 - Compresseur à lobes

La rotation des rotors se faisant sans contact, il n'est pas nécessaire de les lubrifier et la compression est donc exempte d'impuretés.

2.3.3.5. Compresseurs dynamiques

2.3.3.5.1. Principe

Ce sont des machines dans lesquelles l'échange d'énergie a lieu entre un rotor muni d'aubages tournant autour d'un axe et un fluide en écoulement permanent (cf. mécaniques des fluides).

2.3.3.5.2. Types de machine

La classification de ces machines en deux catégories est basée sur la forme géométrique des roues :

• les machines centrifuges, dans lesquelles le fluide entre axialement dans la roue puis se répartit tout autour de cet axe dans une direction qui lui est perpendiculaire. Le fluide ressort en périphérie et est collecté par le biais d'une volute.

Figure 30 - Roue centrifuge (d'après Doc. SULZER)

• Les machines axiales, dans lesquelles le fluide conserve un parcours axial dans la traversée de la roue mobile.

Figure 31 - Roue axiale (d'après Doc. SULZER)

Figure 32 - Compresseur axial

Concernant leurs caractéristiques, les compresseurs centrifuges sont utilisés pour des taux de compression élevés, alors que les compresseurs axiaux le sont pour des débits importants (cf. diagramme d'utilisation des compresseurs en figure 14).

2.3.3.5.3. Constitution

Ces machines sont constituées des éléments suivants :

• de pâles d'entrée (ailettes orientables ou ventelles) dont le rôle est de guider le fluide dans la direction adaptée à son entrée dans la roue. Elles permettent d'adapter la caractéristique du compresseur à des variations de la caractéristique du réseau. Autrement dit, le débit du fluide peut être maintenu constant en agissant sur la position de ces pâles.

Figure 33 - pâles variables (Doc. AERZEN)

• De la roue mobile ;
• du diffuseur : son rôle est de transformer la pression dynamique du fluide en pression statique par réduction de la vitesse. Les ailettes se trouvant dans le diffuseur sont parfois orientables et jouent alors le même rôle que les ventelles.

L'association de ces trois éléments forme un étage de compression ou cellule. Compresseurs centrifuges et axiaux sont souvent composés de la juxtaposition de plusieurs étages montés en série: ces machines sont dites multicellulaires.

2.3.3.5.4. Conception du stator

Suivant le niveau de pression à assurer, deux conceptions sont possibles :

• Stator à plan de joint horizontal : cette conception est utilisée pour des pressions inférieures à 40 bars. Le stator est réalisé en deux parties dont l'assemblage est assuré par un joint horizontal (contact métal sur métal). Cette configuration est adoptée pour les compresseurs axiaux et les compresseurs centrifuges basses et moyennes pression.

Figure 34 - stator à plan de joint horizontal (Doc. SULZER)

• Stator à plan de joint vertical (« barrel ») : il est utilisé pour des pressions supérieures à 40 bars. Cette configuration est adoptée pour les compresseurs centrifuges haute-pression.

Figure 35 - stator de type barrel (Doc. SULZER)

2.3.3.5.5. Étanchéités

On distingue deux types d'étanchéité :

• les étanchéités internes : elles ont pour mission d'éliminer les fuites entre les étages de compression (retour du refoulement vers l'aspiration par exemple). Elles sont de type labyrinthe (cf. module étanchéités). Elles se situent (cf. figure 36) en A pour éviter le retour de gaz comprimé à l'aspiration de la roue et en B pour réaliser l'étanchéité entre deux cellules consécutives.

Figure 36 - Étanchéité par labyrinthes

• les étanchéités externes : leur rôle est d'éviter les fuites de gaz vers l'extérieur en particulier au niveau des sorties d'arbre.

