Pompe

Techniques d'élévation de l'eau

Beaucoup de systèmes ne sont pas à proprement parler des pompes mais des machines élévatoires, ou élévatrices, parmi lesquelles on trouve tous les procédés utilisant des récipients remplis d'eau, quels que soient leur niveau de mécanisation ou d'entraînement; les arrosoirs, seaux, paniers ou rigoles basculantes, godets, éventuellement entraînés par des systèmes de cordes et poulies, de chaines ou de roues à aubes sont des dispositifs d'élévation de l'eau par transport^,,.

Classification

On peut classer les pompes de plusieurs façons qui évoluent au cours de l'histoire: selon la technologie employée pour le pompage, le fluide pompé, l'énergie motrice, le mouvement rotatif ou rectiligne du système, ou bien selon l'usage qui en est fait. Considérant les pompes en tant que mécanisme, elles se divisent en deux grandes classes:

• les pompes rotodynamiques regroupant les pompes centrifuges, hélicocentrifuges, et les hélices;
• Les pompes volumétriques, comprenant les pompes volumétriques alternatives (piston et membrane) et les pompes volumétriques rotatives (palettes, lobes, vis, engrenages...).

Autres classements

Les mouvements d'entraînement transmis aux organes des pompes sont comme tous les mouvements mécaniques de deux grands types : rotatif ou rectiligne (alternatif).

On parle de familles de pompes par usages, comme les pompes de transfert, les pompes d'irrigation, les circulateurs de chauffage, les pompes doseuses, etc. Ces familles par usage comprennent parfois des technologies de pompes différentes (rotodynamique, volumétrique alternative ou volumétrique rotative).

Les pompes peuvent être classées selon leur mode d'entraînement : manuelles, électriques...

Puits à balancier

Le puits à balancier, puits cigogne, seau à bascule, ou encore chadouf, est une machine élévatoire qui utilise le principe du levier pour puiser et élever l'eau d'un puits, d'un point d'eau ou d'un cours d'eau. Un levier, pivotant sur un support, est lesté à une extrémité; l'autre extrémité suspend un récipient au bout d'une perche en bois, d'une corde ou d'une chaîne. Le système, actionné manuellement, diminue considérablement l'effort nécessaire au puisage, et est adapté pour des hauteurs d'élévation d'environ 2 à 3 mètres. Le puits à balancier est le premier mécanisme connu d'élévation de l'eau, représenté notamment sur un sceau-cylindre de l'empire d'Akkad, en Mésopotamie, vers 2200 av. J.-C..

Roue élévatoire

Le terme Noria désigne tous les mécanismes destinés à élever l'eau à l'aide d'une roue, parmi lesquels on retrouve les puits à roue, les manèges ou roues persanes, ou encore les pompes à chapelet^,,,.

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 à piston

La pompe à piston est composée de plusieurs parties telles que la crépine, la soupape d’aspiration, le piston, la tringle, le tuyau de refoulement ou la superstructure.

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. Une réalisation remarquable de pompe à piston entraînée par des roues à augets est la machine de Marly.

Les performances sont élevées :

• pression de plusieurs milliers de bar, notamment pour le découpage jet d'eau ;
• débit jusqu'à 500 L/min ;
• rendement > 0,951.^{[réf. nécessaire]}

Il existe différents montages mécaniques, dont :

Pompe à pistons radiaux

Dans la pompe à pistons radiaux, les pistons se déplacent vers l’extérieur et vers l’intérieur en formant un angle de 90 degrés par rapport à l’axe de l’arbre. Lorsque le poussoir roule vers le bas de la came (logement ovale), le piston se déplace vers l’extérieur. La pression atmosphérique ou une pompe de charge pousse l’huile à travers l’orifice d’entrée de valve et remplit l’espace laissé par le mouvement du piston. Lorsque le poussoir roule vers le haut de la came (logement ovale), le piston se déplace vers l’intérieur. L’huile est poussée hors du cylindre et à travers l’orifice de sortie (refoulement).

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.

