Informations utiles sur les pompes volumétriques

Qu’est-ce qu’une pompe volumétrique ?

Une pompe volumétrique (PD) déplace un fluide en enfermant de manière répétée un volume fixe et en le déplaçant mécaniquement dans le système. L’action de pompage est cyclique et peut être entraînée par des pistons, des vis, des engrenages, des rouleaux, des diaphragmes ou des palettes.

Comment fonctionne une pompe volumétrique ?

Bien qu’il existe une grande variété de conceptions de pompes, la majorité peut être placée dans deux catégories : alternative et rotative.

Pompes volumétriques à mouvement alternatif

Une pompe volumétrique à mouvement alternatif fonctionne par le mouvement répété d’avant en arrière (courses) soit d’un piston, d’un plongeur ou d’un diaphragme (figure 1). Ces cycles sont appelés va-et-vient.

Dans une pompe à piston, la première course du piston crée un vide, ouvre une soupape d’entrée, ferme la soupape de sortie et aspire le fluide dans la chambre du piston (la phase d’aspiration). Lorsque le mouvement du piston s’inverse, la valve d’entrée, maintenant sous pression, se ferme et la valve de sortie s’ouvre permettant au fluide contenu dans la chambre du piston d’être évacué (phase de compression). La pompe à vélo en est un exemple simple. Les pompes à piston peuvent également être à double effet, avec des soupapes d’entrée et de sortie des deux côtés du piston. Alors que le piston est en aspiration d’un côté, il est en compression de l’autre. Des versions plus complexes et radiales sont souvent utilisées dans les applications industrielles.

Les pompes à piston fonctionnent de manière similaire. Le volume de fluide déplacé par une pompe à piston dépend du volume du cylindre ; dans une pompe à piston plongeur, il dépend de la taille du plongeur. Le joint autour du piston ou du plongeur est important pour maintenir l’action de pompage et éviter les fuites. En général, le joint d’une pompe à piston est plus facile à entretenir car il est stationnaire au sommet du cylindre de la pompe alors que le joint autour d’un piston se déplace de manière répétée de haut en bas à l’intérieur de la chambre de la pompe.

Une pompe à membrane utilise une membrane flexible au lieu d’un piston ou d’un plongeur pour déplacer le fluide. En dilatant la membrane, le volume de la chambre de pompage est augmenté et le fluide est aspiré dans la pompe. En comprimant la membrane, on diminue le volume et on expulse une partie du fluide. Les pompes à membrane ont l’avantage d’être des systèmes hermétiques, ce qui les rend idéales pour le pompage de fluides dangereux.

L’action cyclique des pompes à mouvement alternatif crée des impulsions dans la décharge, le fluide accélérant pendant la phase de compression et ralentissant pendant la phase d’aspiration. Cela peut provoquer des vibrations dommageables dans l’installation et souvent une certaine forme d’amortissement ou de lissage est employée. Les pulsations peuvent également être minimisées en utilisant deux (ou plus) pistons, plongeurs ou diaphragmes, l’un étant dans sa phase de compression tandis que l’autre est en aspiration.

L’action répétable et prévisible des pompes à mouvement alternatif les rend idéales pour les applications où un dosage ou une mesure précise est nécessaire. En modifiant le taux ou la longueur de la course, il est possible de fournir des quantités mesurées du fluide pompé.

Pompes volumétriques rotatives

Les pompes volumétriques rotatives utilisent les actions de pignons ou d’engrenages rotatifs pour transférer les fluides, plutôt que le mouvement de va-et-vient des pompes à mouvement alternatif. L’élément rotatif développe un joint liquide avec le corps de la pompe et crée une aspiration à l’entrée de la pompe. Le fluide, aspiré dans la pompe, est enfermé dans les dents de ses pignons ou engrenages rotatifs et transféré vers le refoulement. L’exemple le plus simple de pompe volumétrique rotative est la pompe à engrenages. Il existe deux conceptions de base de pompe à engrenages : externe et interne (figure 2).

Une pompe à engrenages externe se compose de deux engrenages imbriqués supportés par des arbres séparés (l’un ou les deux de ces arbres peuvent être entraînés). La rotation des engrenages emprisonne le fluide entre les dents en le déplaçant de l’entrée, à la décharge, autour du boîtier. Aucun fluide n’est transféré en retour par le centre, entre les engrenages, car ils sont verrouillés. Les tolérances étroites entre les engrenages et le boîtier permettent à la pompe de développer une aspiration à l’entrée et empêchent le fluide de refluer du côté du refoulement. Les fuites ou « glissements » sont plus probables avec les liquides à faible viscosité.

