Pompes - Compresseurs - Ventilateursjean.david.delord.free.fr/.../s6/mecanique_fluide/cours_pompe.pdf · Des progrès récents permettent cependant à certains constructeurs d'obtenir

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S 6.4 : Conversion de l’énergie

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1ère année STS Maintenance

Contenu 1. FONCTIONS PRINCIPALES ....................................................................................................................................... 2 2. LES POMPES ET COMPRESSEURS VOLUMÉTRIQUES .............................................................................................. 2

2.1. Principe de fonctionnement ........................................................................................................................... 2 2.2. Différents types .............................................................................................................................................. 2

3. LES POMPES (VENTILATEUR) HÉLICOÏDE OU AXIALE .............................................................................................. 5 4. LES POMPES CENTRIFUGES .................................................................................................................................... 5

4.1. Principe de fonctionnement ........................................................................................................................... 5 4.2. Différents types de pompes ........................................................................................................................... 5

5. ÉTUDE DES CARACTÉRISTIQUES DES POMPES CENTRIFUGES ................................................................................ 6 5.1. Caractéristiques fondamentales des pompes ................................................................................................ 6 5.2. Courbes caractéristiques des pompes ............................................................................................................ 6

5.2.1. Relations ................................................................................................................................................. 6 5.2.2. Exemple de courbe de pompe ................................................................................................................ 7

6. ÉTUDE SIMPLIFIÉE DES CARACTÉRISTIQUES D’UN RÉSEAU .................................................................................... 8 6.1. Équation de la courbe de réseau .................................................................................................................... 8 6.2. Réseau fermé – Courbe caractéristique ......................................................................................................... 8 6.3. Réseau ouvert – Courbe caractéristique ........................................................................................................ 8 6.4. Association pompe-réseau : point de fonctionnement .................................................................................. 9

6.4.1. Cas d'un réseau fermé : exemple d'un circuit de chauffage .................................................................. 9 6.4.2. Cas d'un réseau ouvert : exemple d'un circuit d'eau chaude sanitaire .................................................. 9

6.5. Point de fonctionnement................................................................................................................................ 9

7. DÉTERMINATION D’UNE POMPE .......................................................................................................................... 10 7.1. Calage ou modification du point de fonctionnement .................................................................................. 10

7.1.1. Par modification des caractéristiques de la pompe ............................................................................. 11 7.1.2. Par modification du réseau................................................................................................................... 12

8. RÉSEAUX SÉRIES ET PARALLÈLES .......................................................................................................................... 13 8.1. Réseau série .................................................................................................................................................. 13 8.2. Réseau parallèle............................................................................................................................................ 13

9. ÉTUDE DE POMPES COUPLÉES ............................................................................................................................. 14 9.1. Tracé de la caractéristique d’un couplage de 2 pompes en série ................................................................ 14

9.1.1. Tracé pratique du couplage de 2 pompes en série .............................................................................. 14 9.1.2. Tracé théorique du couplage de 2 pompes en série ............................................................................ 14

9.2. Tracé de la caractéristique d’un couplage de 2 pompes en parallèle .......................................................... 14

9.2.1. Tracé pratique du couplage de 2 pompes en parallèle ........................................................................ 14 9.2.2. Tracé théorique du couplage de 2 pompes en parallèle ...................................................................... 15

10. N.P.S.H : LES LIMITES DE L’ASPIRATION ............................................................................................................... 16 10.1. Introduction .............................................................................................................................................. 16 10.2. Tableau des pressions d’utilisation (d’après WILO) ................................................................................. 16 10.3. La cavitation .............................................................................................................................................. 17 10.4. N.P.S.H (hauteur pratique de charge absolue) ......................................................................................... 17

10.4.1. Mise en situation .................................................................................................................................. 17 10.4.2. Traduction sur les courbes de fonctionnement ................................................................................... 18

11. POUR ALLER PLUS LOIN : ...................................................................................................................................... 18

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1. FONCTIONS PRINCIPALES Les pompes sont destinées à :

assurer la circulation du fluide,

combattre les pertes de charge.

Il existe deux grands types de technologie de pompes :

les pompes volumétriques,

les pompes centrifuges.

2. LES POMPES ET COMPRESSEURS VOLUMÉTRIQUES

2.1. Principe de fonctionnement Pulsé de manière cyclique, le liquide est emmagasiné dans un volume. L'énergie est directement fournie sous

forme de pression.