Trois types de conception sont possibles :

• étanchéité de type labyrinthe : elle est possible si une légère fuite vers l'extérieur est acceptable (compresseur d'air par exemple) ;
• par labyrinthe et barrage: extracteur de fuite ou injection de gaz ou de liquide ;

Présentation Générale

Constitution d'une pompe

. Partie moteur

. Transmission

. Partie hydraulique

Différentes typologies des pompes

. Pompes centrifuges

. Pompes volumetriques

Différentes pompes

. Petites pompes

. Pompes centrifuges

. Pompes d'assainissement relevage

. Pompes volumetriques

. Pompes à vide

. Accessoires

Renseignements techniques

Caractéristiques d'une pompe

. Débit

. HMT

. Puissance absorbée

. Consommation

. Rendement

2 Jours

Caractéristiques d'une installation

. Débit et vitesse d'écoulement

. Pertes de charge

. Hauteur manométrique

. Dimensionnement des installations ( tuyauterie et robinetterie)

Choix d'une pompe

. Détermination en fonction des fluides

. Méthode de calcul

Installation et mise en route des pompes

. Pompe à aspiration

. Pompe en aspiration

. Pompe en charge

. Pompe immergée

. Régulation par réservoir sous pression

. Branchements électriques

. Accessoires, différentes mesure de niveaux,

. Sonde de température, contrôleur d'écoulement

3 Jours

MAINTENANCE

. Nécessité d'entretien

. Gestion de la maintenance

. Niveaux de maintenance

. Phase de l' intervention

. Objectif et contextes de l'intervention

. Procédures d'intervention

Maintenance curative

Démontage des pompes

. Vidange d'huile

. Démontage moteur , expertise roulements et enroulements

. Démontage transmission

. Démontage volute et flasques

. Démontage presse étoupe, garniture mécanique

. Démontage turbine sur arbre

Remontage

. Remontage moteur

. Remontage turbine sur arbre

. Remontage garniture ou presse étoupe

. Remontage transmission

. Alignement moteur et pompe

. Remplissage d'huile

. Graissage des paliers

. Branchement hydraulique

. Branchement électrique

. Essais en charge

. Contrôle de puissance absorbée

. Contrôle vibrations

. Contrôle échauffement

. Contrôle des fuites au presse étoupe

Évaluation des connaissances individuelles

Les ventilateurs extracteurs de forte capacité, à vocation industrielle ou surdimensionnés, et les cuisinières à gril risquent de causer le refoulement des gaz de la cheminée. Le refoulement se produit lorsque l'air descend vers le bas de la cheminée, entraînant le rejet à l'intérieur des gaz de combustion. Évitez tout risque de refoulement en choisissant des appareils de chauffage avec chambre à combustion étanche. Si vous avez des appareils raccordés à la cheminée et que vous désirez y installer des ventilateurs extracteurs de forte capacité, vous devrez faire installer un ventilateur introducteur d'air pour équilibrer les pressions de la maison.

Bien des entrepreneurs en ventilation ou vendeurs d'appareils de ventilation ne sont pas au courant des effets que les gros ventilateurs extracteurs exercent sur les autres appareils de la maison. Vérifiez que votre système est bien pourvu d'une prise d'admission d'air. Par la même occasion, comptez tout au moins sur des détecteurs de fumée et de monoxyde de carbone qui vous préviendront, le cas échéant, du refoulement des gaz de combustion.

Le lecteur intéressé peut obtenir des feuillets documentaires ou des cotes de produits auprès de la Home Ventilating Institute à l'adresse suivante :

