Pompe


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Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide. Les pompes modernes ont été développées à partir du XVIIIe siècle. Cependant, l'ancienne pompe à godets fut inventée en Chine au Ier siècle après J.-C..

Pompe à eau à Auteuil.
Pompe à eau à Augsburg.
Pompe à eau rurale à Dourbes.
Pompe à eau citadine à Bruges.
Pompe industrielle, alimentée par une machine à vapeur fonctionnant au charbon, Mount Crosby waterworks, Australie, 1892
Chaudière alimentant la pompe du système d'adduction d'eau de l'image ci-dessus

Sommaire

Histoire

Le principe de la pompe est apparu dès que l'homme a su construire un habitat artificiel pour se protéger des éléments naturels. Le besoin en eau nécessaire à sa survie l'obligea à trouver un système de transport de cette eau, du puits ou de la rivière à son habitat. Il utilisa d'abord simplement l'énergie développée par ses muscles pour transporter l'eau à l'aide de récipients naturels ou artificiels. Plus la contenance et la distance étaient grandes, plus l'énergie dépensée était importante. Jusqu'au début de l'ère industrielle (fin du XVIIIe siècle), les pompes ne servirent que pour le transfert de l'eau. L'ancienne pompe à godets fut inventée en Chine au Ier siècle après J.-C..

Antiquité

Les Grecs et les Romains furent les premiers à utiliser des systèmes rotatifs pour véhiculer l'eau. Une pompe à foulement romaine est visible au musée gallo-romain de Lyon. Installée au fond d'un puits à 6 mètres de profondeur, elle permettait de pomper 60 litres par minute[1]. Tous ces systèmes étaient utilisés pour relever l'eau dans des aqueducs alimentant les villes et les bains. Les Grecs et les Romains furent parmi les premiers à poser les bases de l'hydraulique.

À la grande époque de la culture gréco-romaine, de nombreux principes de physique et d'hydraulique furent découverts, mais jamais développés. Les besoins économiques de cette époque ne nécessitaient pas une mécanisation de l'outil de production. L'énergie nécessaire à la production était fournie par une main-d'œuvre presque gratuite (les esclaves). Cependant, dès cette époque, les principes des pompes à piston, des pompes centrifuges et des pompes à vide furent découverts. Les réalisations mettant en œuvre ces principes ne servaient cependant qu'à la démonstration des calculs mathématiques (jeux d'intellectuels) ou aux divertissements (fontaines, jeux d'eau, tours de magie etc.). On leur doit aussi notamment l'invention des écluses (afin d'éviter les vitesses d'écoulement trop rapide) et des dispositifs anti-béliers sur les conduites fermées, afin d'éviter l'éclatement des conduites.

Moyen Age et Temps modernes

Les moulins à eau et à vent furent les premiers dispositifs à fournir une énergie « non musculaire » relativement abondante. D'abord utilisés pour moudre le grain, ils furent ensuite couplés à des pompes à élever les eaux. En particulier, ils furent utilisés aux Pays-Bas pour extraire l'eau des polders. Le premier polder de ce type fut celui de Beemster en Hollande septentrionale en 1612. Plus tard, la force hydraulique appliquée à des pompes fut également utilisée à d'autres fins. Une des réalisations les plus remarquables fut la machine de Marly.

Progrès de la mécanique et pompes à vapeur au XVIIIe siècle

Il faudra attendre la fin du XVIIIe siècle pour que les premières pompes soient réellement construites et utilisées de façon industrielle.

Avant cela, les besoins économiques étaient satisfaits par la croissance démographique qui fournissait une main-d'œuvre bon marché et par les moulins (à eau ou à vent, selon les pays), qui restaient le principal moyen de production d'énergie. L'explosion démographique dans la deuxième partie du XVIIIe siècle obligea l'outil de production à se mécaniser.

On continua certes à développer des machines mues par la force hydraulique : par exemple, la pompe à eau de Porcheresse[2] fonctionna de 1870 à 1952 et de nombreuses pompes à bélier fonctionnent encore de nos jours. Mais l'apparition de la machine à vapeur (Denis Papin) améliorée par l'écossais James Watt permit la mécanisation des secteurs industriels où les besoins étaient en pleine expansion (coton, charbon). Le besoin constant de minerai de charbon apparut avec le développement de l'ère industrielle, obligeant la recherche de celui-ci à des profondeurs qui ne permettaient plus le travail à ciel ouvert. Les infiltrations d'eau noyant de façon continue les galeries souterraines, on utilisa alors de façon régulière des pompes pour évacuer cette eau. Il s'agit probablement là de la première utilisation industrielle des pompes. Il s'agissait en fait de pompes à piston, machine de Watt dont l'énergie provenait de la vapeur produite par de l'eau chauffée par un foyer. Ce foyer ouvert provoquait régulièrement des incendies dans les galeries.

