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Types de pompe
Il existe de nombreux types de pompes regroupées principalement en trois familles:
- les pompes volumétriques: pour des usages simples (utilisation manuelle), pour les très hautes pressions, les dosages précis … ;
- les pompes centrifuges: le modèle le plus répandu, utilisé pour l’assainissement, la surpression, la circulation d’eau dans les installations;
- les pompes axiales: très peu utilisées dans des installations sanitaires et thermiques elles ne seront pas détaillées dans cet ouvrage.
POMPES VOLUMÉTRIQUES
Elles déplacent un volume précis du liquide pompé, le modèle le plus simple étant la pompe à piston avec 2 clapets, Le corps de pompe est en fonte, en cuivre ou en alliage.
• Pompe aspirante
Dans la pompe aspirante, le piston est un cylindre muni d’une soupape, le mouvement vertical alterné va successivement ouvrir un des deux clapets pendant que l’autre reste fermé, Le clapet A est ouvert et A’ fermé lorsque le piston descend, le clapet A’ est ouvert et le clapet A fermé lorsque le piston remonte, L’eau est ainsi aspirée puis refoulée du corps de la pompe. La limite d’aspiration est de 8 m. Ces pompes doivent être équipées d’une crépine avec clapet anti retour pour éviter de désamorcer la tuyauterie d’aspiration. L’étanchéité des clapets est à vérifier régulièrement et il faut souvent amorcer la pompe en la remplissant d’eau lors de la première utilisation.
• Pompe foulante
Dans ce système, le corps de pompe est entièrement plongé dans l’eau et fermé en partie basse. Lorsqu’on abaisse le piston, l’eau contenue dans le corps de pompe est poussée dans la tuyauterie de refoulement.
• Pompe aspirante et foulante
C’est une combinaison des deux systèmes précédents. Le tuyau d’aspiration plonge dans l’eau. Lorsque le piston remonte, l’eau est aspirée; lorsque le piston descend, l’eau est poussée dans la tuyauterie de refoulement. Pour éviter le bruit provoqué par le mouvement saccadé de l’eau, on peut installer un anti bélier à vessie à proximité de la pompe.
• Pompe à piston plongeur
Ces pompes reprennent le principe de la pompe aspirante et foulante. Elles sont utilisées pour les pompes motorisées, compresseurs, pompes hautes pression …
• Pompe rotative
Dans les pompes rotatives, on trouve les pompes à engrenages, les pompes à palettes, les pompes péristaltiques (pompe doseuses) … Leur principe de fonctionnement est toujours le même: un volume de liquide est déplacé par l’engrenage, la volute excentrée ou les palettes de l’aspiration vers la tuyauterie de refoulement.
Les pompes péristaltiques sont utilisées lorsque le liquide pompé ne doit pas être en contact avec des pièces métalliques. Un galet écrase un tuyau souple pour en déplacer le liquide contenu dans celui-ci (exemple: dosages d’acide chlorhydrique pour une piscine fonctionnant avec un système de traitement par électrolyse).
Certaines pompes volumétriques déplacent un volume d’eau du point d’aspiration vers le point de refoulement.
POMPE CENTRIFUGE
C’est le modèle de pompe que l’on rencontrera le plus souvent dans les installations techniques. Sous l’effet de la rotation d’une roue mobile, l’eau est aspirée au centre de la roue et projetée vers l’extérieur (dans le collecteur).
Il existe différents modèles de roues centrifuges: fermée, semi-ouverte, hélico-centrifuge … qui auront tous des usages différents (liquide clair, liquides chargés, débits importants …).
Si l’on veut augmenter la pression, il suffit d’augmenter le diamètre de la roue (la force centrifuge sera plus importante) ou d’utiliser une pompe multicellulaire dans laquelle plusieurs roues mobiles sont montées en série sur un seul arbre.
HVDROÉJECTEUR
L’hydro éjecteur permet de pomper de l’eau jusqu’à une profondeur de 25 m, la pompe restant en surface. Ce dispositif se monte sur la tuyauterie d’aspiration de la pompe. De l’eau sous pression est envoyée dans la tuyère située face à un cône de Venturi, elle va créer une poussée qui va permettre d’augmenter la hauteur d’aspiration et d’aspirer l’eau située au fond du puits.
