Pompe - Définition et Explications

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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...) 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...) en eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) 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...) 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...) 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...) développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) 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...).

À la grande époque de la culture (La Culture est une civilisation pan-galactique inventée par Iain M. Banks au travers de ses...) gréco-romaine de nombreux principes de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) 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...) 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...) des calculs mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide...) (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...) 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...) 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...) (Denis Papin) améliorée par l'anglais James Watt (Le watt (symbole W) est une unité dérivée du système international pour la...) 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 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...) 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...) 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...) 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,...) 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...) 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...) 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...) et de plus haute pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...). Le seul fait d'utiliser un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) 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 alimente les pompes transforme l'énergie thermique (L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation...) ou électrique en énergie mécanique (L'énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l'énergie...) 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...) est retransmise au fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...). 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...) 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...)
  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...) 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...) 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...), 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...) 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 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 (Archimède de Syracuse (en grec ancien :...)

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...) de bateau (Un bateau est une construction humaine capable de flotter sur l'eau et de s'y déplacer,...). 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...) de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) 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...) courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...). La roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe...) 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...) 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...) 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...) 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...) ou d'une lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...), 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...) 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...), climatiseur, réfrigérateur (Un réfrigérateur (ou frigidaire ou frigo dans le langage famillier) est un appareil...), etc.

Pompe à bélier (Le bélier est le mâle non châtré de l'espèce Ovis aries réservé...)

Système inventé par les frères Montgolfier (Joseph-Michel Montgolfier, usuellement Joseph Montgolfier, né le 26 août 1740,...) qui permet de transformer l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) de l'eau en onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) 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...) en contre-bas une grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) 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

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