Vous ne pensez probablement jamais aux machines qui déplacent le fluide jusqu’à ce que quelque chose se brise. Puis on se rend compte que sans pompes, la civilisation s’arrête. Ce sont des appareils simples dans leur concept : dépenser de l’énergie, déplacer du liquide. Mais l’ingénierie nécessaire pour le faire efficacement ? Il s’agit d’une histoire complexe et difficile de l’exploitation minière, de la physique et de la science des matériaux.
Les premières versions étaient basées sur la force brute. Pensez aux roues hydrauliques perses et romaines. Ou la vis d’Archimède. Vous le faites tourner, l’eau monte. Simple. Mais à mesure que les opérations minières du Moyen Âge creusaient plus profondément, de simples roues ne suffisaient plus. Ils avaient besoin de pompes aspirantes.
Georgius Agricola les a décrits dans De re metallica en 1556. Le principe repose sur la pression atmosphérique. Soulevez un piston. Créez un vide partiel. La pression de l’air extérieur pousse l’eau dans le cylindre. C’est une astuce intéressante. Jusqu’à ce que vous atteigniez une limite stricte.
La pression atmosphérique ne peut pousser l’eau que jusqu’à environ 34 pieds (10 mètres). Essayer d’aspirer l’eau d’un puits de mine plus profond que cela ? Cela ne fonctionnera pas. Le vide échoue. Les ingénieurs ont donc inventé la pompe à force. Désormais, la course vers le bas du piston force physiquement l’eau à sortir par une vanne latérale. La hauteur dépend de la force que vous appliquez, pas seulement de la pression atmosphérique.
Classification des pompes
Comment catégoriser ce chaos ? Cela revient au transfert d’énergie. Il existe trois manières de base de déplacer un fluide :
- Déplacement volumétrique. Déplacer un morceau de fluide du point A au point B.
- Énergie cinétique. Faire tourner le fluide rapidement ou le frapper avec une impulsion.
- Force électromagnétique. Utilisation de champs magnétiques pour pousser des fluides conducteurs. Celui-ci nécessite que le fluide soit un bon conducteur électrique.
Si vous déplacez du gaz, vous parlez probablement de compresseurs, de soufflantes ou de ventilateurs. Si vous déplacez mécaniquement un fluide, il s’agit d’une pompe volumétrique. Si vous utilisez une turbine rotative pour ajouter de la vitesse, il s’agit d’une pompe cinétique.
Il existe ici une règle générale. Les pompes volumétriques traitent de faibles volumes à haute pression. Les pompes cinétiques gèrent des volumes élevés à basse pression. C’est un compromis. Vous ne pouvez pas avoir les deux sans une ingénierie spécialisée.
Il y a un piège. Vous avez besoin d’une certaine pression d’entrée juste pour que le fluide s’écoule dans la pompe. Si cette pression est trop faible, vous obtenez une cavitation. Il s’agit de la formation d’espaces vides là où le liquide devrait se trouver. Des bulles de vapeur se forment dans la conduite d’aspiration. Ils voyagent dans la pompe. Ils ont touché une région de pression plus élevée. Ils s’effondrent.
Le résultat ? Bruit excessif. Vibration. Corrosion. Érosion. La pompe se mange de l’intérieur.
L’efficacité de la pompe n’est pas statique. Cela dépend du fluide. Les liquides mobiles comme la pompe à eau sont efficaces. Des fluides visqueux comme la mélasse ? Pas tellement. La viscosité diminue à mesure que la température augmente. C’est pourquoi les installations industrielles chauffent souvent des liquides épais avant de les pomper. C’est un hack pratique. Faites chauffer. Ça coule mieux.
Pompes volumétriques
Ces pompes soulèvent un volume donné pour chaque cycle. Ce sont des bêtes de somme fiables. Divisé en deux classes principales : alternatif et rotatif.
Les modèles alternatifs comprennent les types à piston, à piston et à diaphragme. Les pompes rotatives comprennent les pompes à engrenages, à lobes, à vis, à palettes et à cames.
