RAPPORT DE TRAVAIL PRATIQUE DE GÉNIE DES PROCÉDÉS
TP n°1 : POMPES CENTRIFUGES
Réalisé par M. Styve
TABONGMO DONFACK
Étudiant en Master 1 Génie des procédés énergétiques Année universitaire 2017 – 2018 2018
M. Ayoub BARCHOUCHI Professeurr en salle pilote Professeu
SOMMAIRE INTRODUCTION INTRODUCTI ON ...................... ............................................. .............................................. ............................................ ..................................... ................ 3
PARTIE 1 : RAPPELS THÉORIQUES ................... ........................................... .............................................. .......................... .... 4 1.A- Courbes caractéristiques d’une pompe .............................................................. ............................................................... 4 1.B- Méthodologie du traitement traite ment des valeurs va leurs expérimentales .................................. .................................. 5 PARTIE 2 : PRÉLIMINAIR PRÉLIMINAIRES ES .................................. ........................................................ ............................................ ........................... ..... 6 2.A- Description du dispositif expérimental ............................................ ............................................................... ................... 6 2.B- Schéma TI de l’installation ......................................... ............................................................... .......................................... .................... 7
PARTIE 3 : ÉTUDES EXPÉRIMENTALE EXPÉRIMENTALES S .............................. ..................................................... ............................... ........ 8 3.A- Étude de la pompe 1 (P1) fonctionnant seule.............................................. seule...................................................... ........ 8
1- Démarrage Démarra ge de P1 ........................................... .................................................................. ............................................ .......................... ..... 8
2- Tracé des courbes caractéristiques de P1 et interprétations ............................ ............................ 8
3- Analyse de la dépendance des pertes perte s de charge Jtot en fonction du débit ...... 11
3.B- Étude de la pompe 2 (P2) fonctionnant f onctionnant seule .......................................... ...................................................... ............ 13 3.C- Étude du couplage des deux pompes en parallèle .......................... .............................................. .................... 13 3.D- Étude du couplage des deux pompes en série ............................................. ..................................................... ........ 16 16
CONCLUSION .................... .......................................... ............................................. ............................................ ............................................. ........................ 17 Bibliographie ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................ ........................... ..... 17 Annexe 1 : Résultats d’étude de P1 et P2 P2 ............................................. ................................................................... .......................... .... 18 ............................................ 19 Annexe 2 : Simulation de circuit avec la vanne de réglage ............................................ Annexe 3 : Résultats d’étude des couplages en série et en parallèle parallèle .............................. 20
INTRODUCTION
Les pompes sont sont des machines tournantes qui permettent de fournir de l’énergie à un liquide pour le faire fa ire parvenir d’un point bas à un point haut désiré . Ainsi, elles occupent une place fondamentale dans de nombreux procédés à l’échelle l’ échelle industrielle ou semi-industrielle. Il existe une grande variété de pompes que l’on classe classe en deux catégories principales : les pompes centrifuges et les pompes volumétriques. La pompe centrifuge reste le type de pompe industrielle le plus commun à cause de sa simplicité et de sa facilité d’exploitation. C’est ce type de pompe qui fera l’objet d’étude de ce TP. TP . Cette pompe se reconnait facilement sur une installation par sa géométrie résultante de son principe de fonctionnement. En effet, le fluide pompé est aspiré axialement dans la pompe, puis accéléré radialement et enfin refoulé tangentiellement. Elle est constituée par une roue à aubes tournant tournant autour de son son axe, un distributeur dans l’axe de la roue et un collecteur de section croissante, en forme de spirale appelée volute. Dans les industries, le le domaine d’utilisation des machines centrifuges est extrêmement vaste et couvre les extrêmes suivants :
Débits : 0,001 à 60 m 3/s
Hauteurs : de 1 à 5 000 m
Vitesses de rotation : 200 à 30 000 tr/min
OBJECTIFS DU TP On se propose d'étudier les principales caractéristiques techniques te chniques d’une pompe centrifuge. On analysera les variations de la hauteur manométrique totale (HMT), de la puissance absorbée et du rendement lorsqu’on fait varier la vitesse de rotation du moteur. Ensuite, nous allons déterminer le point de fonctionnement de cette pompe. Enfin, on analysera le couplage en série et en parallèle de deux pompes centrifuges.
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PARTIE 1 : RAPPELS THÉORIQUES 1.A - Courbes caracteristiques d’une pompe Les principales courbes qui caractérisent les performances d'une pompe pour une vitesse de rotation donnée sont: la courbe caractéristique H=f(Q) (H ou HMT, étant la hauteur manométrique totale), la courbe de puissance absorbée Pabs=f(Q), la courbe de puissance fournie P=f(Q) (cette courbe ne sera pas tracée dans ce TP) et la courbe de rendement η=f(Q). Ces courbes peuvent être obtenues pour une pompe donnée, en faisant varier le débit à l'aide de la fermeture d'une vanne en aval de la conduite (figure 1).