On gagne en hauteur d’aspiration mais on perd en débit car un tiers à la moitié de l’eau pompée est recyclée dans l’hydro éjecteur. Ce dispositif est encore utilisé par les pompiers pour puiser l’eau dans les rivières ou dans les bassins afin de remplir les camions.
Il faut amorcer la pompe en la remplissant d’eau grâce à l’entonnoir. Les manomètres permettent de contrôler le fonctionnement de l’ensemble, la vanne autorégulatrice permet d ajuster la quantité d’eau recyclée dans l’hydro éjecteur.
Lorsque l’eau est chargée, la buse se bouche régulièrement. Ce type d’installation est peu utilisé de nos jours.
POMPE BÉLIER OU BÉLIER HYDRAULIQUE
Découvert en 1792 par Joseph de Montgolfier, elle utilise la force cinétique de l’eau qui s’écoule dans une tuyauterie, pour l’élever au-dessus du niveau d’origine.
Ernest Bollée et son fils perfectionnent et commercialisent le système à partir de 1842 (plus de 2000 béliers en service dans les années 1930). La société n’existe plus de nos jours, mais on en trouve encore aujourd’hui dans les campagnes et plus généralement dans les lieux où l’on ne trouve pas d’électricité et où une pompe thermique coûte trop cher.
Le bélier hydraulique ne nécessite aucun entretien, les pièces d’usure sont conçues pour durer plusieurs années, voir plusieurs dizaines d’années. Une fois l’amorçage du mouvement effectué et les réglages réalisés, l’appareil fonctionne seul.
La consommation d’eau peut varier de 15 à 5000 I/min et la hauteur de chute doit être d’au moins 0,5 m.
Plus la hauteur de chute est importante, plus le bélier sera petit et la consommation «d’eau motrice» sera faible.
La hauteur d’élévation maximum est de 25 fois la hauteur de chute, elle peut dépasser les 100 m de hauteur (pour une hauteur de chute supérieure à 4 m), transporter l’eau sur plusieurs kilomètres et atteindre des débits supérieurs à 300 l/min (18 m3/h).
Le bélier se monte sur une tuyauterie rigide (en fonte ou en acier) appelée tuyauterie de batterie, qui doit résister aux coups de bélier répétés.
Le rendement (Tl) généralement pris en compte est de 0,65 si on élève l’eau de 10 fois la hauteur de chute et de 0,70 si on élève l’eau de 5 fois la hauteur de chute, mais il peut atteindre 0,8 en réduisant ce rapport.
Sur une installation en fonctionnement, on calculera le rendement avec la formule suivante:
η = q.h
Q.H
Avec:
q: débit de refoulement;
Q: débit moteur, dans la même unité de q;
h: hauteur de refoulement au dessus du niveau d’origine en mètres;
H: hauteur de chute en mètres.
On peut ainsi calculer d’une manière simplifiée les débits en fonction des hauteurs:
Débit de refoulement:
q = η . Q . H
h
Débit moteur:
Q = q . h
η .H
Principe de fonctionnement
La tuyauterie de batterie doit avoir un diamètre supérieur à l’orifice du clapet de décharge.
Dans un premier temps, il faut amorcer le mécanisme en ouvrant le clapet de décharge situé sur la soupape d’évacuation. Lorsque le débit et la vitesse de l’eau sont suffisants, il faut relâcher le clapet pour provoquer le premier coup de bélier.
- La soupape d’évacuation se ferme, il y a formation d’un coup de bélier (la pression augmente fortement dans la tuyauterie de batterie), la soupape de refoulement s’ouvre.
- L’eau qui passe par la soupape de refoulement comprime l’air situé dans la cloche, la pression dans la cloche augmente et la vitesse de l’eau diminue, le clapet de refoulement se referme.
- La fermeture de la soupape de refoulement entraîne une chute de pression dans la tuyauterie de batterie et dans le corps du bélier hydraulique, ce qui permet l’entrée d’air par le reniflard.
- Sous l’effet de la dépression et du recul de l’eau, la soupape de décharge s’ouvre, l’eau avance à nouveau.
- L’eau s’écoule dans la tuyauterie de batterie et par la soupape de décharge jusqu’à ce que la différence de pression la referme à nouveau.
