Les pompes volumétriques ont été développées bien avant les pompes centrifuges. Le liquide est déplacé positivement d’un récipient à volume fixe. Les pompes volumétriques sont capables de développer des pressions élevées tout en fonctionnant à de faibles pressions d’aspiration. Elles sont communément appelées pompes à volume constant. Contrairement aux pompes centrifuges, leur capacité n’est pas affectée par la pression contre laquelle elles fonctionnent. Le débit est généralement régulé en faisant varier la vitesse de la pompe ou en recyclant. Les pompes volumétriques sont divisées en deux groupes: pompes rotatives et alternatives.

Pompes rotatives

Les pompes rotatives sont normalement limitées aux services dans lesquels la viscosité du fluide est très élevée ou le débit trop faible pour être manipulé économiquement par d’autres pompes. Les pompes rotatives sont couramment utilisées pour faire circuler les huiles lubrifiantes à travers les moteurs, les turbines, les réducteurs et les roulements de machines de traitement. Les pompes rotatives déplacent une quantité fixe de fluide pour chaque tour de l’arbre d’entraînement. Ils ont différents éléments de pompage tels que des aubes, des lobes, des engrenages et des vis. Figue. 1 illustre trois (engrenage interne, engrenage externe et vis) des pompes rotatives les plus couramment utilisées dans les opérations de production.

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  Fig. 1- Pompes rotatives couramment utilisées.

La plupart des fabricants évaluent les pompes rotatives en fonction de leur capacité (c’est-à-dire tout au long). La capacité est le déplacement total du liquide de la pompe sans glissement. Le glissement est la quantité de fluide qui fuit de la décharge à haute pression vers l’aspiration à basse pression. Le glissement se produit parce que toutes les pompes rotatives nécessitent des jeux entre les éléments rotatifs et le boîtier de la pompe. Ces dégagements fournissent un chemin de fuite entre les côtés de décharge et d’aspiration. Une pompe avec de grands jeux, en raison des tolérances d’usinage ou de l’usure, présente un glissement proportionnellement plus important. Les pompes rotatives ne peuvent pas déplacer les fluides non lubrifiants tels que l’eau ou les fluides contenant des particules dures ou abrasives. Les pompes rotatives peuvent déplacer de grandes quantités d’air ou de vapeur pendant de courtes périodes sans perdre d’amorçage.

Les pompes rotatives sont auto-amorçantes mais ne sont pas conçues pour fonctionner à sec pendant de longues périodes. Pour un fonctionnement optimal, il doit y avoir suffisamment de liquide au niveau de l’orifice d’aspiration pour que la chambre de pompage reste complètement remplie.

Fig. 2 illustre la relation entre la vitesse, l’efficacité volumétrique et le déplacement d’une pompe volumétrique rotative. Les principes de fonctionnement de certains des types de pompes rotatives les plus courants sont décrits ci-après.

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  Fig. 2- Relation entre la vitesse, l’efficacité volumétrique et le déplacement d’une pompe volumétrique rotative.

Palette coulissante

Un ensemble d’aubes est monté dans un rotor dans lequel les aubes glissent dans et hors du rotor. Le rotor est monté décentré dans le carter. Lorsque les aubes tournent au-delà de l’orifice d’aspiration, elles glissent hors du rotor tout en maintenant un contact constant avec le carter. Les ressorts ou les anneaux de scellage aident à maintenir les aubes contre le boîtier, de sorte que les aubes forment une étanchéité étroite, ou s’adaptent, contre la paroi du boîtier. Le fluide piégé est forcé de l’orifice d’aspiration à l’orifice de refoulement.

La conception à palettes coulissantes est capable de fournir une capacité et une tête moyennes. Ils fournissent un débit constant pour une vitesse de rotor définie. Ils fonctionnent bien avec des fluides à faible viscosité et s’auto-compensent quelque peu l’usure. Ils ne conviennent pas à une utilisation avec des fluides très visqueux (des fluides plus épais interfèrent avec l’action de glissement des aubes). Une grande zone d’usure résulte de l’ajustement par frottement entre les aubes et le cylindre.