Figure 1 : Principales courbes caractéristiques d’une pompe Lorsque plusieurs pompes débitent l'une derrière l'autre, ces pompes fonctionnent en série. Chaque pompe passe le même débit et les hauteurs manométriques s'additionnent. En revanche quand les pompes sont installées en parallèle la hauteur manométrique reste inchangée et les débits s'ajoutent. La figure 2 donne pour chacun des cas la caractéristique de la pompe équivalente.
Figure 2 : Courbes caractéristiques équivalentes
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1.B - Methodologie du traitement des valeurs experimentales 1) La courbe hauteur manométrique HMT (ou H) en fonction du débit volumique Q ici exprimé en mètres de colonnes d’eau (mCE) correspond à l’énergie gagnée gagnée par le fluide (eau) en traversant la pompe. S’il S ’il n’y a pas de variation de section de conduite aux bornes de la pompe, on calcule H à partir des pressions d’aspiration (Pa) et de refoulement (Pr) comme suit :
− ×
H=
2) La puissance puissance absorbée est la puissance électrique du moteur qui entraîne l’impulseur de la pompe. Pour obtenir la courbe de puissance absorbée P abs en fonction du débit Q, il faut calculer cette puissance :
Pabs = × × √ cos∅ où cos∅ = 0,86 U : tension aux bornes du moteur I : intensité traversant le moteur ∅ : déphasage entre le courant et la tension 3) Le rendement η d’une pompe est le rapport de la puissance utile P (c’est la puissance hydraulique) communiquée au liquide pompé à la puissance absorbée Pa par la pompe en bout d’arbre. Si Q est le débit volume du fluide, ρ sa masse volumique et H la hauteur manométrique de la pompe, la puissance P et le rendement η sont donnés par :
P = ρ.g.H.Q
=
;
Remarque : la courbe U= f(N) a été fournie et exploitée durant la séance de TP. TP. Grandeurs
Symboles
Unités
Débit volumique
Q
m /s
Hauteur manométrique total
HMT ou H
mCE
Pression d'aspiration/refoulem d'aspiration/refoulement ent
Pa/Pr
Pascal (Pa)
Valeurs constantes
3
kg/m3
Masse volumique de l'eau
2
Gravité
g
m/s
Puissance absorbée
P abs
W
Tension électrique
U
V
Intensité du courant
I
A
Puissance hydraulique
P
W
N
tr/min
1000 9,81
Rendement Vitesse de rotation
Tableau 0 : caractérisation des grandeurs rencontrées. Page 5 sur 20
PARTIE 2 : PRÉLIMINAIRES La première La première étape é tape de l’expérimentation est la l a prise de connaissance des organes et circuits cir cuits de l’installation.
Manomètres
FC
V4 V3
P2 P1
V1
V2
Cuve fermée
Boitier électrique de commande : il affiche l’intensité du courant traversant le moteur et permet de régler la vitesse de rotation des pompes.
V5
Figure 3 : banc expérimental
2.A - Description du dispositif experimental Le banc comporte deux pompes centrifuges travaillant travaillan t en aspiration. Le fluide d’étude est de l’eau. La première P1 peut fonctionner pour des vitesses de rotation N comprises entre 0 à 2900 tr/min. La seconde fonctionne à la vitesse fixe de 2900 tr/min. Un jeu de vannes tout ou rien (TOR) pe rmet d’étudier d’étudier une pompe seule ou le couplage des pompes en série ou en parallèle. Des manomètres métalliques sont reliés à l’aspiration et au refoulement de chacune des pompes pour la détermination de la hauteur manométrique (HMT). Notons que les indices 1 et 2 indiquent respectivement les pompes 1 et 2 dans la suite du rapport. Le circuit comprend en outre un débitmètre à flotteur (rotamètre) et une vanne de réglage du débit. Il s’agit d’un circuit fermé.
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2.B - Schema TI de l’installation On effectue ensuite le schéma TI de l’installation à l’aide de la schémathèque
2004.