Pompes centrifuges
La pompe centrifuge est le modèle le plus utilisé dans nos installations.
La pompe centrifuge est une pompe qui utilise la force centrifuge. Elle transforme l’énergie mécanique pour la transmettre à l’eau sous forme de débit et de pression (énergie cinétique et potentielle). La force centrifuge, est la force qui sous l’effet d’une rotation nous projette vers l’extérieur d’un manège, ou, maintient l’eau au fond du seau que l’on fait tourner). Dans le corps d’une pompe, le moteur relié par un arbre à la roue à aubes, met celle-ci en rotation. L’eau est mise en mouvement et projetée vers l’extérieur, dans la volute, puis dans la tuyauterie de refoulement. Ce mouvement provoque une dépression au centre de la volute, ce qui permet l’aspiration du liquide pompé.
Pour augmenter le débit et la pression, on augmentera le diamètre de la roue.
Le terme pompe est utilisé lorsque l’on déplace de l’eau d’un endroit vers un autre, le terme circulateur est utilisé lorsque l’on fait circuler l’eau dans un circuit fermé (chauffage central, boucle d’eau chaude sanitaire …).
Pour bien comprendre les effets et le fonctionnement d’une pompe centrifuge et pouvoir la choisir correctement, il faut maîtriser quelques notions théoriques.
• Pression – hauteur manométrique
On peut rappeler les données contenues dans le mémento technique:
1 bar = 10,2 mCE
Si l’on souhaite faire monter de l’eau sur une hauteur de 10,2 m, il faudra que la pompe fournisse une pression supérieure à 1 bar.
Dans la pratique, pour simplifier le calcul on prendra le plus souvent:
1 bar= 10 mCE
De la même manière, si l’on souhaite aspirer de l’eau sur une hauteur de 5 m, il faudra que la pompe provoque à l’aspiration une pression négative inférieure à – 0,5 bar.
• Hauteur d’aspiration – altitude
Variation de la hauteur d’aspiration en fonction de l’altitude: La pression atmosphérique varie en fonction de l’altitude, en conséquence, la hauteur d’aspiration d’une pompe diminue avec l’altitude.
Cette diminution est d’environ 0,12 m
pour 100 m au-dessus du niveau de la mer.
Ainsi une pompe qui aspire correctement à 7 m de profondeur (au niveau de la mer) n’aspirera plus à 1500 m d’altitude qu’à 5,2 m de profondeur:
7 m – (15 x 0,12) = 5,20 m
| ha: hauteur d’aspiration
La: longueur de la tuyauterie d’aspiration Hr: hauteur de refoulement Lr: longueur de la tuyauterie de refoulement |
| ha: hauteur d’aspiration
La: longueur de la tuyauterie d’aspiration Hr: hauteur de refoulement Lr: longueur de la tuyauterie de refoulement |
| ha: hauteur d’aspiration
La: longueur de la tuyauterie d’aspiration Hr: hauteur de refoulement Lr: longueur de la tuyauterie de refoulement |
| ha: hauteur d’aspiration
La: longueur de la tuyauterie d’aspiration Hr: hauteur de refoulement Lr: longueur de la tuyauterie de refoulement |
ha: hauteur d’aspiration
La: longueur de la tuyauterie d’aspiration Hr: hauteur de refoulement
Lr: longueur de la tuyauterie de refoulement
• Relation débit-pression
La pression est la force qui, exercée sur l’eau, provoque son déplacement lorsqu’une robinetterie est ouverte (se reporter au paragraphe sur la relation débit-pression du chapitre 1, Mémento technique).
• Vitesse – pertes de charge – PdC = Z·Q²
Les pertes de charge sont proportionnelles au carré de la vitesse. Pour un même débit, si on diminue le diamètre intérieur de la tuyauterie (ce qui a pour effet d’augmenter la vitesse), on augmente de manière importante les pertes de charge:
PdC=Z·Q²
Avec :
Z: coefficient qui caractérise le réseau de tuyauteries;
PdC: pertes de charge totales de l’installation en fonction du débit;
Q 2: carré du débit mesuré ou calculé dans l’installation.
Les pertes de charge des tuyauteries d’aspiration et de refoulement sont données dans le paragraphe suivant. Pour plus de précision, se reporter aux abaques de calculs ou aux abaques fournis par les constructeurs.
