Le choix de la bonne pompe peut s'avérer décourageant, en particulier lorsqu'il s'agit de choisir entre une pompe centrifuge et une pompe volumétrique. Ces deux types de pompes remplissent des fonctions différentes et présentent des caractéristiques opérationnelles uniques. Cet article vous guidera à travers les facteurs essentiels à prendre en compte, y compris les propriétés du liquide pompé et les exigences spécifiques de votre système. À la fin, vous comprendrez les principales différences et serez en mesure de prendre une décision éclairée qui optimisera à la fois l'efficacité et la rentabilité de vos applications industrielles.
Les pompes sont les équipements industriels les plus utilisés après les moteurs. Actuellement, des millions de pompes fonctionnent dans le monde entier, transportant des milliers de types de liquides différents.
Choisir la bonne pompe parmi la myriade d'options disponibles est une tâche complexe. Dans une large mesure, la sélection d'une pompe consiste à adapter les capacités d'une pompe spécifique aux exigences du système et aux caractéristiques du fluide pompé.
Dans cet article, nous commencerons par les propriétés du liquide pompé, du point de vue des besoins de l'utilisateur, puis nous nous pencherons sur les spécificités de la sélection de la pompe.
Dans toute application, la première étape consiste à comprendre les exigences de base de l'utilisateur pour la pompe. Par exemple : les conditions d'entrée, le débit requis, la pression différentielle, la température et les caractéristiques du fluide telles que la viscosité, l'abrasivité, la sensibilité au cisaillement et la corrosivité. Ces conditions doivent toutes être déterminées avant de pouvoir sélectionner une pompe.
Les pompes doivent fonctionner dans des conditions d'aspiration correctes pour bien fonctionner. En fait, le plus gros problème rencontré par les pompes est lié à de mauvaises conditions d'aspiration. Étant donné que la capacité de la pompe à pousser le liquide dépasse largement sa capacité à l'aspirer, les conditions d'aspiration doivent être maintenues dans les limites de la capacité de la pompe.
La pression différentielle est également un facteur critique, en particulier lorsqu'il s'agit d'économiser l'énergie et de prolonger la durée de vie de la pompe. L'utilisation de tuyaux de plus petit diamètre et de plus grande longueur peut réduire les coûts initiaux du système, mais peut également entraîner une pression différentielle plus élevée pour la pompe.
Cette différence de pression plus élevée peut se traduire par une consommation d'énergie et une réduction potentielle de la durée de vie de la pompe, ce qui se traduit par des coûts d'exploitation plus élevés et une efficacité moindre.
Les caractéristiques requises du fluide sont généralement connues, et l'essentiel est de comprendre comment une pompe donnée affecte ces caractéristiques. La plupart des utilisateurs préfèrent que le liquide refoulé par la pompe soit dans le même état que lorsqu'il est entré dans la pompe. La compatibilité des matériaux, la viscosité, la sensibilité au cisaillement et la présence de substances spécifiques ou de solides sont d'une importance capitale pour la sélection d'une pompe appropriée.
Une fois que les exigences de base sont satisfaites et que les caractéristiques du liquide sont connues, la sélection de la pompe peut commencer. Les pompes sont généralement divisées en deux catégories de base : les pompes cinétiques (dont le type le plus important est la pompe centrifuge) et les pompes volumétriques (PD).
Selon les données du ministère américain du commerce, environ 70% de toutes les ventes de pompes sont des pompes cinétiques, tandis que les 30% restantes sont des pompes volumétriques. La première étape dans le choix d'une pompe consiste à déterminer laquelle des pompes centrifuges ou des pompes volumétriques est la plus adaptée à vos besoins.
Comme la majorité des pompes industrielles sont centrifuges, de nombreuses personnes envisagent d'abord d'utiliser des pompes centrifuges. Le coût des pompes centrifuges est généralement inférieur à celui des pompes volumétriques, et c'est également le type de pompe à utiliser dans de nombreuses situations.