Figure 4 : Schéma TI de l’installation
A l'aide d'un jeu de valves, on peut sélectionner la pompe 1, la pompe 2, ou un couplage série ou parallèle (tableau 1). Une série de capteurs avec afficheur analogique ou numérique permet de mesurer les paramètres de débit, pression, puissance et vitesse de rotation des pompes. Précisons que la vanne de vidange V5 situé au pied de la cuve est fermée tout au long de ce TP, on en tient pas compte dans le tableau 1:
V1
V2
V3
V4
FC
Pompe 1
ouverte
fermée
fermée
fermée
Ouverte
Pompe 2
fermée
ouverte
fermée
ouverte
Ouverte
Série
ouverte
ouverte
ouverte
fermée
Ouverte
Parallèle
ouverte
ouverte
fermée
ouverte
Ouverte
l’étude menée Tableau 1: Manipulations à effectuer selon l’étude menée
Aspect sécurité : Une blouse et des lunettes de sécurité sont portés tout au long de la séance de TP.
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PARTIE 3 : ÉTUDES EXPÉRIMENTALES 3.A - Etude de la pompe 1 (P1) fonctionnant seule Dans cette première partie, partie, on s’intéresse au comportement des caractéristiques du circuit en fonction du débit débit pour trois vitesses de rotations différentes différentes (2000, 2500 et 2900
tr/mn). 1- Démarrage de P1 On s’assure que la vanne d’aspiration est totalement ouverte ouvert e pour l’unité l’unité à étudier avant de procéder au démarrage de la pompe. En effet, lorsque cette vanne est partiellement ouverte ; elle représente un accident risquant d’engendrer une perte de charge suffisamment importante pour entrainer le phénomène de cavitation de la pompe. Maintenir la performance d’une pompe est assez simple et nécessite de surveiller uniquement trois paramètres: le débit (fixé avec la vanne de réglage), la pression en amont et en aval de la pompe ainsi que la puissance de celle-ci celle-ci par le biais de l’intensité traversant le moteur. Les données ainsi recueillies (cf. Annexe 1 P.18) permettent de tracer les courbes caractéristiques de la pompe hauteur manométrique totale, puissance absorbée, rendement.
2- Tracé des courbes caractéristiques caractéristiques de P1 et interpré i nterprétations tations
Courbe 1: Influence de la vitesse de rotation sur la caractéristique H=f(Q) 16,00 14,00
y = -0,02x2 - 0,82x + 13,35 R² = 0,97
12,00
H=f(Q) pour N=2000 tr/mn
10,00 ) E C8,00 m ( H
H=f(Q) pour N=2500 tr/mn
6,00 4,00
y = -0,03x 2 - 0,72x + 10,98 R² = 0,99
y = -0,03x2 - 0,6278x + 7,2044 R² = 0,99
H=f(Q) pour N=2900 tr/mn
2,00 0,00 0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
Q ( m3 /h)
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Interprétation Interpréta tion et commentaires : On remarque que la hauteur manométrique totale décroît de façon légèrement parabolique en fonction du débit sur la plage (0-7 m 3/h). Ceci est conforme aux résultats ré sultats attendus pour pour une une pompe pompe réelle car les pertes de charges sont sont dues aux frottements frottements et aux dissipations dissipations liées à l’écoulement. Ainsi, plus Ainsi, plus le débit est important, plus ces frottements sont élevés donc les pertes de charges aussi.
pour un débit quelconque, la vitesse de rotation augmente avec la charge aux bornes de la d’eau est fixé à l’aide d’une d’une vanne de pompe. Il s’agit d’un résultat logique. En effet, le débit d’eau est D’autre part, la part, la superposition des différentes courbes H = f(Q) indique que
réglage dont la fermeture crée une perte de charge singulière. Ainsi, pour un même débit, au fur et à mesure qu’on augmente au gmente la vitesse de rotation, on est contraint d’engendrer des des pertes de charges singulières supplémentaires en fermant la vanne de réglage. On peut constater visuellement et analytiquement (comparaison des termes des équations polynomiales d’ordre 2) 2) que les trois courbes caractéristiques à vitesses de rotations différentes sont quasi parallèles entres elles . Cela signifie qu’il existe une forte corrélation entre la différence de pression totale et la vitesse de rotation. En effet, toutes les pompes centrifuges suivent la théorie des similitudes qui prédit les variations des grandeurs caractéristiques de la pompe en fonction du régime moteur : Q1/Q2 = N1/N2.
Remarque : puisque la l a HMT est maximale pour N= 2900 tr/min, on peut déduire d’après la définition du rendement que celui-ci sera maximal pour N = 2900 tr/min . On vérifiera cette hypothèse par la suite.