- Les courbes de pompe – courbes de réseau point de fonctionnement
Courbe de pompe
La courbe de pompe détermine les performances hydrauliques de celle-ci (hauteur manométrique et débit). Le point de fonctionnement d’une installation (pertes de charges – débit) devra se situer sur la courbe de pompe.
Attention, les constructeurs de pompes donnent dans les caractéristiques une hauteur manométrique et un débit. Ceux-ci représentent les valeurs maximales que ne peut dépasser la pompe, les valeurs de fonctionnement réelles de l’installation seront toujours inférieures à ces valeurs maximales et devront être contrôlées graphiquement sur la courbe de pompe.
Lorsque que l’installation offre une résistance (pertes de charge) faible, la pompe forcera peu et le débit sera important; inversement, lorsque l’installation offre une résistance importante, la pompe forcera plus et le débit diminuera.
En général, on choisi un point de fonctionnement situé sur le tiers de la partie centrale de la courbe, car elle correspond au fonctionnement de la pompe à son meilleur rendement.
Il est souhaitable de choisir un point de fonctionnement situé dans la partie centrale (en gras) de la courbe, et préférable de choisir sa position dans le tiers central de la courbe en gras (en gris sur le graphique), c’est dans cette zone que le rendement est le meilleur.
- Si le point de fonctionnement se situe trop à gauche de la courbe, la pompe force trop, sa consommation d’énergie sera importante.
- Si le point de fonctionnement se situe trop à droite de la courbe, le débit dans l’installation sera trop important, on risquera d’avoir des bruits de fonctionnement importants et de faire caviter la pompe.
Pour faciliter la sélection, les constructeurs proposent des pompes ayant trois vitesses. Dans ce cas, il suffit de tourner un commutateur pour choisir la vitesse de la pompe et la courbe correspondante.
On trouvera aussi des courbes de pompe proportionnelles ou des courbes à pression constante pour les circulateurs de chauffage notamment, lorsque les besoins en débit varient de manière importante dans l’installation alors que la hauteur manométrique varie peu.
Courbes de réseau
Chaque installation (réseau) est caractérisé par ses pertes de charge, celles-ci évoluent en fonction de la vitesse de l’eau (donc du débit). Lorsque la vitesse augmente, les frottements et les pertes de charge augmentent aussi.
Les pertes de charge correspondent à une perte de pression dans l’installation, ce que devra compenser la pompe (pour plus de détails se reporter au chapitre 1, Mémento technique – Pertes de charge).
Un réseau très résistant est un réseau dont les pertes de charge augmentent de manière très importante lorsque le débit augmente peu.
Un réseau peu résistant est un réseau dont les pertes de charge augmentent peu lorsque le débit augmente de manière importante.
Ainsi, si l’on prend par exemple une installation particulière équipée d’un circulateur, l’intersection de la courbe réseau (qui caractérise l’installation) et de la courbe de pompe déterminera le point de fonctionnement de l’ensemble réseau-pompe.
Coefficient de la courbe de réseau
À partir d’une seule mesure effectuée sur le manomètre situé sur l’installation (manomètre du circulateur, on peut calculer le coefficient qui caractérise cette courbe de réseau. Ce coefficient sert à recalculer le débit en fonction de la hauteur manométrique ou, la hauteur manométrique en fonction du débit dans l’installation. On peut donc prévoir à l’avance qu’elle sera la perte de charge dans l’installation si on fait varier le débit.
On peut ainsi calculer le coefficient caractéristique du réseau:
z = ,1p = 2,05 = 0,2277
q2 32
À partir de cette valeur de Z, on peut recalculer la valeur des pertes de charge de l’installation en fonction du débit (remplacement d’une pompe, augmentation de la puissance de l’installation et donc du débit..).
Pour plus de précision dans le calcul, si le circulateur possède 3 vitesses, on effectuera plusieurs mesures et plusieurs calculs pour trouver une valeur plus précise du coefficient caractéristique du réseau, en effectuant une moyenne des valeurs trouvées.
