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Les turbomachines Pompes - Compresseurs - Ventilateurs

Les turbomachines

Contenu 1. 2.

FONCTIONS PRINCIPALES ....................................................................................................................................... 2 LES POMPES ET COMPRESSEURS VOLUMÉTRIQUES .............................................................................................. 2 2.1. Principe de fonctionnement ........................................................................................................................... 2 2.2. Différents types .............................................................................................................................................. 2

3. 4.

LES POMPES (VENTILATEUR) HÉLICOÏDE OU AXIALE .............................................................................................. 5 LES POMPES CENTRIFUGES .................................................................................................................................... 5 4.1. Principe de fonctionnement ........................................................................................................................... 5 4.2. Différents types de pompes ........................................................................................................................... 5

5.

ÉTUDE DES CARACTÉRISTIQUES DES POMPES CENTRIFUGES ................................................................................ 6 5.1. Caractéristiques fondamentales des pompes ................................................................................................ 6 5.2. Courbes caractéristiques des pompes............................................................................................................ 6 5.2.1. 5.2.2.

6.

ÉTUDE SIMPLIFIÉE DES CARACTÉRISTIQUES D’UN RÉSEAU.................................................................................... 8 6.1. Équation de la courbe de réseau .................................................................................................................... 8 6.2. Réseau fermé – Courbe caractéristique ......................................................................................................... 8 6.3. Réseau ouvert – Courbe caractéristique ........................................................................................................ 8 6.4. Association pompe-réseau : point de fonctionnement.................................................................................. 9 6.4.1. 6.4.2. 6.5.

7.

Relations ................................................................................................................................................. 6 Exemple de courbe de pompe ................................................................................................................ 7

Cas d'un réseau fermé : exemple d'un circuit de chauffage .................................................................. 9 Cas d'un réseau ouvert : exemple d'un circuit d'eau chaude sanitaire .................................................. 9

Point de fonctionnement................................................................................................................................ 9

DÉTERMINATION D’UNE POMPE .......................................................................................................................... 10 7.1. Calage ou modification du point de fonctionnement .................................................................................. 10 7.1.1. 7.1.2.

Par modification des caractéristiques de la pompe ............................................................................. 11 Par modification du réseau................................................................................................................... 12

8.

RÉSEAUX SÉRIES ET PARALLÈLES .......................................................................................................................... 13 8.1. Réseau série .................................................................................................................................................. 13 8.2. Réseau parallèle............................................................................................................................................ 13

9.

ÉTUDE DE POMPES COUPLÉES ............................................................................................................................. 14 9.1. Tracé de la caractéristique d’un couplage de 2 pompes en série ................................................................ 14 9.1.1. 9.1.2. 9.2.

Tracé pratique du couplage de 2 pompes en série .............................................................................. 14 Tracé théorique du couplage de 2 pompes en série ............................................................................ 14

Tracé de la caractéristique d’un couplage de 2 pompes en parallèle .......................................................... 14

9.2.1. 9.2.2.

Tracé pratique du couplage de 2 pompes en parallèle ........................................................................ 14 Tracé théorique du couplage de 2 pompes en parallèle ...................................................................... 15

10. N.P.S.H : LES LIMITES DE L’ASPIRATION ............................................................................................................... 16 10.1. Introduction .............................................................................................................................................. 16 10.2. Tableau des pressions d’utilisation (d’après WILO) ................................................................................. 16 10.3. La cavitation .............................................................................................................................................. 17 10.4. N.P.S.H (hauteur pratique de charge absolue) ......................................................................................... 17 10.4.1. 10.4.2.

Mise en situation .................................................................................................................................. 17 Traduction sur les courbes de fonctionnement ................................................................................... 18

11. POUR ALLER PLUS LOIN : ...................................................................................................................................... 18

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1. FONCTIONS PRINCIPALES Les pompes sont destinées à :  assurer la circulation du fluide,  combattre les pertes de charge. Il existe deux grands types de technologie de pompes :  les pompes volumétriques,  les pompes centrifuges.

2. LES POMPES ET COMPRESSEURS VOLUMÉTRIQUES 2.1.Principe de fonctionnement Pulsé de manière cyclique, le liquide est emmagasiné dans un volume. L'énergie est directement fournie sous forme de pression.

