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Pompe

Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.

Pompe à eau à Auteuil (Yvelines), en France
Pompe à eau à Auteuil (Yvelines), en France
Pompe à eau à Augsburg, en Allemagne
Pompe à eau à Augsburg, en Allemagne

Historique

Le principe de la pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) est apparu dès que l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme prépubère...) a su construire un habitat artificiel pour se protéger des éléments naturels. Le besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les besoins secondaires et les besoins...) en eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) nécessaire à sa survie l'obligea à trouver un système de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le...) de cette eau, du puits ou de la rivière (En hydrographie, une rivière est un cours d'eau qui s'écoule sous l'effet de la gravité et qui se jette dans une autre rivière ou dans un fleuve,...) à son habitat, il utilisa simplement l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) par ses muscles pour transporter l'eau à l'aide de récipient naturel ou artificiel, plus la contenance et la distance étaient grande plus l'énergie dépensée était importante. Jusqu'au début de l'ère industrielle (fin du XVIIIe siècle) des pompes ne servirent que pour le transfert de l'eau.

Les Grecs et les Romains furent les premiers à utiliser des systèmes rotatifs pour véhiculer l'eau.

Tous ces systèmes étaient utilisés pour relever l'eau dans des aqueducs alimentant les villes et les bains. Les Grecs et les Romains furent parmi les premiers à poser les bases de l'hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les champs d'investigation qu'elle propose regroupent plusieurs domaines :).

À la grande époque de la culture (La Culture est une civilisation pan-galactique inventée par Iain M. Banks au travers de ses romans et nouvelles de science-fiction. Décrite avec beaucoup de précision et...) gréco-romaine de nombreux principes de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) et d'hydraulique furent découverts, mais jamais développés. Les besoins économiques de cette époque ne nécessitaient pas une mécanisation de l'outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une plus grande...) de production. L'énergie nécessaire à la production était fournie par une main-d'œuvre presque gratuite (les esclaves). Cependant dès cette époque les principes des pompes à piston, des pompes centrifuge et des pompes à vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) furent découverts. Les réalisations mettant en œuvre ces principes ne servaient cependant qu'à la démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées à partir de propositions initiales, en...) des calculs mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les...) (jeux d'intellectuels) ou aux divertissements (Fontaine, jeux d'eau, tours de magie etc.), les écluses (afin d'éviter les vitesses d'écoulement trop rapide), anti-béliers sur les conduites fermées (afin d'éviter l'éclatement des conduites) etc.

Il faudra attendre la fin du XVIIIe siècle pour que les premières pompes soient réellement construites et utilisées de façon industrielle.

Jusqu'au milieu du XVIIIe siècle les besoins économiques étaient satisfaits par la croissance démographique qui fournissait une main-d'œuvre bon marché, le moulin à eau (Un moulin à eau, ou moulin hydraulique, est une installation destinée à utiliser l'énergie mécanique produite par le courant d'un cours d'eau qui est amenée au moulin par un bief. Dans des régions côtières, les mouvements...) restait le principal moyen de production d'énergie. L'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue rapidement,...) démographique dans la deuxième partie du XVIIIe siècle obligea l'outil de production à se mécaniser.

L'apparition de la machine à vapeur (La machine à vapeur est une invention,dont les évolutions les plus significatives datent du XVIIIe siècle. C'est un moteur thermique à combustion...) (Denis Papin) améliorée par l'anglais James Watt permit la mécanisation des secteurs industriels où les besoins étaient en pleine expansion (coton, charbon). Le besoin constant de minerai de charbon apparu avec le développement de l'ère industrielle obligeant la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) de celui-ci à des profondeurs qui ne permettaient plus le travail à ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) ouvert. Les infiltrations d'eau noyant de façon continue les galeries souterraines, on utilisa alors de façon régulière des pompes pour évacuer cette eau. Il s'agit probablement là de la première utilisation industrielle des pompes. Il s'agissait en fait de pompes à piston, machine de Watt (La machine de Watt est une machine à vapeur d'époque dite "à simple effet", à laquelle il apporte des évolutions fondamentales la transformant en "double effet".) dont l'énergie provenait de la vapeur () produite par de l'eau chauffée par un foyer, ce foyer ouvert provoquait régulièrement des incendies dans les galeries (peut-être l'origine du nom pompe à feu ?).

C'est toujours le besoin en énergie, cette fois électrique qui permit une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La...) évolution dans la technique des pompes de faire son apparition.