Bélier hydraulique

Le bélier hydraulique est un dispositif mécanique et hydraulique qui permet de pomper de l'eau jusqu'à une hauteur plus élevée que la source, sans autre apport d'énergie que celui de la masse d'eau qui fait naître le phénomène. Le système inventé en 1772 par l'anglais Whitehurst et automatisé en 1796 par les frères Montgolfier utilise le phénomène du coup de bélier, provoqué par la fermeture rapide d'un clapet, pour transformer l'énergie cinétique de l'eau en onde de pression. Cette pompe assez rustique a le désavantage principal de laisser passer en contrebas une grande quantité d'eau dont seule une petite partie remonte vers le point d'utilisation.

Pompe péristaltique

Une pompe péristaltique (appelée aussi parfois pompe à galets) utilise un tube flexible dans lequel le liquide ou le gaz est entraîné par un système de cames ou de galets pressant le tube à l'intérieur de la pompe.

Pompe à engrenages

Pompe par Airlift

Ce type de pompe est parfois appelé également « pompe par injection d'air », « pompe à émulsion » ou encore « émulseur ». C'est un système de pompage simple d'un liquide par injection d'air comprimé dans une canalisation.

Pompe à membrane

La pompe à membrane, ou pompe à diaphragme, fonctionne avec une membrane qui oscille, faisant varier le volume d'une cavité, généralement cylindrique, équipée de clapets à l'admission et au refoulement. L'oscillation de la membrane peut être créée par un excentrique mû par un moteur, un piston, un moteur linéaire, une vibration électromagnétique, ou de l'air comprimé. Elles sont utilisées pour le transfert, le dosage ou le mélange de fluides. Elles permettent le pompage de l'air, de l’eau, du sang, de gels, de boues, de pâtes, de colles, de suspensions ou d'émulsions. Elles sont adaptées au transfert des produits visqueux, abrasifs ou corrosifs et acceptent également des liquides contenant des particules.

Pompe à vis excentrée

La pompe à vis excentrée, aussi nommée pompe à cavité progressive se fonde sur le principe d’un rotor hélicoïdal tournant dans un stator en élastomère qui épouse la forme de la vis. Ces pompes sont utilisées pour le transfert de fluides pâteux ou visqueux, y compris en présence de corps solides, voire de boues ou d'abrasifs. Elles sont particulièrement indiqués pour le transfert de produits hétérogènes, fragiles, émulsionnants ou multibasiques. Le français René Moineau est l'inventeur de la pompe à cavité progressive au début des années 1930.

Pompe à anneau liquide

Une pompe à anneau liquide est une pompe rotative constituée principalement d'un corps de pompe fixe et d'une roue à aubes entraînée en rotation. Un apport de liquide est nécessaire au fonctionnement, il est centrifugé contre les parois du corps de pompe. La roue à aubes est placée de façon excentrique par rapport au corps de la pompe, ce qui permet de comprimer le gaz pompé avant de l'évacuer. Cette pompe est utilisée comme pompe à vide ou comme compresseur de gaz, elle ne pompe pas de liquide.

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.

Pompe rotative axiale

Le principe est proche de celui de l'hélice de bateau. Le fluide rentre par le milieu sur l'axe de rotation et le mouvement des aubes de l'hélice plaque le liquide contre la paroi grâce à la force centrifuge, ce qui l'engouffre dans le tuyau perpendiculaire à l'axe et crée une succion qui attire plus de liquide et améliore l'efficacité de la pompe. Cette pompe tourne rapidement à plein régime mais est relativement limitée en termes de pression.

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 (captage de l'eau potable), de l'industrie nucléaire (système de refroidissement du circuit primaire des centrales nucléaires) ou accélérateurs gravitaires.

Pompe à bras

La pompe à piston est la conséquence des recherches menées par Ctésibios au III^e siècle av. J.-C. à Alexandrie. Les efforts qu'il entreprend dans la réalisation de son orgue hydraulique le mènent à inventer le piston au cœur de nombreuses machines hydrauliques et notamment les pompes.

Ce qui n'était souvent qu'un objet de curiosité pour les grecs sera mis en pratique par les romains, notamment dans les mines pour réaliser l'exhaure. Ces systèmes de pompe sont décrits par Philon, Vitruve (machina Ctesibica) et Héron d'Alexandrie.

De l'époque romaine, deux pompes nous sont parvenues dans un état de conservation important. L'une à la mine de Sotiel Coronada à Calañas en Espagne, l'autre à Bolsena en Italie.

Une pompe foulante romaine est visible au musée gallo-romain de Lyon. Installée au fond d'un puits à cinq mètres de profondeur, elle permettait de pomper soixante litres par minute. Une autre est visible au musée Vésunna de Périgueux.