2.2.Différents types 

À engrenage Contact extérieur

Contact intérieur

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À palettes



À pistons axiaux



À piston radiaux

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À vis



Spiro-orbital (scroll)

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3. LES POMPES (VENTILATEUR) HÉLICOÏDE OU AXIALE Les ventilateurs axiaux ou hélicoïdes permettent des débits importants mais ne peuvent en général assurer des importantes que si la vitesse périphérique des pales est importante. Ils sont alors souvent bruyants. Des progrès récents permettent cependant à certains constructeurs d'obtenir des caractéristiques semblables aux ventilateurs centrifuges avec des niveaux de bruit à peine plus élevés. Ces ventilateurs sont en outre très simples à implanter et de faible coût. Il n'y a pratiquement pas de limite dans les débits pouvant être atteints par ce type de ventilateur.

4. LES POMPES CENTRIFUGES 4.1.Principe de fonctionnement Le liquide emmagasiné entre les aubes du rotor est projeté vers l'extérieur sous l'action de la force centrifuge.

L'énergie est d'abord fournie au fluide sous forme d'énergie cinétique (vitesse) puis elle est transformée en pression.

Roue Aubes

Volute

4.2.Différents types de pompes

roue radiale (centrifuge)

roue semi-axiale (hélico-centrifuge)

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5. ÉTUDE DES CARACTÉRISTIQUES DES POMPES CENTRIFUGES 5.1.Caractéristiques fondamentales des pompes Les caractéristiques des pompes sont :  

le débit volume (qv en [m.s-1]), la hauteur manométrique (Hmt en [mce]),

Elles se définissent à partir des paramètres suivants :    

la puissance utile (Pu en [W]), la puissance absorbée (Pabs en [W]), le rendement global (), la vitesse de rotation (N en [tr.min-1]).

5.2.Courbes caractéristiques des pompes Les courbes caractéristiques sont des courbes qui représentent l'évolution des précédents paramètres en fonction du débit.

Hmt

Hmt = f(qv)

B

Le point B est appelé point de barbotage, c’est à dire quand la pompe fonctionne à débit nul

g

C

HmtC

g = f(qv)

A

HmtA

g maximum

Pabs = f (qv) g minimum

qvm

qvm

ini

qv axi

5.2.1. Relations

𝑃𝑢 = 𝜌. 𝑔. 𝐻𝑚𝑡 . 𝑞𝑣 𝑃𝑢 = 𝑃𝑎𝑏𝑠 . 𝜂

𝐻𝑚𝑡 =

𝑝𝑟𝑒𝑓𝑜𝑢𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 − 𝑝𝑎𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝜌. 𝑔

Hmt ρ

hauteur manométrique masse volumique

 

mCE kg.m-3

qv

débit volumique



m3.s-1

Pu

puissance utile



W

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Les turbomachines 5.2.2. Exemple de courbe de pompe

2,8

1,6

78,5

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6. ÉTUDE SIMPLIFIÉE DES CARACTÉRISTIQUES D’UN RÉSEAU 6.1.Équation de la courbe de réseau Pertes de charge linéaires

𝜌. 𝑣 2 𝐿 Δ𝑃𝑙 = ∑ (𝜆. . ) 2 𝐷

Pertes de charges singulières

𝜌. 𝑣 2 Δ𝑃𝑠 = ∑ (𝜁. ) 2

Pertes de charge totales

Δ𝑃𝑡 = [∑ (𝜆.

Équation de la courbe de réseau

Δ𝑃𝑡 ≈ 𝑘. 𝑞𝑣 2

𝜌 𝐿 𝜌 . ) + ∑ (𝜁. )] . 𝑞𝑣 2 2 2 2. 𝑆 𝐷 2. 𝑆

6.2.Réseau fermé – Courbe caractéristique Pt ΔP = f (qv)

débit

6.3.Réseau ouvert – Courbe caractéristique Pt

ΔP = f (qv)

débit

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6.4.Association pompe-réseau : point de fonctionnement 6.4.1. Cas d'un réseau fermé : exemple d'un circuit de chauffage ΔP = f (qv)

F

fonctionnement

H

Hm = f (qv)

qv

débit

Remarque : en réseau fermé, l'énergie transmise à l'eau par la pompe est uniquement utilisée pour combattre les pertes de charge.