Les pompes mues par une machine à vapeur étaient couramment appelées « pompes à feu ».

Pompes électriques à partir du XIXe siècle

C'est au cours de ce siècle qu'une seconde évolution dans la technique des pompes fit son apparition, cette fois grâce à l'énergie électrique.

Celle-ci permit le développement des pompes à principe rotatif, turbines et pompes centrifuges. En fait, depuis près d'un siècle, aucun grand principe de pompe n'a été découvert. Seuls les matériaux utilisés et la précision d'usinage permirent aux pompes d'évoluer vers de meilleurs rendements, de plus grands débits et de plus hautes pressions. Le seul fait d'utiliser un liquide pour la fabrication d'un produit implique nécessairement l'utilisation de pompes.

Pompes modernes

Les pompes répondent toutes au même besoin : déplacer un liquide d’un point à un autre.

Pour déplacer ce liquide, il faut lui communiquer de l'énergie. Les pompes remplissent cette fonction.

Le moteur qui alimente les pompes transforme l'énergie thermique ou électrique en énergie mécanique pour permettre le mouvement des organes des pompes. Cette énergie mécanique est retransmise au fluide.

Cette énergie fluide se traduit sous forme de débit (énergie cinétique) et de pression (énergie potentielle). Ces énergies vont s'échanger et se consommer dans les circuits de l'installation.

Classification

On peut classer les pompes de plusieurs façons.

Les mouvements retransmis aux organes des pompes sont comme tous les mouvements mécaniques de deux grands types :

  1. Rotatif
  2. Rectiligne (alternatif)

Le mode de déplacement du fluide au travers des pièces en mouvement de la pompe et leur fonction permet de classer les pompes en plusieurs familles :

  • Pompes de transfert
  1. Pompe rotative - axiale.
  2. Pompe rotative - centrifuge.
  • Pompes de dosage
  1. Pompe rotative - volumétrique.
  2. Pompe alternative - volumétrique.
  3. Pompes à queue.

Caractéristiques

La cylindrée 
C'est le volume de fluide aspiré et expulsé pour un mouvement. Dans le cas des pompes rotatives, la cylindrée s'exprime en (cm³/tour) ou en (m³/rad).
Le débit 
C'est un volume de fluide transvasé par unité de temps, il se calcule en fonction de la cylindrée. Dans le cas d'une pompe rotative, le débit Q (en m³/s) est le produit de la cylindrée V (en m³/rad) et du nombre de tour par seconde N (en rad/s) du moteur entraînant la pompe : Q = V.N.
La différence de pression 
Elle caractérise la capacité de la pompe à augmenter la pression du fluide qui la traverse. La différence de pression est faible pour une pompe centrifuge, elle peut être importante pour une pompe volumétrique. Dans le cas où le liquide pompé est l'eau, on parle plutôt de hauteur manométrique totale ou HMT.
Le rendement volumétrique 
C'est le rapport entre le débit effectivement obtenu et le débit théorique (calculé avec la cylindrée). Le rendement volumétrique est toujours inférieur à 1 en raison des fuites.
\eta_v = \frac{Q_{exp}}{Q_{th}} = \frac{\Delta p.S}{C_y.N} = \frac{\Delta p.S.2 \pi}{C_y \omega} < 1
Le couple théorique 
C'est le produit (en Nm) de la cylindrée (en m³/rad) et de la différence de pression (en Pascal ou N/m²).
Le rendement mécanique 
C'est le rapport entre le couple (ou la force) théoriquement nécessaire pour produire la différence de pression et le couple effectivement nécessaire.
Le rendement hydromécanique 
C'est le rapport entre la pression réelle et la pression théorique. Il est inférieur à 1 en raison des pertes de charges et des frottements dans les liaisons.
\eta_{hm} = \frac {\Delta p_r}{\Delta p_{th}}
Le rendement global 
C'est le rapport entre la puissance hydraulique fournie par la pompe et la puissance mécanique absorbée par la pompe. C'est aussi le produit du rendement volumétrique par le rendement hydromécanique mécanique.
\eta_g = \eta_v . \eta_{hm} = \frac {P_h}{P_m}
La puissance hydraulique 
C'est le produit P (en Watt) du débit Q (en m³/s) et de la différence de pression Δp (en Pascal) : P = Qp.

Technique

Pompe à balancier

Le chadouf encore utilisé par certaines peuplades africaines.

Vis d'Archimède

Article détaillé : Vis d'Archimède.

La vis d'Archimède, parfois abusivement appelée vis sans fin, est un dispositif qu’Archimède aurait mis au point lors d’un voyage en Égypte, permettant aux habitants du bord du Nil d'arroser leurs terrains.