Une méthode plus rapide consistera à utiliser le calcul suivant:
- on effectue une mesure de perte de charge (pdC,) pour un débit donné (qv,) ;
- pour connaître la perte de charge (pdC2) au débit souhaité (qv)’ on utilisera la formule suivante:
| OV22
pdC = pdC,x Q 2 v1 |
o Courbe de réseau circuit ouvert
Il faut noter que pour un circuit ouvert, la courbe de réseau ne passe pas forcément par le zéro. Par exemple, si on considère une installation de pompage qui alimente un réservoir situé 10 m au-dessus, lorsque la pompe fournit une pression inférieure à 10 mCE, le débit sera nul car l’eau ne p rt d h sortira pas de la tuyauterie. L’eau ne circulera dans l’installation que lorsque la pression fournie par la pompe est supérieure aux 10 mCE nécessaires pour compenser la hauteur géométrique de l’installation.
• Montage série – parallèle
Montage en série
Lorsque l’on monte plusieurs pompes identiques en série, le débit théorique au refoulement ne change pas et la pression maximum théorique est doublée (lorsque les pompes sont identiques), c’est le principe des pompes multicellulaires. Les pompes monocellulaires ne sont montées en série que pour des applications très particulières (industrie, filtration …). Dans la pratique, si l’on monte deux pompes en série, le point de fonctionnement va se décaler, le débit et la hauteur manométrique vont augmenter (se reporter au paragraphe précédent, Courbes de réseaux).
Montage parallèle
Lorsqu’on monte plusieurs pompes identiques en parallèle, la pression théorique au refoulement ne change pas et le débit maximum augmente.
Ce type de montage permet de faire varier le débit de l’installation par la mise en marche successive de pompes identiques selon les besoins (fonctionnant en cascade). Chaque pompe sera équipée d’un clapet anti retour ou d’une électrovanne pour éviter la circulation parasite d’eau dans les pompes à l’arrêt,
On se rend compte que la variation de débit dépend de la courbe de réseau (réseau très résistant ou peu résistant), le débit n’est pas doublé.
On considère que la variation de débit est de 20 à 40 % en fonction de l’allure des courbes de pompes et de la courbe de réseau.
Pour les circulateurs doubles de chauffage et pour les pompes d’assainissement, l’utilisation de pompe en parallèle permet souvent d’assurer le secours en cas de panne de l’une des deux pompes, on a un fonctionnement alterné (l’une ou l’autre).
• Rendement et choix des courbes
Le rendement d’une pompe dépendra principalement de la position du point de fonctionnement.
Il est possible de calculer le rendement réel d’une pompe à partir de relevés hydrauliques et électriques effectués sur l’installation, mais les mesures restent peu précises et les calculs présentent une marge d’erreur importante.
• Cavitation – NPSH
La cavitation est un phénomène important dans le choix d’une pompe.
Sous l’effet de la baisse de pression, l’eau se vaporise à l’aspiration de la pompe, ce qui provoque localement des variations de pression importantes qui vont provoquer un bruit important et endommager la pompe (destruction de la volute).
LES DIFFÉRENTS MODÈLES DE POMPES
• Pompes monocellulaires: rotor noyé – moteur ventilé
Un moteur électrique est composé de deux parties:
- un stator (composés d’enroulement électrique fixes qui vont créer un champ magnétique mobile) ;
- un rotor; sous l’effet du champ magnétique, il va tourner et entraîner l’arbre et la roue mobile de la pompe.
Pour refroidir un moteur électrique, il existe principalement deux solutions:
- refroidir le moteur grâce au fluide pompé, c’est le rotor noyé;
- refroidir le moteur grâce à l’air environnant, c’est le moteur ventilé.
Rotor noyé
La technologie du rotor noyé est utilisée principalement dans les circulateurs. Une partie du fluide qui circule passe dans une chemise étanche autour du rotor pour limiter son échauffement (de l’eau à 90 DC limite l’échauffement du moteur qui peut supporter des températures dépassant les 120 DC) .
Le circulateur à rotor noyé demande peu d’entretien et peut fonctionner plusieurs dizaines d’années, il reste moins bruyant qu’un moteur ventilé.
