Banc de pompes

BANC DE POMPES
I Présentation de l’étude
1.1 Les différents types de pompes
Il existe deux grandes familles de pompes :
•
•
Les pompes centrifuges
Les pompes volumétriques
Il faut donner un exemple de pompe volumétrique (pompe à palette)
1.2 Les pompes centrifuges
1.2.1 Schéma
A faire
1.2.2 Principe
Dans le corps d’une pompe centrifuge, tourne à grande vitesse une roue (rotor)formée par un
certain nombre d’ailettes dont la courbure est conçue pour donner une grande accélération au
liquide. La vitesse donnée au fluide va progressivement se transformer en pression à l’aide
d’un divergent. (Définition d’une élève).
Une pompe est constituée d’un dispositif hydraulique (corps hydraulique) et d’un moteur
électrique qui fait tourner le rotor. Nous avons donc au sein d’une pompe deux
transformations énergétiques :
•
•
Transformation de l’NRJ électrique en NRJ mécanique
Transformation de l’NRJ mécanique en NRJ hydraulique
On peut associer à ces deux transformations des rendements partiels et à la pompe un
rendement global.
1.2.3 Protocole de démarrage et d’arrêt.
Une pompe centrifuge se démarre aspiration ouverte et refoulement fermé.
Même protocole pour l’arrêt.
La vanne de réglage du débit se fait à l’aide d’une vanne qui est située sur le circuit
d’aspiration pour éviter la cavitation
1.2.4 Caractéristiques
1.2.4.1 Hmt (Hauteur manométrique total)
La Hmt est l’énergie par unité de volume (J/m3) fournie au fluide par la pompe qui
s’exprime en m de fluide. A débit nul, la Hmt est maximale. (Cette valeur est donc
très utile)
1.2.4.2 Puissance hydraulique
La puissance hydraulique est la puissance fournie au fluide par la pompe. Elle
s’exprime en W
1.2.4.3 Rendement global
Le rendement global permet de quantifier la transformation de l’NRJ électrique en
NRJ hydraulique. Il s’exprime en %.
1.2.4.4 NPSH et cavitation
1.2.5 Montage d’une pompe
Il existe deux types de montage :
•
•
La pompe peut se situer au dessus d’un liquide à aspirer, on dit qu’elle est en
aspiration
La pompe peut se situer au dessous d’un liquide à aspirer, on dit qu’elle est en charge
Faire un schéma pour chaque montage
1.2.6 Couplage de pompes
Il existe deux types de couplage :
•
•
Série
Parallèle
Faire deux schémas explicites
II schéma de l’installation
Faire un schéma détaillé du circuit en donnant des indices aux vannes
Ce banc de dynamique est constitué de deux pompes centrifuges qui peuvent être en charge
ou en aspiration et qui peuvent être couplées en série ou en parallèles.
On dispose de capteurs de pression relative qui vont nous permettre de calculer la Hmt
Le banc permet aussi de faire varier la vitesse de rotation des moteurs pour étudier les lois de
similitude
Le banc contient aussi deux capteurs utiles à l’étude :
•
•
Une sonde de température qui nous permet de déterminer la masse volumique de l’eau
Un wattmètre dont la mesure est exprimée en kW qui nous permettra de calculer le
rendement global des pompes.
III Etude théorique
3.1 Pompe seule
3.1.1 Calcul de la Hmt
On rappelle l’expression de l’équation de Bernoulli généralisée :
P1
P
2
2
1
1
+ Z1 +
V1 + Hmt = 2 + Z 2 +
V2 + J 1, 2
! .g
2.g
! .g
2. g
P2
Pompe centrifuge A
P1
Appliquons cette équation entre les positions 1 et 2 :
Qv = V .S avec S section de passage
soit
V1 .S1 = V2 .S 2
comme
D1 = D2 donc S1 = S 2
donc
V1 = V2
Z 1 ! Z 2 il existe une différence de niveau de 10 cm
On néglige la perte de charge car on ne peut pas la mesurer
Hmt =
P2 " P1
! .g
3.1.2 Calcul de la puissance hydraulique
Ph = Qv.! .g .Hmt
3.1.3 Calcul du rendement global
r=
Ph
Pe
3.2 Pompe en couplage
3.2.1 Pompes en série
3.2.1.1 Calcul de la Hmt
P4
P3
P2
P1
Pompe A
centrifuge A
Pompe B
centrifuge A
Pour la pompe A :
Hmt =
P2 " P1
! .g
Pour la pompe B
Hmt =
P4 " P3
! .g
Appliquons l’équation de Bernoulli entre les points 2 et 3
P
P2
2
2
1
1
+ Z1 +
V2 = 3 + Z 3 +
V3 + J 2,3
" .g
2.g
" .g
2.g
Z 1 ! Z 2 car il y a une différence de qq mm
V1 = V2
J 2,3 =
Donc
P2 " P3
! .g
Pour les pompes A et B en série alors
P4 ! P1 P4 ! P3 P3 ! P2 P2 ! P1
=
+
+
" .g
" .g
" .g
" .g
= Hmt pompe1 + Hmt pompe 2 ! J 2,3
Hmt1+ 2 =
Hmt1+ 2
3.2.1.2 Calcul de la puissance hydraulique
Pe = Qv.! .g .Hmt1+ 2
3.2.1.3 Calcul du rendement
r=
Ph
Pe1 + Pe2
La puissance électrique du couplage est la somme des deux puissances électriques des
pompes A et B.
