Réglage des débits et pressions de liquides

Les débits et pressions des fluides sont des paramètres essentiels dans les industries de procédé. L'augmentation de pression d'un liquide fait le plus souvent appel à une pompe, tandis que sa diminution est le plus souvent obtenue par l'introduction d'une résistance à l'écoulement. Débit et pression sont donc souvent étroitement liés.

Réglage de la pression hydrostatique

Une des méthodes les plus rudimentaires de s'assurer une pression maîtrisée d'un liquide est de maintenir au dessus du point d'utilisation une hauteur de liquide. La pression au point d'utilisation sera alors proportionnelle à la hauteur de liquide et égale à:
P_u = P_a + ρ . g . H - ΔP_f
avec:
P_u: pression au point d'utilisation en Pascal (1 bar = 10⁵ Pascal)
P_a: pression de l'atmosphère au dessus du liquide
ΔP_f: perte de charge par frottement dû à l'écoulement depuis le réservoir
ρ: masse volumique du liquide (kg/m3)
g: accélération dûe la pesanteur (9,81m/sec²)
H: hauteur de liquide (mètre)

C'est le principe mis en oeuvre dans l'alimentation en eau des réseaux urbains à partir d'un château d'eau ou celui de l'alimentation des turbines hydroélectriques par une conduite forcée à partir d'un barrage en altitude. Mais il peut aussi être mis en oeuvre dans une opération de procédé acceptant une alimentation gravitaire.
Ce moyen est particulièrement avantageux si le débit d'utilisation est intermittent. La capacité du réservoir en charge sera choisie telle que la quantité de liquide soutirée durant un cycle ne modifie que d'une façon négligeable la hauteur de liquide, tandis que l'alimentation du réservoir sera dimensionnée pour la consommation moyenne du procédé.

Réglage de débit par pompe volumétrique

Les pompes volumétriques, qu'elles soient rotatives (pompe à engrenage, ...) ou alternatives (pompe à piston, à membrane, ...), sont des outils commodes pour régler un débit de liquide.
L'ajustement du débit peut être aisément obtenu en ajustant la vitesse de rotation de l'entrainement de la pompe. Pour cela on peut utiliser un variateur de vitesse mécanique ou bien électronique agissant sur la vitesse du moteur d'entrainement.
Sur certaines pompes alternatives l'ajustement du débit est aussi possible en faisant varier la course du piston.

Protection contre les surpressions

Par contre il n'est pas possible d'ajuster la pression du liquide au moyen d'une pompe volumétrique. La pression obtenue ne dépend que de la résistance du circuit utilisateur. La pression maximum qui peut être obtenue ne dépend que du couple maximum du moteur d'entrainement. Si le refoulement d'une telle pompe est obstrué, la pression augmentera jusqu'à ce que le moteur "cale" ou bien qu'un élément de la pompe casse. C'est pourquoi il est impératif  d'équiper de telles pompes d'une soupape de décharge qui limite la pression à une valeur compatible avec la résistance mécanique du circuit utilisateur et de la pompe elle-même. La décharge de cette soupape est généralement orientée vers l'aspiration de la pompe.

Amortissement des pulsations

Par conception, les pompes alternatives génèrent en fonctionnement, des variations de débit et de pression dans le circuit aval, à une fréquence correspondant à la vitesse de mouvement de la pompe. Si le procédé aval ne peut les accepter, il faut équiper le refoulement de la pompe d'un amortisseur de pulsations. Il s'agit d'un réservoir équipé d'une membrane souple et pressurisé. Les variations de pressions générée par la pompe provoquent le déplacement de la membrane souple, ce qui contribue à préserver le circuit aval de ces perturbations.

Réglage des débit et pression avec une pompe centrifuge

Contrairement aux pompes volumétriques, débit et pression générée par une pompe centrifuge sont intimement liés. Ils décrivent une courbe qui est caractéristique de la géométrie de la pompe. Cette courbe dépend de la forme de l'impulseur, de son diamètre et de sa vitesse de rotation. Le réseau dans lequel la pompe débite peut aussi être décrit par une courbe caractéristique décrivant la variation de pression (perte de charge) en fonction du débit. Le point de fonctionnement de la pompe est donné par l'intersection de ces deux courbes.
La variation du diamètre de l'impulseur permet d'adapter une pompe standard aux besoins particuliers d'une application. Ce moyen est utilisé au moment de la conception de l'installation ou pour une modification ultérieure.