La pompe à piston est le type courant le plus ancien. Il est constitué d’un cylindre. Un piston ou un piston se déplace d’avant en arrière. Dans une pompe à piston, le joint est fixe. Le piston pousse dans le fluide. Dans une pompe à piston, le joint se déplace avec le piston.
À mesure que le piston se déplace vers l’extérieur, le volume dans le cylindre augmente. Le fluide entre par une vanne d’entrée unidirectionnelle. Au fur et à mesure qu’il se déplace vers l’intérieur, le volume diminue. Pics de pression. Le fluide est expulsé par la vanne de sortie.
Le débit de pompage n’est pas constant. Il atteint zéro lorsque le piston change de direction. Il culmine à mi-chemin du coup. Pour lisser cela, vous pouvez utiliser les deux côtés du piston. Pompes à double effet. Ou vous pouvez ajouter plus de cylindres.
Vous pouvez faire varier le taux en modifiant la vitesse de va-et-vient de la tige de piston. Ou en modifiant la longueur de course. Le piston peut être entraîné directement par de la vapeur, de l’air comprimé ou de l’huile hydraulique. Ou grâce à une liaison mécanique qui transforme le mouvement rotatif en mouvement alternatif.
Ces pompes sont chères. Mais ils sont durables. Les pompes à piston fonctionnent depuis plus de 100 ans sans réparation ni remplacement. Ce n’est pas une faute de frappe. Un siècle de service.
Les pompes à membrane fonctionnent de la même manière mais remplacent le piston par une membrane flexible pulsée. Pas de garnitures en contact avec le fluide. Cela résout un problème spécifique. Des fuites. Si vous pompez des produits chimiques toxiques, corrosifs ou coûteux, vous ne pouvez pas vous permettre une fuite à travers la garniture. Le diaphragme garde tout scellé à l’intérieur.
Le liquide entre et sort par les clapets anti-retour. Le diaphragme peut être actionné mécaniquement ou par un fluide comme de l’air comprimé ou de l’huile.
Ils délivrent une sortie pulsée. Liquides. Gaz. Mélanges. Ils sont utiles pour les liquides contenant des particules solides. Et ils peuvent fonctionner à sec pendant de longues périodes. Vous pouvez également modifier le débit de pompage pendant que la machine est en marche.
Comment les pompes à engrenages externes déplacent réellement le fluide
La plupart des gens pensent que les pompes sont des boîtes magiques qui aspirent les choses et les recrachent. Ce n’est pas le cas. Ce ne sont que des pièges mécaniques. La pompe à engrenages externes, la bête de somme de la manipulation des fluides industriels, repose sur une astuce étonnamment simple.
Une vitesse tourne. Il est entraîné par un moteur ou un moteur. L’autre équipement reste là et se laisse pousser. Il fonctionne gratuitement.
C’est ici que la physique devient intéressante. Lorsque ces dents s’éloignent les unes des autres, elles créent un vide. Un vide partiel. La nature déteste le vide, alors elle se précipite pour combler le vide. Le liquide est aspiré dans cet espace entre les dents et le boîtier.
Mais le piège ne reste pas ouvert éternellement.
Les engrenages s’enclenchent à nouveau. Les dents se bloquent. Le liquide n’a nulle part où sortir. La pression monte. Il force le liquide dans la conduite de refoulement.
Pensez à la directionnalité. Vous pouvez inverser la rotation. Si vous faites tourner les engrenages dans l’autre sens, l’admission et la sortie changent de place. La pompe refoule dans les deux sens, en fonction entièrement du sens de rotation du moteur.
C’est efficace. C’est robuste. Mais c’est aussi basique.
Un vide partiel, créé par le dégrènement des engrenages en rotation, aspire le fluide dans la pompe.
Ce mécanisme explique pourquoi les pompes à engrenages sont partout. Ils déplacent des huiles épaisses. Ils déplacent des carburants. Ils déplacent des produits chimiques qui détruiraient une turbine plus délicate.
Le boîtier est fixe. Ça ne bouge pas. Les dents bougent à l’intérieur. Le liquide circule d’un côté à l’autre, emprisonné dans les poches situées entre les dents et la paroi. C’est une boucle continue.
