Que sont les pompes centrifuges

Que sont les pompes centrifuges

Les pompes centrifuges sont un type de pompe courant qui utilise le transfert d'énergie de rotation d'une turbine pour augmenter la pression et le débit d'un fluide. Ces pompes sont utilisées dans une large gamme d'applications, notamment l'approvisionnement en eau, le traitement chimique et les marchés industriels. Le composant clé d'une pompe centrifuge est la turbine, qui est un disque rotatif avec des aubes incurvées qui créent une zone de basse pression à l'entrée de la pompe et une zone de haute pression à la sortie.

Les pompes centrifuges sont connues pour leur conception simple, qui consiste en un boîtier à volute qui abrite la turbine et dirige le flux de fluide de l'orifice d'aspiration vers l'orifice de refoulement. La turbine est montée sur un arbre entraîné par un moteur électrique ou une autre source d'énergie. Lorsque la turbine tourne, elle transmet de l'énergie cinétique au fluide, qui est ensuite convertie en énergie de pression lorsque le fluide s'écoule à travers le boîtier à volute et sort par l'orifice de refoulement.

Comment fonctionnent les pompes centrifuges

Les pompes centrifuges fonctionnent en convertissant l'énergie mécanique d'une roue rotative en énergie cinétique, qui est ensuite utilisée pour pomper des fluides. La roue, un élément clé de la pompe, est constituée d'aubes courbées qui tournent rapidement à l'intérieur du corps de la pompe. Lorsque la roue tourne, elle crée une zone de basse pression au centre, aspirant le fluide dans la pompe par l'orifice d'aspiration.

Le fluide pénètre dans l'œil de la turbine et est capturé par les aubes rotatives. Au fur et à mesure que le fluide se déplace vers l'extérieur le long des aubes, il gagne en vitesse et en pression. La force centrifuge générée par la turbine rotative pousse le fluide à travers le corps de la pompe et dans l'orifice de refoulement, où il sort de la pompe à une pression plus élevée qu'à son entrée.

Conception des pompes centrifuges

La conception des pompes centrifuges varie en fonction de l'application spécifique et du type de fluide pompé. Cependant, la plupart des pompes centrifuges se composent de deux éléments principaux :

Volute

La volute est une enveloppe en forme de spirale qui entoure la roue. Sa fonction principale est de recueillir le fluide évacué par la roue et de le guider vers l'orifice de refoulement. La volute est conçue pour augmenter progressivement sa section transversale, ce qui permet de convertir la vitesse du fluide en pression.

Diffuseur

Dans certaines pompes centrifuges, un diffuseur est utilisé à la place d'une volute. Le diffuseur est un ensemble d'ailettes fixes qui entourent la roue. Lorsque le fluide se déplace à travers le diffuseur, les aubes guident le flux et aident à convertir la vitesse du fluide en pression. Les diffuseurs sont couramment utilisés dans les pompes centrifuges à plusieurs étages.

Pièces de pompes centrifuges

Les pompes centrifuges se composent de plusieurs composants clés qui fonctionnent ensemble pour garantir un fonctionnement efficace et fiable :

Turbine

La roue est l'élément rotatif de la pompe qui génère la force centrifuge nécessaire pour déplacer le fluide. Elle est constituée d'un ensemble d'aubes courbées conçues pour aspirer le fluide et l'accélérer vers l'extérieur. Les roues peuvent être fabriquées à partir de divers matériaux, tels que la fonte, l'acier inoxydable ou des matériaux composites, selon l'application et le type de fluide pompé.

Diffuseur ou boîtier à volute

Le diffuseur ou boîtier de volute est l'élément stationnaire qui entoure la turbine. Sa fonction principale est de recueillir le fluide évacué par la turbine et de le guider vers l'orifice de refoulement. Le boîtier permet également de convertir la vitesse du fluide en pression.

Arbre et manchons d'arbre

L'arbre est l'élément rotatif qui relie la turbine au moteur. Il est soutenu par des roulements et scellé pour éviter les fuites. Les manchons d'arbre sont souvent utilisés pour protéger l'arbre de l'usure et de la corrosion, en particulier lors du pompage de fluides abrasifs ou corrosifs.

Roulements

Les roulements servent à soutenir l'arbre et à assurer une rotation en douceur. Ils peuvent être des roulements à billes ou des roulements à manchon, selon l'application et les exigences de charge.