Chaque type de pompe agite le liquide d'une manière qui lui est propre, et chacune a ses propres caractéristiques et courbes de fonctionnement. Il est important de noter que les pompes centrifuges affectent le débit du liquide, ce qui entraîne une certaine pression au niveau de l'orifice de refoulement.
En revanche, une pompe volumétrique agite le liquide en prélevant d'abord une quantité spécifique de liquide et en l'acheminant de l'orifice d'aspiration à l'orifice de refoulement.
Pour les pompes centrifuges, la pression se forme d'abord, suivie par la génération du débit. Pour les pompes volumétriques, le débit se forme d'abord, suivi de l'apparition de la pression.
Afin de choisir le type le plus approprié parmi les différentes pompes, il est essentiel de comprendre les différences entre les caractéristiques de fonctionnement de ces deux types de pompes. L'examen de leurs tableaux de performances (figure 1a) montre à quel point leurs principes de fonctionnement sont différents.
Les pompes centrifuges présentent un phénomène de débit variable qui dépend de la pression (ou de la hauteur de charge), tandis que les pompes volumétriques présentent un phénomène de débit plus ou moins constant qui est indépendant de la pression.
La viscosité joue un rôle important dans l'efficacité mécanique d'une pompe. Les pompes centrifuges fonctionnant à des vitesses de moteur, leur rendement diminue avec l'augmentation de la viscosité en raison de l'accroissement des pertes par frottement à l'intérieur de la pompe. Il convient de noter que la diminution du rendement des pompes centrifuges est rapide lorsque la viscosité augmente (figure 1b).
Une autre distinction importante est l'effet de la viscosité sur la capacité de la pompe. Dans le tableau des débits (figure 1c), vous remarquerez une diminution du débit à mesure que la viscosité augmente pour les pompes centrifuges, alors que les pompes volumétriques connaissent une augmentation du débit.
Cela est dû au fait que le liquide à viscosité plus élevée remplit les vides à l'intérieur de la pompe volumétrique, ce qui se traduit par un rendement volumétrique plus élevé. La figure 1c ne représente que l'impact de la viscosité sur le débit de la pompe.
Gardez à l'esprit qu'il y aura également une augmentation de la perte dans la tuyauterie à l'intérieur du système. Cela signifie que le débit de la pompe centrifuge diminuera encore avec l'augmentation de la pression différentielle de la pompe.
Lorsque l'on considère l'effet de la pression différentielle sur le rendement mécanique de la pompe, les pompes cinétiques et volumétriques présentent des caractéristiques différentes. La figure 1d illustre la manière dont le rendement de la pompe est affecté par l'augmentation de la pression.
Pour les pompes volumétriques, le rendement s'améliore en fait avec l'augmentation de la pression, alors que les pompes centrifuges ont un point de rendement optimal (BEP). De part et d'autre de ce point, le l'efficacité globale de la pompe diminue de manière significative.
Ces deux types de pompes ont des exigences très différentes en ce qui concerne les conditions d'entrée. Les pompes centrifuges ont besoin d'une certaine quantité de liquide dans la pompe pour créer une pression différentielle. Une pompe sèche sans liquide ne peut pas démarrer d'elle-même.
Une fois démarrées, les pompes centrifuges doivent répondre à des exigences spécifiques en matière de pression d'entrée recommandées par le fabricant.
Comme les pompes volumétriques brassent le liquide en dilatant et en contractant son volume, une pression négative est créée à l'entrée, ce qui permet à la pompe de s'amorcer d'elle-même.
Dans certains cas, c'est le seul facteur déterminant pour choisir entre une pompe volumétrique et une pompe centrifuge.
En résumé, lorsque la viscosité est supérieure à 150 cP et qu'il est nécessaire de prévoir les débits sur une large plage, ou lorsque l'auto-amorçage est souhaité, une pompe volumétrique peut être envisagée. La consommation d'énergie doit également être prise en compte lors du choix entre une pompe centrifuge et une pompe volumétrique, car il peut y avoir des différences significatives dans la consommation d'énergie entre les deux.
