Fascicule TP Pompe Centrifuge [PDF]

Zitiervorschau

Université Mohammed VI Polytechnique Green Technology Institute (GTI) APST

Licence GPID/OID

Fascicule de travaux pratiques : Mécanique des fluides Manipulation : Etude d’une pompe centrifuge

Réalisé par :

M. SALIHI Mustapha Mme. EL FITI Maryam

Année universitaire 2020/2021

Université Mohammed VI Polytechnique Green Technology Institute (GTI) APST

Plan Consignes aux étudiants .................................................................................................. 3 1. Buts de manipulation ................................................................................................ 4 2. Partie théorique ......................................................................................................... 4 3. Partie expérimentale.................................................................................................. 8 3.1. Circuit de pompage de base .................................................................................. 8 3.2. Pompe centrifuge – caractéristique..................................................................... 11

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Consignes aux étudiants 1. La préparation 1.1. Vous devez IMPERATIVEMENT lire l’intégralité de l’énoncé AVANT de venir en séance. 1.2. Vous devez respecter rigoureusement vos affectations pour préserver le bon déroulement des TP.

2. Le travail en salle 2.1. Vous allez effectuer un travail en binôme, et il ne faut pas que l’un soit spécialisé dans les mesures et l’autre dans la rédaction et l’analyse. Pour chaque TP, vous devez faire les manipulations à deux ainsi que la rédaction et l’analyse des données. 2.2. Il faut faire apparaître les unités des mesures que vous effectuez. Une unité absente coûte 0,5 point dans la note du compte rendu. 2.3. Pour les graphiques il faut : indiquer les axes, ce qu’ils représentent, l'échelle et les unités, donner un titre, mettre en évidence les valeurs particulières que vous jugerez utiles, mettre un numéro (figure 1 par exemple) que vous utiliserez en référence dans le compte rendu (la figure 1 représente les caractéristiques d’une pompe…) 2.4. Le compte rendu doit être soigné et un certain nombre de points est affecté à sa présentation. Les résultats doivent être encadrés ou soulignés. 2.5. Savoir faire des mesures c’est bien, savoir les interpréter et les exploiter c’est encore mieux. Le point le plus important de votre travail en salle est d’analyser vos résultats, les expliquer, les comparer à la théorie, les critiquer si nécessaire (est-ce que les résultats sont dans le bon ordre de grandeur ? ...). 2.6. Le matériel mis à disposition des étudiants doit fonctionner le plus longtemps possible et vous devez en prendre soin. Si un appareil ou un composant ne fonctionne pas il faut le signaler à l’enseignant qui (après avoir vérifié s’il y a vraiment une panne) procédera à son remplacement. En fin de séance, votre table de travail doit être rangée ainsi que les chaises.

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1. Buts de manipulation

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Cette manipulation aura pour buts de : • Tracer les courbes caractéristiques d’une pompe, • Etudier l’influence de la vitesse de rotation sur le débit, • Etudier l’influence débit / pression, • Mesurer la puissance mécanique absorbée par la pompe, • Calculer du rendement de la pompe centrifuge.

2. Partie théorique 1.1. Introduction Pour échanger de l’énergie entre un fluide et un système mécanique, on utilise ce qu’on appelle des machines à fluides. Ce sont souvent des machines tournantes ou turbomachines. Le transfert de l’énergie de la machine vers le fluide se fait grâce à des pompes. La transformation inverse est faite par des turbines. Ces dernières peuvent alors, soit transmettre directement l’énergie mécanique à une autre machine à faire fonctionner, soit, à leur tour, échanger leur énergie mécanique avec un alternateur pour la transformer en électricité. L’énergie des fluides provient soit de leur énergie potentielle, dans le cas d’une chute d’eau et de l’énergie hydraulique, soit de leur énergie cinétique dans le cas des éoliennes, soit encore d’une source d’énergie thermique : énergie nucléaire ou énergie de combustion.

