BTS électrotechnique 1 ère année - Sciences physiques appliquées appliquées
CH5 : Choix d’une pompe et du moteur associé Enjeu : installation d’un centre de lavage auto. Problématique : dans un centre de lavage pour voiture à jet haute pression, pour nettoyer correctement les carrosseries sans abimer la peinture, la pression de service en sortie d’embout doit être de l’ordre de 80 bars avec un débit minimum de 1m3/h. Quelle pompe choisir pour permettre ce fonctionnement ? Objectifs : A l’issue de la leçon, l’é tudiant doit : 5.1 Savoir dimensionner une pompe à partir des caractéristiques d’un circuit hydraulique 5.2 Savoir vérifier que le critère de non cavitation est rempli 1. Qu’est-ce qu’une pompe ?
Les pompes sont des appareils permettant un transfert d’énergie entre le fluide et un dispositif mécanique. Suivant les conditions d’utilisation, ces machines communiquent au fluide soit principalement de l’énergie potentielle par accroissement de la pression en aval, soit principalement de l’énergie cinétique par la mise en mouvement du fluide. Une pompe permet ainsi de vaincre entre les deux extrémités d’un circuit : Une différence de pression Une différence d’altitude Une perte de charge due à la longueur de la canalisation et à ses divers accidents (coudes, vannes, turbines, etc.) 2. Quelles sont les caractéristiques caractéristiques importantes des pompes ? Le débit : Le débit q v fourni par une pompe centrifuge est le volume refoulé pendant l’unité de temps. Il s’exprime en mètres cubes par seconde (m 3 /s) ou plus pratiquement en mètres cubes par heure (m3/h).
La hauteur manométrique : On appelle hauteur manométrique H d’une pompe, l’énergie fournie par la pompe par unité de poids du liquide qui la traverse. La Hauteur manométrique varie avec le débit et est représentée par la courbe caractéristique H=f(qv) de la pompe considérée (donnée constructeur).
Rendement : Le rendement d’une pompe est le rapport de la puissance utile P (puissance hydraulique) communiquée au liquide pompé à la puissance absorbée Pa par la pompe (en bout d’arbre) ou par le groupe (aux bornes du moteur). Si qv est le débit volume du fluide, sa masse volumique et H la hauteur manométrique de la pompe, la puissance P et le rendement sont donnés par :
Le rendement de la pompe varie avec le débit et passe par un maximum pour le débit nominal autour duquel la pompe doit être utilisée
3. Quels sont les différents types de pompage ?
Il existe deux types de pompage : en aspiration ou en charge.
4. Comment choisir une pompe ?
La pompe est choisie en fonction des caractéristiques du circuit de circulation et du débit de liquide dans ce circuit. Pour traduire numériquement les caractéristiques d’un circuit, on calcule sa hauteur manométr ique totale (HMT). 5. Qu’est-ce que la hauteur manométrique totale (HMT) d’un circuit ?
La charge d’un liquide en un point représente la quantité d’énergie « contenue » par le liquide en ce point. Lorsqu’elle est exprimée en mètre de liquide, on l’appelle « hauteur manométrique ». La hauteur manométrique totale d’un circuit est donc la différence de charge entre l’entrée et la sortie du circuit.
La HMT est liée à la puissance hydraulique qu’il faut fournir :
Soit :
La HMT est déterminée en appliquant le théorème de Bernouilli :
( ) ( )
( )
En divisant les deux membres de l’équation par ρg, on fait apparraître la H MT :
Avec :
( )
(pertes en charge exprimées en mètre)
Si on considère le fluide parfait et incompressible et que la conduite est de section identique en amont et en aval de la pompe, alors . La relation devient alors :
( )
Remarque : la relation est identique pour une pompe en charge à condition de toujours prendre z=0 pour l’altitude de la pompe. 7. Comment déterminer le point de fonctionnement d’une pompe avec un circuit hydraulique :
Les pertes en charge Δh du circuit hydraulique étant environ proportionnelles à , l’allure de la courbe HMT=f(qV) du circuit hydraulique est parabolique. En superposant le tracé de cette caractéristique à celui de H=f(q V) de la pompe donné par le constructeur, on obtient le point de fonctionnement à l’intersection des deux courbes :
8. Peut-on utiliser plusieurs pompes pour obtenir un point de fonctionnement ?
En utilisant plaçant 2 pompes en série, la HMT du point de fonctionnement sera égale à la somme des HMT des 2 pompes :
En les plaçant en parallèle c’est le débit du point de fonctionnement qui sera égale à la somme des débits des 2 pompes.