Home Ventilating Institute
Tél. : (847) 526-2010
Site Web : www.hvi.org

À:	sboussine2000@yahoo.fr

Théorie des pompes

Pompe centrifuge

La principale caractéristique de la pompe centrifuge consiste à convertir l'énergie d'une source de mouvement (le moteur) d'abord en vitesse (ou énergie cinétique) puis en énergie de pression. Le rôle d'une pompe consiste en effet à conférer de l'énergie au liquide pompé (énergie transformée ensuite en débit et en hauteur d'élévation) selon les caractéristiques de fabrication de la pompe elle-même et en fonction des besoins spécifiques à l'installation. Le fonctionnement est simple : ces pompes utilisent l'effet centrifuge pour déplacer le liquide et augmenter sa pression. À l'intérieur d'une chambre hermétique équipée d'entrée et de sortie (cochlée ou volute), tourne une roue à palettes (roue), le véritable cœur de la pompe. La roue est l'élément tournant de la pompe qui convertit l'énergie du moteur en énergie cinétique (la partie statique de la pompe, c'est-à-dire la volute, convertit au contraire l'énergie cinétique en énergie de pression). La roue est à son tour fixée à l'arbre de pompe, directement emboîté sur l'arbre de transmission du moteur ou couplé à celui-ci par un couple rigide.
Lorsque le liquide entre dans le corps de la pompe, la roue (alimenté par le moteur) projette le fluide à la périphérie du corps de la pompe grâce à la force centrifuge produite par la vitesse de la roue : le liquide emmagasine ainsi une énergie (potentielle) qui sera transformée en débit et en hauteur d'élévation (ou énergie cinétique). Ce mouvement centrifuge provoque au même moment une dépression capable d'aspirer le fluide à pomper. En connectant ensuite la pompe à la tuyauterie de refoulement, le liquide sera facilement canalisé et atteindra l'extérieur de la pompe. La roue d'une pompe centrifuge peut être réalisée selon plusieurs variantes de fabrication : roues ouvertes, roues fermées, roues semi-ouvertes, roues monocanal, roues axiales, roues semi-axiales, roues en retrait, vortex, à spirale, etc.
Il existe des pompes centrifuges à un étage, c'est-à-dire équipées d'un seul générateur de portée et de pression (une roue). En présence de plusieurs roues (la première décharge le liquide sur la deuxième et ainsi de suite…), il s'agira au contraire de pompes centrifuges à plusieurs étages, caractérisées par la somme des pressions fournies par chaque roue. Le fonctionnement de la pompe centrifuge dépend non seulement du moment initial de l'amorçage, mais aussi de la façon dont est assurée l'aspiration du liquide même : en effet, si la pompe est située à un niveau inférieur à celui de la veine d'où le liquide est prélevé, ce dernier entre spontanément dans la pompe (cas d'une installation en charge). En revanche, si la pompe est située au-dessus de la source d'où l'on veut pomper, le liquide devra alors être aspiré : la pompe (comme la tuyauterie d'aspiration) devra donc être amorcée de façon préventive, c'est-à-dire remplie de liquide (cas d'une pompe auto-amorçante).
Le système centrifuge présente d'innombrables avantages par rapport aux autres types de pompage : il garantit un volume d'encombrement réduit, un service relativement silencieux et une mise en œuvre facile avec tous les types de moteurs électriques disponibles sur le marché. Il s'adapte aussi aisément à tous les problèmes de traitement des liquides puisqu'en l'adaptant aux conditions d'utilisation particulières, il est capable de répondre aux exigences spécifiques des installations de destination.

Courbe de la pompe

Les prestations d'une pompe centrifuge peuvent être mises graphiquement en évidence sur une courbe caractéristique qui présente normalement des données relatives à la hauteur géodésique totale, à la puissance effective du moteur (BHP), à l'efficacité, au NPSHr et à la charge positive, des informations indiquées en fonction de la capacité de la pompe.
Chaque pompe centrifuge est donc caractérisée par sa courbe caractéristique particulière qui est la relation entre son débit et sa hauteur d'élévation. Cette représentation graphique, c'est-à-dire la transposition de ce rapport à l'intérieur d'un graphique cartésien, représente la meilleure façon de savoir quel sera le débit obtenu pour une hauteur d'élévation donnée (et réciproquement).
En l'occurrence, la courbe consiste en une ligne qui part d'un point (équivalent à débit zéro/hauteur d'élévation maximum) et qui arrive en fin de courbe avec la hauteur d'élévation qui diminue lorsque le débit augmente.
Il est évident que d'autres éléments comme la vitesse, la puissance du moteur ou le diamètre de la roue interviennent aussi dans la modification de cette représentation. Il faut également considérer qu'il est impossible de connaître les prestations d'une pompe sans connaître tous les détails du système dans lequel elle travaillera.
La courbe de prestations de chaque pompe varie, en outre, en fonction de la vitesse selon les lois suivantes : 

1. la quantité de liquide transporté change en fonction de la vitesse
2. la hauteur d'élévation varie en fonction du carré de la vitesse
3. la puissance consommée varie en fonction du cube de la vitesse

