Le pompage

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1 Pompes

Ou aussi machines élévatoires sont de trois types suivant la composante d’énergie affectée par la variation de la charge : énergie potentielle z, énergie de pression P/γ  et l’énergie cinétique V2/2g. Le troisième type se caractérise  par l’augmentation de la charge sous l’effet de l’augmentation de l’énergie cinétique, parmi ces machines on cite le bélier hydraulique, l’éjecteur et les pompes centrifuges. Ce dernier exemple est le plus reconnu surtout dans le domaine du pompage agricole. (Lamrahi.H. 2004).

1.1 Pompes centrifuges

Une pompe de ce type comporte essentiellement :

– une roue ou turbine ou encore impulseur (rotor, mobile…) qui met en vitesse l’eau parvenant par son ouïe centrale situé dans  le prolongement de l’axe de rotation.

– un diffuseur ou une volute ou  le corps de la pompe qui transforme l’énergie de vitesse acquise en hauteur manométrique. Il est muni à sa base d’un orifice de vidange et à sa partie supérieure d’un orifice de remplissage qui sert lors de l’amorçage de la pompe. Le vide partiel ainsi créé à l’aspiration garantie l’approvisionnement continu de l’eau.

Une pompe peut être monocellulaire s’elle a une seule roue valable dans des domaines de basses et moyennes  pressions, ou multicellulaire s’elle a plusieurs roues fonctionnant dans des domaines de moyennes et autres pressions. (Lamrahi.H. 2004).

1.2 Groupes  de pompes centrifuges

Tableau 04 : Les groupes des pompes centrifuges (Cemagref,  1996).

groupes Type Applications
 

 

De surface

-Monocellulaire horizontal

Monobloc

– Hauteur max 90 m

– Débit max 400m3/h

– Hauteur d’aspiration limitée à 6-7m (suivant le NPSHr)

– Pressions peu élevées (g.à.g, aspersion, pivot gravitaire)

– Monocellulaire horizontal à accouplement
– Multicellulaire horizontal

Monobloc

– hauteur max 250m

-débit max 200m3/h

-pressions plus élevées (enrouleur, pivot réseau d’irrigation)

– hauteur d’aspiration limitée à 6-7m (suivant NPSHr)

-Multicellulaire vertical

Monobloc

Multicellulaire horizontal à

accouplement

– Hauteur max 250 m

-débit max 400m3/h

– pressions plus importantes

– hauteur d’aspiration limitée à6-7m (suivant NPSHr)

 

 

Immergés

Moteur de surface et ligne

d’arbre ou moteur immergé

Dès que la hauteur d’aspiration dépasse 6-7m
Groupes submersibles – Exhaure de rivière, lac collinaire ou puits.

– liquides très chargés.

Groupe monobloc : si l’arbre de la pompe et  celui du moteur sont communs ou  reliés par un accouplement rigide.

Pompe à accouplement : si l’accouplement entre l’arbre de la  pompe et celui du moteur est semi élastique.

Pompe à multiplicateur de vitesse : pompes reliées à  la prise de force du tracteur (installations mobiles ou de secours). (Cemagref,  1996).

1.3 Courbes Caractéristiques des pompes centrifuges

Ces courbes caractéristiques représentent les variations d’un paramètre en fonction du débit :

  • hauteur d’élévation: H = f (Q)
  • rendement : η = f (Q)

Rendement manométrique   ηp = Hn/He

Rendement volumétrique   ηv = Qr/Q

Rendement mécanique  ηm = Pe/Pd

Rendement global   η= Pn/Pd

  • puissance: P=f(Q)

Pe= ρ.g.Q.He

Pn=ρ.g.Q.Hn

  • consommation: C=f (Q) =P/Q

Elle influence  le choix de l’investissement et de la rentabilité de l’installation.