L'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est proportionnel à la quantité d'électricité.) permet le développement des pompes à principe rotatif, turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.) et centrifuge pour alimenter les alternateurs des centrales dont les plus gros modèles furent réalisés par les Suédois, en fait depuis près d'un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut être l'âge du...) aucun grand principe de pompe ne fut découvert. Seuls les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) utilisés et la précision d'usinage permirent aux pompes d'évoluer vers de meilleurs rendements, de plus grand débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.) et de plus haute pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.). Le seul fait d'utiliser un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) pour la fabrication où les besoins de la fabrication d'un produit impliquent nécessairement l'utilisation de pompes.

Les pompes répondent toutes au même besoin, déplacer un liquide d’un point (Graphie) à un autre, pour déplacer ce liquide il faut lui communiquer de l'énergie, les pompes remplissent cette fonction, le moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce...) qui alimente les pompes transforme l'énergie thermique (L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation désordonnée de ses molécules et de ses atomes. Les transferts d'énergie thermique entre corps...) ou électrique en énergie mécanique (L'énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l'énergie d'un système emmagasinée sous forme d'énergie cinétique et d'énergie potentielle...) pour permettre le mouvement des organes des pompes, cette énergie mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de...) est retransmise au fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les...). Cette énergie fluide se traduit sous forme de débit (énergie cinétique) et de pression (énergie potentielle) ses énergies vont s'échanger et se consommer dans les circuits de l'installation.

Classification

Les mouvements retransmis aux organes des pompes sont comme tous les mouvements mécaniques de deux grands types :

  1. Rotatif
  2. Rectiligne (alternatif)

Le mode de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense...) du fluide au travers des pièces en mouvement de la pompe et leur fonction permet de classer les pompes en plusieurs familles.

  • Pompes de transfert
  1. Pompe rotative -- axial --
  2. Pompe rotative -- centrifuge –
  • Pompes de dosage (En chimie analytique, le dosage est l'action qui consiste à déterminer la quantité d'une substance précise (l'analyte) présente...)
  1. Pompe rotative -- volumétrique --
  2. Pompe alternative -- volumétrique --

Caractéristiques

  • La cylindrée : c'est le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) de fluide aspiré et expulsé pour un mouvement. Dans le cas des pompes rotatives la cylindrée (La cylindrée est le volume balayé par le déplacement d'une pièce mobile dans une chambre hermétiquement close pour un mouvement unitaire. Ce concept est utilisé pour les...) s'exprime en (cm³/tour) ou en (m³/rad).
  • Le débit : c'est 1 volume de fluide transvasé par unité de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), il se calcule en fonction de la cylindrée. Dans le cas d'une pompe rotative, on a : Q(L/min)=Ve'*10-3*N avec N(tr/min) fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi...) de rotation du moteur entraînant la pompe et smVe' cylindrée en (cm³/tr).
  • La différence de pression : elle caractérise la capacité de la pompe à augmenter la pression du fluide qui la traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast les charges des véhicules...). La différence de pression est faible pour une pompe centrifuge, elle peut être importante pour une pompe volumétrique
  • Le rendement volumétrique : c'est le rapport entre le débit théorique (calculé avec la cylindrée) et le débit effectivement obtenu. Le rendement volumétrique est toujours inférieur à 1 en raison des fuites.
  • Le rendement mécanique : c'est le rapport entre le couple (ou la force) théoriquement nécessaire pour produire la différence de pression et le couple effectivement nécessaire.

Remarque : Couple théorique (N.m)= cylindrée(m³/rad) * différence de pression (Pa)

  • Le rendement global : c'est le rapport entre la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) hydraulique fournie par la pompe et la puissance mécanique absorbée par la pompe. C'est aussi le produit du rendement volumétrique par le rendement mécanique.
  • La puissance hydraulique se calcule en faisant le produit du débit par la différence de pression.

P(W)=Q(m³/s)*ΔP(Pa)

Technique

Pompe à balancier

Le chadouf encore utilisé par certaines peuplades africaines.

Vis d'Archimède

Pompe rotative axiale

Le principe est proche de celui de l'hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme d'hélice est dit hélicoïdal.) de bateau (Un bateau est une construction humaine capable de flotter sur l'eau et de s'y déplacer, dirigé ou non par ses occupants. Il répond aux besoins du transport maritime ou...). Le déplacement du fluide est parallèle à l'axe de rotation.

Elle trouve son application pour des grands débits sur de faibles dénivelés (faible différence de pression), (plusieurs milliers de m³/h) dans le domaine de l'eau, circuit de refroidissement (centrales nucléaires) ou accélérateurs gravitaires.