9. Réponse à la problématique :
Dans la station de lavage, la pression de service de 80 bars avec un débit minimum de 1m3/h. La hauteur entre l’aspiration et le refoulement est de 2 mètres. En raison de la faible longueur du circuit et de la faible valeur du débit, les pertes en charges du circuit hydraulique peuvent être négligées. La pression en début de circuit est p1=patm=1bar. On prendra g=9.81 m.s-2.
Calcul de la HMT du circuit :
( )
Choix de la pompe :
On la choisit à partir des caractéristiques H=f(qV) données par le constructeur. On se rend compte à partir de ces dernières qu’il est impossible d’obtenir cette valeur avec une seule pompe, il en faut au minimum deux. La HMT est alors répartie sur deux pompes, soit environ 405m chacune. On choisit le type de pompe en fonction du point de fonctionnement (on choisit la pompe dont la caractéristique est immédiatement supérieure au point de fonctionnement) :
405
1
≈44%
La référence des deux pompes à utiliser est donc SP 2A-75 Ces pompes auront un rendement compris entre 40 et 45%.
10. Qu’est-ce que la cavitation ?
La cavitation est un phénomène se traduisant par une vaporisation du liquide dû à un abaissement de la pression. On appelle par pression de vapeur saturante (p s), la pression pour une température donnée en dessous de laquelle le liquide se vaporise. (exemple pour l’eau à 20°C, p s=2337 Pa soit environ 1/40 ème de la pression atmosphérique). La valeur de ps augmente avec la température (pour l’eau à 60°C, ps=19 900 Pa soit environ 1/5 de la pression atmosphérique) A l’entrée du circuit d’aspiration, le liquide est accéléré par la pompe, donc sa pression diminue. Si la pression diminue trop (en dessous de la pression de vapeur saturante), le liquide se vaporise et il apparaît des bulles dans le circuit. L’implosion de ses bulles engendre bruits, vibrations et détériorations des pièces métalliques et diminution importante du débit, de la hauteur manométrique et du rendement de la pompe. Le circuit de refoulement n’intervient pas dans les problèmes de cavitation. 11. Qu’est-ce que le critère de non cavitation ? Côté pompe, le critère qui sert à définir la pression nécessaire à l’aspiration pour obtenir un bon fonctionnement de la pompe (sans cavitation) est le « ‘NPSH requis » (sigle de l’abréviation anglo saxonne de « Net Positive Suction Head » over vapour pressure). C’est une donnée constructeur.
Côté circuit hydraulique, on appelle « NPSH disponible » la différence entre la pression totale à l’entrée de la pompe et la pression de vapeur saturante : NPSHdispo=(pA-ps)/ρg. (en mètre). D’où le critère de non cavitation :
Pour qu’une pompe fonctionne normalement (sans cavitation), il faut que le NPSH disponible (calculé) soit supérieur au NPSH requis (indiqué par le constructeur). NPSH disponible > NPSH requis Les conditions d’aspiration sont d’autant meilleures que la différence entre les deux est grande (il faut toujours une différence minimum de 0,5m) :
En conclusion, on peut dresser une liste de conseils à respecter, si le procédé le permet, pour éviter la cavitation: préférer si possible les montages de pompes en charge. éviter de transporter des liquides à des températures trop élevées. éviter une alimentation à partir d'un réservoir sous pression réduite. diminuer les pertes de charge du circuit d'aspiration. Si ces conseils ne peuvent être appliqués en raison des exigences du procédé, il ne reste plus qu'à trouver une pompe dont les caractéristiques montrent des valeurs de NPSHreq suffisamment faibles.
