pertes de charges et pompes...

1

Pertes de charges et pompes centrifuges

2

Circuits hydrauliques et pompes1°) Pourquoi?

- Transporter un fluide d’un point A vers un point B pour son utilisation.

- Transporter de l’énergie par l’intermédiaire d’un fluide depuis sa production vers son utilisation.

2°) Comment?- Le fluide est transporté par l’intermédiaire d’une canalisation généralement en acier.- L’énergie est véhiculée par un fluide « frigoporteur » ou « caloporteur » suivant le cas.

3°) Quels moyens?Pour mettre en mouvement un fluide dans une canalisation il est nécessaire de combattre des forces de frottement appelées « pertes de charges ». Ces pertes de charges seront combattues par l’intermédiaire d’une pompe.

3

Nécessité d’un circuit hydraulique:

Exemple:

Transporter de l’énergie depuis une production vers une utilisation (groupe froid, chaudière).

Radiateurs

Chaudière

utilisationProduction

4


Exemple:

Transporter de l’énergie depuis une source vers un rejet (circuit de refroidissement d’une centrale nucléaire).

Airréacteur

5


Exemple:

Séparer deux circuits afin d’éviter les pollutions (circuit intermédiaire sur une tour aéro).

Circuit intermédiaire

Échangeur intermédiaire

Condenseur

6

1.Différents types de circuits hydraulique:

Les circuits hydrauliques appartiennent à deux grandes familles :

- Les circuits hydrauliques ouverts:

Le circuit hydraulique est en contact avec l’atmosphère. Cette configuration est de nos jours utilisées pour transporter un fluide vers un réservoir.

- Le circuit hydraulique fermés:

Le circuit hydraulique n’est pas en contact avec l’atmosphère. La pression interne du circuit est supérieure à la pression atmosphérique. Ces circuits se distinguent par la présence d’une capacité tampon, généralement appelé « vase d’expansion ».

7

Différents types de circuits hydraulique Pression atmosphérique

Circuits ouverts:

Pompe

h

Circuits fermés:

Vase d’expansion

8

2.Caractéristique des fluides véhiculésAfin d’être utilisable à l’intérieur d’un circuit hydraulique un fluide doit répondre à certaines caractéristiques élémentaires:

Faible coût

Forte capacité thermique massique

Faible viscosité

Faible température de congélation

Forte température d’évaporation

Forte masse volumique

Être neutre vis à vis du circuit hydraulique

Forte conductivité thermique

L’eau est à ce jour le meilleur fluide frigoporteur ou caloporteur.

9

Caractéristiques des fluides transportés

• L’eau peut être couplé à un aditif de glycol afin de diminuer sont point de congélation, pour des utilisations à des températures proches ou inférieures à 0°C.

Deux type de glycol: - mono éthylène glycol

- mono propylène glycol

L’injection de glycol modifie l’ensemble des caractéristiques de l’eau, et diminue un grand nombre de ses qualités.

Attention à la réglementation:

Si un risque de contamination d’aliments existe en cas de fuite, il est impératif d’utiliser le monopropylène glycol (qualité alimentaire).

Attention aux mélanges de glycol!!!!!

10

3.Dimensionnement

Avant de dimensionner un circuit hydraulique il est nécessaire de connaître le débit à véhiculer (qv).

Les vitesses maximums admissibles dans une tuyauterie sont les suivantes:

- Canalisation en locaux techniques v =< 3

- Canalisation en gaines technique v =< 2

- Canalisation en distribution v =< 1

sm

sm

sm

vSqv ×=

sm

qv3

= smv=²mS=

11

Dimensionnement

Rappel:S = Section de la tuyauterie

42DS ×

=π D

Le choix d’une tuyauterie se fait en fonction l’application:

du fluide transporté,

de la pression de service,

de la température de service.*

Le choix à faire est guidé par la norme en vigueur.

12

3.1 Pertes de charges

Vapeur

surchauffée

Les pertes de charges dans un circuit hydraulique sont de deux natures:

Pertes de charges régulières:Elles sont provoqués par les longueurs de tuyauteries droites. Elles peuvent êtres déterminées par calculs. La mise en application de ces calculs peut se révélée très complexe. Il est plus pratique d’utilisé les diagrammes de pertes de charges prévus à cet effet.