2.2. Différents types À engrenage

Contact extérieur

Contact intérieur

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À palettes

À pistons axiaux

À piston radiaux

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À vis

Spiro-orbital (scroll)

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3. LES POMPES (VENTILATEUR) HÉLICOÏDE OU AXIALE Les ventilateurs axiaux ou hélicoïdes permettent des débits importants

mais ne peuvent en général assurer des importantes que si la vitesse

périphérique des pales est importante. Ils sont alors souvent bruyants.

Des progrès récents permettent cependant à certains constructeurs

d'obtenir des caractéristiques semblables aux ventilateurs centrifuges

avec des niveaux de bruit à peine plus élevés. Ces ventilateurs sont en

outre très simples à implanter et de faible coût.

Il n'y a pratiquement pas de limite dans les débits pouvant être atteints

par ce type de ventilateur.

4. LES POMPES CENTRIFUGES

4.1. Principe de fonctionnement Le liquide emmagasiné entre les aubes du rotor est projeté vers l'extérieur sous l'action de la force centrifuge.

L'énergie est d'abord fournie au fluide sous forme d'énergie cinétique (vitesse) puis elle est transformée en pression.

4.2. Différents types de pompes

roue radiale

(centrifuge)

roue semi-axiale

(hélico-centrifuge)

Aubes

Roue

Volute

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5. ÉTUDE DES CARACTÉRISTIQUES DES POMPES CENTRIFUGES

5.1. Caractéristiques fondamentales des pompes Les caractéristiques des pompes sont :

le débit volume (qv en [m.s-1]),

la hauteur manométrique (Hmt en [mce]),

Elles se définissent à partir des paramètres suivants :

la puissance utile (Pu en [W]),

la puissance absorbée (Pabs en [W]),

le rendement global (),

la vitesse de rotation (N en [tr.min-1]).

5.2. Courbes caractéristiques des pompes Les courbes caractéristiques sont des courbes qui représentent l'évolution des précédents paramètres en fonction

du débit.

5.2.1. Relations

𝑃𝑢 = 𝜌. 𝑔. 𝐻𝑚𝑡 . 𝑞𝑣 𝑃𝑢 = 𝑃𝑎𝑏𝑠. 𝜂

𝐻𝑚𝑡 =𝑝𝑟𝑒𝑓𝑜𝑢𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 − 𝑝𝑎𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛

𝜌. 𝑔

Hmt hauteur manométrique mCE

ρ masse volumique kg.m-3

qv débit volumique m3.s-1

Pu puissance utile W

P

abs = f (q

v)

A

C

qv

g Hmt

g maximum

HmtA

HmtC

qvmini

qvmaxi

Hmt = f(qv)

g = f(qv)

B

Le point B est appelé point de barbotage, c’est à dire quand la pompe fonctionne à débit nul

g minimum

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5.2.2. Exemple de courbe de pompe

2,8

1,6

78,5

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6. ÉTUDE SIMPLIFIÉE DES CARACTÉRISTIQUES D’UN RÉSEAU

6.1. Équation de la courbe de réseau

Pertes de charge linéaires Δ𝑃𝑙 =∑(𝜆.𝜌. 𝑣2

2.𝐿

𝐷)

Pertes de charges singulières Δ𝑃𝑠 =∑(𝜁.𝜌. 𝑣2

2)

Pertes de charge totales Δ𝑃𝑡 = [∑(𝜆.𝜌

2. 𝑆2.𝐿

𝐷) +∑(𝜁.

𝜌

2. 𝑆2)] . 𝑞𝑣

2

Équation de la courbe de réseau Δ𝑃𝑡 ≈ 𝑘. 𝑞𝑣2

6.2. Réseau fermé – Courbe caractéristique

6.3. Réseau ouvert – Courbe caractéristique

Pt

débit

ΔP = f (qv)

Pt

débit

ΔP = f (qv)

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6.4. Association pompe-réseau : point de fonctionnement

6.4.1. Cas d'un réseau fermé : exemple d'un circuit de chauffage

Remarque : en réseau fermé, l'énergie transmise à l'eau par la pompe est uniquement

utilisée pour combattre les pertes de charge. PHm Δ

6.4.2. Cas d'un réseau ouvert : exemple d'un circuit d'eau chaude sanitaire

Remarque : en réseau ouvert, l'énergie transmise à l'eau par la pompe est utilisée pour

combattre les pertes de charge et la hauteur géométrique de l'installation. gm HPH Δ

6.5. Point de fonctionnement Le point d’intersection entre les courbes de pompe et de réseau est appelé "point de fonctionnement". Le débit

correspondant à ce point de fonctionnement est le débit circulant réellement dans le réseau.