Il n’y a pas de pulsation. Aucune vibration. Juste une pression constante et rythmée.
Pourquoi est-ce important ? Parce que lorsque vous devez déplacer quelque chose qui ne veut pas bouger (une boue épaisse, une graisse visqueuse, un polymère épais), vous avez besoin d’un déplacement positif. Vous devez pousser physiquement la molécule vers l’avant.
Les pompes à engrenages font exactement cela. Ils captent le liquide. Ils le détiennent. Ils le jettent de l’autre côté.
Simple. Brutal. Efficace.
Le design n’a pratiquement pas changé depuis un siècle. Ce n’est pas un signe de stagnation. C’est un signe de perfection.
Ou assez proche.
Une fois que le fluide quitte le point de maillage, il est sous pression. Haute pression. Assez pour passer à travers des tuyaux étroits. De quoi vaincre la résistance.
Vous pouvez inverser le flux. Vous pouvez changer la direction de la décharge. Inversez simplement la rotation.
C’est là toute sa beauté. Un moteur. Deux vitesses. Une boucle fermée.
Cela fonctionne jusqu’à ce que ce ne soit plus le cas. L’usure finit par relâcher les tolérances. L’écart entre les dents et le boîtier augmente. L’efficacité chute. La pompe déplace toujours du fluide, mais en moins grande quantité.
Mais c’est un problème pour demain.
Pour l’instant, les engrenages tournent. Le vide se forme. Le fluide se déplace.
Et nous n’avons même pas besoin d’y penser.
Mécanique et limitations des engrenages internes
Regardez la pompe à engrenages internes dans la figure 2. C’est une machine intelligente. L’engrenage mené est un rotor avec des dents taillées dans sa circonférence intérieure. Ces dents engrènent avec un engrenage fou doté de dents externes. Le spectateur est décentré. Ce décalage crée l’action de pompage. Une partie fixe du boîtier appelée croissant divise le flux. Il sépare le pignon fou du rotor.
Cette conception gère bien les liquides contenant des vapeurs ou des gaz emprisonnés. Mais il y a un piège. La pompe dépend du liquide lui-même pour lubrifier les pièces mobiles à l’intérieur. Pomper du gaz pur ? Les engrenages se frottent les uns contre les autres sans ce film protecteur. Ils s’usent vite. Donc les gaz sont sortis.
Pour les liquides, le débit est constant. Pulsations négligeables. Si vous maintenez la vitesse du rotor constante, vous obtenez un débit constant. Mais l’usure change la donne. L’érosion et la corrosion élargissent les écarts entre les engrenages. Le liquide reflue par ces interstices au lieu d’avancer. L’efficacité chute.
Les pompes à engrenages internes nécessitent du fluide pour assurer la lubrification, ce qui les rend impropres au pompage de gaz.
Le colmatage est l’autre ennemi. Les particules solides bloquent les espaces restreints. Vous ne pouvez pas faire fonctionner ces pompes avec des boues ou des fluides riches en débris. Cependant, ils n’ont pas besoin de clapets anti-retour. Cette simplicité leur permet de manipuler des liquides très visqueux. Des huiles épaisses ? Aucun problème.
Pompes à lobes et compresseurs
Les pompes à lobes ressemblent aux cousines des pompes à engrenages externes. Ils partagent la même forme de base. Mais les rotors sont différents. Au lieu d’engrenages, ils ont des lobes. Deux, trois ou quatre lobes. La principale différence réside dans la manière dont ils se déplacent. Les deux rotors sont entraînés. Ils ne sont pas engrenés comme des engrenages.
Cette conception signifie plus de pulsation dans la sortie. Les pompes à engrenages externes sont plus douces. Les pompes à lobes ont un débit plus brutal. Mais ils s’usent moins. Les rotors ne se touchent pas. Il n’y a pas de contact métal sur métal. Cela les rend durables pour les matériaux abrasifs, bien que moins efficaces en termes de stabilité d’écoulement.
