Pompes alternatives

Principe et description

Cette technologie utilise les variations de volume provoquées par le déplacement d'un piston dans un cylindre. Le piston est relié à un système "bielle-manivelle" entraîné par un moteur.  La tête du cylindre est munie de clapets, l'un permettant l'admission du liquide, l'autre permettant son échappement.
Ces déplacements, alternativement dans un sens ou dans l'autre, produisent des phases d’aspiration et de refoulement.
Quand le piston est repoussé le liquide est refoulé : il y a fermeture du clapet d'admission et ouverture du clapet de refoulement. Lorsque le piston est retiré, le liquide est aspiré provoquant la fermeture du clapet de refoulement et l'ouverture du clapet d'aspiration.

Réglage du débit

Le débit est relativement faible comparé à une pompe centrifuge, limité par la taille des pistons et leur vitesse de déplacement. Le débit est parfaitement prévisible et précis puisque ne dépendant que de la course et la vitesse du piston. Cette caractéristique permet d'utiliser ce type de pompe pour l'injection d'additifs ou de réactifs chimiques. Elles sont alors appelées pompes doseuses. Le débit est ajusté en agissant sur la course du piston ou sur la vitesse de rotation du moteur d'entraînement. Une vanne de réglage sur le circuit aval n'aurait aucun effet sur le débit.

Précautions d'utilisation

Le débit est assuré précisément tant que l'étanchéité du piston et des clapets est assurée, tant qu'aucune bulle de gaz n'est présente dans la chambre, et tant que la pression dans le circuit aval est supérieure à celle du circuit amont:
 - si le piston n'est pas étanche, une partie du liquide refoulé le sera derrière le piston et non hors de la chambre, faussant le débit réellement refoulé. Les liquides chargés de solide devront être véhiculés par une pompe à membrane pour protéger le piston.
 - si une bulle de gaz est présente dans la chambre, elle se dilatera lors de la phase d'aspiration et se comprimera lors de la phase de refoulement; cette variation de volume de la bulle de gaz se fera au détriment du mouvement de liquide. Le débit réel de la pompe sera réduit et peut même devenir nul.
 - les clapets d'admission et refoulement sont tous deux passant dans le même sens. Si la pression aval est supérieure à la pression amont, les clapets empêchent le retour en arrière du liquide si ils sont étanches. Si la pression amont est supérieure à la pression aval, le liquide pourra traverser la pompe indépendamment du mouvement du piston. Dans une telle circonstance il faudra installer un clapet de charge en aval de la pompe.

Protection contre les surpressions

La pression au refoulement peut être très élevée et seulement limitée par le couple maximum de l'entraînement. C'est pourquoi il est souvent nécessaire de protéger le circuit aval par un organe limiteur de pression (disque de rupture ou soupape). Il devra être capable d'évacuer le débit maximum dont la pompe est capable. 

Atténuation des pulsations

Il existe des pulsations importantes au refoulement : on peut les atténuer en utilisant des dispositifs d'amortissement (bouteille anti-pulsatoire) disposés sur le circuit aval. On peut aussi utiliser plusieurs pistons en parallèle (plusieurs têtes) décalés dans leur cycle, éventuellement entraînés par le même moteur.

Pompes à membrane

Une membrane peut être installée entre le piston et le fluide à pomper. Le piston agit alors sur un fluide tampon qui transmet le mouvement à la membrane. La membrane sera alors elle aussi animée d'un mouvement alternatif qu'elle transmettra à son tour au fluide procédé au même rythme que le piston lui-même. Ainsi équipée cette pompe pourra être utilisée sur des fluides corrosifs ou chargés de solides.

NPSH requis

Les pompes alternatives à piston étant particulièrement sensibles à la présence de bulle de gaz à l'aspiration, il est particulièrement important de respecter le NPSH requis par le système pour éviter toute vaporisation ou dégazage du liquide.
La dépression créée par le fonctionnement de la pompe est due aux phénomènes suivant:
 - perte de charge due aux frottements dans la ligne d'alimentation
 - perte de charge due aux frottements dans les clapets d'admission
 - accélération du liquide dans la ligne d'alimentation
Les calculs de perte de charge par frottement doivent être fait en tenant compte du caractère non continu du débit. La perte de charge maximale sera obtenue pour la vitesse maximale du liquide. Pour simplifier on considérera une évolution sinusoïdale du débit. La vitesse maximale du liquide sera donc:
Pour une pompe dont la pulsation est n (coups par seconde), l'accélération du liquide dans la tuyauterie sera:
et la dépression nécessaire pour obtenir cette accélération sera:
avec:
V_moy: vitesse moyenne du liquide dans la tuyauterie (m/sec)
V_max: vitesse maximum du liquide dans la tuyauterie (m/sec)
γ: accélération du liquide dans la tuyauterie (m/sec²)
n: pulsation de la pompe (1/sec)
π: 3,1416
ρ: masse volumique du liquide (kg/m³)
δP: dépression (Pa)
L: longueur de la tuyauterie d'aspiration

Exemple de calcul:

Soit une pompe alternative à piston dont la pulsation est 1 coups/sec débitant 900 litres/h de liquide de masse volumique 1000kg/m³ et de viscosité 1 cpo.
La tuyauterie d'aspiration a un diamètre de 25mm
La vitesse moyenne du liquide est de 0,5m/sec
La vitesse instantanée maximum est de 1,57 m/sec
A cette vitesse maximum la perte de charge par frottement est de 0,3m de colonne de liquide
L'accélération du liquide dans la tuyauterie est de 10m/sec²
La dépression nécessaire pour provoquer cette accélération est de 20000Pa soit 0,2 bars ou encore 2m de colonne de liquide