ΔP = f (qv)

Hm

= f (qv)

fonctionnement H

qv

F

débit

débit

ΔP = f (qv)

Hm

= f (qv)

H

qv

F

Hg

fonctionnement

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7. DÉTERMINATION D’UNE POMPE Pour choisir une pompe adaptée à un réseau, il est

nécessaire de connaître :

le débit de circulation qv voulu,

les pertes de charge ΔP du réseau.

Application :

qv = 10 [m3.h-1] Choix entre les pompes : TP 40-120/2 TP 40-60/2 ΔP = 7 [mCE]

7.1. Calage ou modification du point de fonctionnement Le débit du point de fonctionnement d'une association d'un réseau et d'une pompe ne correspond pas forcément

au débit voulu. Il est alors nécessaire de caler, ou modifier, le point de fonctionnement :

par modification de la pompe,

par modification du réseau.

Afin de respecter les puissances des émetteurs, il faut conserver la valeur du débit (Rappel : 𝑃 = 𝑞𝑚. 𝐶. ∆𝜃).

7

Pertes de

charge ΔP

qv débit

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7.1.1. Par modification des caractéristiques de la pompe

Variation de la vitesse de rotation de la pompe

On modifie, quand c'est possible, la vitesse de rotation de la pompe afin d'amener le point de fonctionnement sur

une courbe de pompe.

Soient : N1 : une vitesse de rotation maximum (généralement fournie par le fabricant). N2 : une vitesse de rotation à obtenir. Loi de Rateau ou loi de similitude :

a) Variation du débit

b) Variation de la hauteur manométrique

c) Variation de la puissance absorbée

1

2

1V

2 V

N

N

q

q

2

1

2

t1 m

2 mt

N

N

H

H

3

1

2

1 abs

2 abs

N

N

P

P

Cela peut être obtenu par des variateurs électroniques.

Exemples :

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Par « rognage » de la roue :

Le rognage signifie « diminution » du

diamètre de la roue. Certains

fabricants de pompes permettent de

choisir, pour une même pompe, des

diamètres différents de roue,

toujours pour une même vitesse de

rotation.

La diminution de ce paramètre a

pour effet d’obtenir des

caractéristiques de pompes moins

importantes mais dont le point de

fonctionnement « glisse » sur la

courbe de réseau.

Changement de pompe

On cherche une pompe dont la caractéristique passe par le point de fonctionnement défini par le débit voulu Q et

les pertes de charge calculées ΔP.

7.1.2. Par modification du réseau

Diminution des pertes de charge : très difficile à réaliser

Augmentation des pertes de charge : très facile à réaliser

Traduction sur le réseau

7

4,5

7

Perte de charge à rajouter : +1 [mCE]

Zone à rogner

Formes recommandées pour le rognage

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8. RÉSEAUX SÉRIES ET PARALLÈLES

8.1. Réseau série Dans un réseau série, la perte de charge globale du réseau est égale à la somme des pertes de charge de chacun

des éléments.

8.2. Réseau parallèle Entre les points A et D, il existe trois réseaux en

parallèle :

premier réseau A-D passant par le

radiateur 1,

deuxième réseau A-D passant par le

radiateur 2,

troisième réseau A-D passant par le

radiateur 3.

Si les pertes de charge dans chacun des trois

réseaux ne sont pas les mêmes, le réseau va

s'auto-équilibrer afin de rendre cette condition vrai.

Cet auto-équilibrage se traduit au niveau du réseau par une modification des débits dans chacun des réseaux et

donc par une modification des puissances émises par les radiateurs.

Il est alors nécessaire d'équilibrer les réseaux en ajustant les pertes de charge afin de les rendre identiques dans

chaque réseau par l'intermédiaire de vannes de réglage qui créent des pertes de charge supplémentaires.

Cela se traduit par la détermination de la perte de charge maximale, en général le réseau le plus long, et ensuite

d'augmenter les pertes de charge de chacun des autres réseaux afin de les égaliser.

Rajout et réglage d’une perte de charge sur le réseau grâce à une

vanne de réglage.