Pertes de charges singulières:

Elles sont provoqués par les accidents: coudes, dérivations, vannes, filtres, etc….. Les pertes de charges singulières sont très difficiles à estimer en avant projet.

13

Pertes de chargesDétermination des pertes de charges linéaires

1. Choisir une vitesse de circulation

2. Sélectionner le débit à véhiculer

3. Ressortir la perte de charge correspondante

4. Choisir la tuyauterie normalisé la plus proche de l’intersection initiale

5. Ressortir la perte de charge correspondante à la tuyauterie normalisé

Pl∆

14

Pertes de chargesDétermination des pertes de charges singulières

Chaque singularité est définie par un coefficient ζ(dzêta).

Exemple pour un coude à 90°

D

r

0.1530.220.351

10.5ζDr

Application mathématique: ²5,0 vP ××=∆ ρ

3mkg=ρ s

mv =PaPs =∆

15

Pertes de chargesUne autre grandeur à prendre en compte pour les circuits hydrauliques ouverts, est la pression engendrée par la hauteur de liquide.

h

hgPh ××=∆ ρApplication mathématique:

3mkg=ρ mv =PaPh =∆

16

Pertes de chargesRécapitulatif:

PDC = perte de charge singulières+pertes de charges régulières+hauteur de liquide

PhPsPlPT ∆+∆+∆=∆

∆Ph

∆Pl∆Ps

17

Pertes de chargesConclusion:

En avant projet, il est difficile de déterminer les pertes de charges singulières. Pour cela on prend une estimation:

Les pertes de charges singulières correspondent entre 30 à 50% des pertes de charges régulières.

PhàPlPlPT ∆+×∆+∆=∆ )5,03,0(A noter:

Plus les vitesses d’écoulement sont importantes, plus les pertes de charges sont élevés. Il est donc intéressent de minimiser ces vitesses afin de diminuer les coûts d’exploitations.

On retiendra: 0,5 à 1 m/s dans les circuits de distributions, 1 à 2 m/s dans les colonnes montantes, 2 à 3 m/s dans les locaux techniques.

18

Pertes de chargesCourbe de réseau

D’après ce qui à été dit précédemment, les pertes de charges, varient en fonction de la vitesse, donc en fonction du débit.

Les pertes de charges dans un réseau ont l’allure suivante:

Courbe de réseau

qv

∆P

Les pertes de charges sont régies par la relation suivante:

²qvP ×=∆ α

19

Pertes de charges Courbe de réseau

Ce qui sous entend:

Si vous connaissez les pertes de charges d’un réseau pour un débit donné (mesure sur les manomètres amont-aval pompe de circulation), il vous est possible de redéfinir le coefficient α:

²11

qvP∆=α

L’intérêt dans cette relation réside dans sa simplicité d’utilisation. Maintenant que vous connaissez la valeur du coefficient α, il vous est possible de redéterminer la valeur des pertes de charges pour un autre débit.

²22 qvP ×=∆ α

20

Pertes de charges Courbe de réseau

Exemple: Vous souhaitez augmenter le débit sur une installation.

Le débit initiale est de 10

Suite à la lecture des manomètres sur l’installation vous relevez les valeurs suivantes:

P1 = 1,3bar; P2=3,3bar.

∆P=3,3-1,3=2bar

hm3P1 P2

Vase d’expansion

02,0²102

²11 ==∆=qvPα

Vous souhaitez passer le débit à 15h

m3

Il vous est donc possible de redéterminer le pertes de charges:

barqvP 5,4²1502,0²22 =×=×=∆ α

21

4. Pompes à fluides

Définition:

La pompe est un élément situé sur un circuit hydraulique, qui communique une énergie mécanique « W » à un liquide. L’énergie transmise au liquide se manifeste sous deux formes :- l’énergie cinétique « Ec »(vitesse, débit)- l’énergie de potentiel « Ep » (pression)Le phénomène est similaire à un écoulement d’air dans une gaine (mesure avec le tube de pitot).