1.2. Partie théorique 2.2.1 Classification des turbomachines Il existe plusieurs façons de classifier les turbomachines. La première concerne le sens de transfert d’énergie. On divise alors les turbomachines en deux catégories principales : - Les turbomachines qui fournissent de l’énergie au fluide (enthalpie). Dans ce groupe on trouve les compresseurs, les ventilateurs et les pompes ; - Les turbomachines desquelles on retire de l’énergie du fluide pour l’utiliser comme un travail mécanique. Dans ce cas on parle alors de turbines. On trouve une seconde classification des turbomachines en fonction de la direction principale de l’écoulement par rapport à l’axe de rotation de la machine. Selon ce critère on a : - Les turbomachines axiales dans lesquelles la direction de l’écoulement est parallèle à l’axe de rotation de la machine ; - Les turbomachines radiales dans lesquelles une partie importante de l’écoulement à l’entrée ou à la sortie est dans la direction normale à l’axe de rotation ou radiale ; - Les turbomachines mixtes dans lesquelles la direction de l’écoulement, à l’entrée ou à la sortie, comporte de composantes axiales et radiales.

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Université Mohammed VI Polytechnique Green Technology Institute (GTI) 2.2.2 Types des pompes

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On distingue deux grandes familles de pompes : ✓ Les pompes volumétriques dont l'écoulement résulte d'une variation de volume de l'espace occupé par le liquide. ✓ Les pompes centrifuges où le mouvement du fluide est généré par la force centrifuge.

Figure 1 : Types des pompes

2.2.3 Les pompes centrifuges

Figure 2 : Schéma de fonctionnement d’une pompe

Les pompes centrifuges transforment l’énergie mécanique développée par un moteur en énergie hydraulique (sous forme d’énergie cinétique). Ces pompes permettent de déplacer les liquides d’un lieu à un autre.

a) Domaines d’utilisation : Les pompes centrifuges sont utilisées dans plusieurs domaines tels que : - L’agriculture : les stations de pompage, le matériel de traitement, …. - L’industrie pétrolière : les stations de raffinage, les stations d’alimentation en GPL, … - La production et l’alimentation en eau potable : les stations de dessalement, les châteaux d’eau. - La production de l’énergie électrique : les installations de refroidissement des centrales thermiques.

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Université Mohammed VI Polytechnique Green Technology Institute (GTI) APST b) Constitution d’une pompe centrifuge : Une pompe centrifuge est constituée par : - Une roue à aubes tournante autour de son axe, appelée impulseur. - Un distributeur dans l'axe de la roue. - Un collecteur de section croissante, en forme de spirale appelée volute.

Figure 3 : Les composants d'une pompe centrifuge

c) Principe de fonctionnement : Son principe de fonctionnement est d'utiliser la force centrifuge crée par la rotation de la roue pour transmettre l’énergie au liquide pompé. Le liquide à l'aspiration de la pompe se dirige vers le centre de l'impulseur (rotor) en rotation, d'où il sera propulsé radicalement vers l'extérieur par la force centrifuge. Cette vitesse est ensuite convertie en pression au niveau de diffuseur : l’énergie cinétique est convertie en énergie de pression. Les pompes centrifuges ne peuvent pas fonctionner lorsqu’il y a de l’air à l’orifice d’aspiration. L'air contenu nécessite d'être préalablement chassé : c’est l’amorçage de la pompe.

Figure 4 : Vue de face et en coupe d’une pompe centrifuge

d) Caractéristiques d’une pompe centrifuge Les caractéristiques de la pompe centrifuge dépendent uniquement de leur construction. Les caractéristiques fournies sont :

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Université Mohammed VI Polytechnique Green Technology Institute (GTI) - La hauteur manométrique totale 𝐇𝐦𝐭. APST - Le rendement de la pompe. - La puissance consommée par le moteur (kW) - NPSH : Charge nette à l’aspiration ; (Neat Positive Suction Head).

➢ La hauteur manométrique totale 𝑯𝒎𝒕 : La hauteur manométrique permette de choisir la pompe pour une courbe de réseau imposée.

En mètres colonne d’eau. Où 𝛥𝑃𝑝𝑜𝑚𝑝e est la pression différentielle de la pompe en Pa.

➢ La puissance consommée par le moteur : La puissance consommée pour un débit donné permet de connaître le coût de fonctionnement de la pompe (en KW).

Avec :

Où :

𝐶𝑚 couple en mètres par Newton m/𝑁, et 𝑤𝑚 fréquence en radians par secondes rad/𝑠. 𝑞𝑣 est le débit volumique en 𝑚3 /𝑠.

➢ Le rendement de la pompe : Le rendement s’écrit par :

En remplaçant 𝑃ℎ𝑦𝑑 par son expression :

➢ Le N.P.S.H : hauteur de charge nette d’aspiration (Net Positive Suction Head) : Le N.P.S.H est une notion qui permet de contrôler par le calcul, la pression à l’entrée d’une pompe et de vérifier qu’elle est suffisante en tenant compte de la chute de pression complémentaire entre la bride d’aspiration et la pompe.

