TP Pompes Centrifuges Montage en Série Et Montage en Parallèle [PDF]

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TP POMPES CENTRIFUGES

Montage série Montage parallèle

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Introduction Les pompes sont des organes essentiels lorsqu’on veut transporter un liquide dans un circuit hydraulique. Leur rôle est de fournir de l’énergie au liquide en s’opposant à la gravité et aux pertes de charges. On se propose ici d’étudier la famille des pompes la plus répandue : les pompes rotodynamiques (un quart du marché concerne les pompes volumétriques et les trois quarts restants sont assurés par les pompes rotodynamiques). Ces machines ont atteint des efficacités de l’ordre de 90% et couvrent une gamme de puissance allant de quelques watts à quelques mégawatts. Ces pompes sont couramment employées pour l’irrigation, le transport de produits pétroliers, de produits chimiques et ont comme principaux avantages d’être peu onéreuses, robustes, d’entretien facile et permettant des débits relativement importants (par contre, on leur préfèrera les pompes volumétriques pour le transport des liquides susceptibles 1, très visqueux ou pour des dosages très précis). Les pompes rotodynamiques utilisées dans ce TP sont de type centrifuge. Vous étudierez le fonctionnement d’une pompe seule, de deux pompes placées en série et enfin de deux pompes placées en parallèle. Dans chaque cas, les caractéristiques de la pompe ou de l’association de pompes (charge, puissance, rendements) seront mesurées et analysées.

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Les cosmétiques, liquides alimentaires, polymères etc… susceptibles de se dégrader au contact du rotor tournant à grande vitesse.

1) Avant de commencer Inspectez visuellement le banc et familiarisez‐vous avec ses constituants. Suivez les différents tuyaux en partant du réservoir, repérez les différentes vannes, prises de pression et changements de direction. Observez le pupitre et identifiez les différents affichages et boutons de commandes.

1. Réservoir 2. Armoire de commande et affichages 3. Capteur de pression à l’aspiration (P1 et P3) 4. Pompes centrifuges (1 derrière et 2 devant) 5. Capteur de pression au refoulement (P2 et P4) 6. Débitmètre inductif 7. Accouplements et capteurs de vitesse de rotation

8. Moteurs électriques 9. Capteurs de couple 10. Robinets à boisseau sphériques au refoulement (V2 & V3) 11. Vanne d’arrêt dans la conduite de retour (V4) 12. Vanne pour montage série et parallèle (V1) 13. Clapets anti‐retour avec filtre sur base (V6 & V7)

Consignes de mise en route du banc 1) 2) 3) 4) 5) 6)

Allumer le PC Contrôler si le bouton d’arrêt d’urgence est enclenché Mettre l’interrupteur principal sous tension Ouvrir toutes les vannes Régler sur zéro les vitesses des deux pompes Remettre à zéro les affichages des couples (bouton RST)

2) Caractéristique de la pompe 1 Courbe caractéristique Il s’agit ici de tracer les courbes donnant la hauteur manométrique, la puissance et le rendement en fonction du débit‐volume pour une vitesse de rotation de la pompe donnée. La vitesse de rotation de la pompe pouvant varier pendant l’essai, vous ajusterez sa valeur manuellement. L’état des vannes doit être le suivant : ‐ ‐ ‐ ‐

Robinet à boisseau sphérique V1 : fermé Robinet à boisseau sphérique V2 : ouvert Robinet à boisseau sphérique V3 : fermé Vanne d’arrêt V4 : ouverte

Allumez la pompe 1 et amener progressivement sa vitesse à une valeur autour de =2000tr/min. Sur le pupitre à droite, relevez les valeurs de la pression à l’amont (P 1) et à l’aval (P2) de la pompe, du couple, du débit et de la puissance électrique absorbée. Répétez l’opération pour un débit plus faible obtenu en fermant progressivement la vanne d’arrêt V4. Continuez ainsi jusqu’au débit nul et remplissez un tableau du style de celui ci‐dessous. P1 (bar relatif)

P2 (bar relatif)

Qv (m3/h)

C (N.m)

Pelec (W)

La hauteur manométrique se calcule selon la formule suivante : V2 — V2 P2 — + (z — z ) + 2 H2–1 = P 1 2g 2 ρg Pour ce banc, on a : z2 — z1 = 0,2m. Vous prendrez g = 9,81m/s2 et tiendrez compte de la température de la salle pour la masse volumique ρ (annexe 2). Vous calculerez les vitesses moyennes de l’écoulement à l’entrée et à la sortie de pompe à partir des débits et des sections des canalisations (diamètre côté aspiration D1 = 50mm et côté refoulement D2 = 32mm). La puissance mécanique est donnée par la formule : Pm = C × ω

La puissance utile est obtenue par l’expression : Pu = ρgHQv Le rendement hydraulique est le rapport de ces puissances : 5 = h