EpEc

W énergie

22

Pompes à fluides

Rappel:

Pression totale « Pt » est fonction de la vitesse d’écoulement et de la masse volumique du fluide et de la pression de gonflage du réseau. Elle se mesure parallèlement à l’écoulement du fluide.

P

Et

Pression dynamique « Pd » représente la différence des deux. Elle est uniquement fonction la vitesse d’écoulement et de la masse volumique du fluide. Ps=Pt-Ps

P

Ep

Pression statique « Ps »est fonction de la pression de gonflage du réseau. Elle se mesure perpendiculairement à l’écoulement du fluide.

²5,0 vPs ××= ρ

23

5. Différents types de pompes:

Le pompes à fluides sont regroupées en deux grandes familles, lesquelles sont découpées en sous familles:

Pompes

Volumétriques Hélico-Centrifuges

pistons

membrane

engrenages

palettes

vis

Alternatives Rotatives

lobes

Centrifuges

hélicoïde

24

Différents types de pompes: Pompes volumétrique

Pompe à piston

Pompe à engrenage Pompe à palettes

Pompe à vis

Pompe à lobes

Pompe à membrane

25

Différents types de pompes: Pompes hélico-centrifuge

Pompe centrifugePompe à hélice

26

6. Pompes centrifuges:Généralités:

Les pompes centrifuges ont fait leurs apparitions avec les moteurs électriques. Ces pompes ce caractérisent par des vitesses de rotations très élevées (1500, 3000 tr/min voir plus).

Ces pompes transmettent de l’énergie au fluide grâce à la force centrifuge.

Elles sont utilisées pour de forts débits (plusieurs centaines de ), et de faibles pressions (quelques bars).

Ce sont les pompes les plus utilisées dans l’industrie.

hm3

RoueVoluteCorps

27

Pompes centrifuges:

Ces pompes séduisent par leurs avantages:

•Fonctionnement très souple, elles s’adaptent facilement aux installations, par simple modification d’un organe (roue).

•Relativement silencieuses et robuste comparées aux pompes volumétriques, peux de pièces mécaniques en mouvement, un flux continu.

•Faible prix de revient. Fabriquées en grande série, elles sont en règle générale construites en matériaux peut onéreux (fonte, acier). Mais elles peuvent êtres fabriqués en matériaux plus nobles bronze, aciers inoxydables, ou autre suivant le liquide à véhiculer.

•Faible encombrement, de part leurs vitesses de rotations élevées, elles se caractérisent part de faibles encombrement pour de forts débits.

28

Pompes centrifuges:

Principe:Le fluide pénètre dans une roue à forte vitesse. A l’intérieur de celle-ci il se trouve projeté à sa périphérie par la force centrifuge. Il est ensuite canalisé dans un corps fixe en forme d’escargot (à section croissante) appelée volute jusqu’au moment ou il sera éjecté à l’extérieur.

Chemin parcourut par le fluide, dans une pompe centrifuge

29

6.1 Courbes caractéristiques:

Toute pompe doit garantire un débit « qv », pour une perte de charge donnée « ∆P », pour un fluide donné (masse volumique ρ).

Cette relation débit /hauteur manométrique est caractérisée par une courbe dans un dans une représentation graphique « qv, ∆P »

∆P

Pour un débit donné, il est donc possible de retrouver la hauteur manométrique disponible.

∆P1

Qvqv1

30

Courbes caractéristiques:

La forme des courbes dépend de la construction de la pompe (nombre d’aubes, angle de sortie de l’aube,vitesse de rotation ,diamètre de la roue).

La forme de la courbe utilisé, influence le réseau sur lequel se situe la pompe.

Deux formes de courbes se distingues particulièrement::

qv

∆PCourbes plongeantes:

Les pompes ayant ce type de courbes sont fréquemment utilisées sur les réseaux qui ne supportent pas les variations de débits.

qv

∆P

Courbes plates:

Les pompes ayant ce type de courbes sont fréquemment utilisées sur les réseaux ne supportant pas les grandes variations (filtres auto-nettoyants).