Rotative centrifuge

Il s'agit d'une application concrète (La concrète est une pâte plus ou moins dure obtenue après extraction d’une matière première fraîche d’origine végétale (fleurs, feuille) par solvants volatils...) de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) centrifuge. Le principe utilisé est celui de la roue à aubes (La roue à aubes est une roue de construction particulière, munie de pales, permettant de créer ou de restituer un mouvement rotatif d'axe au départ d'un mouvement linéaire de fluide....) courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des courbes.). La roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) est placée dans une enceinte (le corps de pompe) possédant deux ou plusieurs orifices, le premier dans l'axe de rotation (aspiration), le second perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin...) à l'axe de rotation (refoulement). Le liquide pris entre deux aubes se trouve contraint de tourner avec celle-ci, la force centrifuge repousse alors la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du...) du liquide vers l'extérieur de la roue où la seule sortie possible sera l'orifice de refoulement. L'énergie fluide est donc celle provenant de la force centrifuge.

Pour une même pompe, le débit varie :

  • proportionnellement à la vitesse (On distingue :) de rotation
  • avec la différence de pression entre l'entrée et la sortie: plus celle-ci est élévée, plus le débit est faible
  • en fonction des caractéristiques du fluide, telle que la viscosité

Pompe à piston

Ce type de pompe utilise un piston coulissant de manière étanche dans un cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée (c), appelée courbe directrice et gardant une direction fixe. On parle aussi de...) pour repousser un fluide, admis précédemment dans le cylindre par l'intermédiaire d'un clapet, d'une soupape (Une soupape est un organe mécanique servant à fermer et ouvrir une chambre ou un conduit à la demande .) ou d'une lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...), grâce à l'aspiration provoquée par le recul du piston.

Les performances sont élevées :

  • Pression plusieurs milliers de bar notament pour le découpage jet d'eau
  • Débit jusqu'à 500 litres/min
  • Rendement > 0,95

Il existe différents montages mécaniques dont :

  • Pompe à pistons axiaux

Les pistons sont situés parallèlement à l'axe de transmission. Ils fonctionnent grâce à :

  • une glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) sur laquelle les patins situés en pied de pistons glissent
  • un barillet dans lequel sont logés les pistons.

Certaines pompes peuvent fonctionner avec des solutions aqueuses, voire à l'eau pure.

  • Pompe à pistons radiaux

Les patins des pistons glissent sur un excentrique. Les pistons sont munis de clapets d'aspiration et de refoulement.

  • Pompe à vilebrequin

Dans le cas de l'utilisation d'un fluide non lubrifiant comme de l'eau, avec de gros débits et / ou de fortes pressions, un vilebrequin entraîne un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) de pistons en ligne. Ces pompes particulièrement chères sont rarement utilisées.

Pompe à palettes

Ce type de pompe est surtout utilisé pour diminuer ou augmenter la pression des gaz : pompe à vide, compresseur d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des...), climatiseur, réfrigérateur (Un réfrigérateur (ou frigidaire ou frigo dans le langage famillier) est un appareil principalement utilisé en cuisine, avec un compartiment principal qui a une température de 4 a 8 °C et souvent un...), etc.

Pompe à bélier (Le bélier est le mâle non châtré de l'espèce Ovis aries réservé pour la reproduction (production d'agneaux). On désigne le mâle et la femelle, sans faire...)

Système inventé par les frères Montgolfier (On entend par frères Montgolfier, Joseph-Michel Montgolfier (° 26 août 1740 - † 26 juin 1810) appelé souvent Joseph, et Jacques-Étienne Montgolfier (° 6 janvier 1745 -...) qui permet de transformer l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie cinétique d’un corps est égale au...) de l'eau en onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde transporte aussi de la...) de pression par le phénomène du coup de bélier : fermeture (Le terme fermeture renvoie à :) rapide d'un clapet. Cette pompe assez rustique a le désavantage principal de laisser passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) en contre-bas une grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de...) d'eau dont seule une petite partie remonte vers le point d'utilisation. Elle présente l'avantage de ne nécessiter aucun apport d'énergie extérieur en dehors de la chute d'eau qui fait naître le phénomène.

Pompe à godets

Peut être aussi pompe à corde, la corde coulissant dans un tuyau tirant des rondelles ou des godets faisant monter l'eau.

Pompe péristaltique

Pompe à vide

Pompe à engrenages

Pompe Valdès

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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