  • NPSHr (net positive suction head= charge nette à l’aspiration): NPSHr=f (Q)

«La NPSH est la cote de la  ligne piézométrique à l’entrée de conduite d’aspiration de la pompe rapportée à l’axe de celle-ci et diminuée de la hauteur représentative de la tension de vapeur saturante de l’eau » les turbomachines.( OULHAJ .A, 2003)

La NPSH disponible (NPSHd) dépend de l’installation, elle est fonction de la longueur, du diamètre de la conduite d’aspiration et de la hauteur géométrique d’aspiration.

La NPSH requise (NPSHr) est une caractéristique de la pompe, elle est donnée par le constructeur.

Ces deux paramètres sont très importants plus précisément lors de la conception et le dimensionnement d’une station de pompage.  La maîtrise de ces notions permet d’éviter la cavitation :NPSHd doit être supérieure à NPSHr au moins d’une unité. (Lamrahi.H. 2004)

1.4 La vitesse spécifique

C’est la vitesse de rotation d’une pompe pour débiter 1m3/s à une hauteur de 1m.

La puissance recueillie serait donc 10kw.

en TPM

Elle peut être substituée par le coefficient de vitesse angulaire

Cv=0,019.Ns   sans dimensions

Elle est la même pour les pompes semblables

Cette notion permet de classifier  les pompes en trois catégories:

Tableau 05 : Classification des pompes suivant Ns (A.OULHAJ. 2003).

Catégorie Intervalle de Ns Caractéristiques
Pompe à écoulement radial Entre500 et 2000 Débits faibles à pressions Elevées
Pompe à écoulement mixte Entre 2000 et 7000 Débits assez importants à pressions modérées
Pompe à écoulement axial >7000 Grands débits à faibles

Hauteurs

La  vitesse  spécifique  sert  à  estimer le rendement manométrique à partir des abaques représentants les variations du rendement manométrique en fonction de la vitesse spécifique et du débit refoulé.

1.5 Le point de fonctionnement

C’est  le  point  d’intersection  de  la  caractéristique de la pompe qui représente l’ensemble des points de fonctionnement et celle du réseau traduisant la variation des pertes de charge le long des conduites.

Caractéristique de la pompe :

Caractéristique du réseau :

La solution positive de l’équation du second degré, constituée par la combinaison des deux caractéristiques, est le point de fonctionnement. (Lamrahi.H. 2004).

1.6 La combinaison des pompes

Le couplage en série 

Pour un débit donné, la hauteur d’élévation résultante est la somme des hauteurs partielles.

La caractéristique correspondante devient :

Le couplage en parallèle 

Pour une hauteur donnée le débit de refoulement résultant est la somme des débits partiels.

La formulation mathématique de la caractéristique est plus complexe.

Pour n pompes identiques,  la caractéristique  se simplifie à

1.7 Erreurs de dimensionnement de réseau

Tableau 06 : Erreurs de dimensionnement de réseau (Cemagref,  1996)

Type d’erreur Causes Conséquences Remèdes
Réseau sous-estimé – Hg ou  ∆ H réelles supérieures aux prévus

– rabattement de la nappe

– tuyauterie encrassée

– Q plus faible, H plus élevée

– Q éloigné du Q nominal

– bruits, vibrations

– fonctionnement en dehors de la zone recommandée

-risque de désamorçage de la pompe

-réduire  ∆ H

– déplacer le point de fonctionnement (changer la pompe ou modifier la vitesse de rotation)

– adapter le diamètre de roue.

Réseau sur estimé – Hg et/ou  ∆H réelles inférieures aux prévus – Q plus important : danger de surcharge du moteur

– HT plus faible : fonctionnement en dehors de zone d’utilisation

-NPSHr plus élevé et NPSHd  plus faible : risque de cavitation, bruits, vibrations

– créer  ∆ H (vanne, diaphragme…)

– déplacer le point de fonctionnement (adapter le diamètre de la roue et/ou modifier la vitesse de rotation)

2 Equipements hydrauliques

2.1 Equipement en amont : aspiration

La crépine et le clapet comptent parmi les éléments nécessaires à l’entrée,  le premier constitué par un cylindre perforé empêchant ainsi l’entrée des particules plus fines, il doit être entièrement immergée afin d’éviter les rentrées d’air et éloignée d’environ 0.5 m du fond de puisard, le clapet anti retour assure le maintien de la colonne d’eau dans la conduite d’aspiration. Il peut être combiné  avec la crépine pour former un clapet à crépine. Autres éléments jouent des rôles complémentaires pour assurer un bon fonctionnement de l’ensemble. Ils sont représentés par des grilles, une tulipe,  des  coudes, des vannes, un convergent,  et des conduites.