31


D’autres courbes sont présentes sur un abaque de sélection:

Courbe caractéristique

Courbe de rendement

Courbe de NPSH

Courbe de puissance

32


Puissance :La puissance absorbée est fonction du débit et de la hauteur manométrique. La puissance absorbée indiquée sur l’abaque est fonction de la technologie de la pompe (pompe ouverte, pompe monobloc).

La puissance référencée correspond donc à:

- La puissance mécanique utile à l’arbre pour une pompe ouverte (cette puissance permettra de sélectionner le moteur d’entraînement de la pompe).

-La puissance électrique pour une pompe monobloc (cette puissance permettra de sélectionner le câble d’alimentation de la pompe).

Consommation $

PompeAccouplement

Pertes

gPqvPpompe η

∆×=

Moteur Fluide

33


Rendement :Le rendement correspond au rapport de la puissance transmise au fluide sur la puissance mécanique ou électrique. Le rendement pour une pompe centrifuge n’excède pas 60%. Au moment de la sélection de la pompe il est judicieux de placer le point de fonctionnement au point de rendement maximal.

NPSH :La courbe de NPSH correspond à la pression minimum nécessaire à l’aspiration de la pompe pour éviter la cavitation de celle-ci.

Pa Pr

Entré du fluide Sortie du fluide

Zone de cavitation

(zone de pression minimum)

34


Cavitation:Ce phénomène très nocif correspond à la vaporisation du liquide dans le corps de la pompe. En effet lorsque le liquide pénètre dans le corps de la pompe, la pression statique continue de diminuer, et peut descendre en dessous de la pression atmosphérique. Cette diminution de pression à pour effet de provoquer la vaporisation du liquide en donnant naissance à de minuscules bulles de vapeurs. Au moment de la phase compression, celles-ci sont projetés violemment sur les parois de la roue, ce qui à pour effet de détériorer la roue et de provoquer la condensation de la vapeur.

Il est impératif d’éviter ces phénomènes de cavitation, afin de préserver le circulateur.

Nota: il est conseillé de ne jamais installer une vanne de réglage à l’aspiration d’une pompe centrifuge.

Pour garantir une non cavitation, il est nécessaire de satisfaire la relation suivante:

mNPSHPa 5,0+≥Pa = pression à l’aspiration de la pompe

NPSH = pression minimum requise à l’aspiration de la pompe

35

6.2 Couplage pompe / réseau

Le point de fonctionnement d’une pompe se situe à l’intersection de la courbe de réseau et de la courbe caractéristique de la pompe.∆P

AC

B

21

3

L’intersection fixée par un, débit détermine directement une perte de charge ou l’inverse.

Une augmentation des pertes de charges sur un réseau se caractérise par la courbe B.

Une diminution des pertes de charges sur un réseau se caractérise par la courbe C.

∆P1

Qvqv1

La vitesse de rotation permet de modifier les caractéristiques de la pompe.

Les courbe 1 à 3 représentes des vitesses de rotations différentes v1< v2 < v3.

36

7.Couplage de pompes:

Pour parvenir à obtenir des conditions de fonctionnement particulière, il est parfois intéressent de réaliser des couplages de pompes. Ils existes deux types d’associations possible: les montages en série, les montages en parallèles.

Couplage en série:

P2P1

Hmt1 Hmt2

qv

Hmt série

Les pompes P1 et P2 sont traversées par le même débit, mais les hauteurs manométriques s’additionnes.

Le couplage série convient parfaitement à des réseaux ayant des pertes de charges élevées.

Hmt série = Hmt1 + Hmt2

Débit volumique qv = constant

37

Couplage de pompes:

Couplage en série:

Représentation graphique de deux pompes en séries identiques

0

10

20

30

40

50

60

20 30 40 50m3/h

mC

E

P1ou P2

P1 + P2

38

Couplage de pompes:

Couplage en parallèle:

P2

P1qv1

qv2 qv

Les pompes P1 et P2 fournissent la même Hmt, et fonctionnent sous un débit unitaire qui peut être différent d’une à l’autre.

