Pompes volumétriques alternatives

Ce type de pompes est utilisé pour les fluides qui ne sont pas particulièrement compressibles.

Le fluide est élaboré par la machine dans un volume de contrôle variable dans le temps, de manière périodique.

Le fluide est échangé statiquement avec la machine, sur des surfaces en mouvement.

Les pompes volumétriques peuvent être:

• alternatives
• rotatives

selon que le mouvement est transmis par un organe mécanique de manière alternative ou rotative.

La quantité de fluide déplacé dépend de plusieurs facteurs.

m_t: masse théorique de fluide déplacé (dépend du volume de la chambre où le fluide entrera).

λ_v: coefficient de remplissage volumétrique, donné par le rapport entre masse de fluide aspiré m_a et masse théorique  m_t

λ_p: coefficient de fuite, donné par le rapport entre masse de fluide en refoulement m_m et masse aspirée m_a

Le rendement final de masse de fluide en refoulement sera donc:

η_v efficacité volumétrique, produit entre λ_v * λ_p.

Les pompes volumétriques alternatives sont des pompes à piston et peuvent être classifiées en fonction du type de piston:

• piston plongeur
• disque ou membrane

Ces deux catégories peuvent être divisées en:

• Effet simple (le cycle complet comprend une aspiration et un refoulement);
• Double effet (pour chaque cycle, il se produit alternativement deux aspirations et deux sorties).

CYCLE DE TRAVAIL

On décrit ici le cycle de travail idéal d’une pompe volumétrique alternative, en supposant n’avoir aucune fuite d’aucun genre à l’intérieur de la pompe.

Cycle de travail idéal

Phase 1-2: le fluide est aspiré à l’intérieur de la chambre

Phase 2-3: une compression instantanée se produit

Phase 3-4: le fluide est poussé à travers la conduite de refoulement

Phase 4-1: expansion instantanée (phase de décompression)

Dans les faits, le cycle résulte être de ce type:

Cycle de travail réel

Comme on peut le noter sur l’image, le cycle réel diffère de celui idéal à cause de phénomènes qui ne peuvent pas être laissés de côté.

En particulier:

• Lors des phases d’aspiration et de refoulement, le volume est fluctuant du fait des possibles fuites entre les différentes pièces mécaniques et de l’ouverture/la fermeture non instantanée des vannes;
• Lors des phases de compression et d’expansion, on remarque une chute de pression, car le fluide, même si de manière minime, manifeste son caractère compressible. Par ailleurs, il peut contenir des gaz ou des bulles d’air qui contribuent à la compression du volume;
• S’agissant d’une machine alternative, la vitesse du fluide dans les conduites change de manière soudaine, provoquant des pics de pression continuels.

Il existe des solutions en mesure de limiter ces effets:

• Pour résoudre le problème de la présence des bulles d’air, il est suffisant de dégazer le fluide et de maintenir le plus possible les tubes en aspiration, autrement dit pleins de liquide;
• Pour limiter les chutes de pression dues à la discontinuité du débit du fluide, on installe, avant et après la pompe, des poumons de compensation, qui contrebalancent cette fluctuation lors des phases d’aspiration/refoulement;
• L’on installe sur les machines des garnitures en caoutchouc, qui permettent une meilleure étanchéité et des fuites moindres.

PROBLÈME DU VOLUME FLOTTANT

Comme nous l’avons déjà signalé, l’un des principaux problèmes des pompes volumétriques est le débit irrégulier.

En effet, étant donné que sur les pompes à piston et les pompes à membrane l’organe mécanique responsable de la poussée présente un mouvement avec vitesse variable dans le temps (Vs(t)), il en sera de même pour le débit volumétrique instantané (Q_is) élaboré par la pompe.

Pour simplifier, prenons en considération une pompe alternative à piston de forme cylindrique, avec commande à manivelle ordinaire.

L’évolution du débit volumétrique dans le temps aura donc la forme du graphique de la figure a).

Pour régler le flux et annuler les durées où le débit est à zéro, l’une des solutions les plus simples est d’augmenter le nombre de pistons (graphique b) et c)) ou en augmentant les effets du piston simple (graphique b), pompe monocylindre à double effet).

Évolution du débit pour mono, bi et tri-cylindre.

Avec l’utilisation de la pompe à plusieurs cylindres ou à double effet, les problèmes dérivant des pulsations sur un système de pompage diminuent.

CAISSES D’AIR

Pour régler le débit volumétrique, il est nécessaire d’installer des poumons de compensation le long de la ligne d’aspiration et de refoulement.

Ils sont remplis à moitié par le fluide de travail, tandis que la partie supérieure contient du gaz (souvent de l’air).

Selon les graphiques relatifs à l’évolution du débit, deux phases se manifestent lors du cycle du piston:

• Lorsque Q_is dépasse le débit moyen (voir graphique), le réservoir se remplit;

• Lorsque Q_is descend en deçà du débit moyen, le réservoir restitue le fluide accumulé.

De cette manière, les conduites disposent d’un débit presque constant.

Ce mécanisme est accéléré par le gaz contenu dans le poumon qui, en se compressant et en s’ouvrant, atténue la pulsation du flux de liquide.