La quantité de liquide pompé et la puissance absorbée sont à peu près proportionnelles. L'évacuation d'une pompe centrifuge à vitesse constante peut varier d'un débit nul (fermeture complète ou vanne fermée), jusqu'à un maximum qui dépend de la conception et des conditions de travail. Par exemple, si l'on double la quantité de fluide pompé, la vitesse redouble et les autres conditions restent inchangées, tandis que la hauteur d'élévation est multipliée par 4 et la puissance consommée par 8 par rapport aux conditions de départ.
La puissance absorbée par la pompe peut être identifiée au point où la courbe de la puissance croise la courbe de la pompe au point de travail. Ceci n'indique toutefois pas encore la taille de moteur exigée.
Il existe différentes façons de déterminer la puissance des moteurs d'alimentation de la pompe : 

• on peut sélectionner le moteur adapté à la vitesse d'actionnement ou à la plage opérationnelle (méthode la meilleure et la moins coûteuse lorsque les conditions de travail de la pompe changent peu).
• on peut lire la puissance à la fin de la courbe (solution la plus commune qui permet d'obtenir une puissance adaptée dans presque toutes les conditions de fonctionnement).
• on peut lire la puissance au niveau du point de travail en ajoutant 10% (système qui n'est en général utilisé que dans les raffineries ou dans d'autres applications où il n'y a pas de variations des caractéristiques de l'installation).
• en utilisant les courbes, toutes les conditions opérationnelles peuvent être prises en compte (la meilleure méthode qui inclut les effets siphon, les grandes variations de la hauteur géodésique, les longues tuyauteries à remplir…)

Les prestations d'une pompe, et notamment des pompes rotodynamiques, sont normalement illustrées par une courbe semblable qui met bien en évidence le rapport entre liquide déplacé par unité de temps et augmentation de la pression.
Cependant, les courbes relatives aux différentes catégories de pompes ont des caractéristiques très différentes. Les pompes volumétriques, par exemple, ont un volume de débit virtuellement indépendant de la différence de pression (et la courbe relative est presque toujours une ligne verticale), tandis que les pompes centrifuges ont une courbe de prestations qui, comme nous l'avons vu, oppose la diminution du débit à l'augmentation de la hauteur d'élévation (et réciproquement). La courbe des pompes périphériques a, au contraire, un fonctionnement situé à mi-chemin entre ces deux types de pompe.
Une règle générale pour comprendre les forces développées par une pompe centrifuge est toujours la suivante : une pompe ne crée pas de pression mais ne fournit qu'un débit. La pression n'est que la mesure de la résistance du débit.

Comparaison de courbes

 

Courbe générale

Principes d'hydraulique

Pompe centrifuge
Pompe qui utilise le mouvement de rotation d'une roue à palettes (roue) insérée dans le corps même de la pompe. La roue, en tournant à une vitesse élevée, projette l'eau aspirée précédemment à l'extérieur grâce à la force centrifuge développée, tout en faisant circuler le liquide dans le corps fixe puis dans le tuyau de refoulement.

Pompe immergée
La pompe immergée est une pompe à axe vertical conçue pour atteindre de grandes profondeurs grâce à la longueur de son tube d'aspiration. À ne pas confondre avec la pompe submersible caractérisée par son moteur étanche immergé dans le liquide à pomper.

Débit
Quantité de liquide (en volume ou en poids) qui doit être pompée, transvasée ou élevée par une pompe pendant un intervalle de temps donné : exprimée normalement en litres par seconde (l/s), litres par minute (l/min) ou en mètres cubes par heure (m³/h). Symbole : Q.

Hauteur d'élévation
Hauteur de soulèvement d'un liquide : le pompage sous-entend l'élévation d'un liquide depuis un niveau plus bas vers un niveau plus haut. Exprimé en mètres de colonne de liquide ou en bars (pression). Dans ce dernier cas, le liquide pompé ne franchit aucun dénivelé mais est exclusivement fourni au niveau du sol à une pression donnée. Symbole : H.

Courbe de prestations
Illustration graphique particulière qui identifie les prestations de la pompe : le diagramme représente en effet la courbe formée par les valeurs de débit et de hauteur d'élévation, indiquées par rapport à un type de roue spécifique et à un modèle de pompe particulier.