Courbe 2: Influence de la vitesse de rotation sur la sur la caractéristique caractéristique Pabs= f(Q) 700,00 600,00
Pabs=f(Q) pour N=2000 tr/mn
500,00
) W ( 400,00 s b300,00 a P200,00
Pabs=f(Q) pour N=2500 tr/mn Pabs=f(Q) pour N=2900 tr/mn
100,00 0,00 0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
Q ( m3 /h)
Interprétation Interpréta tion : Logiquement, on trouve que pour un même débit, la puissance absorbée augmente avec la vitesse de rotation. Cette relation linéaire est due au fait que la force centrifuge entrainant le fluide augmente lorsque les aubes tournent plus rapidement.
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Courbe 3: Influence de la vitesse de rotation sur la caractéristique =f(Q) 0,25
r=f(Q) pour N=2000 tr/mn
0,20 0,15
r=f(Q) pour N=2500 tr/mn
0,10
r=f(Q) pour N=2900 tr/mn
0,05 0,00 0,00
1,00
2,00
3,00
Q(
4,00
5,00
6,00
7,00
m3 /h)
Commentaires: Ce graphique montre que le rendement de la pompe croît de façon parabolique lorsque le débit augmente. En effet, le rendement croît progressivement jusqu’à atteindre une valeur 3 maximale pour un certain débit (environ 4 m /h) avant de chuter plus rapidement. On distingue mieux cette chute de rendement sur la courbe rose (N = 2500 tr/min). Aussi, on observe des fluctuations de de rendement assez importantes sur la plage de variation de débit bien que l ’ordre de grandeur du rendement de l a pompe soit relativement faible (20%). De plus, on remarque que le rendement global est légèrement meilleur dans les grands régimes 3 moteurs et forts débits (3,5 - 5,5 m /h). En particulier, le rendement maximal (21%) est obtenu à vitesse de rotation maximale N= 2900 tr/min comme on s’y attendait (cf. remarque
P.9). Discussions: La puissance absorbée est mesurée en consommation d’énergie d’énergi e du moteur de pompe, le rapport de la puissance utile par la puissance absorbée donne donc le rendement de pompe, en incluant le rendement du moteur. Les 21% de rendement obtenu sont trop faibles (très en dessous de 1) et environ trois fois inférieur à l’or dre l’or dre de grandeur des rendements de pompes centrifuges fournies fournie s par la littérature litté rature qui est de 60 – 70 70%. On peut donc affirmer que la pompe a perdu son rendement. La perte de rendement peut survenir survenir en raison des facteurs suivants :
L a cavitat cavitatii on : effectivement, le fait d’ouvrir complètement la vanne sur la conduite d’aspiration d’aspiration ne garantit pas l’absence d’apparition de bulles d’air dans le fluide (cavitation). Il convient de vérifier que le NPSH disponible pour le montage expérimental est supérieur à celui recommandé par le constructeur. La courbe NPSH requis = f(Q) ne sera pas tracée dans ce TP mais elle est essentielle car elle permet de savoir la valeur limite de débit avec laquelle la pompe peut fonctionner sans risque de cavitation.
perte de de charg char g e : due aux dépôts dans l’eau qui se fixent sur la surface L’augmentation de l a perte de la pompe et de de la tuyauterie ou encore une une alimentation électrique défectueuse. Page 10 sur 20
3- Analyse de la dépendance de la perte de charges J tot en fonction du débit. Ces 3 études sont so nt réalisées avec trois pourcentages d’ouverture K(%) de vannes différentes. Le circuit est fermé la vanne de réglage est placée dans une position donnée. On notera l’influence de la fermeture de vanne sur la perte de charge. On fera varier le débit en jouant cette fois ci sur la vitesse de rotation de la pompe et on notera les pressions en amont et aval de la pompe.
Détermination Détermination du pourcentage d’ouverture de la vanne de réglage
K= 0% K= 100% Figure 5 : Vanne de réglage du débit La vanne de réglage est mobile sur un axe qui apparait plus ou moins lorsqu’on ouvre ou ferme la vanne. Connaissant les positions d’ouverture et de fermeture extrêmes (K=100% et K=0%), on peut retrouver un pourcentage d’ouverture quelconque en évaluant la distance parcourue par la vanne et en faisant une règle de trois. Pour simplifier l’étude on choisit de travailler à 33, 66 et 100% d’ouverture. d’ouverture. Les tableaux des valeurs de cette manipulation constituent l’annexe n°2 (Page 19).
