INFLUENCES SUR L ’ASPIRATION LES POMPES CENTRIFUGES INFLUENCES SUR L ’ASPIRATION Groupement Formation SDIS 66

La pompe centrifuge est constituée de : RAPPEL : La pompe centrifuge est constituée de : Une roue à aubes, (impulseur) ; Un corps de pompe, (volute). La roue à aubes tourne autour de son axe à grande vitesse. L'eau qui pénètre axialement par l'ouïe est rejetée vers la périphérie de la roue à aubes par la force centrifuge. Sa vitesse est alors considérablement augmentée.

L'éjection de l'eau crée une légère dépression à l'ouïe qui permet à de l'eau de l'extérieur d'entrer dans la pompe.

La volute a trois buts : 1- Canaliser l'eau vers la sortie de la pompe ; 2- Réduire les turbulences ; 3. Réduire la vitesse de l'eau, ce phénomène se produit par augmentation de la section de la veine liquide.

Suite Quand on observe bien la forme de la volute sur le schéma, on constate que la section de passage augmente constamment jusqu'au refoulement. Eléments constitutifs de la pompe centrifuge

Le diffuseur, quand il existe, a un rôle complémentaire à la volute, il réduit les turbulences et fait déjà perdre de la vitesse à l'eau. On peut se demander quel est l'intérêt d'augmenter considérablement la vitesse du filet d'eau dans la roue à aubes pour aussitôt le ralentir dans le diffuseur et la volute.

Augmenter la vitesse d'une veine fluide c'est lui faire gagner de l'énergie, de l'énergie cinétique. La roue à aubes (schéma), transmet donc une énergie cinétique à l'eau.

Ralentir une veine fluide, c'est faire diminuer sa vitesse, donc lui faire perdre de l'énergie cinétique. Cette énergie cinétique perdue se transforme obligatoirement en une autre forme d'énergie, ici en énergie potentielle et cela se matérialise par une augmentation de la pression.

Résumé: UNE POMPE CENTRIFUGE EST DONC GLOBALEMENT UNE MACHINE HYDRAULIQUE QUI PERMET D’ AUGMENTER LA PRESSION D'UNE VEINE LIQUIDE QUI LA TRAVERSE.

1. L'AMORCAGE Nous savons qu'une pompe centrifuge est une pompe qui agit par transmission d'énergie cinétique. La condition essentielle pour que son fonctionnement soit possible est de permettre la transmission de cette énergie. Il faut pour cela réaliser le contact entre l'eau (ou le liquide à pomper) et les pales de la roue à aubes.

AMORCER = ETABLIR CONTACT PALES-LIQUIDE Cette phase qui permet d'assurer le contact entre le liquide et la roue à aubes est la phase d'amorçage. AMORCER = ETABLIR CONTACT PALES-LIQUIDE Dans la pratique courante trois cas d'amorçage sont possibles en fonction du type d'alimentation de la pompe.

1. Alimentation de la pompe sur citerne en élévation.

2. Alimentation sur hydrant.

3. Alimentation sur une nappe d'eau, (Principe de l’épuisement d’eau)

2. LE VIDE - L'ASPIRATION L'aspiration est le procédé qui permet, en créant le vide dans les tuyaux des pompes dites "d'aspiration" de faire arriver l'eau d'une nappe à la pompe. Ce phénomène dépend d'un équilibre de pression et consiste à supprimer la pression atmosphérique dans les tuyaux d'aspiration.

Souvenons nous de l'expérience de Toricelli où après avoir renversé un tube de 1 m de haut rempli de mercure dans une cuve à mercure il y a stabilisation de la hauteur de mercure à 760 mm.

Complétons cette expérience de la manière suivante : Par un mouvement brusque, on sépare le tube de la cuve.

Théoriquement, si l'on a pu conserver à l'intérieur du tube les 760 mm de Hg, notre colonne est immobile, la pression atmosphérique compensant exactement les 760 mm de Hg. En réalité, on ne conserve que 750 mm de Hg, une partie de celui-ci restant dans la cuve.

Dans ces conditions la P Dans ces conditions la P.A sera supérieure au 750 mm de Hg et on aura la surprise de voir la colonne de Hg remonter dans le tube; Ceci s'explique par la présence du vide au niveau supérieur du tube.