Le principe de ces pompes établi par les Grecs se retrouve dans les pompes à bras urbaines mises en place par la fontainerie, notamment au XVIII^e siècle et XIX^e siècle ainsi que dans les engins de lutte contre l'incendie, apparus début XVII^e siècle, les pompes à bras de pompier.

• 
  Pompe hydraulique romaine. I^er siècle à II^e siècle. Fonte. Mine de Sotiel Coronada, Calañas, Espagne.
• 
  Piston de pompe hydraulique romaine. I^er siècle à II^e siècle. Fonte. Mine de Sotiel Coronada, Calañas, Espagne.
• 
  Pompe à bras de pompier, le principe est celui des pompes antiques romaines.
• 
  Pompe à bras en fontainerie. Principe de la pompe aspirante. Le piston est équipé d'un clapet contrairement aux pompes refoulantes.
• 
  Pompe à bras de la ville de Renens datant de 1871.

Fin XVIII^e siècle, en termes de fontainerie, une pompe désigne une machine composée de tuyaux cylindriques de bois, de plomb ou de potin, d'un piston et de soupape, dont on se sert pour puiser l'eau et l'élever. Pomper équivaut à mouvoir le piston d'une pompe pour faire monter l'eau. Il existe différentes espèces de pompe, à savoir : la pompe aspirante, la pompe foulante, la pompe aspirante et foulante, la pompe à cylindre et la pompe noyée. Toutes ces pompes se meuvent, soit à bras par une bascule, soit par eau, soit par un manège ; le mécanisme en diffère selon leur position :

• pompe aspirante ou ordinaire : agit par le moyen de la pression de l'air. Elle aspire jusqu'à 32 pieds (soit 10,33 mètres, comme l'a montré Evangelista Torricelli en 1644) de hauteur du niveau de l'eau. Dans le corps du tuyau cylindrique est renfermé un piston percé, garni d'une soupape ou clapet ;
• pompe refoulante : élève l'eau de même que la précédente. Son piston, au lieu d'avoir un clapet, est massif et agit dans le tuyau d'aspiration ; sous ce piston est un clapet et un coude pour que l'eau puisse s'échapper, lorsqu'elle est comprimée par le piston ;
• pompe aspirante et foulante : fait le service des deux précédentes. On en fait usage pour élever l'eau où on peut désirer dans les divers étages d'une maison ;
• pompe à cylindre : semblable à la pompe refoulante, excepté que le corps de pompe est fermé par une boîte nommée suffinboc, dans laquelle passe une tringle en cuivre que l'on nomme « cylindre », à laquelle est fixé le piston ;
• pompe noyée ou élévatoire : la plus simple de toutes comme la moins sujette à entretien, monte l'eau à une grande hauteur ; elle se place au fond du puits ; le piston qui est plein agit au bas du corps ; l'eau entrant par des ouvertures faites dans la pompe au-dessus du piston est foulée et élevée par lui, puis retenue par un clapet qui est placé au-dessus de ce piston.

• 
  Pompe à eau de village, 's-Gravenzande, Hollande, XVIII^e siècle.
• 
  Pompe à eau à Auteuil. Une roue remplace quelquefois le balancier.
• 
  Pompe à eau à Augsbourg.
• 
  Pompe à eau rurale à Dourbes.

Pompe à feu

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

L'apparition de la machine à vapeur (Denis Papin) permet 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. À partir de 1712 Thomas Newcomen met au point une machine à vapeur activant une pompe utilisable pour l’exhaure des mines. Celle-ci est par la suite améliorée par James Watt en 1784. 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.

• 
  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, Mount Crosby waterworks, Australie, 1892.

Pompe à énergie éolienne

Une éolienne ou un moulin à vent peut être couplée à une pompe, formant ainsi un ensemble qui serait nommé « pompe à vent »^{[réf. nécessaire]}. De nombreux moulins de polder sont utilisés à partir du XV^e siècle comme moteurs de pompes, notamment aux Pays-Bas pour extraire l'eau des polders au moyen de vis d'Archimède ou de roue à godets. Des éoliennes entrainant des pompes sont également utilisées dans le monde entier.

Pompes électriques

C'est à partir du début du XX^e siècle qu'une évolution importante dans la technique des pompes fait son apparition, cette fois grâce à l'énergie électrique.