Courbe 4: Évolution de de la perte de charge totale en fonction fonction du débit pour différentes position de la vanne de réglage r églage (N=2900 trs/mn) 10 9 8
Jtot=f(Q) pour K=33%
7
) E 6 C m 5 ( t o 4 t J
Jtot=f(Q) pour K=66% jtot=f(Q) pour K=100%
3
2 1 0
0
2
Q (m3 /h)
4
6
8
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Interprétation Interpréta tion et discus discussion: sion: La courbe Jtot = f(Q) est la courbe caractéristique du circuit ou courbe de réseau. Elle représente l’énergie par unité de poids qu’il faut fournir au fluide pour le faire circuler avec un débit Q. Sur le graphique, on remarque que cette courbe évolue de façon quasiexponentielle avec le débit ce qui est tout à fait normal car les pertes de charges générales augmentent avec le carré de la vitesse moyenne du fluide. La pompe devra donc fournir plus d’énergie au fluide pour vaincre ces pertes de charges. D’autre D’autre part, plus la vanne de réglage est ouverte (K tend vers 100%) moins celle-ci représente un obstacle à l’écoulement, la vanne engendre alors moins de pertes de charges singulières. C’est la raison pour laquelle la perte de charges totale du circuit diminue au fur et à mesure qu’on ouvre la vanne. vanne. Précisons que Jtot = 0m à débit nul car la différence de niveau est nulle (circuit fermé). Les courbes H= f(Q) et Jtot = f(Q) étant connues pour P1, on peut déterminer le point de fonctionnement du système pompe-réseau pour N=2900 tr/min. Ce point correspond à l’intersection de ces deux courbes. courbes.
Courbe 5: Détermination du point de fonctionnement du circuit (pompe 1 seule à N=2900 trs/ mn)
14 12 10
) e c m 8 ( t o t J 6 / H
jtot=f(Q) pour K=100% H=f(Q)
4 2 0
0
2
4 Q (m3 /h)
6
8
Interprétation Interpréta tion : Le point de fonctionnement en rouge est défini par le couple (6,3 ; 6). Le débit nominal de la 3 pompe vaut près de 6,30 m /h. C’est donc ce débit qui équilibre la pression fournie par la
pompe et la pression pression nécessaire au fonctionnement du réseau à ce débit. Remarque : Une pompe donnée mise en place sur un circuit ne peut fournir qu’un seul et un Remarque seul débit nominal. En effet, jusqu’ici on fait varier le débit en créant des pertes de charges sur le circuit de refoulement à l’aide de la vanne de réglage. C’est une notion fondamentale que nous ne sommes pas prêts d’oublier.
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3.B - Etude de la pompe 2 (P2) fonctionnant seule Dans cette partie on tracera la courbe H=f(Q) de la pompe P2 à vitesse de rotation maximale (N2=2900 tr/min). Le principe est le même que pour la pompe 1 (P1), les valeurs obtenues sont situées dans l’annexe 1 (P.18) .
Courbe 6: Hauteur manométrique totale en fonction du débit à vitesse maximale N=2900 trs/mn 14,00 13,00 12,00 )11,00 E C 10,00 m (
H=f(Q) pour P2 H=f(Q) pour P1
H 9,00
8,00 7,00 6,00 0
1
2
3
4
5
6
7
Q (m3/h)
Commentaires: On remarque que P1 avec une HMT max de 13,70 mCE est légèrement plus performante que P2 (HMT max = 11,80 mCE) dans la gamme de débit considéré. Toutefois, l’allure voisine des deux courbes indique que les pompes sont d’un modèle identique . C’est un avantage car vaut mieux travailler avec deux pompes identiques pour éviter la recirculation d’une pompe dans l’autre lors du couplage en parallèle. Notons que les HMT des pompes centrifuges ne peuvent pas dépasser quelques dizaines de mètres. mètres.
3.C - Etude du couplage des deux pompes en paralleles On apporte les modifications nécessaires sur l’installation l’installation pour faire fonctionner les deux pompes en parallèle. Le débit est réglé réglé grâce à la vanne de réglage. réglage. On relève les différentes valeurs de pression de refoulement (Pr) et d’aspiration (Pa) pour chaque pompe :
Tableau 2 : Pompes en parallèle (N1=N2=2900 tr/min) Q (m /h) Pa1 (bar) Pr 1 (bar) Pa2 (bar) 9,75 -0,35 0,45 -0,34 8 -0,28 0,60 -0,23 5 -0,20 0,85 -0,15 3 -0,15 0,95 -0,12 0 -0,10 1,25 -0,12 3
Pr 2 (bar) 0,40 0,63 0,83 0,95 1,25 Page 13 sur 20
On constate rapidement que les valeurs de pressions d’aspiration et d e refoulement des deux pompes sont quasiment identiques. Ce résultat est logique puisque les deux pompes sont
semblables et que dans cette configuration (parallèle), les longueurs de conduites en amont et aval de chacune d’elles sont très proches. Dans un second temps, on simule une panne technique sur P1 . C’est-àC’est-à-dire dire qu’on qu’on fait fonctionner P2 seule et on fixe la vitesse de rotation de P1 à 0 tr/mn . On choisit de fixer 3 un débit de 3 m /h. On obtient :
Q (m3 /h) 3
Pa2 (bar) -0,20
Pr 2 (bar) 0,73
H (mCE) 9,43
Tableau 3 : résultats de la simulation de panne de P1. Puis, on on isole P2 sans l’arrêter (N2= 2900 tr/min) en fermant sa vanne de refoulement et on fait varier N 1 de manière à obtenir la même hauteur manométrique que précédemment (on cherchera à obtenir quasiment les mêmes valeurs de pressions):
N1 (tr/min) 2637
Q (m3 /h) 3,10
Pa1 (bar) -0,15
Pr 1 (bar) 0,80
H (mCE) 9,68 ’
Tableau 4: résultats de l’isolation l’isolation de P2. Enfin, on ouvre la vanne d’isolement de P2 et on obtient un débit
Q = 5,8 m3/h.