1 2

A B

D C

E F

qv mesuré

3

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9. ÉTUDE DE POMPES COUPLÉES

9.1. Tracé de la caractéristique d’un couplage de 2 pompes en série

9.1.1. Tracé pratique du couplage de 2 pompes en série

Soient deux pompes de caractéristiques Hm 1 = f1 (Q) et Hm 2 = f2 (Q).

La caractéristique du couplage en série de celles-ci en fonctionnement s’obtiendra en suivant les deux conditions

suivantes :

le débit circulant dans les deux pompes est

identique

la hauteur manométrique totale est la somme des

hauteurs manométriques de chaque pompe

qv = qv2 = qv1 Hm totale = Hm 1 + Hm 2

9.1.2. Tracé théorique du couplage de 2 pompes en série

Construction : pour un débit donné, on relève la

hauteur manométrique de la 1ère pompe, que l’on rajoute à la hauteur manométrique de la 2nde pompe (cela pour le même débit),

ainsi, et pour plusieurs débits fixés, on construit cette courbe d’évolution.

Utilisation : On utilisera deux pompes en série, ou plus, lorsque l'on cherchera à augmenter la hauteur manométrique. Ce couplage est adapté au circuit ouvert ou fortement résistant.

9.2. Tracé de la caractéristique d’un couplage de 2 pompes en parallèle

9.2.1. Tracé pratique du couplage de 2 pompes en parallèle

Soient deux pompes de caractéristiques Hm 1 = f1 (qv) et Hm 2= f2 (qv).

La caractéristique du couplage en parallèle de celles-ci en fonctionnement s’obtiendra en suivant les deux

conditions suivantes :

le débit total est la somme des débits circulants

dans chaque pompe

la hauteur manométrique est la même pour

chaque pompe

qv.total = qv2 + qv1 Hm = Hm 1 = Hm 2

qv

H

Hm pompes en série

= f (qv)

Hm pompe 1

= f (qv)

Hm pompe 2

= f (qv)

H1+H

2

H1

H2

qv constant

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9.2.2. Tracé théorique du couplage de 2 pompes en parallèle

Construction : pour une hauteur manométrique donnée, on

relève le débit de la 1ère pompe, que l’on rajoute au débit de la 2nde (cela pour la même hauteur manométrique),

on fait de même pour plusieurs hauteurs manométriques, pour construire la courbe.

Nota : Dans le cas où les deux pompes ont des caractéristiques Hm = f (Q) différentes, il existe un point d’enclenchement des 2 pompes, dans la mesure où l’une d’entre elles est plus "puissante" que l’autre.

Utilisation : On utilisera deux pompes en parallèle lorsque l'on cherchera à augmenter le débit dans les réseaux fermés faiblement résistifs.

Exemple :

qv2

qv1

qv1

+ qv2

Hm pompes en parallèle

= f (qv)

Hm pompe 2

= f (qv)

Hm pompe 1

= f (qv)

point d'enclenchement

H constant

H

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10. N.P.S.H : LES LIMITES DE L’ASPIRATION

10.1. Introduction Sous une certaine pression et une certaine

température, la vaporisation du liquide pompé, est

possible. À une température donnée, la pression qui

règne lors du changement de phase EAU : VAPEUR,

s’appelle la pression de vapeur saturante : pvs.

L’eau peut reprendre sa forme liquide dès que la

pression augmente.

Exemple pour l’eau :

10.2. Tableau des pressions d’utilisation (d’après WILO) Pression d’équilibre

La pression est statique lorsqu’aucun fluide ne s’écoule.

Pression d’équilibre = hauteur de remplissage + pression

de remplissage dans le vase d’expansion à membrane.

Pression hydrodynamique

La pression est dynamique lorsqu’un fluide s’écoule.

Pression hydrodynamique = pression dynamique - pertes

de charge.

Pression de pompe

Pression générée au refoulement de la pompe

centrifuge en fonctionnement. Cette valeur peut être

différente de la pression différentielle, suivant

le circuit.

Pression différentielle

Pression générée par la pompe centrifuge pour

surmonter la somme de toutes les résistances

dans un système. Elle est mesurée entre

l’aspiration et le refoulement de la pompe

centrifuge. En raison des pertes de charges

engendrées par les différents composants du

circuit (tuyauterie, robinets, chaudière et corps

de chauffe), la pression différentielle varie en

tous points du circuit.