Moteur ventilé
Le moteur est refroidi par un « ventilateur» placé sur l’axe du moteur à l’extrémité opposée de la pompe, le ventilateur refroidi le moteur à ailettes (surface d’échange plus grande) en utilisant l’air de la pièce. Les constructeurs préconisent une température d’air maximale pour assurer le bon refroidissement du moteur
• Pompes en ligne ou pompe axiale
Une pompe est dite en ligne (in line) lorsque l’orifice d’aspiration et l’orifice de refoulement sont situés sur le même axe, ce qui facilite le raccordement sur la tuyauterie. C’est le cas des circulateurs de chauffage.
Les pompes axiales sont les pompes dont l’aspiration est axiale (au centre de la roue, dans l’axe du moteur) et le refoulement radial. Elles sont généralement plus compactes, et peuvent reposer sur le sol
• Pompes multicellulaire ou à étage
Lorsque l’on veut augmenter la pression à la sortie d’une pompe sans augmenter son diamètre, il suffit de monter en série plusieurs roues de petit diamètre pour obtenir la pression voulue, on parle de pompes multicellulaires ou à étage. Ce type de pompe est utilisé pour les pompes à haute pression ou pour les pompes immergées profondes qui nécessitent une Hmt importante.
• Pompes à moteur séparé
Les pompes à moteur séparé sont des pompes de forte puissance, on les utilise sur de grosses installations de génie climatique.
• Systèmes à courroie
Il existe différentes manières de positionner les courroies.
Le diamètre de la poulie motrice se détermine par la formule suivante:
vp
Dm = 1 ,03 x Op x vm
Avec
Dm: diamètre de la poulie moteur;
Dp: diamètre de la poulie pompe;
vm: vitesse de rotation du moteur en tours par minute;
vp: vitesse de rotation de la pompe en tours par minute.
• Pompes à axe horizontal
Il faut veiller à ce que l’arbre du moteur et l’arbre de la pompe soient parfaitement parallèles pour que les poulies soient alignées, ce qui évite l’usure des courroies.
Il ne faut pas dépasser un rapport de transmission de 6 à 7 (rapport entre les diamètres des deux poulies).
La distance entre les axes des poulies doit être d’au moins trois fois le diamètre de la plus grande. Les poulies et les courroies doivent être protégées de tout contact accidentel.
Pour faciliter le réglage de l’alignement des poulies, on montera le moteur sur des rails réglables.
On évitera les montages avec des courroies verticales ou croisées, il faudra veiller à ce que le brin tendu soit situé au-dessous.
• Pompe à axe vertical
Une pompe à axe vertical commandée par un moteur à axe horizontal exige l’emploi d’une courroie demi-croisée. Il faudra procéder à l’ajustage, c’est-à-dire placer les poulies de façon que la courroie les aborde perpendiculairement à l’axe. La courroie quittera les poulies en biais.
• Pompes simples – pompes doubles
L’utilisation des pompes doubles dans les circuits fermés se fait principalement dans le but d’assurer une continuité de service (une tête fonctionne en continu, l’autre est en secours).
• Pompes auto-amorçantes
Les pompes auto-amorçantes sont souvent de petites pompes domestiques destinées à un usage ponctuel (arrosage des jardins, vidange d’une piscine …). Pour éviter la procédure d’amorçage de la pompe à chaque utilisation (remplissage complet de la tuyauterie d’aspiration, purge d’air …), les constructeurs ont fabriqué des pompes auto-amorçantes.
L’auto-amorçage est la capacité de la pompe à créer dans la tuyauterie d’aspiration un vide suffisant pour faire monter le liquide pompé. La conception de la roue et du corps de pompe permet un recyclage de l’eau pompée à l’intérieur de la pompe jusqu’à ce que la tuyauterie d’aspiration soit entièrement remplie d’eau, cet amorçage peut durer plusieurs minutes.
La procédure d’amorçage consiste simplement à remplir le corps de pompe d’eau (moins de 1 1) afin de lubrifier et refroidir la pompe pendant la phase d’amorçage.
Ce recyclage d’eau à l’intérieur de la pompe la rend un peu plus bruyante et diminue ses performances techniques.
Elles peuvent s’installer en poste fixe ou portatif, principalement pour une utilisation au jardin.
1 ali mahjoub
diametre de poulie moteur 4cylindres et poulie pompe verticale 1sur2 courroie fait 1tour pompe pompe axiale 7tuyeaux de 3m
Ecrit le 15 décembre 2010 à 10:29