Cette expérience est intéressante car on procède de la même façon pour faire arriver l'eau à la pompe. L'amorceur a pour but de créer le vide dans les tuyaux d'aspiration; ensuite, grâce à la pression atmosphérique, l'eau montera jusqu'à la pompe. Mais en aucun cas, il ne faut croire que l'amorceur "aspire" l'eau. Il crée le vide, sans plus.

3. LA HAUTEUR D'ASPIRATION Rappel de certains points : 3 éléments interviennent dans l'aspiration : a) La pression atmosphérique ; b) La qualité des tuyaux d'aspiration ; c) La qualité de l'amorceur. Nous verrons qu'à ces trois facteurs, s'ajoute celui de la température de l'eau.

La pression atmosphérique moyenne, au niveau de la mer, est de 760 mm de mercure, soit 1013 millibars, soit 10,33 mètres d'eau. La hauteur d'aspiration théorique d'une pompe serait donc de 10,33 m.

HAUTEUR GEOMETRIQUE D'ASPIRATION Distance existante entre le plan d'eau et l'ouïe de la pompe (axe de la turbine )

HAUTEUR THEORIQUE D'ASPIRATION Dans le cas tout à fait théorique où les facteurs intervenant dans le processus d'aspiration sont optimum, à savoir : Pression atmosphérique normale de 1013 mbars ; Un amorceur créant un vide parfait de 0 bar ; Une eau à une température de 4 C ; Une ligne d'aspiration et des vannes parfaitement étanches,

l'expérience de Toricelli a montré que la hauteur de la colonne d'eau obtenue est de 10,33 mètres. La hauteur théorique maximale d'aspiration est donc de 10,33 m.

HAUTEUR PRATIQUE D'ASPIRATION Dans la pratique l'expérience montre qu'un amorçage à une hauteur géométrique d'aspiration de 10,33 mètres n'est pas réalisable. Le décalage entre la valeur théorique et la réalité provient des phénomènes suivants :

un amorceur créant un vide parfait est un amorceur idéal qui n'existe pas dans la pratique. Le vide créé n'est donc pas de 0 bar mais légèrement supérieur ; le raisonnement théorique suppose la colonne d'eau immobile, or en réalité l'eau s'écoule dans un processus d'amorçage. Il faut pour la mettre en mouvement une certaine énergie et de plus une partie de cette énergie est perdue par frottement ;

L'eau pompée n'est généralement pas à 4C, elle est plus fréquemment aux alentours de 15 C, il se crée alors dans la ligne d'aspiration une évaporation partielle de l'eau qui donne naissance à une pression tendant à contrecarrer l'effet du vide créé. Cette pression est la tension de vapeur saturante ;

la pression atmosphérique n'est pas forcément de 1013 mbars, elle peut varier et surtout être inférieure à cette valeur. Les facteurs qui font varier la pression atmosphérique sont les conditions météorologiques et l'altitude ; la ligne d'aspiration, le corps de pompe et les différentes vannes peuvent présenter des défauts d'étanchéité qui créent des entrées d'air tendant à diminuer le vide généré par l'amorçeur.

Toutes ces conditions font qu'en pratique on ne pourra guère espérer amorcer une pompe centrifuge à des hauteurs géométriques d'aspiration supérieures à 7,50 mètres Le bon fonctionnement de la pompe ne se résume pas à un amorçage réussi. Pour les fortes hauteurs d'aspiration la pompe peut passer dans une phase anormale de fonctionnement, la cavitation, dès que le débit demandé augmente.

Il est quelquefois possible d'aller jusqu'au désamorçage de la pompe. Ces phénomènes peuvent aussi apparaître pour de faibles hauteurs d'aspiration, mais la probabilité est réduite car les débits concernés sont très importants. On retiendra que plus la hauteur d'aspiration est faible, meilleur sera l'amorçage , mais également le fonctionnement de la pompe.

FACTEURS PHYSIQUES INTERVENANT SUR LA HAUTEUR D'ASPIRATION a - L'altitude. On observe que la pression atmosphérique décroît au fur et à mesure que l'on s'élève. La hauteur d'eau nécessaire pour équilibrer cette pression diminuera également.

On compte généralement 0,125 m de diminution de hauteur de la colonne d'eau pour 100 m d'altitude, avec pour incidence immédiate la diminution de la hauteur d'aspiration théorique de 0,125 m. Contrairement à la tension de vapeur qui agit sur la pression à l'intérieur de la ligne d'aspiration, l'altitude a une influence sur la pression à l'extérieur de la ligne d'aspiration.