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3. Partie expérimentale

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3.1 Circuit de pompage de base 3.1.1 Montage du circuit : • Assemblez le circuit de pompage tel qu'illustré à la figure 2, selon la procédure suivante : Remarque : afin d'éviter tout dommage aux composants, assurez-vous de positionner les composants aux endroits montrés à la figure 2. 1. 2. 3. 4. 5.

Installez l'entraînement à vitesse variable et la Station d'arrêt d'urgence. Installez le montage pompe/moteur. Installez le débitmètre à turbine (haute plage). Installez le manomètre numérique. Raccordez un tube entre la sortie de la pompe centrifuge et le manomètre numérique. 6. Installez le filtre à tamis, s'assurant que la flèche pointe en direction de la Pompe.

Figure 5 Raccordement d’un circuit de pompe simple

1 Unité d’aspiration 2 Filtre à tamis 3 Module de soupape de surpression 4 Débitmètre à turbine (haute plage)

5 Pompe centrifuge 6 Station d’arrêt d’urgence 7 Entrainement à vitesse variable 8 Manomètre numérique P a g e 8 | 12

Université Mohammed VI Polytechnique Green Technology Institute (GTI) 3.1.2 Procédure d’amorçage :

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Remarque : Puisqu'en général une pompe centrifuge ne peut pomper de l'air, elle doit être amorcée pour fonctionner. L'amorçage d'une pompe consiste à retirer l'air de la pompe et de l’unité d'aspiration en les remplissant d'eau. • Amorcez la pompe centrifuge comme suit : 1. 2. 3. 4.

Ouvrez la soupape HV-4 (Voir Fig.6) en tournant la poignée dans le sens antihoraire. Fermez la soupape HV-2 en tournant la poignée dans le sens horaire. Ouvrez les soupapes HV-1 et HV-3 en tournant la poignée dans le sens antihoraire. En laissant entrer l'eau par la soupape HV-5, remplir le réservoir de l'unité d'aspiration à l'aide du pot de remplissage. 5. Lorsque le niveau dans le réservoir de l'unité d'aspiration se stabilise, fermer la soupape HV-1 en tournant la poignée dans le sens horaire.

Figure 6 : La position des vannes dans le banc didactique

• Expliquez pourquoi l'eau du réservoir l'unité d'aspiration ne se déverse pas dans le réservoir de pompage lorsque la soupape HV-1 est ouverte.

3.1.3 Réglages : • Effectuez les réglages suivants dans l'entraînement à vitesse variable : 1. Rétablissez la valeur par défaut des paramètres. 2. Affichez la fréquence de sortie, et réglez le moteur dans le sens de rotation inverse. 3. Réglez Le potentiomètre de fréquence au minimum. 4. Démarrez la pompe centrifuge. • Assurez-vous qu'il n'y a aucune fuite dans votre circuit. • 3.1.4 Mesures : 1. Raccordez le manomètre numérique à l'orifice d'aspiration puis à l'orifice de refoulement.

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Université Mohammed VI Polytechnique Green Technology Institute (GTI) 2. Sur l'entraînement à vitesse variable, choisissez le sens de rotation inverse. APST 3. Assurez-vous que toutes les vannes dans les conduites d’aspiration et de refoulement sont ouvertes, et les autres sont fermées. 4. Démarrez la pompe centrifuge, puis réglez la fréquence de sortie à 30 Hz. • Mesurez le débit et la pression à la sortie et à l’entrée de la pompe centrifuge pour les conditions de fonctionnement montrées au tableau 1 suivant. Soupape HV-4 Fréquence de sortie (Hz) À l’entrée de la pompe À la sortie de la pompe

OUVERTE

30

40

50

FERMEE

60

30

50

Débit (GPM) Pression (kPa) Débit (GPM) Pression (kPa)

Tableau 1 Débits et pressions correspondant à différentes fréquences de sortie (vitesses de pompe)

Remarque : L’unité de mesure du débit GPM (gallon américain par minute) est définit par : 1 GPM = 3.7854 l/min. • Décrivez comment le débit de la conduite d'évacuation varie en fonction de l'augmentation de la vitesse de rotation de la Pompe (HV-4 soupape ouverte). • Décrivez Comment le débit de la conduite d'évacuation varie en fonction de l'augmentation de la vitesse de rotation de la pompe (soupape HV-4 fermée).