Les compresseurs à lobes utilisent ce même principe. Ils pompent du gaz. Chaque rotor possède deux lobes. Ils déplacent de l’air ou du gaz là où les pompes à engrenages tomberaient en panne en raison d’un manque de lubrification.
Le principe de la pompe à vis
Les pompes à vis fonctionnent différemment. Un rotor à vis hélicoïdale tourne à l’intérieur d’un boîtier fixe. Le boîtier est façonné pour former des cavités. Au fur et à mesure que la vis tourne, ces cavités se déplacent de l’admission vers l’évacuation.
Lorsqu’une cavité se forme à l’admission, elle crée un vide partiel. Ce vide aspire le fluide dans la pompe. Le fluide se déplace à l’intérieur de cette cavité en progression. Il n’éclabousse pas. Il se déplace en ligne droite.
Du côté du refoulement, le boîtier se rétrécit. La cavité se ferme. Cette fermeture augmente la pression. La pression force le fluide dans la conduite de sortie. C’est une méthode de déplacement positif.
Les pompes à vis créent un débit constant en emprisonnant le fluide dans des cavités progressives qui se déplacent axialement à travers la pompe.
Ces pompes sont polyvalentes. Ils manipulent des liquides contenant des vapeurs. Ils manipulent également des particules solides. La conception hélicoïdale permet aux débris de passer sans se coincer. La sortie est stable. Pulsations négligeables pour une vitesse de rotor donnée.
Ils n’ont pas besoin de clapets anti-retour d’entrée ou de sortie. Cela les rend idéaux pour les liquides visqueux. Les substances épaisses glissent facilement. Aucune vanne supplémentaire à boucher.
Compromis en matière de coût et de longévité
Les pompes à vis ne sont pas bon marché. Ils sont
La pompe à palettes coulissantes, comme le montre la figure 3, repose sur un agencement mécanique simple mais astucieux. Le rotor est décentré à l’intérieur du boîtier. Les aubes rectangulaires sont insérées dans des fentes le long du bord du rotor. Lorsque le moteur fait tourner le rotor, la force centrifuge pousse les aubes vers l’extérieur. Ils appuient fortement contre la paroi intérieure incurvée du boîtier fixe. Cela crée un joint étanche.
Lorsque le rotor tourne, il crée un vide partiel du côté aspiration. Le liquide s’engouffre pour combler ce vide. Les aubes rotatives emprisonnent des poches de liquide entre le rotor et le carter. Ils transportent ce fluide vers le côté refoulement. Là, l’espace se rétrécit. La pression monte. Le fluide est expulsé vers la conduite de sortie.
Comment ajuster le débit
Vous pouvez contrôler le débit de pompage en ajustant l’excentricité. Cela signifie changer le degré de décentrage du rotor. Déplacez-le et vous modifiez le volume balayé par les aubes. Le design compense automatiquement l’usure. Les aubes glissent vers l’intérieur et l’extérieur à mesure qu’elles s’usent. Ils restent en contact avec le boîtier. La capacité de pompage ne diminue que lorsque les aubes sont très usées.
Ces pompes sont robustes. Ils fournissent une sortie constante avec des pulsations négligeables à n’importe quelle vitesse donnée. Vous n’avez pas besoin de clapets anti-retour d’entrée ou de sortie. Cela simplifie le système. Ils gèrent bien les liquides mélangés à des vapeurs ou des gaz. Mais ils échouent avec les solides. Si votre fluide contient des particules, n’utilisez pas de pompe à palettes. Les aubes se bloqueront ou s’useront instantanément.
Il existe également des compresseurs à palettes, mais ils pompent des gaz et non des liquides.
Le passage aux pompes cinétiques
Les pompes cinétiques fonctionnent selon un principe différent. Ils transmettent d’abord la vitesse au fluide. Ensuite, ils convertissent cette énergie cinétique en hauteur de pression. La majeure partie de la vitesse devient une pression statique. Cette classe comprend les pompes centrifuges et régénératives.
