Caractéristiques fondamentales des pompes

Débit et Relevage

La fonction ancestrale et traditionnelle d'une pompe est d'élever un certain débit de liquide à une certaine hauteur. Par exemple pour relever de l'eau du fond d'un puits vers la surface, ou de la surface vers un réservoir en hauteur. Les propriétés principales d'une pompe sont donc sa capacité en débit, et le relevage dont elle est capable.

Les procédés utilisent également des pompes pour élever la pression d'un liquide, sans l'élever physiquement. Cependant relevage de la pression et relevage du liquide sont deux notions équivalentes liées par la relation ∆P = ρ × g × ∆H ; le relevage des pompes est donc généralement exprimé en hauteur de liquide.

La capacité en débit d'une pompe volumétrique est définie comme le volume déplacé par l'organe mécanique (piston, dents de l' engrenage, ...) que multiplie une vitesse de mouvement (nombre de coups, de tours à la minute). pour des relevages importants, les jeux mécaniques laissent passer une fuite à contre-courant qui diminue légèrement le débit. La capacité en débit d'une pompe centrifuge est une fonction complexe de la forme de l'impulseur, de sa vitesse de rotation et du relevage demandé. Les constructeurs fournissent des courbes précises pour chaque pompe.

Le relevage dont une pompe volumétrique est capable depend surtout de la puissance du moteur d'entraînement. Il peut être excessif et le relevage doit souvent être limité par une soupape au refoulement pour ne pas dépasser les limites mécaniques du corps de pompe.

Energie de pompage

L'énergie absorbée par la pompe se décompose en:
- l'énergie mécanique fournie au liquide:
Pméca = 9,81 × Débit × MassVol × Haut
ou bien
Pméca = Débit × Press
avec:
Pméca: puissance en Watts
Débit: débit en m³/s
MassVol: masse volumique du liquide en kg/m³
Haut: hauteur de relevage de la pompe en m
Press: différence de pression générée en Pascal

- l'énergie dégradée exprimée par le rendement de la pompe
Pabs = Pméca ⁄ Rdt

Dans les pompes centrifuges, l'essentiel de l'énergie dégradée échauffe le liquide pompé.
Dans les pompes alternatives, l'essentiel de l'énergie dégradée l'est dans les transmissions mécaniques et n'est pas communiquée au liquide.

NPSH

Toute pompe, qu'elle soit à déplacement volumétrique ou centrifuge, provoque à son aspiration une dépression.
Si cette dépression est telle qu'elle provoque l'apparition de bulles de gaz, par vaporisation du liquide ou bien par dégazage, le pompage cesse.
Le pompage cessant, la dépression cesse aussi et les bulles de gaz formées peuvent brutalement disparaître. Ce phénomène appelé cavitation, entraîne des variations incontrôlées du débit de pompage, et souvent une détérioration rapide de la pompe elle-même.

La cavitation peut être évité en maintenant à l'aspiration une pression suffisante. C'est le NPSH (Net Positive Suction Head), exprimé en hauteur de liquide.
On distingue:
- le NPSH requis
- le NPSH disponible

NPSH requis

C'est la hauteur minimum de liquide (supposé à sa température d'ébullition), nécessaire au-dessus de l'aspiration, pour empêcher la cavitation.
Il dépend:
- du type de pompe
- du point de fonctionnement
Il est donné par le fabricant de la pompe sous la forme d'une courbe donnant le NPSH requis (en mètre de liquide) en fonction du débit.
Exprimé ainsi (en mètres de liquide), le NPSH est indépendant de la nature du liquide pompé.
Il est toujours positif et généralement de quelques mètres (2 à 5 mètres)
Quelques pompes spéciales, dites à faible NPSH autorisent des valeurs inférieures à 1 mètre.

NPSH disponible

Exprimé en mètres de liquide, c'est la hauteur de liquide (supposé à sa température d'ébullition) effectivement présent au dessus de l'aspiration de la pompe. C'est une propriété du système utilisant la pompe.
Pour assurer un fonctionnement correcte de la pompe, le NPSH disponible doit toujours être supérieur au NPSH requis.
L'évaluation du NPSH disponible doit tenir compte de:
- la température réelle du liquide
- la perte de charge dans la ligne d'aspiration
Si la température du liquide est inférieure à son point d'ébullition, le NPSH disponible est crédité de la hauteur de liquide équivalente à la différence entre sa pression réelle à sa surface et sa tension de vapeur.
Le NPSH disponible pourra même être positif alors que la surface du liquide est inférieure à l'aspiration (hauteur physique négative)
La perte de charge dans la ligne d'aspiration, exprimée en hauteur équivalente de liquide, doit être retranchée de la hauteur de liquide physiquement présente au dessus l'aspiration de la pompe.

Exemple:

De l'eau à 100°C doit être pompée d'une capacité maintenue sous une pression d'air de 2 bars effectifs, et dont la surface libre est à 1 mètre au dessus de l'aspiration de la pompe. Au débit souhaité, la ligne d'aspiration crée une perte de charge de 100 mbars
A 100°C la tension de vapeur de l'eau est de 1 bar absolu (100000 Pa) alors que la pression au dessus de la surface du liquide est 3 bars absolus (300000 Pa). Le liquide n'est donc pas à son point d'ébullition et le crédit de NPSH est donc de:
(300000 − 100000) ⁄ msvol ⁄ 9,81
mais la perte de charge dans la ligne d'aspiration est équivalente à:
10000 ⁄ msvol ⁄ 9,81
avec:
300000 − 100000: différence entre la pression de la capacité et la tension de vapeur du liquide en Pascals
10000: perte de charge en Pascals
msvol: masse volumique du liquide en kg/m³ (990 kg/m³ pour l'eau à la température de 100 °C)
9,81: accélération de la pesanteur en m/sec²

Le NPSH disponible est donc:
((300000 − 100000) ⁄ 990 ⁄ 9,81) + 1 − (10000 ⁄ 990 ⁄ 9,81) = 20,6 m