Garnitures mécaniques

Les joints mécaniques sont utilisés pour empêcher les fuites le long de l'arbre. Ils sont constitués de deux surfaces de contact, l'une fixe et l'autre rotative, maintenues ensemble par la pression d'un ressort. Les joints mécaniques sont largement utilisés dans les pompes centrifuges en raison de leur fiabilité et de leur capacité à gérer une large gamme de fluides et de pressions.

Types de pompes

Il existe deux principaux types de pompes : les pompes volumétriques et les pompes centrifuges. Les pompes volumétriques fonctionnent en déplaçant physiquement une quantité fixe de fluide à chaque cycle, tandis que les pompes centrifuges utilisent l'énergie cinétique d'une roue en rotation pour pousser le fluide à travers la pompe.

Pompe à déplacement positif

Les pompes volumétriques sont un type de pompe qui déplace un fluide en enfermant de manière répétée un volume fixe et en le déplaçant mécaniquement à travers le système. Elles sont généralement utilisées pour les applications à haute pression et à faible débit et peuvent traiter des liquides visqueux. Les pompes à cavité progressive, les pompes à membrane et les pompes à moteur pneumatique sont des exemples de pompes volumétriques.

Pompe centrifuge

• Pompes centrifuges monocellulaires:Ces pompes sont dotées d'une seule roue et sont particulièrement adaptées aux applications à pression faible à modérée. Elles sont couramment utilisées dans les secteurs de l'approvisionnement en eau, de l'irrigation et de l'industrie.
• Pompes centrifuges multi-étages:Ces pompes sont équipées de plusieurs turbines en série, chaque étage augmentant la pression du fluide. Les pompes multi-étages sont utilisées lorsque des pressions plus élevées sont nécessaires, comme dans les applications d'alimentation en eau de chaudière et de nettoyage à haute pression.
• Pompes centrifuges à flux axial: Également appelées pompes à hélice, ces pompes ont une conception axiale où la roue pousse le fluide le long de l'axe de l'arbre. Elles sont couramment utilisées dans les applications à débit élevé et à faible besoin de charge, telles que le contrôle des inondations et l'irrigation.
• Pompes centrifuges à flux radial:Dans ces pompes, le fluide pénètre dans la roue axialement et est refoulé radialement, perpendiculairement à l'arbre. Les pompes à flux radial conviennent aux applications à haute pression et peuvent traiter une large gamme de fluides, notamment des liquides propres, des produits chimiques et de l'eau chaude.

Avantages des pompes centrifuges

1. Conception simple:Les pompes centrifuges comportent moins de pièces mobiles que les pompes volumétriques, ce qui les rend plus faciles à fabriquer, à utiliser et à entretenir.
2. Haute efficacité:Les pompes centrifuges peuvent atteindre des rendements élevés, en particulier lorsqu'elles fonctionnent à leur point de rendement optimal (BEP).
3. Large gamme d'applications:Les pompes centrifuges peuvent traiter une grande variété de liquides, notamment de l’eau, des produits chimiques et même certains fluides visqueux.
4. Faible coût:En raison de leur conception simple et de leurs volumes de production élevés, les pompes centrifuges sont généralement moins chères que les autres types de pompes.
5. Flux fluide:Les pompes centrifuges fournissent un débit constant et non pulsatoire, ce qui est essentiel pour de nombreuses applications.

Inconvénients des pompes centrifuges

1. Hauteur d'aspiration limitée:Les pompes centrifuges ont une capacité d'aspiration limitée, ce qui signifie qu'elles doivent être situées à proximité de la source de fluide ou nécessitent un amorçage.
2. Faible efficacité dans des conditions hors conception:Les pompes centrifuges sont plus efficaces lorsqu'elles fonctionnent à leur point de rendement optimal (BEP). Le rendement diminue considérablement lorsqu'elles fonctionnent à des débits ou des pressions éloignés du BEP.
3. Ne convient pas aux fluides à haute viscosité:Les pompes centrifuges ne sont pas adaptées au pompage de fluides à haute viscosité, car la résistance accrue du fluide peut réduire considérablement l'efficacité et les performances de la pompe.
4. Risque de cavitation:Les pompes centrifuges sont sensibles à la cavitation, qui se produit lorsque la pression du fluide chute en dessous de sa pression de vapeur, entraînant la formation de bulles de vapeur qui peuvent endommager la pompe.