Ceci est particulièrement important pour les débits inférieurs à 100 gallons par minute, où la diminution de l'efficacité est plus prononcée pour les pompes centrifuges.
Même après avoir décidé d'utiliser une pompe volumétrique, il reste de nombreuses options à prendre en compte. Avant de détailler les spécificités de chaque opération de pompage, passons d'abord en revue certaines caractéristiques opérationnelles communes des pompes volumétriques.
Comme mentionné ci-dessus, une pompe volumétrique rotative refoule le même volume de fluide à chaque rotation de l'arbre. Cela signifie que le débit du fluide refoulé est proportionnel à la vitesse de rotation.
En d'autres termes, le débit peut simplement être contrôlé en modifiant la vitesse de la pompe. Pour les fluides plus visqueux, la pompe peut être dosée en mesurant simplement le nombre de rotations de l'arbre.
La structure d'une pompe volumétrique exige des composants internes bien ajustés et un certain jeu de fonctionnement. En raison de ce jeu, une partie du fluide retourne de l'extrémité de refoulement à l'extrémité d'aspiration.
Ce phénomène est connu sous le nom de "glissement". La quantité de fluide qui glisse dépend de la viscosité du fluide, de la différence de pression et du jeu interne de la pompe. Une viscosité plus faible entraîne généralement un glissement plus important, tandis que les fluides plus épais glissent moins.
Étant donné qu'une pompe volumétrique essaie toujours de refouler la même quantité de fluide, il est important de disposer des dispositifs de protection contre les surpressions nécessaires dans le système. Lorsqu'un blocage se produit dans le refoulement de la pompe, il entraîne généralement une augmentation de la pression, qui ne s'arrête que lorsque : la charge dépasse la limite du moteur ; certains composants du système se brisent et libèrent la pression ; ou la pompe tombe en panne. Toutes ces situations sont dangereuses. Une pompe volumétrique a besoin d'un moyen de relâcher la pression.
Pour obtenir une décharge de pression, il existe plusieurs méthodes. L'utilisation d'une soupape de décharge est la plus courante, mais un disque de rupture dans la conduite de décharge peut également être utilisé.
Le couple d'entraînement étant directement lié à la pression différentielle à l'intérieur de la pompe volumétrique, il est également possible d'utiliser un accouplement à couple limité. L'essentiel est de se rappeler que des pressions très élevées peuvent s'accumuler à l'intérieur de la pompe volumétrique et qu'elles doivent être limitées en cas de blocage du refoulement ou de blocage partiel.
Les pompes volumétriques peuvent être divisées en plusieurs types. L'American Hydraulics Institute, une organisation formée par des fabricants de pompes, a publié plusieurs ouvrages sur les types de pompes et les normes. Les pompes volumétriques rotatives sont classées dans les catégories suivantes : roue, piston, came, engrenage, piston à anneau et vis.
En outre, il existe des sous-catégories pour chaque type de pompe, ce qui signifie qu'il existe de nombreux types de pompes volumétriques. Toutes ces pompes ont la même fonction de transport de fluide, alors comment choisir la bonne ?
Si la plupart des pompes volumétriques peuvent être modifiées pour s'adapter à un large éventail d'applications, certains types sont meilleurs que d'autres pour un environnement donné. Heureusement, pour le transport de fluides de base, quelques pompes se sont avérées supérieures. Dans les sections suivantes, nous examinerons les caractéristiques de performance des pompes à engrenages internes, des pompes à engrenages externes et des pompes à roue.
La pompe à engrenage interne comprend un élément d'engrenage externe appelé rotor, qui est responsable de l'entraînement de l'engrenage interne, également connu sous le nom de pignon (figure 2). Le pignon est légèrement plus petit que le rotor et tourne autour d'un axe fixe tout en fonctionnant à l'intérieur du rotor.