En charge
Type particulier d'installation de la pompe, située à un niveau inférieur à celui de la veine où l'eau est prélevée : de cette façon, l'eau entre spontanément dans la pompe sans aucune difficulté.

Amorçage
Remplissage de la pompe ou de la tuyauterie par retrait de l'air que celle-ci contient. Dans certains cas, il peut y avoir des pompes auto-amorçantes, c'est-à-dire équipées d'un mécanisme automatique qui facilite l'amorçage et, par conséquent, le démarrage de la pompe qui, autrement, serait impossible ou tout au moins très lent.

Cavitation
Phénomène créé par une instabilité du flux de courant. La cavitation se manifeste par la formation de cavités dans le liquide pompé et est accompagnée de vibrations bruyantes, d'une réduction du débit et, de façon moindre, du rendement de la pompe. Elle est provoquée par le passage rapide de petites bulles de vapeur à travers la pompe : leur explosion crée de micro-jets qui peuvent également provoquer des dommages sérieux.

Pertes de charge
Pertes d'énergie dues au frottement du liquide le long des parois de la tuyauterie et proportionnelles à la longueur de celles-ci. Elles sont aussi proportionnelles au carré de la vitesse de circulation et variables en fonction de la nature du liquide pompé. Toute occasion de ralentissement de la circulation normale du fluide déplacé représente de toute façon une cause de pertes charge, comme les brusques changements de direction ou de section des tuyauteries.
Pour un bon choix de la dimension de la pompe, la somme de ces pertes doit être ajoutée à la hauteur d'élévation initialement prévue.

Garniture mécanique
Garniture mécanique pour arbres rotatifs. Utilisée dans tous ces cas où aucun écoulement externe du liquide n'est admissible. Elle est composée de deux anneaux à surface plane, l'un stationnaire et l'autre rotatif : les deux faces sont pressées l'une contre l'autre de façon à ne laisser qu'un film hydrodynamique très fin formé du liquide à retenir, avec la fonction de lubrifier les pièces en frottement.

Viscosité
Il s'agit d'une caractéristique du fluide pompé : elle représente sa capacité à s'opposer au déplacement. La viscosité varie en fonction de la température.

Poids spécifique
Chaque fluide a une densité caractéristique.
L'eau, utilisée comme élément de comparaison a, par convention, un poids spécifique (ou densité) égal à 1 (à 4 C et au niveau de la mer).

Chapitre 2 : Ventilateurs

	Introduction
Description d'une machine centrifuge 1.1 La roue 1.2 le distributeur 1.3 Le diffuseur 1.4 La volute 1.5 Le divergent	Ventilateur centrifuge idéal 2.1 Triangle des vitesses 2.2 Équation de continuité 2.3 Équation de Bernoulli 2.4 Caractéristiques de fonctionnement	Ventilateur axial idéal 3.1 Triangle des vitesses 3.2 Caractéristiques de fonctionnement
Caractéristiques de la machine idéale, coefficient de Rateau Machines réelles, rendement Utilisation de la similitude Sélection d'un ventilateur Réglage des ventilateurs     Annexe : analyse dimensionnelle

VENTILATEURS

Les ventilateurs constituent le moteur du réseau et doivent donc être adaptés le plus précisément possible au réseau, de façon à satisfaire le cahier des charges (débit correct) tout en gardant un comportement énergétique optimum. Deux types sont principalement utilisé en aéraulique :

• les ventilateurs axiaux (ou hélicoïdes),
• les ventilateurs centrifuges.

Ces deux types font partie des turbomachines. Leurs noms proviennent du mouvement de l’air durant la compression (figure 1). Pour les ventilateurs axiaux, l’air a un mouvement hélicoïdale, c’est-à-dire que la distance entre la veine fluide et l’axe de la roue reste constante. Dans un ventilateur centrifuge en revanche, l’air s’éloigne de cet axe au fur et à mesure de la traversée du ventilateur.

Figure 1 : ventilateurs centrifuges et axiaux.