Pu Pm

Le pupitre donne également les valeurs mesurées de la puissance électrique absorbée Pelec par le moteur de la pompe. En raisonnant sur les différentes étapes au cours desquelles cette puissance est progressivement dégradée, donnez un sens au rapport suivant : Pu Pelec Tracez sur un graphe les caractéristiques de la pompe 1. Cavitation Estimez la valeur du NPSH disponible pour un débit donné : NPSHdispo =

pÆ–pvs ρg

+

Æ–E VÆ2 + (zÆ — zE) — ΔH

pdc

2g

avec pÆ la pression à l’aspiration, pvs la pression de vapeur saturante (voir annexe 2), VÆ la vitesse de l’écoulement dans le réservoir d’aspiration, zE — zÆ = 52cm la différence de niveau Æ–E entre l’axe de la pompe et le réservoir d’aspiration et ΔHpdc les pertes de charge entre l’aspiration et l’entrée de la pompe. Vous calculerez ces pertes de charges en vous aidant des éléments donnés en annexe. Vous estimerez la valeur du NPSH requis en vous reportant à l’annexe 1 (les courbes sont uniquement valables pour une vitesse de rotation de 2900tr/min ; vous pourrez utiliser les similitudes pour estimer la valeur du NPSH requis à toute autre valeur de la vitesse de rotation). Cette pompe est‐elle en situation de cavitation ? Avez‐vous observé de la cavitation dans d’autres endroits du banc ? Si oui, décrivez et commentez vos observations. Calculez la valeur de la vitesse spécifique au point de meilleur rendement : Ωs =

ω√Qv 3

(gH)4

avec ω la vitesse de rotation en rad/s, Qv le débit‐volume en m3/s et H la charge en mètre ou bien : Ns =

N√Qv 3 4 H

avec N la vitesse de rotation en tr/min, Qv le débit‐volume en l/min et H la charge en mètre. Les

valeurs sont‐elles en accord avec les abaques (annexe 6) ?

Similitudes Recommencez ces mesures et ces calculs pour une vitesse de rotation ω' plus faible et comparez‐ les avec les résultats précédents et avec la caractéristique donnée dans l’annexe 1. Vous utiliserez les paramètres de similitude habituels : ‐ ‐

  Qv le coefficient de débit R3  g le pouvoir manométrique H  2 R2 P

‐



‐

 le rendement

 R 3

5

le coefficient de débit

Le diamètre du rotor de la pompe est de 136mm.

3) Détermination de la caractéristique du circuit hydraulique avec la pompe 1 Le point de fonctionnement d’une pompe n’est pas uniquement défini par sa courbe caractéristique mais également par son environnement. La caractéristique hydraulique de l’installation résulte des pertes de charges dans les tuyauteries ; c’est également une fonction du débit. Il existe donc un débit pour lequel la caractéristique de la pompe et la caractéristique de l’installation sont égales : c’est le point de fonctionnement de la pompe.

L’état des vannes doit être le suivant : ‐ ‐ ‐

Robinet à boisseau sphérique V1 : fermé Robinet à boisseau sphérique V2 : ouvert Robinet à boisseau sphérique V3 : fermé

‐

Vanne d’arrêt V4 : ouverte

En début de test, réglez la vitesse de rotation de la pompe 1 de sorte que le débit qui la traverse soit approximativement de 1m 3/h (autour de 400 tr/min). Relevez alors les différentes valeurs de pression à l’aspiration et au refoulement et du débit. Recommencez l’opération en augmentant par étape la vitesse de rotation de la pompe 1 et complétez un tableau du type de celui‐ci‐ dessous. P1 (bar relatif)

P2 (bar relatif)

 (tr/min)

Qv (m3/h)

Le calcul de la caractéristique de l’installation se passe comme précédemment en utilisant la formule : V2 — V2 P2 — + (z — z ) + H2–1 = P 2 1 2g 2 ρg Tracez dans un graphique les deux courbes et déterminez le point de fonctionnement de cette pompe. Recommencez l’opération en fermant partiellement le robinet à boisseau sphérique 2. Qu’observez‐vous ? Quelle analyse en tirez‐vous ?

4) Montage en série Dans ce montage, les pompes sont parcourues successivement. La pompe 1 donne la première augmentation de pression et refoule à travers le robinet à boisseau sphérique V1 dans la tubulure d’aspiration de la pompe 2. Dans ce montage, l’état des vannes doit donc être tel que : ‐ ‐ ‐ ‐

Robinet à boisseau sphérique V1 : ouvert Robinet à boisseau sphérique V2 : fermé Robinet à boisseau sphérique V3 : ouvert Vanne d’arrêt V4 : ouverte

Amenez progressivement chacune des pompes 1 et 2 à la vitesse que vous avez choisie dans l’étude de la pompe 1 seule. Cette vitesse étant susceptible de bouger pendant l’essai, vous l’ajusterez en conséquence. Procédez comme dans la première partie en fermant progressivement la vanne d’arrêt V4 et en mesurant les pressions aux aspirations et aux refoulements des deux pompes. Complétez un tableau semblable à celui‐ci‐dessous : P1 (bar relatif)

P2 (bar relatif)

P3 (bar relatif)

Qv (m3/h)

P4 (bar relatif)

Dans un montage en série, l’expression de la hauteur manométrique de la pompe équivalente aux deux pompes est : Hser = H eq

4–1

P4 — P =1 ρg

+ (z — z ) + V4 4

1

2

—1V2

2g

Tracez cette caractéristique en fonction du débit. Comparez‐la avec celle d’une pompe unique. Qu’observez‐vous ? Y‐a‐t‐il des différences avec ce qui est attendu théoriquement et si oui, pouvez‐vous expliquer pourquoi ?