Hm  ΔP

6.4.2. Cas d'un réseau ouvert : exemple d'un circuit d'eau chaude sanitaire ΔP = f (qv)

F

fonctionnement

H

Hm = f (qv) Hg

qv

débit

Remarque : en réseau ouvert, l'énergie transmise à l'eau par la pompe est utilisée pour combattre les pertes de charge et la hauteur géométrique de l'installation.

Hm  ΔP  Hg

6.5.Point de fonctionnement Le point d’intersection entre les courbes de pompe et de réseau est appelé "point de fonctionnement". Le débit correspondant à ce point de fonctionnement est le débit circulant réellement dans le réseau.

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7. DÉTERMINATION D’UNE POMPE Pour choisir une pompe adaptée à un réseau, il est nécessaire de connaître :  

Pertes de charge

le débit de circulation qv voulu, les pertes de charge ΔP du réseau.

ΔP

Application : 

qv = 10 [m3.h-1]



ΔP = 7 [mCE]

qv Choix entre les pompes :

débit

TP 40-120/2 TP 40-60/2

7

7.1.Calage ou modification du point de fonctionnement Le débit du point de fonctionnement d'une association d'un réseau et d'une pompe ne correspond pas forcément au débit voulu. Il est alors nécessaire de caler, ou modifier, le point de fonctionnement :  

par modification de la pompe, par modification du réseau.

Afin de respecter les puissances des émetteurs, il faut conserver la valeur du débit (Rappel : 𝑃 = 𝑞𝑚 . 𝐶. ∆𝜃).

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7.1.1. Par modification des caractéristiques de la pompe Variation de la vitesse de rotation de la pompe

On modifie, quand c'est possible, la vitesse de rotation de la pompe afin d'amener le point de fonctionnement sur une courbe de pompe. Soient :

N1 : une vitesse de rotation maximum (généralement fournie par le fabricant). N2 : une vitesse de rotation à obtenir. Loi de Rateau ou loi de similitude : a) Variation du débit

b) Variation de la hauteur manométrique

qV 2 N  2 qV 1 N1

N  Hmt 2   2  Hm t1  N1 

2

c) Variation de la puissance absorbée

N  Pabs 2   2  Pabs 1  N1 

3

Cela peut être obtenu par des variateurs électroniques. Exemples :

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Par « rognage » de la roue :

Le rognage signifie « diminution » du diamètre de la roue. Certains fabricants de pompes permettent de choisir, pour une même pompe, des diamètres différents de roue, toujours pour une même vitesse de rotation.

Formes recommandées pour le rognage

La diminution de ce paramètre a pour effet d’obtenir des caractéristiques de pompes moins importantes mais dont le point de fonctionnement « glisse » sur la courbe de réseau.

Zone à rogner



Changement de pompe

On cherche une pompe dont la caractéristique passe par le point de fonctionnement défini par le débit voulu Q et les pertes de charge calculées ΔP. 7.1.2. Par modification du réseau Diminution des pertes de charge : très difficile à réaliser





Augmentation des pertes de charge : très facile à réaliser

Perte de charge à rajouter : +1 [mCE]

7

7

4,5

Traduction sur le réseau

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Les turbomachines Rajout et réglage d’une perte de charge sur le réseau grâce à une vanne de réglage.

8. RÉSEAUX SÉRIES ET PARALLÈLES 8.1. Réseau série Dans un réseau série, la perte de charge globale du réseau est égale à la somme des pertes de charge de chacun des éléments.

8.2.Réseau parallèle

1

Entre les points A et D, il existe trois réseaux en parallèle :   

premier réseau A-D passant par le radiateur 1, deuxième réseau A-D passant par le radiateur 2, troisième réseau A-D passant par le radiateur 3.

Si les pertes de charge dans chacun des trois réseaux ne sont pas les mêmes, le réseau va s'auto-équilibrer afin de rendre cette condition vrai.

2

A

B

qv mesuré

F

3

D

C

E

Cet auto-équilibrage se traduit au niveau du réseau par une modification des débits dans chacun des réseaux et donc par une modification des puissances émises par les radiateurs. Il est alors nécessaire d'équilibrer les réseaux en ajustant les pertes de charge afin de les rendre identiques dans chaque réseau par l'intermédiaire de vannes de réglage qui créent des pertes de charge supplémentaires. Cela se traduit par la détermination de la perte de charge maximale, en général le réseau le plus long, et ensuite d'augmenter les pertes de charge de chacun des autres réseaux afin de les égaliser.