Pompe rotative axiale

Le principe est proche de celui de l'hélice de bateau. Le déplacement du fluide est parallèle à l'axe de rotation.

Elle trouve son application pour de grands débits sur de faibles dénivelés (faible différence de pression, plusieurs milliers de m³/h) dans le domaine de l'eau, circuit de refroidissement (centrales nucléaires) ou accélérateurs gravitaires. Un exemple industriel fut inventé en 1939 par l'ingénieur français René Moineau.

Rotative centrifuge

Article détaillé : pompe centrifuge.

Il s'agit d'une application concrète de la force centrifuge. Le principe utilisé est celui de la roue à aubes courbe. La roue est placée dans une enceinte (le corps de pompe) possédant deux ou plusieurs orifices, le premier dans l'axe de rotation (aspiration), le second perpendiculaire à l'axe de rotation (refoulement). Le liquide pris entre deux aubes se trouve contraint de tourner avec celle-ci, la force centrifuge repousse alors la masse du liquide vers l'extérieur de la roue où la seule sortie possible sera l'orifice de refoulement. L'énergie fluide est donc celle provenant de la force centrifuge.

Pour une même pompe, le débit varie :

  • proportionnellement à la vitesse de rotation;
  • avec la différence de pression entre l'entrée et la sortie : plus celle-ci est élevée, plus le débit est faible ;
  • en fonction des caractéristiques du fluide, telle que la viscosité, la température, la densité.

Cette variation de débit est donnée par la courbe de fonctionnement de la pompe, indiquée par le fournisseur de celle-ci. La courbe indique le débit de la pompe centrifuge, qui est fonction de la hauteur totale qu’elle engendre pour une vitesse de rotation donnée. Cette courbe est d’allure parabolique.

Composants d'une pompe centrifuge

Roue

La roue (turbine, impulseur) qui constitue l’élément mobile de la pompe communique au liquide une partie de l’énergie cinétique transmise par l’arbre par l’intermédiaire de ses aubes (ailettes).

Il existe trois formes principales de roues :

  • roue fermée
  • roue semi-ouverte
  • roue ouverte

La hauteur engendrée par la roue est fonction du carré de la vitesse périphérique. En conséquence, pour une hauteur donnée à réaliser, plus la vitesse de rotation sera grande plus le diamètre sera faible et inversement. Plus le débit est important, plus la section d’entrée et la largeur de sortie sont grandes.

Corps de pompe ou diffuseur

Le corps de pompe, qui constitue l’élément fixe de la pompe, est destiné à recueillir le liquide qui sort de la roue, et à le diriger, soit vers l’orifice de refoulement, soit vers l’entrée de la roue suivante, selon que la pompe est mono ou multicellulaire. De plus, il transforme en pression une partie de la vitesse. La forme principale du corps dépend du type de pompe (mono ou multicellulaire).

Corps d’aspiration

Il constitue avec le corps de pompe l’élément fixe destiné à diriger le liquide vers l’entrée de la roue, de telle sorte que la vitesse soit uniforme en tous points.

Poussée axiale

Les forces qui résultent de l’action des pressions sur les flasques avant et arrière de section différente d’une roue donnent naissance à une poussée axiale généralement dirigée vers l’aspiration.

Poussée radiale

Cette poussée, perpendiculaire à l’axe, résulte d’une mauvaise répartition de la pression autour de la roue dans les pompes à volute. La poussée radiale conserve une direction fixe, change de sens autour du débit nominal, en s’annulant pour ce dernier. Elle entraîne un fléchissement de l’arbre et le soumet à une flexion rotative.

Étanchéité

Deux systèmes principaux sont utilisés pour assurer l’étanchéité du passage de l’arbre entre l’intérieur de la pompe et l’extérieur, généralement soumis à la pression atmosphérique.

Ce sont :

  • les garnitures à tresses
  • les garnitures mécaniques

Certaines pompes de type étanche ne nécessitent pas de système d’étanchéité.

Ce sont :

  • les pompes à rotor noyé
  • les pompes à entraînement magnétique

Dans l'éventualité où le débit d'entrée est inférieur au débit de sortie, il se crée un phénomène dit de cavitation : la dépression créée fait repasser sous forme gazeuse le gaz dissout dans le liquide pompé. Se forme alors un « train de bulles » derrière les ailettes qui diminue le rendement de la pompe et qui, en implosant, atteint des températures et des pressions très élevées ; celles-ci, combinées à l'onde de choc qui en résulte, entraînent une dégradation très rapide de la pompe, voire sa destruction.

Ce phénomène est identifiable par un bruit caractéristique, comme si l'on « pompait du sable ».

Réduire le débit de sortie ou augmenter celui d'entrée permet d'atténuer ou éliminer ce phénomène.