Lorsque ces composants se désengagent, un certain espace se forme, permettant au liquide de s'écouler dans la pompe. Lorsque ces composants s'engagent, le volume de l'espace diminue progressivement, forçant le liquide à s'écouler par l'orifice de refoulement.
Le liquide peut s'écouler dans la cavité en expansion à travers les engrenages du rotor et la cavité située sous la tête de pompe. Le dernier élément clé de ce type de pompe est la barrière en forme de croissant, qui est intégrée à la tête de la pompe.
La barrière en forme de croissant scelle le volume de liquide entre le pignon et l'engrenage, servant de joint entre les orifices d'admission et d'évacuation.
L'engrenage du rotor est fixé sur un arbre d'engrenage et soutenu par un collier d'arbre ou un palier antifriction (figure 3). L'ensemble de l'engrenage intermédiaire comprend également un palier à collet qui est situé dans le liquide pompé et qui tourne autour d'un axe fixe.
En fonction de la disposition du joint d'arbre, le palier support de l'arbre du rotor peut fonctionner dans le liquide pompé. Cet aspect doit être souligné lors du transport de liquides corrosifs, car ils peuvent corroder le palier de support.
La limite de pression réelle de ces pompes dépend du fonctionnement du palier de support de l'arbre du rotor. La pression différentielle nominale de la grande majorité des pompes à engrenages internes est de 200 psi, bien qu'elles puissent être utilisées pour des pressions plus élevées dans des conditions d'application correctes.
La vitesse des pompes à engrenages internes est relativement plus lente que celle des pompes centrifuges. En général, la vitesse maximale est de 1150 tr/min, mais certains modèles de petite taille peuvent atteindre 3450 tr/min. Comme les pompes à engrenages intérieurs peuvent fonctionner à faible vitesse, elles sont bien adaptées au transport de fluides à haute viscosité, bien qu'elles puissent également être utilisées avec succès pour des liquides minces. Les pompes à engrenages internes ont réussi à pomper des liquides d'une viscosité supérieure à 1 000 000 cSt et des liquides de très faible viscosité, tels que le propane liquide et l'ammoniac.
La plage de débit de ce type de pompe s'étend de 0,5 gallon/minute à 1500 gallons/minute. Les matériaux utilisés sont la fonte et divers alliages résistants à la corrosion, notamment l'Hastelloy.
Les pompes à engrenages internes adoptent une conception à tolérance serrée lors de la fabrication, qui peut être endommagée lors du pompage de solides plus importants. Ce type de pompe peut véhiculer de petites particules en suspension dans des applications corrosives, mais elle s'use et ses performances se dégradent progressivement.
Dans les applications corrosives, le choix de matériaux résistants à la corrosion permet de prolonger considérablement la durée de vie de la pompe. Dans ce cas, le carbure de tungstène, l'acier trempé ou divers revêtements peuvent donner d'excellents résultats.
Les pompes à engrenages internes ont une très large gamme d'applications et peuvent même être utilisées efficacement pour les liquides sensibles au cisaillement. Les domaines d'application comprennent les eaux usées, les polymères, les peintures sensibles au cisaillement, les émulsions d'asphalte et certains aliments, comme la mayonnaise.
Avec ce type de pompe, seule une très petite quantité de liquide est soumise à des forces de cisaillement à tout moment. De plus, si nécessaire, le jeu et la vitesse peuvent être ajustés pour minimiser l'impact des forces de cisaillement.
Les pompes à engrenages externes fonctionnent de la même manière que les pompes à engrenages internes en ce qui concerne l'action de pompage, c'est-à-dire en engageant et en désengageant deux engrenages pour entraîner le flux de fluide (figure 4).
En revanche, les pompes à engrenages externes utilisent deux engrenages totalement identiques qui s'engrènent et tournent l'un avec l'autre. Chaque engrenage est supporté par un arbre d'engrenage, et il y a un palier de chaque côté de chaque engrenage. Généralement, les quatre paliers fonctionnent dans le liquide pompé.