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9. ÉTUDE DE POMPES COUPLÉES 9.1.Tracé de la caractéristique d’un couplage de 2 pompes en série 9.1.1. Tracé pratique du couplage de 2 pompes en série Soient deux pompes de caractéristiques Hm 1 = f1 (Q) et Hm 2 = f2 (Q). La caractéristique du couplage en série de celles-ci en fonctionnement s’obtiendra en suivant les deux conditions suivantes :  le débit circulant dans les deux pompes est identique

 la hauteur manométrique totale est la somme des hauteurs manométriques de chaque pompe

qv = qv2 = qv1

Hm totale = Hm 1 + Hm 2

9.1.2. Tracé théorique du couplage de 2 pompes en série Construction : H  pour un débit donné, on relève la hauteur manométrique de la 1ère pompe, que l’on rajoute à la hauteur manométrique de la 2nde pompe (cela pour le même débit),  ainsi, et pour plusieurs débits fixés, on construit cette courbe d’évolution.

Hm pompes en série = f (qv) H1+H2 Hm pompe 1 = f (qv)

Utilisation : On utilisera deux pompes en série, ou plus, lorsque l'on cherchera à augmenter la hauteur manométrique. Ce couplage est adapté au circuit ouvert ou fortement résistant.

Hm pompe 2 = f (qv)

H1

H2

qv

qv constant

9.2.Tracé de la caractéristique d’un couplage de 2 pompes en parallèle 9.2.1. Tracé pratique du couplage de 2 pompes en parallèle Soient deux pompes de caractéristiques Hm 1 = f1 (qv) et Hm 2= f2 (qv). La caractéristique du couplage en parallèle de celles-ci en fonctionnement s’obtiendra en suivant les deux conditions suivantes :  le débit total est la somme des débits circulants dans chaque pompe

 la hauteur manométrique est la même pour chaque pompe

qv.total = qv2 + qv1

Hm = Hm 1 = Hm 2

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Les turbomachines 9.2.2. Tracé théorique du couplage de 2 pompes en parallèle Construction :  pour une hauteur manométrique donnée, on relève le débit de la 1ère pompe, que l’on rajoute au débit de la 2nde (cela pour la même hauteur manométrique),  on fait de même pour plusieurs hauteurs manométriques, pour construire la courbe.

point d'enclenchement

H Hm pompes en parallèle = f (qv)

Hm pompe 2 = f (qv)

Nota : Dans le cas où les deux pompes ont des caractéristiques Hm = f (Q) différentes, il existe un point d’enclenchement des 2 pompes, dans la mesure où l’une d’entre elles est plus "puissante" que l’autre.

Hm pompe 1 = f (qv)

H constant

Utilisation : On utilisera deux pompes en parallèle lorsque l'on cherchera à augmenter le débit dans les réseaux fermés faiblement résistifs.

qv2

qv1

qv1+ qv2

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Exemple :

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10.

N.P.S.H : LES LIMITES DE L’ASPIRATION

10.1.

Introduction

Sous une certaine pression et une certaine température, la vaporisation du liquide pompé, est possible. À une température donnée, la pression qui règne lors du changement de phase EAU : VAPEUR, s’appelle la pression de vapeur saturante : pvs. L’eau peut reprendre sa forme liquide dès que la pression augmente. Exemple pour l’eau :

10.2.

 [°C]

P [Pa]

[°C]

P [Pa]

0

611

40

7375

5

872

45

9582

10

1227

50

12335

15

1704

60

19919

20

2337

70

31160

25

3166

80

47359

30

4242

90

70109

35

5622

100

101325

Tableau des pressions d’utilisation (d’après WILO)

Pression d’équilibre La pression est statique lorsqu’aucun fluide ne s’écoule. 

Pression d’équilibre = hauteur de remplissage + pression de remplissage dans le vase d’expansion à membrane.

Pression hydrodynamique La pression est dynamique lorsqu’un fluide s’écoule. 

Pression hydrodynamique = pression dynamique - pertes de charge.

Pression de pompe Pression générée au refoulement de la pompe centrifuge en fonctionnement. Cette valeur peut être différente de la pression différentielle, suivant le circuit.