Pompes centrifuges et pompes volumétriques

Facteur	Pompes centrifuges	Pompes volumétriques
Principe de fonctionnement	Utilise l'énergie cinétique pour déplacer les fluides en les accélérant radialement vers l'extérieur	Déplace les fluides en les déplaçant physiquement à l'aide d'un mécanisme alternatif ou rotatif
Débit	Fournit un débit continu et stable ; le débit varie en fonction de la pression de refoulement	Fournit un débit constant quelle que soit la pression de refoulement
Efficacité	Haute efficacité pour les fluides à faible viscosité ; l'efficacité diminue avec l'augmentation de la viscosité	Maintient une efficacité élevée pour les fluides à faible et haute viscosité
Pression	Génère une haute pression ; convient aux applications à haute pression	Génère une haute pression ; idéal pour les applications à haute pression
Manipulation des fluides	Gère les fluides propres, à faible viscosité et contenant peu de solides ; ne convient pas aux fluides sensibles au cisaillement	Gère une large gamme de fluides, notamment les fluides visqueux, sensibles au cisaillement et abrasifs
Entretien	Faibles besoins de maintenance grâce à une conception simple et à moins de pièces mobiles	Exigences de maintenance plus élevées en raison d'une conception plus complexe et de pièces mobiles
Coût	Coût initial inférieur et consommation d'énergie réduite pour les applications à faible viscosité	Coût initial plus élevé mais plus économe en énergie pour les applications à haute viscosité
Applications courantes	Alimentation en eau, irrigation, systèmes de refroidissement, alimentation de chaudières et applications industrielles générales	Traitement chimique, pétrole et gaz, aliments et boissons, produits pharmaceutiques et applications de mesure

Pompes ANSI et API

Facteur	Pompes ANSI	Pompes API
Application	Industrie générale, transformation chimique, traitement des eaux	Pétrole et gaz, pétrochimie, raffineries
Conception	Dimensions standardisées et pièces interchangeables	Personnalisé pour des applications spécifiques
Des conditions de fonctionnement	Températures et pressions modérées	Températures, pressions et débits élevés
Matériaux	Fonte, acier inoxydable, fonte ductile	Acier au carbone, acier inoxydable, duplex, alliage 20
Chambre de joint	Espace plus petit et limité pour les joints et les plans de chasse	Plus grand, peut accueillir divers joints et plans de chasse d'eau
Efficacité	Efficacité modérée grâce à une conception standardisée	Efficacité accrue grâce à une conception personnalisée
Entretien	Entretien plus facile grâce aux pièces interchangeables	Maintenance plus complexe grâce à des pièces personnalisées
Coût	Coût initial et coût des pièces de rechange réduits	Coût initial et coût des pièces de rechange plus élevés

Pompe centrifuge vs pompe centripète

Facteur	Pompe centrifuge	Pompe centripète
Transfert d'énergie	Convertit l'énergie de rotation en énergie cinétique du fluide	Convertit l'énergie cinétique du fluide en énergie de pression
Conception de la turbine	Aubes courbées qui poussent le fluide vers l'extérieur à partir du centre	Aubes droites qui guident le fluide vers l'intérieur en direction du centre
Écoulement de fluide	Écoulement radial du centre vers le bord extérieur de la roue	Écoulement axial du bord extérieur vers le centre de la roue
Génération de pression	Génère de la pression en augmentant la vitesse du fluide, puis en la convertissant en pression dans le boîtier de volute ou le diffuseur	Génère de la pression en convertissant directement la vitesse du fluide en pression
Applications	Large gamme d'applications, notamment l'approvisionnement en eau, le traitement chimique et les marchés industriels	Applications limitées, principalement dans des domaines spécialisés tels que l'aérospatiale et certains procédés industriels
Efficacité	Efficacité généralement supérieure grâce à la conversion efficace de l'énergie de rotation en énergie cinétique du fluide	Efficacité inférieure par rapport aux pompes centrifuges en raison de la conversion directe de l'énergie cinétique en pression
Entretien	Conception relativement simple, plus facile à entretenir et à réparer	Conception plus complexe, nécessitant un entretien et une réparation spécialisés
Coût	Généralement plus rentables en raison de leur utilisation généralisée et de leur conception plus simple	Des coûts plus élevés liés à leur nature spécialisée et à leur conception complexe