3.1.5 Procédure de réglage de la soupape de surpression : Le module de soupape de surpression (Voir Fig.7) sert à limiter la pression maximale du système par le biais d’un chemin d’écoulement alternatif vers le réservoir. Une soupape de surpression est normalement fermée et s’ouvre à une pression donnée par l’ajustement de la tension du ressort.

Figure 7 : Module de soupape de surpression

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Université Mohammed VI Polytechnique Green Technology Institute (GTI) • Réglez la soupape de surpression afinAPST de limiter la pression du circuit à 117 kPa lorsque la fréquence de sortie est de 60 Hz. Pour ce faire, réaliser les tâches cidessous. Sur l'entraînement à vitesse variable : 1. Réglez la fréquence de sortie à 60 Hz. Sur le module de soupape de surpression : 1. 2. 3. 4. 5.

Tournez complètement l'écrou freiné dans le sens antihoraire. Tournez complètement la poignée de réglage dans le sens horaire. Fermez la soupape HV-4 en tournant complètement la poignée dans le sens horaire. Ajustez le bouton de commande jusqu'à ce que le manomètre numérique indique 117 kPa. Tourner complètement l'écrou freiné dans le sens horaire.

• Décrivez le fonctionnement du module de soupape de surpression pour cette condition de fonctionnement. • Arrêtez et vidangez le système en débranchant le boyau du filtre à tamis. Démontez Votre installation et rangez les équipements à leur endroit désigné.

3.2 Pompe centrifuge – caractéristique 3.2.1 Mesures : • Amorcez la pompe centrifuge et démarrez la pompe puis réglez la fréquence de sortie à 50 Hz. • Mesurez le débit et la pression à la sortie de la pompe centrifuge lorsque la pompe tourne dans le sens de rotation avant (inverse sur l’entraînement à vitesse variable). Ouvrez la soupape HV-4 pour mesurer le débit et fermez la pour mesurer la pression. Inscrivez vos résultats au tableau 2. Sens de rotation Avant (Inverse sur l’entrainement à vitesse variable)

Inverse (avant sur l’entrainement à vitesse variable)

Débit (GPM) Pression (kPa) Tableau 2 : Mesures de débit et de pression en sens de rotation avant et inverse de la Pompe

• Refaites les mesures lorsque la pompe centrifuge tourne dans le sens de rotation inverse (marche avant sur l'entraînement à vitesse variable). Inscrivez vos résultats au tableau 2. • Que pouvez-vous conclure à partir de vos mesures ? • Arrêtez la pompe centrifuge.

3.2.2 Graphique de charge hydraulique en fonction de débit :

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Université Mohammed VI Polytechnique Green Technology Institute (GTI) • Démarrez la pompe centrifuge, puis réglerAPST la fréquence de sortie à 40 Hz. En ajustant la soupape HV-4, variez le débit entre 0 et 14 GPM. Pour chaque réglage, mesurez la pression à la sortie de la pompe centrifuge. Inscrivez vos résultats au tableau 3. Refaites vos mesures avec une fréquence de sortie de 50 Hz, puis de 60 Hz. Fréquence de sortie Débit (GPM)

0 2 4 6 8 10 12 14

40 Hz Pression (kPa)

-

50 Hz

Charge hydraulique (m)

-

Pression (kPa)

-

60 Hz

Charge hydraulique (m)

Pression (kPa)

Charge hydraulique (m)

Puissance mécanique de la pompe (KW)

Rendement global de la pompe (%)

-

-

-

-

-

Tableau 3 : Caractéristiques de pression, de charge hydraulique, de débit, de puissance et le rendement

• Convertissez les valeurs de pression en valeurs de charge hydraulique correspondantes, puis développez les graphiques de charge hydraulique en fonction de débit pour chaque fréquence de sortie. • À partir des courbes obtenues, décrivez la variation de la charge hydraulique en fonction du débit. • Qu'arrive-t-il à la charge hydraulique lorsque la fréquence de sortie (vitesse de la pompe centrifuge) augmente, pour tout débit donné ? • Calculez la puissance consommée par la pompe ainsi que le rendement pour chaque débit et pour la fréquence de 60 Hz. Tracez la courbe de puissance mécanique et de rendement en fonction de débit. Que pouvez-vous conclure ?

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