Celle-ci permit le développement des pompes volumétrique rotatives et des 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.

Pompe oléohydraulique

Pompe doseuse

Circulateur

Le circulateur désigne une pompe installée spécialement sur le circuit d'une installation de chauffage.

Formules

Cylindrée théorique

Pour les pompes volumétriques, c'est le volume de fluide déplacé par unité de mouvement (un aller-retour pour les pompes rectilignes, un tour pour les pompes rotatives).

La cylindrée se note ${\displaystyle C_{\text{th}}}$ et s'exprime en m³/mouvement.

Fréquence

C'est le nombre de mouvements du moteur entraînant la pompe par unité de temps.

La fréquence se note ${\displaystyle f}$ et s'exprime en mouvements par seconde.

Débit volumique théorique

C'est le volume de fluide déplacé théorique par unité de temps.

Le débit volumique théorique se note ${\displaystyle D_{\text{v,th}}}$ et s'exprime en m³/s.

${\displaystyle D_{\text{v,th}}=C_{\text{th}}f.}$

Différence de pression théorique

C'est la différence entre la pression du fluide théorique en sortie et la pression du fluide en entrée.

La différence de pression théorique se note ${\displaystyle \Delta p_{\text{th}}}$ et s'exprime en pascals (Pa).

${\displaystyle \Delta p_{\text{th}}=p_{\text{s,th}}-p_{\text{e}}.}$

Couple théorique

C'est le couple fourni par le moteur en entrée pour produire la différence de pression théorique.

Le couple théorique se note ${\displaystyle \Gamma _{\text{th}}}$ et s'exprime en newtons mètres (N m).

${\displaystyle \Gamma _{\text{th}}=C_{\text{th}}\Delta p_{\text{th}}.}$

Puissance mécanique (ou théorique)

C'est la puissance fournie par le moteur en entrée pour produire la différence de pression théorique.

La puissance mécanique se note ${\displaystyle P_{\text{m}}}$ et s'exprime en watts (W).

${\displaystyle P_{\text{m}}=\Gamma _{\text{th}}f=D_{\text{v,th}}\Delta p_{\text{th}}.}$

Puissance hydraulique (ou réelle)

C'est la puissance fournie par le fluide en sortie (ou la puissance fournie par le moteur en entrée pour produire la différence de pression réelle).

La puissance hydraulique se note ${\displaystyle P_{\text{h}}}$ et s'exprime en watts (W).

${\displaystyle P_{\text{h}}=D_{\text{v,r}}\Delta p_{\text{r}}.}$

Rendement volumétrique

C'est le rapport entre le débit réel et le débit théorique.

Le rendement volumétrique se note ${\displaystyle \eta _{\text{v}}}$ et s'exprime sans unité.

Il est toujours inférieur à 1 en raison des fuites et de la compressibilité du fluide.

${\displaystyle \eta _{\text{v}}={\frac {D_{\text{v,r}}}{D_{\text{v,th}}}}<1.}$

Rendement hydromécanique

C'est le rapport entre la différence de pression réelle et la différence de pression théorique.

Le rendement mécanique se note ${\displaystyle \eta _{\text{hm}}}$ et s'exprime sans unité.

Il est toujours inférieur à 1 en raison des frottements fluides entre le fluide et les parois et des frottements mécaniques entre les différentes pièces.

${\displaystyle \eta _{\text{hm}}={\frac {\Delta p_{\text{r}}}{\Delta p_{\text{th}}}}<1.}$

Rendement énergétique (ou global)

C'est le rapport entre la puissance hydraulique et la puissance mécanique.

Le rendement global se note ${\displaystyle \eta }$ et s'exprime sans unité.

Il est toujours inférieur à 1 en raison des fuites et de la compressibilité du fluide ainsi que des frottements fluides entre le fluide et les parois et des frottements mécaniques entre les différentes pièces.

${\displaystyle \eta ={\frac {P_{\text{h}}}{P_{\text{m}}}}=\eta _{\text{v}}\eta _{\text{hm}}<1.}$

Articles connexes

Une catégorie est consacrée à ce sujet : Pompe.

Liens externes

• Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes :

  • Britannica
  • Den Store Danske Encyklopædi
  • Store norske leksikon
• Notices d'autorité :

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