Palette flexible. L’aube flexible est similaire à l’aube coulissante sauf que les aubes sont généralement un matériau souple et souple et sont solidaires du rotor. Lorsque le rotor tourne, les aubes se plient et se conforment à la forme excentrique du cylindre. Ils sont simples, peu coûteux et sont capables de développer un vide. Ils ne doivent pas être laissés à sec et ne doivent être utilisés qu’avec des fluides à basse température et dans des applications à faible charge.

Engrenage externe

L’engrenage externe se compose de deux engrenages d’engrènement de taille égale, l’un un conducteur et l’autre un tendeur, qui tournent à l’intérieur d’un boîtier. Lorsque les engrenages se démêlent du côté aspiration de la pompe, un vide se forme. La pression force le fluide dans la pompe où le fluide est transporté entre les dents d’engrenage et le boîtier jusqu’à l’orifice de décharge. À la décharge, l’engrènement des dents d’engrenage crée une limite qui empêche le fluide de retourner à l’aspiration. Les pompes à engrenages fonctionnent également bien lorsqu’elles sont entraînées dans les deux sens. Des précautions doivent être prises pour s’assurer que la rotation de l’arbre est correcte lorsque des caractéristiques spéciales, telles que des soupapes de décharge intégrées ou un dos de purge du joint d’arbre, sont utilisées.

Il existe également des modèles qui utilisent plusieurs ensembles d’engrenages sur un arbre pour produire plus de capacité. Les pompes à engrenages externes sont de taille compacte et peuvent produire des pressions élevées. Ils sont bien adaptés aux fluides très visqueux. Ils sont facilement fabriqués dans une large gamme de matériaux pour assurer la compatibilité avec les fluides pompés. En raison de leurs tolérances étroites, ils sont limités aux applications de fluides propres.

Engrenage interne

La pompe à engrenage interne est en principe similaire à l’engrenage externe, sauf que l’arbre d’entraînement fait tourner une couronne dentée avec des dents internes. La dent d’engrenage externe (roue libre) tourne sur un centre décalé et n’engrène avec l’engrenage d’entraînement que par un arc de rotation segmentaire. Un filtre fixe en forme de croissant occupe l’espace entre les extrémités des dents d’engrenage internes et externes en face du point de maillage. Lorsque les dents de l’engrenage se désengagent au niveau de l’orifice d’entrée, le fluide pénètre et est emprisonné dans l’espace des dents de chaque engrenage et est transporté vers l’orifice de décharge. L’engrènement des deux engrenages et l’élimination de l’espace des dents forcent le fluide de la pompe.

Les pompes à engrenages latéraux sont utilisées dans les applications à faible hauteur. Ils sont limités à une contre-pression maximale de 100 psi et nécessitent une soupape de surpression du côté de la décharge. Comme il existe de faibles dégagements, ils ne peuvent pas manipuler les liquides contenant des solides. Le fabricant doit toujours être consulté avant d’utiliser une pompe à engrenages avec des matières solides manipulatrices de fluides.

Lobe

Les pompes à lobes fonctionnent de la même manière que les pompes à engrenages, sauf que les éléments rotatifs ont deux, trois ou quatre lobes au lieu de dents d’engrenage. Les lobes ne peuvent pas s’entraîner les uns les autres, de sorte que des engrenages de synchronisation sont utilisés. Les lobes n’entrent jamais en contact les uns avec les autres, de sorte que la pompe peut fonctionner à sec. Les lobes sont utilisés lorsque l’intégrité du produit doit être maintenue et dans des applications où les liquides sont sensibles au cisaillement. Le volume important créé entre l’enveloppe et les lobes permet de pomper de nombreux produits sans endommager le produit lui-même. Un avantage majeur est qu’il n’y a pas de contact métal sur métal entre les lobes, ce qui réduit considérablement la possibilité que des traces de fer, d’acier ou d’autres matériaux de construction de pompes se retrouvent dans le produit à cause de l’usure. D’autre part, ils sont plus chers que les pompes à engrenages ou à palettes et sont difficiles à réparer et à entretenir.