Il résulte de cet éloignement de l’axe une augmentation de la vitesse de l’air, et donc de la pression dynamique qui va s’ajouter à la pression statique créée par les pales. Ce type de ventilateur pourra donc créer une différence de pression totale entre l’amont et l’aval supérieure à celle que pourra créer un ventilateur axial. En revanche, il apparaît clairement qu’à diamètre de roue égale, la section d’entrée du ventilateur centrifuge est plus faible, et par suite sa capacité de débit volumique sera inférieure à celle du ventilateur axial.

1. Description d'une machine centrifuge

La figure 2 représente les différents éléments constituant une machine centrifuge

Figure 2 : représentation schématique d'une pompe centrifuge

1.1 La roue

Elle comporte des canalisations formées par le disque, les flasques de recouvrement et les aubages.

1.2 Le distributeur

Le rôle du distributeur, situé en amont de la roue (non représenté sur la figure) est de permettre une orientation correcte des filets fluides à leur entrée dans la roue. Il n'existe en fait que dans les pompes à plusieurs étages de compression. Il permet alors d'effectuer la liaison entre l'étage amont (au niveau de la volute) et l'étage aval (au niveau des ouïes).

1.3 Le diffuseur

Avec ou sans aubages, cet organe permet de transformer en partie l'énergie cinétique (pression dynamique) en énergie potentielle (pression statique) et d'orienter correctement le fluide à la sortie de la roue pour son entrée dans la volute ou dans le distributeur de l'étage suivant.

1.4 La volute

Son rôle consiste essentiellement à transformer le mouvement de rotation du fluide en mouvement de translation.

1.5 Le divergent

Comme le diffuseur, il permet de transformer une fraction de l'énergie cinétique du fluide en énergie potentielle, ceci afin de limiter les pertes de charge dans les canalisations de transport du fluide.

2. Ventilateur centrifuge idéal

2.1 triangle des vitesses

Le vecteur vitesse du fluide en un point quelconque de la roue peut être décomposé en trois composantes (figure 3a) : c_a : vitesse axiale, c_d : vitesse diamétrale (ou radiale) et c_t : vitesse tangentielle.
En introduisant la vitesse méridienne c_m =c_d +c_a, (figure 3b), on défini le plan méridien (figure 3c), dans lequel la vitesse absolue c peut être décomposée selon deux mouvements :

• un mouvement d'entraînement, qui correspond au mouvement du rotor, et donc du plan méridien :, r étant la distance à l'axe et w la vitesse angulaire du rotor,
• un mouvement relatif, qui correspond au mouvement du fluide par rapport au rotor.

En un point quelconque, on a alors : c = c_e + c_r. Le triangle des vitesses est la représentation des compositions de ces différents vecteurs vitesse dans le plan méridien. On le trace en général à l'entrée et à la sortie du rotor (figure 4).

Figure 3 : Définitions des vitesses et du plan méridien

A l'entrée de la roue, afin de réduire les chocs, la vitesse relative du fluide doit être tangente à l'aubage (b = b'). Dans le cas contraire, il y a choc à l'entrée de la roue ce qui diminue le rendement. A la sortie, le fluide étant guidé par l'aubage, la condition b' = b est toujours vérifiée.

Figure 4 : Triangle des vitesses en entrée (indice 1) et en sortie (indice 2) de la roue.

1) J'ouvre l'arrivée d'eau (13). L'aiguille noire du manomètre(12) doit bouger et se déplacer vers la droite, figurant la montée de la pression. En fonctionnement normal, à température maximum, elle ne doit pas dépasser l'aiguille rouge, qui indique la valeur limite de la pression d'eau.

2) Au-delà, un peu plus avant, la soupape 3 coulerait. Elle est en effet réglée (on dit " tarée ") pour une pression, légèrement supérieure à celle indiquée par l'aiguille rouge (en général 0,5 bar). Lisez sur le corps de la soupape ou sur son étiquette sa pression de tarage... Déduisez 0,5 bar, et vous obtiendrez la position définitive de l'aiguille rouge. Vous avez ainsi déterminé votre pression de marche maximale, celle indiquée désormais par votre aiguille rouge, qu'il ne faudra dépasser en aucun cas.   

Attention : Vous ne devez pas dépasser 3 bar 5, sur une installation courante. C'est la valeur maximale.