Analyse : Lorsqu’on isole P2 sans arrêter arrê ter son moteur, un certain volume du fluide pompé s’accumule s’accumule au niveau de la vanne de refoulement en créant une surpression. Il convient donc de ne pas fermer trop longtemps la vanne de refoulement de P2 car on peut l’abimer . Lorsqu’on ouvre cette vanne, la pression de d e refoulement s’abaisse et la HMT de HMT de P2 aussi.
Conclusion du couplage en parallèle: Dans les cas précédents, le couplage en parallèle permet de conserver la même hauteur manométrique aux bornes des pompes (9,43 9,68 mCE). La petite différence observée se justifie essentiellement par les pertes de charges liées à l’expérience. 3 A près ouverture de la vanne d’isolement de d’isolement de P2, on lit sur le rotamètre un débit Q = 5,80 m /h (environ 2 fois le débit lu quand P1 fonctionne seul (Q = 3,00 m 3/h), ce qui montre que les débits des deux pompes s’additionnent lorsque celles-ci sont montées en parallèles. On peut donc construire la courbe expérimentale H=f(Q) de l’équivalente des pompes l’on comparera avec la courbe théorique construis sur le même même branchées en parallèle que l’on graphique.
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Courbe 7: H=f(Q) avec barres d'erreurs de 10% (Parallèle) 15,00 14,00 13,00 12,00
H=f(Q) expérimentale
) E11,00 C m (
H=f(Q) théorique
H10,00
9,00 8,00 7,00 6,00 0
5
10
15
3
Q (m /h)
Commentaires : On peut On peut dire que les valeurs expérimentales e xpérimentales sont en accord avec la théorie. L’erreur relative à la théorie est de l’ordre de 10 % pour l’ensemble des mesures. On constate qu’a débit nul, la HMT expérimentale (12,62 mCE) est inférieure à la HMT théorique 13,76 mCE. Cela se justifie par les pertes de charges c harges du fluide dans les canalisations. De plus, comme les pertes de charges dans chacun des deux réseaux de pompes ne sont pas identiques , le réseau va s’auto s’auto équilibrer pour rendre cette condition vraie. Cet auto équilibrage se traduit au niveau du réseau par une modification des débits des pompes que l’on remarque nettement pour des HMT proches de 10,70 mCE. On a par exemple pour HMT≈10,70 mCE un débit
théorique de 4 m 3/h inférieur au débit expérimental 5 m 3/h. Critique :
Le débit avec deux pompes en parallèle n’est jamais égal à la somme des débits de chacune des pompes fonctionnant seule. Or, le graphique montre que les débits obtenus (théorique et pratique) ne divergent plus quand la l a hauteur manométrique chute en dessous 9 mCE. Cette
incohérence peut peut se justifier par les incertitudes des mesures pour de forts débits.
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3.D - Etude du couplage des deux pompes en serie On monte les pompes en série et on règle P1 à 2900 tr/min . On fait varier le débit à l’aide de la vanne de réglage et on note les valeurs indiquées par les 4 manomètres (cf. Annexe 3
pour valeurs expérimentales).
Courbe 8: H=f(Q) avec barres d'erreurs de 10% (Série) 30,00
25,00
)20,00 E C m (
H=f(Q) expérimentale expérimentale H=f(Q) théorique
H 15,00
10,00
5,00 0
2
4
Q (m3/h)
6
8
Commentaires : Comme prévu, en série le débit traversant les deux pompes reste le même (gamme : 0~ débit nominal de la pompe). Aussi, les deux pompes en série se comportent comme une seule pompe de hauteur manométrique H’ = H1 + H2 . On atteint une valeur H’ maximum de 25 mCE. On peut de cette façon atteindre des pressions de refoulement très i mportantes.