Vis

Les pompes à vis peuvent être à rotor unique (cavité progressive) ou à rotor multiple (entrelacement). Les pompes à vis sont des pompes à vitesse relativement élevée mais, en raison de l’inversion du débit nécessaire pour entrer dans le passage d’aspiration, le NPSH peut souvent poser problème. Les pompes à vis sont utilisées pour les applications à tête haute; elles sont le type de pompe rotative le plus couramment utilisé dans les opérations de production.

Vis unique

Dans la conception à vis unique, le fluide est emprisonné entre les bandes de roulement d’une vis rotative et les bandes de roulement de l’élément fixe interne. Ces pompes sont utilisées pour les liquides visqueux et les liquides à haute teneur en solides. Ils peuvent produire une portance d’aspiration importante et des pressions relativement élevées. Ils peuvent manipuler des fluides allant de l’eau propre aux boues sans changer les jeux ou les composants. En revanche, elles sont chères, encombrantes et difficiles à entretenir, et les pièces de rechange sont chères.

Vis multiples

Dans la conception à vis multiples, le fluide s’écoule entre une vis d’entraînement centrale et une ou plusieurs vis de renvoi dans un boîtier ajusté. Dans les pompes à deux vis, les deux arbres sont entraînés avec des engrenages de distribution. Dans les pompes à trois vis, les bandes de roulement des vis sont coupées de sorte qu’une vis puisse entraîner les deux autres. La rotation des vis produit un vide à l’entrée, déplace le fluide à travers la pompe et délivre le fluide à la décharge. En petites tailles, ils sont utilisés pour fournir de l’huile lubrifiante aux moteurs et aux machines industrielles. Dans les tailles intermédiaires, ils sont utilisés dans les immeubles de bureaux comme source d’énergie hydraulique pour faire fonctionner les ascenseurs. Dans les grandes tailles, ils sont utilisés pour charger et décharger des barges et des pétroliers.

Pompes alternatives

Les pompes alternatives déplacent le liquide au moyen d’un mouvement constant de va-et-vient d’un piston, d’un piston ou d’une membrane dans un volume ou un cylindre fixe. Les pompes alternatives peuvent manipuler des fluides visqueux et abrasifs. Ce sont des machines à basse vitesse par rapport aux pompes centrifuges et rotatives. Ils offrent des rendements plus élevés, généralement de 85 à 94%, ce qui nécessite moins de puissance. Les pompes alternatives sont les mieux adaptées aux applications à haute pression et à faible volume. Ils nécessitent fréquemment des amortisseurs de pulsations en raison de la nature pulsatoire du flux. Elles ont des coûts d’installation plus élevés (généralement compensés par des rendements plus élevés) et des coûts de maintenance plus élevés que les pompes centrifuges ou rotatives.

Pompes à piston et à piston

Dans les pompes à piston, un piston se déplace à travers un joint tassé fixe et est poussé dans une cavité de liquide et retiré de celle-ci. Dans les pompes à piston, un piston se déplaçant d’avant en arrière dans une cavité liquide pousse le fluide du cylindre. Le mouvement du piston ou du piston crée une augmentation et une diminution alternées du débit. Lorsque le piston ou le piston recule, le volume disponible dans le cylindre augmente et une soupape d’aspiration s’ouvre pour permettre au liquide de pénétrer dans le cylindre par une soupape d’aspiration à sens unique. Lorsque le piston ou le piston avance, le volume disponible dans le cylindre diminue, la pression du liquide augmente et le liquide est expulsé par une soupape de décharge à sens unique.

Les rendements restent élevés indépendamment de la tête ou de la vitesse (ont tendance à diminuer légèrement avec l’augmentation de la vitesse). Étant donné que les pompes alternatives fonctionnent à des vitesses inférieures à celles des pompes centrifuges ou rotatives, elles sont mieux adaptées à la manipulation de liquides visqueux. Ils sont capables de produire des pressions élevées et de grandes capacités et sont auto-amorçants. D’autre part, ils nécessitent plus d’entretien en raison du grand nombre de pièces mobiles. Elles sont plus lourdes et nécessitent plus d’espace au sol que les pompes centrifuges ou rotatives. De plus, ils manipulent mal des liquides contenant des solides qui ont tendance à éroder les vannes et les sièges. Les pompes à piston et à piston nécessitent des NPSH plus importants en raison du débit pulsé et de la chute de pression à travers les vannes. En raison de l’écoulement pulsé, ils nécessitent une attention particulière à la conception des tuyauteries d’aspiration et de refoulement pour éviter les vibrations acoustiques et mécaniques.

