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Pompes centrifuges

Principe et description

Pompe centrifuge mono étagéeUn impulseur (roue munie de palettes) tourne à grande vitesse dans un corps de pompe, et imprime au liquide une vitesse et une force centrifuge, qui conduira à un débit et une pression à la bride de refoulement de la pompe. Le mouvement du liquide vers la bride de refoulement provoquera l'admission d'un volume équivalent à la bride d'aspiration.
Un impulseur unique permet de générer un relevage maximum de l'ordre 50m pour une vitesse de rotation de 1500t/mn.

Plus le diamètre de l'impulseur et la vitesse de rotation sont grands, plus le débit et le relevage seront grands.
Pompe centrifuge multi-étagéePlusieurs impulseurs peuvent être montés sur le même arbre. On dit que la pompe est multi-étagée. Les hauteurs de relevage de chaque impulseur s'additionnent.

L'impulseur est généralement relié au moteur d'entraînement par un arbre. Alors que l'impulseur est en contact avec le fluide du procédé, le moteur est généralement à l'air libre. L'arbre doit donc traverser la paroie du corps de pompe sans autoriser aucune fuite du fluide du procédé. Ceci est obtenu par un système d'étancheité complexe du type presse-étoupe ou du type garniture mécanique.

Lorsqu'une étanchéité parfaite est requise, le passage de l'arbre à travers la paroie de la pompe est supprimé. Deux technologies sont disponibles:

  1. L'entraînement magnétique; l'impulseur à l'intérieur du corps de pompe étanche et l'arbre moteur à l'extérieur sont couplés au moyen de deux aimants permanents. La puissance de telles pompes est limitée par le couple mécanique qui peut ainsi être transmis.
  2. Le rotor noyé; le moteur d'entraînement et l'impulseur sont inclus dans la même enceinte contenant le fluide procédé. Le fluide procédé doit donc être capable d'assurer le refroidissement du moteur. La seule connection avec l'extérieur qui subsiste et pour laquelle on doit assurer l'étanchéité est le passage du câble d'alimentation électrique du moteur.

Nomenclature

Différentes normes permettent à l'utilisateur de trouver sur le marché des matériels de qualité et interchangeables:

  • EN 7333 ou DIN 24255
  • ISO 2858 pour les pompes de type "chimique"
  • API 610 pour les applications dans l'industrie du pétrole et du gaz

Les pompes centrifuges normalisées, sont désignées par le code suivant:
xxx/yyy ou xxx-yyy
xxx: étant le diamètre en mm de la tubulure de refoulement
yyy: étant le diamètre (mm) maximum de l'impulseur pouvant équiper cette pompe.

Exemple: un modèle 50-250 aura une tubulure de refoulement de 50mm (2") de diamètre et admettra un impulseur de 250 mm de diamètre maximum; cependant un impulseur plus petit pourra être installé.

Formes d'impulseur

Formes de roueLes impulseurs encore appelés roues, rouets, peuvent avoir différentes formes:

  • fermée
  • semi-ouvertes
  • ouvertes
  • mono canal
  • hélice
  • en retrait
  • vortex
  • à spirale
  • ...etc

Courbes caractéristiques

Courbes d'une pompe centrifugeLes performances d'une pompe centrifuge sont décrites par trois courbes caractéristiques en fonction du débit volumique:
- Hauteur Manométrique Totale (HMT en m de liquide)
- Rendement (η) ou Puissance absorbée
- NPSH (Net Positive Suction Head)
établies pour:
- une vitesse de rotation
- un diamètre de roue
- un fluide (généralement de l'eau)

La pression mesurée au refoulement d'une pompe centrifuge résulte de la transformation de la vitesse du fluide ou encore de sa pression dynamique en pression statique suivant l'équation de Bernoulli. La pression est donc proportionnelle à la masse volumique du fluide. De ce fait, il est plus rationnel d'exprimer la pression obtenue au refoulement d'une pompe centrifuge par une hauteur de liquide. Cette caractéristique est donc nommée relevage.

La hauteur de relevage (ou HMT) est généralement maximum pour un débit nul.
Elle est décroissante quand le débit augmente.
La pression mesurée à la bride de refoulement est toujours égale à:

Pasp + (9,81 . ρ . HMT)/100000

avec:
Pasp: pression à l'aspiration de la pompe (bars)
ρ: masse volumique du liquide (kg/m3)

Le rendement de la pompe faible à débit nul, croît avec le débit, passe par un maximum et décroît ensuite pour les débits les plus élevés.
Les pompes centrifuges sont généralement conçues pour être exploitées au plus près du point de maximum de rendement.