Comme l'engrenage est soutenu des deux côtés, la pompe à engrenages extérieurs peut être utilisée dans des applications à haute pression, par exemple dans des dispositifs hydrauliques.
Les pompes conçues pour l'alimentation hydraulique peuvent supporter des pressions de plusieurs milliers de livres par pouce carré. Les pompes industrielles pour convoyeurs peuvent supporter des pressions encore plus élevées, mais les caractéristiques du liquide peuvent limiter la plage de pression.
Les liquides plus fins peuvent atteindre des centaines de psi, tandis que les liquides plus visqueux peuvent approcher la pression des pompes hydrauliques. En règle générale, les petites pompes à engrenages externes doivent fonctionner dans une plage de 1750 à 3450 tr/min, tandis que les grosses pompes à engrenages externes fonctionnent à une vitesse maximale de 640 tr/min.
La gamme de débit de la pompe à engrenages extérieurs va de très faible (quelques gouttes par minute) à très élevé (1500 gallons par minute). Les pompes à engrenages externes peuvent être fabriquées à partir de diverses matières premières, y compris des alliages haut de gamme.
Les pompes à engrenages externes peuvent utiliser des tolérances plus étroites que les pompes à engrenages internes. Cependant, les pompes à engrenages externes ne tolèrent pas les particules dans le liquide pompé. Comme il y a un espace aux deux extrémités de l'engrenage, il n'est pas possible d'ajuster l'espace entre les extrémités en fonction de l'usure. Lorsque la pompe à engrenages extérieurs est usée, elle doit être remontée ou remplacée.
Tant que la vitesse est réglée correctement, en particulier pour les liquides à viscosité élevée, la pompe à engrenages extérieurs peut traiter à la fois des liquides visqueux et des liquides aqueux. Comme les liquides visqueux ont besoin d'un certain temps pour remplir les espaces entre les dents de l'engrenage, la vitesse de la pompe doit être considérablement réduite lors du pompage de liquides visqueux. Sa limite de viscosité est en fait la même que celle d'une pompe à engrenages intérieurs, à savoir 1 000 000 cSt dans les deux cas.
Les performances de la pompe à engrenages extérieurs dans des conditions d'aspiration critiques ne sont pas idéales, en particulier pour les liquides volatils. Les liquides volatils subissent souvent une évaporation partielle lorsque l'espace entre les dents se dilate rapidement.
Le principe de fonctionnement de la pompe à palettes est théoriquement similaire à celui des autres pompes volumétriques avec des volumes en expansion et en contraction, mais elle utilise un mécanisme différent pour réaliser cette théorie (figure 6). Il est intéressant de noter que la pompe à hélice est essentiellement deux pompes en une.
La première action de pompage est générée par l'expansion du volume entre la roue, le rotor et le corps de la pompe, tandis qu'une action de pompage moins perceptible se produit dans la zone située sous la roue.
Dans cette zone, que la roue entre ou sorte de la fente du rotor, une action de pompage se forme, qui représente en fait environ 15% du déplacement total de la pompe.
En général, cette zone est ventilée par les fentes à l'intérieur de la roue ou du rotor. Il est essentiel de comprendre cela, en particulier lorsqu'il s'agit de liquides plus visqueux, car l'écoulement du liquide visqueux dans et hors de la zone située entre les roues peut s'avérer plus difficile.
Par conséquent, la viscosité maximale recommandée pour ce type de pompe est d'environ 25 000 cSt.
La roue, qui est le principal élément d'étanchéité entre les orifices d'aspiration et de refoulement, est généralement fabriquée en matériaux composites non métalliques. Comme il n'y a pas de contact métal contre métal, les pompes à roue sont souvent utilisées pour des liquides de faible viscosité sans effet lubrifiant, tels que le propane et l'ammoniac. Comme la roue est en contact direct avec le corps de pompe et que le jeu interne est réduit au minimum, les caractéristiques de glissement des liquides minces peuvent être optimisées.