2.2 Equipements en aval : refoulement

Ils se constituent essentiellement de joints  de raccordement, d’un divergent, d’un clapet de refoulement, d’une vanne et des conduites. (Lamrahi.H. 2004)

3 Entraînement des pompes

Parmi la grande gamme des moteurs industriels, seuls l’usage des moteurs thermiques et les moteurs électriques qui s’est développé ces dernières décennies dans le domaine agricole.

3.1 Les moteurs thermiques

Ils peuvent être classés selon des divers critères :

  • Le type de combustion : allumage électrique ou par compression
  • La continuité du fluide traversant le moteur : moteurs alternatifs ou à débit continu (turbine à gaz).
  • Le cycle de fonctionnement : à 4 ou à 2 temps
  • Le mode de refroidissement : direct (par air) ou indirect (par eau).
  • La conception architecturale :
  • Rotatif ou alternatif
  • Disposition de cylindres : linéaire, en V, opposés
  • la vitesse de rotation : lent ou rapide.

Parmi les moteurs thermiques, on se  limite à la description des moteurs alternatifs à combustion interne MACI qui sont les plus répandus. Ce type se caractérise par la discontinuité de l’écoulement du fluide et la combustion qui s’effectue au sein des cylindres. Le rendement global théorique de transformation n’est que de 30% à 40%.

Un MACI se constitue principalement

–  d’une culasse ayant pour rôle l’évacuation de la chaleur et l’étanchéité. Elle constitue la paroi supérieure du cylindre et le support de différents organes du moteur à savoir :

* les soupapes assurant l’admission de l’air ou l’échappement de  la chaleur.

* l’arbre à cames.

–  d’un bloc cylindre logeant les cylindres, les paliers, l’arbre à cames et autres accessoires. Il joue le rôle d’une enceinte  étanche et résistante à la pression, à l’usure et à la corrosion. Il assure le guidage du piston et le graissage des organes mobiles, il contient aussi l’eau de refroidissement.

–  d’un attelage mobile formé par le piston, la bielle et le vilebrequin :

* le piston assure la transmission des efforts et de la chaleur. Il assure aussi l’étanchéité. Il doit être résistant à chaud, léger et silencieux.

* la bielle transmet l’effort au vilebrequin et lubrifie sa liaison avec l’axe du piston.

* le vilebrequin et le volant constituent l’arbre moteur. C’est le premier organe à transmettre l’énergie, le volant régularise le couple.

Le  travail  utile  (40%)  dans le cas d’un allumage par compression est nettement amélioré par rapport au groupe à allumage électrique, ce bon rendement et le faible prix du gas-oil rendent ce groupe plus économique ainsi plus utilisable. (Lamrahi.H. 2004).

3.2 Les moteurs électriques

Parmi une gamme importante des moteurs  électriques à courant alternatif ou continu, les moteurs synchrones et asynchrones triphasés sont les plus répandus.

Le choix de type de moteur se base sur :

–  la puissance du réseau et problèmes de démarrage : le courant de démarrage d’un moteur asynchrone peut atteindre cinq à sept fois le courant nominal provoquant une chute de tension de l’alimentation qui peut être préjudiciable au matériel.

–  la tension d’alimentation : les tensions usuelles entre phases sont en général 220 – 380.le choix est fonction de la puissance,  de l’investissement à partir du réseau et de la puissance de court – circuit de réseau.

–   le couple résistant pendant le démarrage développé par la pompe doit être inférieur au couple moteur.

–  environnement et conditions de fonctionnement et d’installation: le refroidissement, le bruit, les vibrations, l’étanchéité,… (Lamrahi.H. 2004).

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