Évolution de la vitesse et de la pression dans la pompe

Pression différentielle Pression générée par la pompe centrifuge pour surmonter la somme de toutes les résistances dans un système. Elle est mesurée entre l’aspiration et le refoulement de la pompe centrifuge. En raison des pertes de charges engendrées par les différents composants du circuit (tuyauterie, robinets, chaudière et corps de chauffe), la pression différentielle varie en tous points du circuit.

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10.3.

La cavitation

La cavitation est provoquée par la formation et l’implosion de bulles de gaz provenant de la formation d’une pression négative locale sous l’effet de la pression de vaporisation du fluide pompé à l’entrée de la roue. Cela a pour conséquence un rendement (hauteur de refoulement) et une efficacité moindres et provoque un fonctionnement irrégulier, du bruit et des dommages à l’intérieur de la pompe. Par l’expansion et l’éclatement (implosion) de petites bulles d’air dans des zones à haute pression (par exemple, à un état avancé, à la sortie de la roue), des explosions microscopiques provoquent des impacts qui endommagent ou détruisent l’hydraulique. Les premiers signes sont le bruit provenant de l’entrée de la roue et les dommages qui lui sont causés. Le N.P.S.H (Net Positive Suction Head) est une valeur importante de la pompe centrifuge. Il indique la pression minimale requise par ce type de pompe afin de fonctionner sans cavitation, c’est-à-dire la surpression nécessaire pour empêcher l’évaporation du fluide et le conserver à l’état de liquide.

10.4.

N.P.S.H (hauteur pratique de charge absolue)

10.4.1. Mise en situation Soit le cas de pompage ci-contre.

Aspiration à l’entrée de la pompe

L’équation de Bernoulli entre 1 et 2 permet d’écrire la relation suivante en mCf :

À cette équation on retire la valeur de pression saturante pvs pour éviter la cavitation ce qui donne ceci :

x

haspi = z2-z1

𝑝3 𝑣32 𝑝1 + + 𝐽23 = − (𝑧2 − 𝑧1 ) − 𝐽12 𝜌. 𝑔 2. 𝑔 𝜌. 𝑔

2

1

x3

Point d’entrée au niveau de la roue avant que le fluide n’acquiert son énergie x

𝑝3 − 𝑝𝑣𝑠 𝑣32 𝑝1 − 𝑝𝑣𝑠 + + 𝐽23 = − (𝑧2 − 𝑧1 ) − 𝐽12 𝜌. 𝑔 2. 𝑔 𝜌. 𝑔

  

v1=0 m/s, z2=z3 p1= patm

Cette équation fait apparaitre deux paramètres : Le N.P.S.H requis par la pompe 𝑣32 + 𝐽23 2. 𝑔

Le N.P.S.H disponible dans l’installation 𝑝1 − 𝑝𝑣𝑠 − (𝑧2 − 𝑧1 ) − 𝐽12 𝜌. 𝑔

C’est la valeur de la pression absolue (exprimée ici en Cette quantité s’appelle aussi la charge nette à [mCf]) en dessous de laquelle les phénomènes de l’aspiration. Elle dépend des caractéristiques du réseau. cavitation peuvent apparaître. Le N.P.S.H requis dépend du débit et de la vitesse de rotation de la pompe. Les valeurs limites sont fournies par le constructeur sur les courbes caractéristiques de la pompe, pour certaines conditions d’utilisation (liquides et températures) bien précises.

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Les turbomachines Pour éviter la cavitation, on doit satisfaire la condition suivante : 

𝑝3 − 𝑝𝑣𝑠 > 0 ;

Ce qui implique : N.P.S.H requis < N.P.S.H disponible 10.4.2. Traduction sur les courbes de fonctionnement

H [m]

Point de cavitation

𝑝1 − 𝑝𝑣𝑠 − (𝑧2 − 𝑧1 ) 𝜌. 𝑔 − 𝐽12

J12 N.P.S.H requis

𝑝3 − 𝑝𝑣𝑠 𝜌. 𝑔

N.P.S.H disponible

Marge de sécurité

11.  

qv

POUR ALLER PLUS LOIN :

Adaptation des pompes et ventilateurs aux besoins : http://jean.david.delord.free.fr/Dossier_ressource/maintenance/ressources/Adaptation_des_pompes.PDF Principes fondamentaux de la technologie des pompes : http://www.wilo.ch/fileadmin/ch/Pumpenfibel_FR_LR.pdf

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