Variation de vitesse

La variation de vitesse de l'impulseur peut être un moyen d'adapter le fonctionnement de la pompe au besoin du procédé en opération. Le plus souvent on agira sur:
 - la vitesse de rotation du moteur électrique au moyen d'un variateur électronique
 - la vitesse de rotation d'une turbine en agissant sur le débit de fluide moteur
 - la vitesse d'un moteur thermique
Le point de fonctionnement se déplacera sur la courbe caractéristique du réseau. Débit et pression diminueront simultanément avec la vitesse.
L'énergie consommée par la pompe diminuera également avec la vitesse de rotation. Sur des pompes de forte puissance l'énergie économisée peut jusifier l'investissement du variateur de vitesse.

Restriction au refoulement

Une restriction du débit placée sur le circuit utilisateur modifie l'allure de la courbe du réseau. Le point d'intersection avec la courbe de la pompe se déplace. Une augmentation de la restriction à l'écoulement conduit généralement à diminuer le débit de la pompe et augmenter la pression qu'elle génère. Aux faibles débits le rendement de la pompe se dégrade rapidement et des dégradations mécanique peuvent apparaitre suite à un fonctionnement prolongé dans ces conditions. Le constructeur doit indiquer le débit minimum en dessous duquel la pompe ne doit pas être utilisée.
Si ces variations doivent être maitrisées par un opérateur ou un système de régulation, on utilisera une vanne de réglage pour ajuster la restriction.
Si la restriction à l'écoulement est dûe au procédé lui-même (encrassement, augmentation de viscosité, ...) l'effet sera le même sur le déplacement du point de fonctionnement de la pompe. Pour conserver la maitrise des paramètres du procédé, on prendra soin de dimensionner l'installation en tenant compte de cette restriction. Une vanne de réglage assurera le rôle de la restriction lorsque le procédé est propre et sera progressivement ouverte pour compenser l'augmentation de l'encrassement.

Recyclage du débit

Si la pression doit être limitée à faible débit, ou si le débit souhaité est inférieur au minimum recommandé par le constructeur de la pompe, on doit recycler une partie du débit vers l'aspiration de la pompe. Le débit recyclé sera limité par un orifice calibré (alors il sera fixe), ou par une vanne de réglage (il pourra alors être ajusté au besoin).
Le passage du liquide dans la pompe provoque un échauffement de celui-ci. Pour éviter d'atteindre des températures excessives, il est déconseillé de recycler le liquide directement à l'aspiration de la pompe. Préférer le diriger vers un point du procédé qui permettra une bonne dilution.

Réglage de pression avec une vanne de réglage

Le réglage des débits ou des pressions d'un fluide en écoulement dans un circuit fait souvent appel à une restriction. Lorsqu'elle est parcourue par un débit de fluide, elle crée une chute de pression proportionnelle au carré du débit.
Cette restriction peut être créée par:
- une vanne
- un orifice calibré
Un orifice calibré a l'avantage de la simplicité et du coût minimum, mais le réglage est figé à la construction.
Une vanne, par contre, permet en service d'ajuster le réglage.

Ce sont des vannes spécialement conçues pour assurer un réglage très précis du débit ou de la pression dans une large plage.
Elle peuvent être actionnées manuellement ou associées à une boucle de régulation.

Vanne de détente

Si l'objectif est de régler la pression d'un réseau aval à basse pression en l'alimentant à partir d'un réseau à plus haute pression, la vanne sera appelée vanne de détente. Elle peut être commandée par une boucle de régulation ou bien être commandée par un système mécanique à membrane (détendeur).

Vanne de décharge

Si l'objectif est de régler la pression d'un réseau amont à haute pression en évacuant l'excédent de débit ou de volume vers un réseau à basse pression, la vanne sera appelée vanne de décharge. Elle peut être commandée par une boucle de régulation ou bien être commandée par un système mécanique à ressort (soupape).