Le NPSH représente la hauteur minimum de liquide qu'il faut ménager au dessus de l'axe de la pompe si le liquide est à son point d'ébullition.
Si le liquide n'est pas à l'ébullition, la hauteur requise au dessus de l'axe de la pompe peut être réduite voire même être négative (le niveau de liquide pourra alors être au dessous de l'axe de la pompe).
Le NPSH requis augmente avec le débit.

Capacité des pompes centrifuges

Diagramme de sélection des pompes centrifugesPour une sélection rapide de la pompe qui convient, les fournisseurs proposent tous des diagrammes en coordonnées HMT vs Débit regroupant l'ensemble de leur proposition.


Pour une vitesse de rotation de 2900 t/mn (vitesse courante pour un entraînement par moteur électrique) les performances qu'on peut attendre d'une pompe centrifuge sont les suivantes:

Type
Débit
maxi
(m3/h)
Relevage
maxi
(m)
Puissance
moteur
(kW)
32/160 
15 
35 
3
32/200 
15 
50 
5
32/250 
15 
80 
7,5
40/160 
30 
30 
4
40/200 
30 
50 
8
40/250 
30 
80 
14
40/315 
30 
125 
20
50/160 
55 
30 
7,5
50/200 
55 
45 
10
50/250 
55 
80 
20
50/315 
55 
125 
40
65/160 
100 
30 
18
65/200 
100 
50 
20
65/250 
100 
80 
35
65/315 
100 
115 
55
80/160 
160 
30 
19
80/200 
160 
45 
30
80/250 
160 
75 
55
80/315 
160 
115 
80
100/200 
250 
45 
45
100/250 
250 
70 
75
100/315 
250 
115 
150

Pour des vitesses de rotation différentes:
- le débit est proportionnel à la vitesse
- le relevage est proportionnel au carré de la vitesse
- la puissance est proportionnelle au cube de la vitesse

Effet de la vitesse de rotation

Les pompes centrifuges sont souvent accouplées directement à l'arbre d'un moteur électrique. Sa vitesse de rotation est alors égale à celle du moteur (généralement 1500 ou 3000t/mn).
Parfois la vitesse du moteur peut être multipliée ou démultipliée par une transmission à engrenages ou à courroies.
Le moteur électrique peut aussi être alimenté par un variateur de vitesse.
L'entraînement peut aussi être fait par turbine.

Le relevage d'une pompe centrifuge est proportionnel au carré de la vitesse de rotation.
Le débit que peut fournir une pompe centrifuge est proportionnel à la vitesse de rotation.
Lorsque la vitesse d'utilisation est différente de la vitesse d'essai, chaque point de la courbe caractéristique peut être recalculé ainsi:

HMT1 / HMT2 = vitesse12/ vitesse22
Débit1 / Débit2 = vitesse1 / vitesse2

Le tableau ci-dessous donne l'ordre de grandeur des relevages avec des pompes normalisées:

type de
pompe
HMT en m pour
vitesse de rotation (t/mn)
750
1500
3000
-/160
2 à 3
7 à 10
30 à 40
-/200
3 à 4
12 à 15
50 à 60
-/250
5 à 6
20 à 25
80 à 100
-/315
7 à 10 
30 à 38
120 à 150
-/400
12 à 15
50 à 60
200 à 240

Le tableau ci-dessous donne l'ordre de grandeur des débits avec des pompes normalisées:

type de
pompe
Débit en m3/h pour
vitesse de rotation en t/mn
750
1500
3000
32/-
2 à 4
5 à 9
10 à 18
40/-
4 à 8
9 à 15
18 à 30
50/-
8 à 15
15 à 30
30 à 60
65/-
15 à 30
30 à 60
60 à 120
80/-
30 à 45
60 à 90
120 à 180
100/-
45 à 70
90 à 140
180 à 240
125/-
70 à 110
140 à 230
280 à 450

Effet du diamètre de l'impulseur

Les performances d'une pompe standard sont données par le fournisseur pour le diamètre  maximum de l'impulseur. Pour adapter précisément les caractéristiques d'une pompe au besoin de son service, il est courant de sélectionner un impulseur légèrement plus petit. Dans ce cas débit et relevage sont affectés simultanément. Tous deux sont proportionnels au carré du diamètre de l'impulseur. Le rendement sera également affecté, mais il n'existe pas de règle simple pour le prédir. Cela dépend du type de pompe envisagé.