Dans ce type de couplage les débit s’additionnent, mais la Hmt reste équivalente pour chacune.

Ce type de montage est fréquemment utilisés pour les réseaux ayant besoins de réduction de débit.

Ne pas confondre ce type de montage avec un montage normal / secours.

Qv = qv1 + qv2

Hauteur manométrique = constante

39

Couplage de pompes:

Couplage en parallèle:

0

5

10

15

20

25

30

20 40 60 80 100m3/h

mC

E

P1ou P2

P1 + P2

Représentation graphique de deux pompes en parallèles identiques

40

Couplage de pompes:

Conclusion:

En résumé, le couplage de pompe n’est pas nécessairement avantageux au moment de la réalisation. Une grosse pompe, coûte généralement deux fois moins chère que deux petites pompes. Mais il est intéressant de garder à l’esprit le coût d’exploitation.

Pour les montages série il est aussi plus avantageux d’utiliser des pompes multicellulaires. Sont coût étant moins élevés que deux pompes de petite taille.

41

8.Lois de similitude des pompes centrifuges

Les machines centrifuges obéisses à des règles de similitudes à partir desquels il est possible de redéterminer ses caractéristiques pour des vitesses de rotation (N1 et N2) différentes.

∆P = pertes de charges

N = vitesse de rotation

P = puissance

Qv = débit volumique

Les indices 1 et 2 correspondent respectivement à l’état initial et l’état final.

( ) 12

122 PNNP ∆×=∆ ( ) 1

3

122 PN

NP ×=1122 qvNNqv ×=

42

9.Technologie des pompes centrifuges

Pompe multicellulaires:

Nous avons de décris la pompe centrifuge avec son arbre, sa roue, et sa volute, il s’agissait dans ce que d’une pompe monocellulaire (la pompe ne possède qu’une seule roue).Afin d’augmenter les hauteurs manométriques de fonctionnement (Delta P) une pompe peut être équipée de plusieurs roues sur le même arbre

Principe d’une pompe multicellulaire

43

Technologie des pompes centrifuges

Le fluide passe de roue en roue à l’intérieur du même corps, sa pression augmentant au passage de chaque roue, le débit reste le même dans chaque roue. Se système est comparable àun groupe de pompes montées en série.

Une pompe multicellulaire fonctionne donc sur le même principe qu’une pompe monocellulaire, excepté qu’elle est équipée de plusieurs roues afin d’augmenter la delta P de fonctionnement

Pompes multicellulaires

44


Pompe ouverte / monobloc:

La pompe centrifuge est entraînée par un moteur électrique. L’accouplement entre la pompe est le moteur peut se faire par accouplement directe (dans ce cas la pompe est appelée monobloc), ou par accouplement indirecte (dans ce cas la pompe est dite ouverte).

Moteur

Moteur

Accouplement

Pompe

Pompe

Pompes à accouplements directsPompe à accouplement indirect.

45


Accouplement direct

Dans le cas d’un accouplement direct, la pompe possède un arbre commun avec le moteur d’entraînement. Cette disposition est la plus rencontrée dans l’industrie. Ce mode d’accouplement est possible pour les petits et moyens débits (de quelques dizaines àquelques centaines de ).

Cette configuration offre un avantage part son encombrement réduit et des prix de revient intéressant (réduction de matière à mettre en œuvre pour le châssis de support).

hm3

Accouplement indirect

Pour les pompes à accouplement indirect, la liaison entre l’arbre de la pompe et l’arbre du moteur est en règle générale effectuée par un accouplement semi élastique, ou un accouplement rigide par brides. Cette configuration offre une souplesse d’utilisation et d’exploitation. Effectivement en cas de dépannage ou d’entretien, l’accès est nettement plus évident. On peut agir indépendamment sur la pompe ou le moteur. Il est possible de déposé l’organe défectueux sans pour autant déconnecté toute l’installation.De plus, si le moteur ne convient plus pour l’utilisation de la pompe (puissance motrice insuffisante) il reste facilement remplaçable.