Remarque : On remarque que les caractéristiques H=f(Q) théorique et parallèle des pompes en série sont très proches. En effet, l’ensemble des points expérimentaux ont une erreur relative à la théorie inférieure à 10%, d’où le fait que certains points expérimentaux sont invisibles sur le graphe. Pour une vision plus claire des valeurs, se référer à la partie correspondante de l’Annexe 3 (P.20). Cependant, la comparaison des valeurs valeurs expérimentales comme l’analyse du graphe confirme bien ce résultat satisfaisant.
Critique : Puisque les résultats obtenus tout au long de nos expériences ne sont pas aberrants mais concorde plutôt bien avec la théorie, on peut déduire qu’il n’y a pas eu phénomène de cavitation de la pompe. La cavitation de la pompe n’est donc pas responsable du faible rendement de la pompe comme on l’a supposé (cf. discussion P.10).
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CONCLUSION
Ce travail pratique nous a permis de caractériser des pompes centrifuges installées sur un circuit fermé. fermé. On a pu déterminer le point de fonctionnement d’une pompe et préciser l’influence de l’influence de paramètres clés tels que la vitesse vitesse de rotation sur la hauteur manométrique, la la puissance et le rendement de la pompe. Le rendement obtenu pour le type de pompe étudiée é tudiée est faible, environ 20%. Dans ce cas, il convient de remplacer la pompe ou de chercher le problème lié à la pompe et y remédier. Dans le cas où on serait amené à faire un choix de pompe sur un réseau ré seau par exemple, notre étude ét ude montre qu’on peut procéder à la modification de la vitesse de rotation de celle-ci afin d’amener d’amener le le point de fonctionnement sur une courbe de pompe. Nous avons aussi expérimenté deux types de couplages de pompes (en série et en parallèle) et juger expérimentalement de l’intérêt l’intérêt de ces modes de fonctionnement. Notons qu’en qu’en pratique, au lieu de monter les pompes en séries on utilise une pompe dite multicellulaire qui comporte plusieurs roues montées sur le même arbre.
Figure 6 : pompe multicellulaire.
Bibliographie Schéma TI : Schémathèque 2004. l’industrie Rappel théorique : Wikipédia et polycopié du TP et document du génie de l’industrie laboratoire 1.
Illustrations: Google images et le cours d’hydraulique d’hydraulique des pompes centrifuges par centrifuges par l’office l’office nationale de l’eau potable. potable .
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Annexe 1 : Résultats d’étude de P1 et P2 3
Q (m /h) 4,50 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00
3
Q (m /h) 6,50 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00
3
Q (m /h) 6,30 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00
3
Q (m /s) 1,25E-03 1,11E-03 8,33E-04 5,56E-04 2,78E-04 0,00E+00
3
Q (m /s) 1,81E-03 1,39E-03 1,11E-03 8,33E-04 5,56E-04 2,78E-04 0,00E+00
P1 fonctionnant seule (N = 2000 tr/mn et U = 285 V) Pa1 (bar) Pr1 (bar) I (A) H (mCE) Pabs (W) -0,30 0,05 0,77 3,57 326,88 -0,25 0,15 0,77 4,08 326,88 -0,15 0,35 0,74 5,10 314,15 -0,12 0,45 0,74 5,81 314,15 -0,10 0,53 0,71 6,37 301,41 -0,09 0,63 0,71 7,29 301,41
P (W) 43,75 44,44 41,67 31,67 17,36 0,00
η 0,13 0,14 0,13 0,10 0,06 0,00
P1 fonctionnant seule (N = 2500 tr/mn et U = 350 V) Pa1 (bar) Pr1 (bar) I (A) H (mCE) Pabs (W) -0,04 0,18 0,86 2,17 448,36 -0,33 0,30 0,86 6,37 448,36 -0,25 0,50 0,84 7,65 437,93 -0,15 0,70 0,83 8,66 432,72 -0,10 0,80 0,78 9,17 406,65 -0,10 0,90 0,77 10,19 401,44 -0,09 1,00 0,77 11,06 401,44
P (W) 38,37 86,81 83,33 70,83 50,00 27,78 0,00
η 0,09 0,19 0,19 0,16 0,12 0,07 0,00
P1 fonctionnant seule (N = 2900 tr/mn et U= 410 V) Q (m /s) Pa1 (bar) Pr1 (bar) I (A) H (mCE) Pabs (W) 1,75E-03 -0,48 0,15 0,94 6,37 574,08 1,39E-03 -0,33 0,50 0,90 8,41 549,65 1,11E-03 -0,25 0,75 0,86 10,19 525,22 8,33E-04 -0,15 0,90 0,84 10,70 513,01 5,56E-04 -0,13 1,00 0,83 11,47 506,90 2,78E-04 -0,10 1,10 0,79 12,23 482,47 0,00E+00 -0,08 1,25 0,77 13,56 470,26 3
P (W) 109,38 114,58 111,11 87,50 62,50 33,33 0,00
η 0,19 0,21 0,21 0,17 0,12 0,07 0,00
Remarque : les valeurs de débits grisées ci-dessus de P1 seront additionnées à celles de P2 suivante pour suivante pour l’obtention du dé bit théorique théorique en en parallèle (cf. Annexe 3). Étude de P2 à N2 = 2900 tr/min Q (m /h) Pa2 (bar) Pr2 (bar) H (mCE) 6 -0,47 0,20 6,83 5 -0,36 0,43 8,00 4 -0,27 0,60 8,87 3 -0,2 0,73 9,43 2 -0,15 0,83 9,94 1 -0,13 0,90 10,50 0 -0,12 1,03 11,67 3
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ANNEXE 2 : Simulation de circuit avec la vanne de réglage On rappelle que cette étude est menée avec P1 fonctionnant seule . La vanne de réglage est positionnée à différent taux d’ouverture K(%) et le débit est réglé en jouant sur la vitesse de rotation de P1.