Pompes à membrane

Fig. 3 montre une pompe à membrane à fluide typique (à gaz, à air ou à liquide). Son principe de fonctionnement est similaire aux pompes à piston et à piston, sauf qu’au lieu d’un piston ou d’un piston, il existe un diaphragme pulsé flexible qui déplace le liquide. Une pression variable du fluide de puissance sur un côté de la membrane provoque la déviation de la membrane en aspirant alternativement du liquide dans la chambre côté pompe ou en déchargeant le liquide de la chambre côté pompe. Les pompes à membrane sont capables de pomper des liquides visqueux, érosifs, corrosifs ou contenant de grandes quantités de solides. De plus, les pompes à membrane sont auto-amorçantes, peuvent fonctionner périodiquement sans liquides et sont peu coûteuses à réparer car elles n’ont pas de presse-étoupe et ont peu de pièces mobiles.

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  Fig. 3- Pompe à membrane.

Les pompes à membrane sont limitées à de faibles débits (90 gal/min), à des pressions de refoulement modérées et à des températures modérées. Ils nécessitent un entretien fréquent et présentent une défaillance de fatigue avec le temps. Les fuites peuvent causer un danger en mélangeant le fluide électrique avec le fluide de traitement. Les pompes à membrane à gaz / air sont couramment utilisées comme pompes de puisard.

Il est possible d’utiliser un diaphragme pour alimenter un piston ou une pompe à piston. Ce type de pompe est souvent utilisé pour l’injection chimique car il est bien adapté aux applications à faible volume et à grande tête, et la vitesse peut être contrôlée par une vanne d’étranglement sur le fluide de puissance.

Considérations relatives aux performances des pompes à mouvement alternatif

Les pompes à mouvement alternatif sont des pompes à volume constant. Les variations des pressions de refoulement n’affectent pas le débit. Étant donné que ces pompes continuent de fournir la même capacité, toute tentative d’étranglement du débit de refoulement peut entraîner une surpression du corps de pompe et / ou de la tuyauterie de refoulement. Ainsi, aucune pompe alternative ne doit jamais être démarrée ou actionnée avec la vanne de blocage de décharge fermée. Le débit est régulé par la vitesse.

Capacité

La capacité d’une pompe alternative est le déplacement du cylindre moins le glissement. Pour un cylindre à simple effet, la cylindrée du cylindre peut être déterminée à partir de

(Eq. 1)

Pour les cylindres à double effet, le déplacement du cylindre peut être déterminé par

(Eq. 2)

où

s= déplacement du cylindre

A= zone du piston ou du piston

a=section transversale de la tige du piston

LS = longueur de course

N = vitesse

m = nombre de pistons ou de pistons.

Le glissement est la perte de capacité en pourcentage de la cylindrée du cylindre en raison de l’efficacité volumétrique, des pertes de boîte à farce et des pertes de soupapes. L’efficacité volumétrique (à ne pas confondre avec l’efficacité mécanique) est normalement de 95 à 97%. L’efficacité est également réduite lors du pompage d’un hydrocarbure léger présentant un certain degré de compressibilité.

La capacité de la pompe peut être déterminée à partir de

(Eq. 3)

où

q = capacité de la pompe.