46


Accouplement indirect

Cette configuration de pompe est plus onéreuse, et plus encombrante. Elle devient indispensable pour les pompe de plusieurs centaines de , mais on peut la retrouver sur des modèles de tailles inférieures suivant les besoins. h

m3

Les pompes à accouplement indirect offrent une souplesse d’utilisation, mais par la même occasion nécessitent un entretien supplémentaire. Le contrôle de l’accouplement doit se faire au minimum une fois par ans, et parfois par des systèmes très complexe (laser).

47


Pompes in line :

Les pompes in line (en ligne) sont les plus rencontrées dans l’industrie. Les orifices d’aspiration et de refoulement sont montés face à face sur un même axe. Cette configuration offre une grande souplesse d’installation, les pompes peuvent être insérés sur un tronçon de tuyauterie droite, parfois même sans support supplémentaire.Cette configuration in line est possible pour les pompes de petite et de moyenne taille (jusque quelques centaines de ).

hm3

Circulateur à insérer sur une tuyauterie

48


Pompe in line à poser sur socle

En règle générale les socles maçonnés de pompe doivent peser jusque deux fois le poids de la pompe. Cette information dépend du constructeur et des plots antivibratoires utilisés.

49


Pompes à rotors noyés :Comme leurs noms l’indiquent, leur rotor se trouve immergé dans le liquide à véhiculer. Ces pompes offrent l’avantage de ne pas avoir de garniture d’étanchéité ce qui les rends très fiables. Ces circulateurs sont très présent sur les circuits de chauffage domestique. Mais ils trouvent aussi leur place dans de nombreuses applications de l’industrie chimique, pétrochimique et nucléaire.Le rendement électrique de ces pompes se trouve amoindris par la présence de la « cage »située entre le rotor et le stator. Cette cage est en règle générale fabriquée en matériau amagnétique (acier inoxydable), mais la nature du matériau peut varier en fonction du liquide à véhiculer.

Refoulement

Rotor

CageRoue

Bornier

Coupe de pompe à rotor noyé

Stator

Aspiration

50


- Garnitures d’étanchéités :

C’est le point faible de la majorité des pompes (hors mi les pompes à rotors noyés). La nécessité d’une garniture d’étanchéité s’explique par le faite qu’il est nécessaire de minimiser les fuites qui résident entre deux pièces mécaniques : l’arbre (pièce en mouvement) et le corps de la pompe (pièce fixe).

Les garnitures d’étanchéités peuvent êtres de deux types : Joints pour arbres tournants, Garniture mécanique.

Joints pour arbres tournants :

Ces sont les premières garnitures utilisés sur les pompes centrifuges. Constituépar une tresse textile de chanvre introduit dans logement entourant l’arbre, et serrée contre celui-ci par « fouloir ».Les joints en tresse laissent impérativement passé un débit de fuite(approximativement 20 gouttes par secondes), évitant ainsi un échauffement trop important de l’arbre

51


Joints pour arbres tournants :

52


Les tresses de chanvres sont de temps en temps remplacées par des joints à anneaux découpés. Cette solution évite la surcharge de la gorge prévue pour la tresse, et de plus laisse des anneaux très réguliers.

Ce type de garniture nécessite un entretien très lourd, une vérification de l’étanchéité est àfaire au minimum une foi par trimestre.

Garniture à anneaux découpésVérification du serrage du

presse étoupe

Une dernière évolution tend à faire disparaître les garnitures à joint fibres ou tresse par un joint à lèvres à étanchéité radiale.

53


Garniture mécanique :

La garniture mécanique est une technique d’étanchéité nettement plus récente. Cette technique repose sur le fait que deux pièces parfaitement planes, et parfaitement parallèles entre elles, ne laissent passer qu’une infime partie de liquide. Afin d’améliorer leurs mises en contactes un ressort comprimé en appuie sur l’arbre de la pompe fait pression sur la pièce en mouvement (l’autre partie de la garniture restant immobile).

Joint

Bague fixe

Bague mobileRessort

Appui

Corps de pompe

Arbre

pertes de charges et pompes...

Documents