La plupart des pompes à roue à aubes pour convoyeurs limitent la pression à 125 psi, bien que certaines soient conçues pour 200 psi. La limite de pression de la pompe à roue dépend en grande partie de la résistance de la roue.
Grâce à la roue non métallique et aux très faibles jeux de fonctionnement, les pompes à roue peuvent très bien démarrer les opérations d'amorçage. Lorsque la pompe commence l'opération d'amorçage, elle doit rejeter de l'air, et ce qui est rejeté est un fluide très fin. C'est pour cette raison que les pompes à roue sont parfois utilisées comme pompes à vide.
Les pompes à roue sont généralement soutenues des deux côtés du rotor par des chemises d'arbre ou des paliers antifriction. Si des manchons d'arbre sont utilisés, ils fonctionneront dans le liquide. Si des paliers antifriction sont utilisés, les joints internes de la pompe doivent être utilisés pour permettre aux paliers de fonctionner dans de l'huile ou de la graisse lubrifiante. Cette conception nécessite deux garnitures mécaniques, une de chaque côté du rotor.
Les pompes à roue fonctionnent généralement à une vitesse comprise entre 1000 et 1750 tours/minute, et le débit peut atteindre 2000 gallons/minute. Cependant, lorsqu'il s'agit de liquides à haute viscosité, la vitesse requise sera considérablement réduite pour permettre au liquide de pénétrer sous la roue.
Dans les applications traitant des liquides à haute viscosité, les roues doivent être fabriquées dans des matériaux plus résistants afin d'éviter les ruptures. Les matériaux les plus courants pour la construction des pompes à roue sont la fonte ou la fonte ductile. Certains fabricants utilisent matériaux en acier inoxydable dans les pompes qui doivent traiter des liquides fins et corrosifs.
Les pompes à roue peuvent traiter certaines substances corrosives, mais pas les solides. Pour les applications de pompage de substances corrosives, il convient de faire preuve de prudence en choisissant correctement les matériaux de la roue et de l'étanchéité. Comme les pompes à engrenages extérieurs, les pompes à roue ont des jeux fixes aux deux extrémités du rotor et de la roue.
Une fois que l'usure se produit, ces jeux ne peuvent plus être ajustés, mais certains fabricants proposent maintenant des couvercles d'extrémité remplaçables ou réversibles. L'utilisation d'un revêtement de corps est également un moyen de restaurer les performances de la pompe en cas d'usure.
Comprendre les principes de fonctionnement des différentes pompes est un bon début pour sélectionner correctement un modèle pour un environnement d'application donné. Bien que les distinctions entre les différentes options ne soient pas toujours très claires, les différences fondamentales de fonctionnement et de capacité peuvent être utilisées pour guider la sélection.
Pompes à engrenages internes peuvent être utilisées dans une large gamme d'applications, mais elles fonctionnent généralement plus lentement que les autres pompes. Au départ, le choix d'une pompe à engrenages internes peut entraîner des coûts légèrement plus élevés, mais par rapport aux pompes à fonctionnement plus lent, sa durée de vie tend à être plus longue.
Pompes à engrenages externes ont d'excellentes capacités de pression et des caractéristiques précises de contrôle du débit, mais elles ne peuvent pas être utilisées pour transporter des fluides solides ou corrosifs. Le coût de fabrication des pompes à engrenages externes étant inférieur, elles constituent un choix économique et raisonnable dans les domaines d'application peu exigeants.
Pompes à roue donnent de bons résultats pour le transport de liquides fins, mais doivent fonctionner à des vitesses réduites lorsqu'il s'agit de liquides visqueux. Les pompes à roue ne peuvent pas non plus transporter des matières solides.
Un mauvais choix de pompe entraîne souvent des coûts plus élevés. Plus précisément, elle peut avoir un impact négatif sur les temps d'arrêt, les pertes de production, les coûts de maintenance et la consommation d'énergie. Passer plus de temps à choisir la bonne pompe dans le bon système permet de minimiser les dépenses inutiles et d'obtenir de meilleurs résultats à long terme.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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