Vitesse

La vitesse est le facteur principal qui détermine à la fois la capacité d’une pompe alternative et ses coûts de maintenance. Le fonctionnement à grande vitesse raccourcit la durée de vie de l’emballage et augmente les forces d’accélération et de décélération sur tous les composants en mouvement. Le fonctionnement en dessous de la vitesse maximale « nominale” peut être avantageux lorsque la pompe fonctionne sans surveillance, lorsqu’il n’y a pas de pièces de rechange et pas de veille, lorsqu’il y a une pénalité élevée pour temps d’arrêt, lorsque la maintenance de l’unité est médiocre, lorsque la longue durée de vie est souhaitée et lorsque la marge NPSH est faible. Le fonctionnement aux vitesses nominales maximales nécessite:

• Fluides propres et frais
• Excellente disposition de la tuyauterie avec une tuyauterie rigidement fixée
• Bonne marge NPSH
• Base solide
• Amortisseurs de pulsations d’aspiration et de décharge bien conçus
• Bon entretien

Chaque fois qu’il devient nécessaire de fonctionner au-dessus des vitesses nominales maximales, une attention particulière doit être accordée à tous les détails de conception, de fonctionnement et d’entretien.

Directives d’installation

Si les pompes volumétriques sont correctement installées et utilisées, des performances satisfaisantes peuvent être obtenues pendant une longue période. Ces pompes sont fabriquées dans une variété de conceptions pour de nombreux services différents. Les instructions de chaque fabricant doivent être suivies attentivement pour des machines ou des équipements d’application spécifiques. La discussion suivante concerne les directives générales d’installation pour les pompes à mouvement alternatif volumétrique.

Fondations et alignement

La plupart des fondations de pompe sont construites en béton armé. La pompe et le conducteur sont boulonnés sur une plaque de base en fonte ou en acier, qui est fixée à la fondation en béton avec des boulons d’ancrage. Les petites pompes ont besoin d’une fondation suffisamment grande pour accueillir l’assemblage de la plaque de base. Les grandes pompes nécessitent une fondation qui représente trois à quatre fois le poids de la pompe et du conducteur.

Installation du manchon du boulon d’ancrage

Chaque boulon d’ancrage est équipé d’une rondelle et est passé à travers un manchon de tuyau d’un diamètre trois à quatre fois supérieur au boulon. L’unité de manchon de boulon est fixée dans le béton aux positions de trou prédéterminées de la plaque de base. La flexibilité de l’unité de rondelle de manchon permet d’effectuer des ajustements mineurs dans la position du boulon avant le serrage final, même après la pose de la fondation en béton.

Réglages des cales métalliques

Des cales métalliques sont utilisées pour positionner la pompe sur la fondation. Des ajustements sont effectués jusqu’à ce que l’arbre et les brides de la pompe soient complètement à niveau. L’alignement entre la pompe et le conducteur est ensuite réglé avant de connecter la pompe aux conduites d’aspiration et de refoulement. Ce dernier aurait dû être aligné lors du positionnement initial de la plaque de base.

Jointoiement

En raison de la tension du tuyau, l’ensemble de la pompe doit être revérifié pour être aligné une fois la tuyauterie solidement boulonnée. Si l’alignement de l’entraînement n’a pas été modifié en boulonnant la tuyauterie, l’espace entre la plaque de base et les fondations en béton est rempli de jointoiement. Le jointoiement doit être suffisamment fluide pour remplir tout l’espace disponible sous la plaque de base.

Considérations relatives à la température de fonctionnement

Il est essentiel que l’alignement entre la tuyauterie, la pompe et le conducteur ne change pas. Idéalement, les alignements doivent être effectués à la température de fonctionnement après l’alignement initial à froid du système de pompage, éliminant ainsi tout changement d’alignement dû à la dilatation thermique.

Tuyauterie

Outre le choix des vitesses de fonctionnement, une conception correcte de la tuyauterie est la considération la plus importante dans la conception de l’installation de la pompe. Une mauvaise tuyauterie est souvent le résultat d’une inattention aux détails, ce qui peut entraîner des temps d’arrêt supérieurs à la moyenne, des coûts de maintenance plus élevés et une perte de confiance du personnel d’exploitation.