Les pompes centrifuges existent depuis environ 1680. Pendant des siècles, elles ont été peu utilisées. Pourquoi? La technologie n’était pas tout à fait là. Il a fallu attendre le XXe siècle pour que les pompes cinétiques deviennent courantes. Les matériaux et la précision de fabrication nécessaires pour gérer efficacement les vitesses élevées sont enfin arrivés. Aujourd’hui, ils dominent les mouvements fluides à grande échelle.
La différence est fondamentale. Les pompes à palettes piègent des volumes discrets de fluide. Les pompes cinétiques accélèrent un flux continu. L’un d’entre eux est le déplacement positif. L’autre est dynamique. Les deux ont leur place. Mais si vous déplacez de l’eau dans une ville, vous utilisez probablement une pompe cinétique. Si vous dosez de l’huile dans une petite machine, vous pouvez utiliser une pompe à palettes.
L’histoire des pompes est une histoire d’efficacité. Nous sommes passés du piégeage du fluide au lancement. Des garnitures mécaniques aux pales aérodynamiques. La pompe à palettes reste utile. Sa simplicité est sa force. Mais l’évolutivité de la pompe cinétique a changé l’industrie. Nous avons arrêté de construire des bâtiments plus petits et plus forts. Nous avons commencé à construire plus vite et plus grand.
Il y a une raison pour laquelle nous utilisons encore des aubes dans certaines applications. La fiabilité compte. Mais l’avenir appartient à ceux qui peuvent se déplacer de manière plus fluide avec moins d’énergie. La pompe cinétique fait cela. Ce n’est pas seulement une question de pression. C’est une question d’élan. Et l’élan est difficile à battre lorsque vous déplacez des millions de gallons.
La pompe centrifuge standard
Vous ne les remarquerez probablement pas, mais les pompes à débit radial font le gros du travail dans tous les domaines, de l’approvisionnement en eau de votre maison aux systèmes de refroidissement industriels. Plus précisément, la pompe à volute domine cette catégorie. C’est le bourreau de travail que vous voulez connaître.
Le fluide pénètre dans la turbine près de son centre. La roue tourne à grande vitesse. Cela projette le fluide vers l’extérieur contre le corps de la pompe. Le résultat est un vide partiel. Ce vide aspire plus de liquide. Le cycle continue.
Pourquoi les pompes à volute gagnent
Ces unités sont robustes. Leur production est également relativement peu coûteuse. Si vous avez besoin d’un fonctionnement silencieux et fiable, c’est un bon choix. Les performances restent stables même lorsque la corrosion et l’érosion tentent de faire des ravages.
La construction est simple. La compacité est importante dans les espaces restreints. Vous n’avez pas besoin de clapets anti-retour d’entrée ou de sortie. Cela simplifie la tuyauterie. Cela réduit les points de défaillance potentiels.
Les pompes centrifuges à volute sont robustes, silencieuses et fiables, avec des performances largement insensibles à la corrosion et à l’érosion.
Quand ils luttent
Ils ne sont pas parfaits. Ils peuvent traiter des liquides contenant des particules solides. Mais introduisez trop de vapeur dans le mélange. L’aspiration se brise. La cavitation s’ensuit. C’est mauvais pour la longévité.
La viscosité est un autre ennemi. Ces pompes fonctionnent mieux avec des liquides non visqueux. Pompez quelque chose d’épais. Vous verrez la capacité diminuer considérablement.
L’alternative au diffuseur
Toutes les pompes à débit radial n’utilisent pas de volute. Il y a la pompe diffuseur. Il faut une approche différente une fois que le fluide quitte la turbine.
Le fluide traverse un anneau d’aubes fixes. Ces aubes diffusent le liquide. Ils assurent un débit contrôlé. Plus important encore, ils convertissent plus efficacement la hauteur dynamique en hauteur de pression.
C’est une question d’efficacité. La volute est simple. Le diffuseur est optimisé. Choisissez en fonction de ce que votre processus exige.
Mécanique axiale et à flux mixtes
Le rotor d’une pompe centrifuge à flux axial est essentiellement une hélice. Le fluide se déplace parallèlement à l’axe, comme le montre la figure 5. Les aubes de diffusion se trouvent dans l’orifice de décharge. Ils tuent la vitesse de rotation donnée par l’hélice au fluide. Les compresseurs axiaux déplacent également les gaz en utilisant ce même principe.