Récapitulation : L'aiguille noire indique successivement , en partant de la gauche vers la droite, la pression statique (poids d'eau dans l'installation) la pression statique + dynamique (la pompe en marche) la pression statique + dynamique + la dilatation (la température) l'aiguille rouge montre la pression maximale. elle ne doit jamais être dépassée par l'aiguille noire.

Le vase d'expansion maintient une pression minimum pour la bonne marche du chauffage et sert à compenser la dilatation entraînée par l'élévation de la température de l'eau.

La soupape de sécurité, tarée à une valeur supérieure à celle de l'aiguille rouge, est la dernière sécurité en cas de surpression due à une trop grande élévation de la température.

Le vase d'expansion et la soupape sont deux organes essentiels pour votre sécurité

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À:	sboussine2000@yahoo.fr

Calcul des matériels et évaluation économique d'une installation industrielle Contenus : Calcul des matériels (cours de Jean-Pierre Limage, 24h) Dans la mise en oeuvre des procédés des industries chimique et pétrochimique, l'ingénieur de recherche-développement, de bureau d'ingénierie ou de fabrication est confronté aux problèmes variés posés par les principaux équipements rencontrés. Pour les installations de fabrication traitant des fluides, les matériels utilisés en transfert d'énergie (pompes, compresseurs, turbines, échangeurs de chaleur) ont un poids important concernant les performances tant techniques qu'économiques. Seront présentés les principaux appareillages utilisés en transport de fluides et en échange de chaleur, leur principe de fonctionnement, les conditions d’utilisation, leur rôle dans les procédés. Pompes centrifuges - Introduction : Comment se pose un problème de pompage ? - Hauteur totale d'élévation requise par une installation ; courbe caractéristique - Technologie d’une pompe centrifuge simple, principe de fonctionnement - Performances des pompes centrifuges, contrôle, courbes caractéristiques, couplage pompes-installations - Courbes débit-hauteur, débit rendement, débit puissance, débit-NPSHR. - Variation des courbes caractéristiques avec la vitesse de rotation, le diamètre des roues. Influence de la viscosité du liquide pompé. Pompes en série et en parallèle. - Différents types de pompes centrifuges. Technologies spécifiques et domaines d'utilisation. Compresseurs et Turbines - Introduction : rôle et importance de ce type de machines - Comportement des gaz à la compression et à la détente dans les machines tournantes. Règles de calculs pratiques. - Compresseurs alternatifs et centrifuges. Turbines à vapeur et turbo expandeurs : principe de fonctionnement, performances et mode de réglage, technologie Échangeurs - Introduction : Différentes fonctions des échangeurs de chaleur. - Principe de fonctionnement des échangeurs par surface : coefficient global de transfert (propre, sale) : résistance contrôlante; compromis échange thermique-pertes de charge. - Les différents modes de circulation - Circulation à co-courant; simultanément à co-courant et à contre-courant; à courants croisés. - Principe de réalisation technologique. - Performances comparées des échangeurs à co-courant et à contre-courant - Relations Efficacité-Nombre d'unités de transfert. - Méthode de comparaison. Généralisation de la méthode. - Estimation et suivi des performances d'un échangeur à contre-courant. - Arrangements d'échangeurs : intérêt des mises en série ou en parallèle. - Technologies diverses - Échangeurs double-tube et multitubes. - Échangeurs tubulaires à faisceau et calandre. - Échangeurs "compacts", spiralés... - Aéroréfrigérants et aérocondenseurs. Dimensionnement sommaire et évaluation économique d'une installation industrielle (cours de Raymond Bulle, 12h) L’ingénieur procédé utilise généralement des logiciels de simulation pour déterminer les bilans matière et énergie des installations industrielles. Partant des résultats obtenus par simulation, l’objet du cours est de dimensionner les matériels et équipements concernés, d’en évaluer les coûts opératoires et d’investissement. Cette étude porte sur le design d’une colonne industrielle. Analyse et signification des résultats de la simulation Dimensionnement des équipements - Efficacité des plateaux réels - Colonne (hauteur, diamètre) - Ballons (longueur, diamètre) - Matériels d’échange thermique - Machines - Matériels complémentaires Évaluation du coût du matériel principal et de l’investissement Coût opératoire, autres coûts Éléments d’optimisation