En effet pour des conditions climatiques identiques, la pression atmosphérique varie avec l'altitude ; Elle diminue quand on s'élève. Une diminution de la pression atmosphérique par rapport à sa valeur normale de 1 013 mbars entraîne une diminution de la hauteur de colonne d'eau.

Exemple : Hauteur géométrique maximale d'aspiration à 1 500 m d'altitude ? La pression atmosphérique au niveau de la mer étant de 1 013 mbars. H.G.A. max. 1 500 m = H.G.A. max. 0 m - H alti H.G.A. max. 1 500 m = 10,33 m - (1,25 x 1,5 m) H.G.A. max. 1 500 m = 8,43 m.

L'influence de l'altitude sur la hauteur géométrique maximale d'aspiration est plus significative que l'influence de la température dans les applications sapeurs-pompiers. Elle est cependant une constante liée au secteur d'intervention et à sa position géographique. L'effet de la température de l'eau et celui de l'altitude se cumulent et il faudra tenir compte des deux facteurs dans un calcul de hauteur d'aspiration.

b - La pression atmosphérique. Elle ne varie pas seulement en fonction de l'altitude, mais aussi des conditions climatiques; sa diminution entraîne de même une diminution de la hauteur d'aspiration. c)- La température. Les liquides ont la propriété d'émettre des vapeurs qui créent une "tension de vapeur" (pression) qui augmente avec la température.

Le point d'ébullition est caractérisé par une tension de vapeur égale à la pression atmosphérique : cas de l'eau à 100 C. Cette tension de vapeur est en réalité une pression qui s'oppose à l'action de la pression atmosphérique. La pression atmosphérique utilisable devient la différence entre la pression atmosphérique réelle et la tension de vapeur.

Exemple : A 50 C, la tension de vapeur représente une pression de 1,3 m d'eau. La hauteur d'aspiration est diminuée d'autant. Cette hauteur d'aspiration est-elle limitée ? Tant l'expérience pratique que l'analyse théorique nous montre les limites de la hauteur d'aspiration.

A la pression atmosphérique l'eau bout à 100 C, température d'ébullition. Qu'en est-il de la température d'ébullition de l'eau quand la pression diminue ? L'expérience montre que cette température d'ébullition baisse avec la pression. Dans le vide l'eau va donc avoir tendance à se vaporiser, cette vaporisation sera bien sûr plus importante quand la température augmentera.

Dans une atmosphère limitée, comme celle d'une ligne d'aspiration par exemple, ce dégagement de vapeur d'eau crée une pression qui tend à contrecarrer l'effet de la pression atmosphérique. Cette pression est la tension de vapeur, elle croît avec la température.( graphique, schéma suivant).

Courbe de Tension de vapeur de l'eau en fonction de la Température. A 20 la tension de Vapeur est de 0,25 mCE. A 50 la tension de Vapeur est de 1,30 mCE.

Ce phénomène est important en hydraulique car il influe sur la hauteur géométrique d'aspiration, c'est un handicap à l'amorçage. En reprenant l'expérience de Toricelli avec de l'eau à des températures différentes, Qu'observait-on ? (Voir schéma suivant).

Influence de la tension de vapeur sur la hauteur d'une colonne d'eau.

La hauteur géométrique maximale d'aspiration est de 10,08 m à 20 C en tenant compte de la tension de vapeur. A 50 C cette hauteur géométrique maximale d'aspiration n'est plus que de 9,03 m. En réalité la hauteur d'aspiration de 10,33 m ne peut être atteinte que quand l'eau n'émet pas de vapeur, c'est-à-dire à 5 C.

L'influence de la température de l'eau sur la hauteur d'aspiration reste quand même très limitée pour les mises en aspiration pratiquées par les sapeurs-pompiers. Les aspirations se font généralement sur des points d'eau aux températures variant de 0 C à 30 C, la variation de H.G.A. est donc au maximum de 0,45 mètre.

Résumé: Les influences limitant l ’aspiration sont: Les pertes de charge dans la ligne d ’aspiration et la crépine La hauteur géométrique d ’aspiration La pression atmosphérique et l ’altitude du lieu ou est pratiqué l ’aspiration La température de l ’eau. La vétusté de la machine.

FIN