[°C] P [Pa] [°C] P [Pa]

0 611 40 7375

5 872 45 9582

10 1227 50 12335

15 1704 60 19919

20 2337 70 31160

25 3166 80 47359

30 4242 90 70109

35 5622 100 101325

Évolution de la vitesse et de la pression dans la pompe

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10.3. La cavitation La cavitation est provoquée par la formation et l’implosion de bulles de gaz provenant de la formation d’une

pression négative locale sous l’effet de la pression de vaporisation du fluide pompé à l’entrée de la roue. Cela a

pour conséquence un rendement (hauteur de refoulement) et une efficacité moindres et provoque un

fonctionnement irrégulier, du bruit et des dommages à l’intérieur de la pompe.

Par l’expansion et l’éclatement

(implosion) de petites bulles d’air

dans des zones à haute pression (par

exemple, à un état avancé, à la sortie

de la roue), des explosions

microscopiques provoquent des

impacts qui endommagent ou

détruisent l’hydraulique. Les premiers

signes sont le bruit provenant de l’entrée de la roue et les dommages qui lui sont causés.

Le N.P.S.H (Net Positive Suction Head) est une valeur importante de la pompe centrifuge. Il indique la pression

minimale requise par ce type de pompe afin de fonctionner sans cavitation, c’est-à-dire la surpression nécessaire

pour empêcher l’évaporation du fluide et le conserver à l’état de liquide.

10.4. N.P.S.H (hauteur pratique de charge absolue)

10.4.1. Mise en situation

Soit le cas de pompage ci-contre.

L’équation de Bernoulli entre 1 et 2 permet d’écrire la relation suivante

en mCf :

𝑝3𝜌. 𝑔

+𝑣32

2. 𝑔+ 𝐽23 =

𝑝1𝜌. 𝑔

− (𝑧2 − 𝑧1) − 𝐽12

À cette équation on retire la valeur de pression saturante pvs pour

éviter la cavitation ce qui donne ceci :

𝑝3 − 𝑝𝑣𝑠𝜌. 𝑔

+𝑣32

2. 𝑔+ 𝐽23 =


− (𝑧2 − 𝑧1) − 𝐽12

Cette équation fait apparaitre deux paramètres :

Le N.P.S.H requis par la pompe Le N.P.S.H disponible dans l’installation

𝑣32

2. 𝑔+ 𝐽23


− (𝑧2 − 𝑧1) − 𝐽12

C’est la valeur de la pression absolue (exprimée ici en [mCf]) en dessous de laquelle les phénomènes de cavitation peuvent apparaître. Le N.P.S.H requis dépend du débit et de la vitesse de rotation de la pompe. Les valeurs limites sont fournies par le constructeur sur les courbes caractéristiques de la pompe, pour certaines conditions d’utilisation (liquides et températures) bien précises.

Cette quantité s’appelle aussi la charge nette à l’aspiration. Elle dépend des caractéristiques du réseau.

1 x

x x 2

3

v1=0 m/s,

z2=z3

p1= patm

has

pi =

z2-

z 1

Aspiration à l’entrée

de la pompe

Point d’entrée au niveau de

la roue avant que le fluide

n’acquiert son énergie

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Pour éviter la cavitation, on doit satisfaire la condition suivante :

𝑝3 − 𝑝𝑣𝑠 > 0 ;

Ce qui implique : N.P.S.H requis < N.P.S.H disponible

10.4.2. Traduction sur les courbes de fonctionnement

11. POUR ALLER PLUS LOIN :

Adaptation des pompes et ventilateurs aux besoins :

http://jean.david.delord.free.fr/Dossier_ressource/maintenance/ressources/Adaptation_des_pompes.PDF

Principes fondamentaux de la technologie des pompes :

http://www.wilo.ch/fileadmin/ch/Pumpenfibel_FR_LR.pdf

qv

N.P.S.H requis

N.P.S.H disponible

Point de cavitation H [m]

𝑝1 − 𝑝𝑣𝑠𝜌.𝑔

− (𝑧2 − 𝑧1)

− 𝐽12 J12

𝑝3 − 𝑝𝑣𝑠𝜌.𝑔

Marge de

sécurité

http://jean.david.delord.free.fr/Dossier_ressource/maintenance/ressources/Adaptation_des_pompes.PDF

http://www.wilo.ch/fileadmin/ch/Pumpenfibel_FR_LR.pdf

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