Rem : Le wattmètre calcule automatiquement la somme des puissances électriques quand
les deux pompes sont en fonctionnement.
3.2.2 Pompes en //
QV a + QV b
P2
QV a
QV b
Pompe centrifuge A
Pompe centrifuge B
P1
P1
3.2.2.1 Calcul de la Hmt
On peut observer à l’aide du poste que lorsque les pompes en // fonctionnent, les pressions
d’aspiration des deux pompes sont égales et les pressions de refoulement sont identiques.
Il suffit donc de prendre les manomètres qui ont la plus grande précision pour déterminer la
Hmt de ce couplage.
3.2.2.2 Calcul de la puissance hydraulique
Calculs identiques au couplage en série
3.2.2.3 Calcul du rendement
Calculs identiques au couplage en série
IV Explication des calculs
Toutes les feuilles d’EXCEL mises à la disposition de l’éxaminateur doivent être
expliquées. Il suffit donc de prendre une ligne et de prendre un exemple en donnant la
formule utilisée et ses unités correspondantes
V Exploitations
5.1 Etude des pompes 1 et 2 seules :
Les graphiques nous permettent de constater que la Hmt est maximale quand le débit est
nulle.
Toute l’énergie fournie au fluide par la pompe est sous forme de pression motrice.
Quand la pompe débite, la Hmt diminue.
Une partie de l’énergie totale se transforme en énergie cinétique et donc l’énergie sous la
forme de pression motrice diminue.
On peut aussi constater que la puissance hydraulique augmente avec le débit, ce qui sousentend que le rendement global de la pompe augmente aussi.
Pour utiliser une pompe avec son meilleur rendement, il faut donc travailler à des débits
importants. (Les pertes de charge au sein de la pompe sont importantes à débits faibles)
Rem : Il faut noter néanmoins qu’au de la de certains débits, le rendement de la pompe chute
due à un phénomène de cavitation.
Pompe
2
1
Débit maximal
6 m3/h
2,8 m3/h
Rendement maximal
29,3 %
15,6 %
Rem : Les rendement globaux des deux pompes 1 et 2 seules sont très faibles, car l’énergie
subit deux transformations.
Rem : Les pressions à l’aspiration sont négatives et augmentent généralement avec les débits,
ce qui se traduit par une légère cavitation et à une diminution de rendement quand le débit
augmentent. Il faut donc trouver un compromis entre risque de cavitation et rendement lors du
choix de fonctionnement de la pompe(débit).
5.2 Etude des pompes 1 et 2 en série :
L’étude du tableau et du graphique nous permet de constater que le couplage en série est un
moyen d’augmenter la Hmt pour un même débit.
Pompe
2 seule
1+2 série
Débit à 2 m3/h
9,60
15,01
Débit à 4 m3/h
8,78
10,32
A l’aide du graphique, on constate que la Hmt du couplage série est sensiblement égale à la
somme des Hmt des pompes seules à débit nul puis avec des débits croissants les deux
courbes se distinguent. La différence est en fait la perte de charge qui existe entre les deux
pompes.
A débit nul , J est nulle donc H 1+2 = H1 + H2
A débit non nul, J augmente avec Qv et donc H 1+2 = H1 + H2 - J
5.3 Etude des pompes 1 et 2 en // :
L’étude du couplage en série nous permet de voir que l’intérêt de ce couplage est d’augmenter
le débit sans une chute notable de la Hmt
On passe en effet d’un point de fonctionnement (Hmt = 6m et Qv = 8,6 m3/h) à (Hmt = 6,74
m et Qv = 9 m3/h)
Avec deux pompes identiques, on peut doubler le débit avec une même Hmt
Rem : à l’aide du graphique, on peut observer que la pompe 1 commence à travailler quand le
débit global est de 3,5 m3/h