Pompe - Définition

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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 est apparu dès que l'homme a su construire un habitat artificiel pour se protéger des éléments naturels. Le besoin en eau nécessaire à sa survie l'obligea à trouver un système de transport de cette eau, du puits ou de la rivière à son habitat, il utilisa simplement l'énergie développée 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.

À la grande époque de la culture gréco-romaine de nombreux principes de physique et d'hydraulique furent découverts, mais jamais développés. Les besoins économiques de cette époque ne nécessitaient pas une mécanisation de l'outil 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 furent découverts. Les réalisations mettant en œuvre ces principes ne servaient cependant qu'à la démonstration des calculs mathématiques (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 restait le principal moyen de production d'énergie. L'explosion démographique dans la deuxième partie du XVIIIe siècle obligea l'outil de production à se mécaniser.

L'apparition de la machine à vapeur (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 de celui-ci à des profondeurs qui ne permettaient plus le travail à ciel 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 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 évolution dans la technique des pompes de faire son apparition.

L'énergie électrique permet le développement des pompes à principe rotatif, turbine 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 aucun grand principe de pompe ne fut découvert. Seuls les matériaux utilisés et la précision d'usinage permirent aux pompes d'évoluer vers de meilleurs rendements, de plus grand débit et de plus haute pression. Le seul fait d'utiliser un liquide 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 à un autre, pour déplacer ce liquide il faut lui communiquer de l'énergie, les pompes remplissent cette fonction, le moteur qui alimente les pompes transforme l'énergie thermique ou électrique en énergie mécanique pour permettre le mouvement des organes des pompes, cette énergie mécanique est retransmise au fluide. 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 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 –
  1. Pompe rotative -- volumétrique --
  2. Pompe alternative -- volumétrique --

Caractéristiques

  • La cylindrée : c'est le volume de fluide aspiré et expulsé pour un mouvement. Dans le cas des pompes rotatives la cylindrée s'exprime en (cm³/tour) ou en (m³/rad).
  • Le débit : c'est 1 volume de fluide transvasé par unité de temps, 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 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. 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 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 de bateau. 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 de la force centrifuge. Le principe utilisé est celui de la roue à aubes courbe. La roue 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 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 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 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 pour repousser un fluide, admis précédemment dans le cylindre par l'intermédiaire d'un clapet, d'une soupape ou d'une lumière, 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 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 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, climatiseur, réfrigérateur, etc.

Pompe à bélier

Système inventé par les frères Montgolfier qui permet de transformer l'énergie cinétique de l'eau en onde de pression par le phénomène du coup de bélier : fermeture rapide d'un clapet. Cette pompe assez rustique a le désavantage principal de laisser passer en contre-bas une grande quantité 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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