Applications des pompes centrifuges

1. Approvisionnement et traitement de l'eau:Les pompes centrifuges sont couramment utilisées pour pomper l’eau dans les systèmes d’approvisionnement en eau municipaux, l’irrigation et les usines de traitement de l’eau.
2. Systèmes CVC:Les pompes centrifuges sont utilisées dans les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation pour faire circuler de l'eau ou d'autres fluides de transfert de chaleur.
3. Traitement chimique:Les pompes centrifuges sont utilisées pour transférer des produits chimiques dans diverses industries de transformation, telles que la pétrochimie, les produits pharmaceutiques et la transformation des aliments.
4. Industrie du pétrole et du gaz:Les pompes centrifuges sont utilisées pour diverses applications dans l'industrie pétrolière et gazière, telles que le transfert de pétrole brut, la surpression des pipelines et les systèmes d'injection.
5. La production d'énergie:Les pompes centrifuges sont utilisées dans les centrales électriques pour les systèmes d'alimentation en eau, la circulation de l'eau de refroidissement et le transfert de condensat.

Facteurs de fonctionnement des pompes centrifuges

Limiter les débits

La régulation est une méthode courante utilisée pour contrôler le débit dans les systèmes de pompes centrifuges. En réglant la vanne de refoulement, le débit peut être réduit tout en maintenant une vitesse de pompe constante. Cela permet une plus grande flexibilité pour répondre aux différentes exigences de la demande. Cependant, la régulation peut également entraîner une augmentation de la consommation d'énergie et une réduction de l'efficacité de la pompe, en particulier lorsque celle-ci fonctionne loin du point de meilleur rendement de la pompe (BEP).

Courbes de hauteur de chute et de débit

La courbe de débit est une représentation graphique des performances d'une pompe centrifuge, illustrant la relation entre la hauteur manométrique totale (pression) et le débit. La forme de la courbe de débit varie en fonction du type de pompe, de la conception de la turbine et d'autres facteurs. L'utilisation d'une pompe trop loin de son BEP peut entraîner une réduction de l'efficacité, une usure accrue et des dommages potentiels aux composants de la pompe.

Viscosité

La viscosité du fluide pompé est un autre facteur critique dans le fonctionnement d'une pompe centrifuge. Lorsque la viscosité du fluide augmente, les performances de la pompe diminuent en raison des pertes par frottement accrues et de la vitesse d'écoulement réduite. Les pompes centrifuges sont généralement mieux adaptées aux fluides de faible à moyenne viscosité, tels que l'eau, les huiles et certains produits chimiques.

Puissance

Les besoins en puissance d'une pompe centrifuge dépendent de facteurs tels que le débit, la hauteur manométrique, la densité du fluide et l'efficacité de la pompe. Le choix d'une pompe avec la puissance nominale appropriée est essentiel pour garantir un fonctionnement efficace et éviter la surcharge du moteur. Une puissance supplémentaire peut être nécessaire lors du pompage de fluides à haute viscosité ou lors d'un fonctionnement à des débits et pressions élevés. Un dimensionnement et une sélection appropriés de la pompe et du moteur peuvent aider à optimiser la consommation d'énergie et à réduire les coûts de maintenance pendant toute la durée de vie du système.

FAQ

Pourquoi les pompes centrifuges ne peuvent-elles pas gérer l’air ?

Les pompes centrifuges sont conçues pour pomper des liquides, pas des gaz. Lorsque de l'air pénètre dans une pompe centrifuge, il peut provoquer un désamorçage de la pompe et l'arrêt du pompage. En effet, l'air perturbe le flux continu de liquide à travers la pompe, réduisant ainsi son efficacité et ses performances.

Une pompe centrifuge est-elle CA ou CC ?

Les pompes centrifuges peuvent être entraînées par des moteurs à courant alternatif (CA) ou à courant continu (CC). Le choix entre le CA et le CC dépend de l'application spécifique, de la disponibilité de la source d'alimentation et des exigences de contrôle. Les moteurs à courant alternatif sont plus couramment utilisés en raison de leur simplicité, de leur fiabilité et de leur coût inférieur, tandis que les moteurs à courant continu offrent un meilleur contrôle de la vitesse et conviennent aux applications alimentées par batterie.