Le tableau ci-dessous donne la correspondance entre facteur de correction des débit et relevage avec le diamètre d'impulseur pour des pompes standard.
type de 
pompe
Diam de l'impulseur (mm) pour
correction de HMT et Débit:
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
-/160
115
125
135
145
150
-/200
140
155
165
180
190
-/250
175
195
210
225
235
-/315
225
245
265
280
300
-/400
285
310
335
360
380

Exemple:
Pour obtenir:
- un relevage de 16m
- au débit de 30m3/h
on choisira:
- un type 65/250 (20 à 25m de HMT et 30 à 60m3/h de débit)
- avec un impulseur de 210mm (débit et HMT seront multipliés par 0,7).

Effet de la viscosité du liquide

Les pompes centrifuges sont peu adaptées au pompage des liquides visqueux. HMT, Débit et surtout Rendement diminuent quand la viscosité augmente.

Viscosité du liquide (cpo)
 1
10
40
100
400
1000
Débit
 1
 1
0,99
0,97
0,89
0,75
Hauteur
 1
0,99
0,96
0,94
0,88
0,80
Rendement
 1
0,95
0,85
0,75
0,50
0,30

Réglage du débit

Contrairement aux pompes volumétriques, le débit généré par une pompe centrifuge n'est pas directement proportionnel à sa vitesse de rotation. Il est fonction du relevage demandé. Celui-ci se lit sur la courbe de la pompe.
La manière la plus simple pour réduire le débit d'une pompe centrifuge est d'augmenter le relevage requis par le circuit en ajoutant une restriction (orifice, vanne, ...). La consommation énergétique de la pompe sera alors inutilement élevée et dissipée dans cette restriction. Il faut cependant garder à l'esprit que l'énergie consommée par la pompe contribue à échauffer le liquide pompé. Plus faible sera le débit, plus important sera l'échauffement, ce qui peut conduire à la dégradation de substances sensibles (tels que des monomères pouvant polymériser).
Si la capacité de la pompe est trop élevée pour le service requis (débit et relevage), il est possible de réduire le diamètre de l'impulseur. Cet ajustement est naturellement définitif. Les caractéristiques initiales de la pompe ne pourront être retrouvées qu'en remplaçant l'impulseur.
Débit et relevage peuvent être ajustés en faisant varier la vitesse de rotation de la pompe. L'entraînement de la pompe peut être une turbine ou bien un moteur électrique équipé d'un variateur de fréquence.
Tout en maintenant constant le débit passant au travers de la pompe, il est fréquent de faire varier le débit dans le circuit utilisateur en recyclant le débit excédentaire vers l'aspiration. Ici encore, un faible renouvellement du liquide pompé en raison d'un recyclage trop important peut conduire à un échauffement incompatible avec la préservation de sa qualité.

Amorçage d'une pompe centrifuge

Les pompes centrifuges ne sont pas adaptées pour pomper un gaz. La pompe doit être pleine de liquide pour assurer sa fonction. Relevage et capacité volumique sont dégradés par la présence de gaz dans le liquide pompé. On estime qu'à partir de 10% volume de gaz dans le liquide, la pompe cesse sont action; elle se désamorce.

Lorsque la pompe est installée en dessous du niveau du liquide à pomper, il suffit de laisser le liquide remplir la pompe par gravité naturelle avant de la démarrer.
Lorsque la pompe est installée au dessus du niveau du liquide à pomper, il faut utiliser une des méthodes suivantes pour préalablement remplir la pompe:
 - remplir la ligne d'aspiration et la pompe à partir d'un circuit déjà sous pression
 - évacuer l'air au moyen d'une pompe à vide ou un éjecteur
Il conviendra en outre d'installer un clapet de pied sur la ligne d'aspiration qui empêchera le liquide de s'écouler en sens inverse et permettra de maintenir la pompe pleine de liquide lorsqu'elle est à l'arrêt. Il faudra garder à l'esprit que le clapet de pied peut présenter une fuite et donc qu'il ne permet pas de s'affranchir complètement d'un moyen de remplissage de la pompe.

Il est aussi possible d'utiliser une pompe centrifuge auto-amorçante, qui est une pompe centrifuge équipée d'une réserve de liquide utile pour l'amorçage et le dégazage de la ligne d'aspiration. Ce type de pompe extrêmement commode pour la phase d'amorçage, présente cependant un rendement généralement inférieur à celui d'une pompe conventionnelle.



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