La tuyauterie d’aspiration doit être directe, exempte de coudes, aussi courte que possible, et au moins une taille nominale de tuyau supérieure à la connexion pompe-aspiration. Les changements de tuyauterie directionnelle doivent être effectués avec des coudes à long rayon. Une vanne de blocage à ouverture complète doit être installée dans la tuyauterie d’aspiration. La cuve d’aspiration doit avoir un temps de rétention suffisant pour le dégagement de gaz libre et doit être équipée d’un disjoncteur de vortex au niveau de la buse d’évacuation. Les conduites d’aspiration et de dérivation doivent entrer dans le récipient en dessous du niveau de liquide minimum.

La tuyauterie d’aspiration doit être suffisamment grande pour que les limites de vitesse ne soient pas dépassées. Les réducteurs excentriques avec le côté plat vers le haut doivent être utilisés à la place des réducteurs concentriques. La tuyauterie d’aspiration doit comprendre une crépine d’aspiration et un amortisseur de pulsations. Les crépines d’aspiration ne doivent pas être installées à moins qu’un entretien régulier ne puisse être assuré. Une condition de manque de liquide résultant d’une crépine bouchée peut causer plus de dommages à la pompe que l’ingestion de solides.

La tuyauterie de refoulement doit être directe, exempte de courbures excessives et au moins une taille nominale de tuyau supérieure à la connexion pompe-refoulement. Les changements de tuyauterie directionnelle doivent être effectués avec des coudes à long rayon. Des réducteurs concentriques peuvent être utilisés, mais ils doivent être placés aussi près de la pompe que possible. Pour faciliter l’amorçage et le démarrage, une conduite de dérivation (recyclage) avec clapet anti-retour et vanne de blocage doit être installée sur la source d’aspiration. Si un amortisseur de pulsations n’est pas inclus dans l’installation initiale, une connexion à bride doit être fournie si une atténuation des pulsations peut être nécessaire. Une soupape de décharge doit être installée en amont de la soupape de blocage de décharge, en cas de surpression dans la tuyauterie de décharge.

Considérations relatives aux pulsations

Le débit d’une pompe alternative n’est pas uniforme. Le mouvement oscillant des pistons crée des perturbations (pulsations) qui se déplacent à la vitesse du son du cylindre de la pompe au système de tuyauterie. Les pulsations sont fonction de la vitesse du piston / piston de la pompe, des soupapes internes et de la vitesse de fonctionnement. Les pulsations font fluctuer le niveau de pression du système en fonction du temps.

Les pulsations d’aspiration peuvent faire chuter instantanément le niveau de pression en dessous de la pression de vapeur du fluide, ce qui entraîne une cavitation. La caviation peut provoquer une défaillance des pièces de la pompe telles que:

• Vannes
• Croisillons
• Tiges
• etc.

La caviation peut également provoquer des vibrations élevées de la tuyauterie qui entraînent la défaillance des:

• Évents
• Drains
• Lignes de jauge

Les colliers de serrage et les supports de tuyauterie normaux peuvent ne pas être efficaces pour contrôler ces vibrations.

Les pulsations peuvent être amplifiées par les résonances acoustiques du système de tuyauterie, ce qui entraîne des défaillances de l’extrémité du fluide de la pompe et des défaillances de la tuyauterie en raison des secousses causées par la pulsation de pression. Pour des configurations de tuyauterie simples et des vitesses de pompe faibles à modérées, des amortisseurs de pulsation sont utilisés pour atténuer les effets des débits pulsatoires. Des amortisseurs de pulsations sont normalement installés à la fois sur l’aspiration et la décharge. Les amortisseurs peuvent être remplis de liquide; des filtres acoustiques à coussin de gaz ou réglés. Pour les tuyauteries complexes et à plusieurs pompes et les vitesses de pompe élevées, des filtres acoustiques sont utilisés.

La conception d’un système d’amortissement des pulsations dépasse le cadre du présent chapitre. Une expertise particulière est nécessaire pour analyser et contrôler les pulsations dans les installations multipompes.

Nomenclature

s	=	cylinder displacement
A	=	plunger or piston area
a	=	piston-rod cross-sectional area
LS	=	stroke length
N	=	speed
m	=	number of pistons or plungers
q	=	pump capacity

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Voir également

PEH:Pompes

Pompes

Pompes centrifuges

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