Pompe à piston

Pompe à vin à piston

Ce type de pompe utilise un piston coulissant de manière étanche dans un cylindre pour repousser un fluide, admis précédemment dans le cylindre par l'intermédiaire d'un clapet, d'une soupape ou d'une lumière, grâce à l'aspiration provoquée par le recul du piston.

Les performances sont élevées :

  • pression de plusieurs milliers de bar, notamment pour le découpage jet d'eau
  • Débit jusqu'à 500 litres/min
  • Rendement > 0,951

Il existe différents montages mécaniques dont :

Pompe à pistons axiaux

Les pistons sont situés parallèlement à l'axe de transmission. Ils fonctionnent grâce à :

  • une glace sur laquelle glissent les patins situés en pied de pistons ;
  • un barillet dans lequel sont logés les pistons.

Certaines pompes peuvent fonctionner avec des solutions aqueuses, voire à l'eau pure.

Article détaillé : Pompe à pistons axiaux.

Pompe à pistons radiaux

Les patins des pistons glissent sur un excentrique ou sur une came dont le nombre de lobes est différent (de un) au nombre de pistons. Les pistons sont munis de clapets d'aspiration et de refoulement. Souvent, pour des raisons de régularité de flux, le nombre de pistons est impair (somme de sinusoïdes régulièrement déphasées).

Article détaillé : Pompe à pistons radiaux.

Pompe à vilebrequin

Dans le cas de l'utilisation d'un fluide non lubrifiant comme de l'eau, avec de gros débits et / ou de fortes pressions, un vilebrequin entraîne un ensemble de pistons en ligne. Ces pompes particulièrement chères sont rarement utilisées.

Pompe à palettes

Ce type de pompe est surtout utilisé pour diminuer ou augmenter la pression des gaz : pompe à vide, compresseur d'air, climatiseur, réfrigérateur, etc.

Il est aussi très utilisé dans les circuits hydrauliques. Elles sont à débits fixes ou variables.

Les pompes à palettes sont peu bruyantes.

Article détaillé : Pompe à palettes.

Pompe à bélier

Système inventé par les frères Montgolfier qui permet de transformer l'énergie cinétique de l'eau en onde de pression par le phénomène du coup de bélier : fermeture rapide d'un clapet. Cette pompe assez rustique a le désavantage principal de laisser passer en contre-bas une grande quantité d'eau dont seule une petite partie remonte vers le point d'utilisation. Elle présente l'avantage de ne nécessiter aucun apport d'énergie extérieur en dehors de la chute d'eau qui fait naître le phénomène.

Article détaillé : Bélier hydraulique.

Pompe à godets

Pompe à corde de démonstration. La « rondelle » descend librement à gauche et remonte dans le tuyau à droite.

Peut être aussi pompe à corde (en), la corde coulissant dans un tuyau tirant des rondelles ou des godets faisant monter l'eau[3].

D'autres variantes de la pompe à godets sont apparues dès l'antiquité : la roue persane, appelée aussi noria par extension. Ces variantes étaient surtout utilisées pour l'irrigation.

Pompe péristaltique

Article détaillé : Pompe péristaltique.

Pompe à vide

Article détaillé : Pompe à vide.

Pompe à engrenages

Article détaillé : Pompe à engrenages.

Pompe Valdès

Article détaillé : Pompe Valdès.

Pompe par Airlift

Ce type de pompe est parfois appelé également « pompe par injection d'air ». C'est un système de pompage simple d'un liquide par injection d'air compressé dans une canalisation.

Article détaillé : Airlift.

Pompe pneumatique à membrane

Fonctionnement d'une pompe pneumatique à membrane

La pompe pneumatique à membrane est entrainée par de l’air comprimé. Les deux membranes reliées par un arbre sont poussées et tirées alternativement par un distributeur alimenté par la pression d’air et qui en assure aussi l’échappement.

  • Phase 1 : l'aspiration. Une membrane crée le phénomène d’aspiration lors de son déplacement vers le corps de la pompe.
  • Phase 2 : le refoulement. L’autre membrane transmet simultanément la pression d’air au liquide dans le corps en le poussant vers l’orifice de refoulement.
Article détaillé : Pompe pneumatique à membrane.


Pompe volumétrique

Les pompes volumétriques sont des pompes à débit constant sur leur plage de fonctionnement.

Article détaillé : pompe volumétrique.

Références

  1. La pompe romaine de Lyon SAVAY-GUERRAZ (H.), dans Force hydraulique et machines à eau dans l’Antiquité romaine . Actes du colloque international (Pont du Gard, 20-22 sept. 2006).
  2. pompe à eau de Porcheresse
  3. (en) [PDF] Arjen van der Wal, Henk Holtslag, Jan de Jong, « Rope pump manual : Hand dug well & Borehole model », practicafoundation.nl, août 2005

Voir aussi

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