Les pompes à débit mixte empruntent un chemin différent. Le fluide sort radialement et axialement. Il entre dans un boîtier de type volute. La géométrie change simultanément la direction et la pression.
Dynamique des pompes régénératives
Une pompe régénérative est également appelée pompe à turbine ou pompe périphérique. La roue comporte des aubes des deux côtés de son bord. Il tourne à l’intérieur d’un canal en forme d’anneau à l’intérieur du boîtier.
Le liquide ne sort pas librement de la pointe de la turbine. Au lieu de cela, il recircule vers un point inférieur du diamètre de la roue. Ce processus est appelé régénération. Il booste la hauteur de tête développée par la pompe.
Les dégagements dans ces pompes sont serrés. Vous ne pouvez pas les utiliser pour des liquides contenant des particules solides. Les solides bloqueraient le mécanisme. Ils manipulent des liquides contenant des vapeurs et des gaz. Ils peuvent même pomper des gaz s’il y a suffisamment de liquide pour sceller les espaces restreints. Ils sont strictement destinés aux liquides mobiles.
Principes des pompes électromagnétiques
Les pompes électromagnétiques présentent une limitation majeure. Ils ne fonctionnent qu’avec des fluides qui conduisent bien l’électricité. Le tuyau transportant le fluide se trouve dans un champ magnétique. Un courant traverse le fluide de manière transversale. Cela crée une force électromagnétique. La force pousse le fluide dans le sens de l’écoulement.
Le courant et le champ peuvent être générés de différentes manières. Le principe correspond à celui d’un moteur électrique. Ces pompes sont essentielles au refroidissement des réacteurs nucléaires. Ils déplacent efficacement les métaux liquides sans déplacer les pièces mécaniques dans le flux fluide.
Les vérins à gaz fonctionnent sans une seule pièce mobile. Le gaz comprimé atteint le liquide au fond du puits. Le mélange devient plus léger. La flottabilité prend le dessus. Il monte et se déverse. Cette conception gère facilement les solides. Autrefois courants pour l’eau et le pétrole, les transports aériens sont désormais rares.
Le principe de l’éjecteur à jet
Le fluide circule à travers une buse venturi. Pics de vitesse. La pression chute. Cela crée une succion. Un deuxième flux de fluide est entraîné.
Les aspirateurs utilisent de l’eau pour cela. Les éjecteurs de vapeur poussent les vapeurs. Ils traitent de gros volumes à basse pression. La vapeur à grande vitesse pénètre dans la pompe. Il transfère de l’élan au gaz. Le mélange atteint le diffuseur. L’énergie cinétique se transforme en pression. Le gaz passe de basse à haute pression. Ces pompes datent de 1850.
Béliers hydrauliques et coups de bélier
Un écoulement d’eau vers le bas en élève une partie plus haut. Le tuyau d’entrée voit un clapet anti-retour se fermer. L’énergie cinétique s’arrête brusquement. Comme un coup de bélier. Pics de pression. Une deuxième vanne s’ouvre. L’eau pénètre dans la chambre à air. Il pousse le tuyau de refoulement vers le haut.
La pression à l’entrée chute. La première valve se rouvre. L’air comprimé scelle la chambre. Le cycle se répète. Environ 15 pour cent de l’eau d’entrée atteint cinq fois sa hauteur de chute. Développés à la fin du XVIIIe siècle, ils alimentent encore certains systèmes domestiques.
Créer un vide
Les pompes à vide sont des compresseurs. Ils aspirent du gaz en dessous de la pression atmosphérique. Ils le compressent. Ils se déchargent à pression atmosphérique. Le gaz basse pression a un grand volume. Ces pompes sont volumineuses.
Les éjecteurs à jet de vapeur dominent l’industrie. Les pistons alternatifs fonctionnent aussi. Les pompes à palettes sont courantes. Tous servent à évacuer l’air.