5) Montage en parallèle Avec un branchement en parallèle, les deux pompes refoulent dans la même conduite. L’état des vannes est donc le suivant : ‐ ‐ ‐ ‐

Robinet à boisseau sphérique V1 : fermé Robinet à boisseau sphérique V2 : ouvert Robinet à boisseau sphérique V3 : ouvert Vanne d’arrêt V4 : ouverte

Amenez progressivement chacune des pompes 1 et 2 à la vitesse que vous avez choisie dans l’étude de la pompe 1 seule. Cette vitesse étant susceptible de bouger pendant l’essai, vous l’ajusterez en conséquence. Procédez comme dans la première partie en fermant progressivement la vanne d’arrêt V4 et en mesurant les pressions aux aspirations et aux refoulements des deux pompes. Complétez un tableau semblable à celui ci‐dessous : P1 (bar relatif)

P2 (bar relatif)

P3 (bar relatif)

Qv (m3/h)

P4 (bar relatif)

Dans un montage en parallèle, l’expression de la hauteur manométrique de la pompe équivalente aux deux pompes est : P2 — Heq = P1 ρg par

= H4–3 =

+ (z2 — z1)

V +

2

2

V2

— 1

2g

V 2— P4 — V2 P3 + (z — z ) + 4 2g 4 ρg

Tracez cette caractéristique en fonction du débit. La comparez avec celle d’une pompe unique. Qu’observez‐vous ? Y‐a‐t‐il des différences avec ce qui est attendu théoriquement et si oui, pouvez‐vous expliquer pourquoi ? Que pensez‐vous de l’influence du débit sur une association de pompes en série et en parallèle ?

Annexe 1 : courbes caractéristique des pompes à 2900 tr/min

Annexe 2 : Propriétés thermodynamiques de l’eau en fonction de la température Temperatur e

Pression de vapeur saturante

Masse volumique

Viscosité dynamique

°C

Pa

kg/m3

kg/m.s

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00 21,00 22,00 23,00 24,00 25,00 26,00 27,00 28,00 29,00 30,00 31,00 32,00 33,00 34,00 35,00 36,00 37,00 38,00 39,00 40,00 41,00 42,00 43,00 44,00 45,00 46,00 47,00 48,00 49,00 50,00

611 657 705 757 813 872 935 1001 1072 1147 1227 1312 1402 1497 1597 1704 1817 1936 2063 2196 2337 2486 2642 2808 2982 3166 3360 3564 3779 4004 4242 4491 4754 5029 5318 5622 5940 6274 6624 6991 7375 7777 8198 8639 9100 9582 10085 10612 11161 11735 12335

999,82 999,89 999,94 999,98 1000,00 1000,00 999,99 999,96 999,91 999,85 999,77 999,68 999,58 999,46 999,33 999,19 999,03 998,86 998,68 998,49 998,29 998,08 997,86 997,62 997,38 997,13 996,86 996,59 996,31 996,02 995,71 995,41 995,09 994,76 994,43 994,08 993,73 993,37 993,00 992,63 992,25 991,86 991,46 991,05 990,64 990,22 989,80 989,36 988,92 988,47 988,02

0,001792 0,001731 0,001674 0,001620 0,001569 0,001520 0,001473 0,001429 0,001386 0,001346 0,001308 0,001271 0,001236 0,001202 0,001170 0,001139 0,001109 0,001081 0,001054 0,001028 0,001003 0,000979 0,000955 0,000933 0,000911 0,000891 0,000871 0,000852 0,000833 0,000815 0,000798 0,000781 0,000765 0,000749 0,000734 0,000720 0,000705 0,000692 0,000678 0,000666 0,000653 0,000641 0,000629 0,000618 0,000607 0,000596 0,000586 0,000576 0,000566 0,000556 0,000547

Annexe 3 : Abaques des pertes de charge régulières

Annexe 4 : pertes de charge dans le clapet de pied à crépine

Annexe5 : Pertes de charge dans le coude en cuivre Pour calculer le coefficient de perte de charge Ç du coude à 90°, on utilisera la notion de longueur équivalente Leq telle que :

Ç=ƒ

Leq D

avec D le diamètre de la canalisation, ƒ le coefficient de frottement donné par la formule de Swamee et Jain :

ƒ=

0,25 [log10 (s + 5,74)] ² 3,7D Re0,9

Plage de validité : 10–6 ≤ s/D ≤ 10–2 et 5000 ≤ Re ≤ 108. Dans cette expression, s = 0,001mm est la rugosité du cuivre et Re = ρVD/μ le nombre de Reynolds (on vérifiera la validité de cette expression).

Table de la longueur équivalente (exprimée en pieds) Conversion : 1 pied = 0,3048 m et 1 pouce = 2,54 cm

Annexe 6 : classification des pompes en fonction de la vitesse spécifique