Pour K=33%
N (tr/min) 600 1198 1800 2400 2897
Q (m3 /s) 0,50 2,00 3,00 4,20 4,75
Pa1 (bar) -0,85 -0,10 -0,15 -0,25 -0,30
Pr1 (bar) 0,00 0,08 0,23 0,43 0,55
I (A) 0,55 0,62 0,72 0,83 0,89
Q (m3 /s) 6,00 5,25 4,00 2,50 0,80
Pa1 (bar) -0,45 -0,35 -0,23 -0,15 -0,10
Pr1 (bar) 0,20 0,15 0,08 0,03 0,00
I (A) 0,92 0,83 0,72 0,63 0,55
Pa1 (bar) -0,10 -0,15 -0,25 -0,38 -0,48
Pr1 (bar) 0,00 0,00 0,05 0,10 0,15
I (A) 0,55 0,64 0,73 0,85 0,93
Pour K=66% K=66%
N (tr/min) 2897 2400 1800 1197 602
K=100% Pour K=100% N (tr/min) 602 1200 1800 2400 2898
Q (m3 /s) 0,80 3,20 4,10 5,50 6,80
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ANNEXE 3 : Résultats d’étude des couplages en série et parallèle.
Obtention des courbes théoriques H=f(Q) en série et en parallèle :
P2 (seule) 3 Q (m /h) H2 (mCE) 6 6,83 5 8,00 4 8,87 3 9,43 2 9,68 1 10,50 0 11,67
P1 (seule) P1 et P2 série H1 (mCE) H théorique (mCE) 7,00 13,83 8,41 16,41 10,19 19,06 10,70 20,13 11,47 21,15 12,23 22,73 13,56 25,23
P1 et P2 parallèle moy (H1, H2) (mCE) 6,91 8,21 9,53 10,06 10,58 11,36 12,62
Théorique Q (m3 /h) 12,3 10 8 6 4 2 0
Valeurs expérimentales obtenues en série et en parallèle :
3
Q (m /h) 7 6 5 3 0
3
Q (m /h) 9,75 8,00 5,00 3,00 0,00
Expérience avec pompes en série (N1=N2=2900 tr/min) Pa1 (bar) Pr1 (bar) Pa2 (bar) Pr2 (bar) I (P1) H1 (mCE) H2 (mCE) H = H1 + H2 -0,33 0,15 -0,59 0 0,95 4,84 6,01 10,86 0 0,65 -0,46 0,22 0,29 6,63 6,93 13,56 0,25 1,05 -0,36 0,4 0,89 8,15 7,75 15,90 0,65 1,7 -0,2 0,725 0,83 10,70 9,43 20,13 1 2,33 -0,12 1,025 0,76 13,51 11,67 25,18
Expérience avec pompes en parallèle (N1=N2=2900 ( N1=N2=2900 tr/min) Pa1 (bar) Pr1 (bar) Pa2 (bar) Pr2 (bar) H1 (mCE) H2 (mCE) -0,35 0,45 -0,34 0,40 8,15 7,54 -0,28 0,60 -0,23 0,63 8,92 8,66 -0,20 0,85 -0,15 0,83 10,70 9,99 -0,15 0,95 -0,12 0,95 11,21 10,91 -0,10 1,25 -0,12 1,25 13,76 13,97
H moy (H1 , H2) 7,85 8,79 10,35 11,06 13,86
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