Une pompe à engrenages internes fonctionne sur le même principe, mais les deux engrenages emboîtés sont de tailles différentes, l’un tournant dans l’autre. Les cavités entre les deux engrenages sont remplies de fluide à l’entrée et transportées autour jusqu’à l’orifice de refoulement, où il est expulsé par l’action de l’engrenage le plus petit.

Les pompes à engrenages doivent être lubrifiées par le fluide pompé et sont idéales pour pomper les huiles et autres liquides à haute viscosité. Pour cette raison, une pompe à engrenages ne doit pas fonctionner à sec. Les tolérances étroites entre les engrenages et le boîtier signifient que ces types de pompes sont sensibles à l’usure lorsqu’ils sont utilisés avec des fluides abrasifs ou des alimentations contenant des solides entraînés.

Deux autres conceptions similaires à la pompe à engrenages sont la pompe à lobes et la pompe à palettes.

Dans le cas de la pompe à lobes, les éléments rotatifs sont des lobes au lieu d’engrenages. Le grand avantage de cette conception est que les lobes n’entrent pas en contact les uns avec les autres pendant l’action de pompage, ce qui réduit l’usure, la contamination et le cisaillement du fluide. Les pompes à palettes utilisent un ensemble de palettes mobiles (soit à ressort, soit sous pression hydraulique, soit flexibles) montées dans un rotor décentré. Les palettes maintiennent un joint étanche contre la paroi du boîtier et le fluide piégé est transporté vers l’orifice de refoulement.

Une autre classe de pompes rotatives utilise une ou plusieurs vis engrenées pour transférer le fluide le long de l’axe de la vis. Le principe de base de ces pompes est celui de la vis d’Archimède, une conception utilisée pour l’irrigation depuis des milliers d’années.

Quelles sont les principales caractéristiques et les avantages d’une pompe volumétrique ?

Il existe deux grandes familles de pompes : volumétrique et centrifuge. Les pompes centrifuges sont capables de débits plus élevés et peuvent travailler avec des liquides de plus faible viscosité. Dans certaines usines chimiques, 90% des pompes utilisées seront des pompes centrifuges. Cependant, il existe un certain nombre d’applications pour lesquelles les pompes volumétriques sont préférables. Par exemple, elles peuvent traiter des liquides de viscosité plus élevée et fonctionner plus efficacement à des pressions élevées et à des débits relativement faibles. Elles sont également plus précises lorsque le dosage est une considération importante.

Quelles sont les limites d’une pompe volumétrique ?

En général, les pompes volumétriques sont plus complexes et difficiles à entretenir que les pompes centrifuges. Elles ne sont pas non plus capables de générer les débits élevés caractéristiques des pompes centrifuges.

Les pompes volumétriques positives sont moins aptes à traiter les fluides à faible viscosité que les pompes centrifuges. Pour générer une aspiration et réduire les glissements et les fuites, une pompe rotative s’appuie sur le joint entre ses éléments rotatifs et le boîtier de la pompe. Cette étanchéité est considérablement réduite avec les fluides à faible viscosité. De même, il est plus difficile d’empêcher le glissement des soupapes d’une pompe alternative avec une alimentation à faible viscosité en raison des pressions élevées générées pendant l’action de pompage.

Un refoulement pulsé est également une caractéristique des conceptions de pompes volumétriques, et en particulier des pompes alternatives. La pulsation peut causer du bruit et des vibrations dans les systèmes de tuyauterie et des problèmes de cavitation qui peuvent finalement conduire à des dommages ou à une défaillance. Les pulsations peuvent être réduites par l’utilisation de plusieurs cylindres de pompe et d’amortisseurs de pulsations, mais cela nécessite une conception soignée du système. Les pompes centrifuges, en revanche, produisent un débit constant et régulier.

Le mouvement de va-et-vient d’une pompe alternative peut également être une source de vibrations et de bruit. Il est donc important de construire des fondations très solides pour ce type de pompe. En raison des pressions élevées générées pendant le cycle de pompage, il est également vital que la pompe ou la ligne de refoulement dispose d’une forme de décharge de pression en cas de blocage. Les pompes centrifuges n’ont pas besoin de protection contre la surpression : le fluide est simplement remis en circulation dans cette éventualité.

Les flux contenant un niveau élevé de solides abrasifs peuvent provoquer une usure excessive des composants de tous les types de pompes et notamment des vannes et des joints. Bien que les composants des pompes volumétriques fonctionnent à des vitesses nettement inférieures à celles des pompes centrifuges, ils restent sujets à ces problèmes. C’est notamment le cas des pompes alternatives à piston et à plongeur et des pompes rotatives à engrenages. Avec ce type d’alimentation, une pompe à lobes, à vis ou à diaphragme peut convenir pour des applications plus exigeantes.

Le tableau suivant résume les capacités des pompes centrifuges et volumétriques.

Comparaison des pompes : Centrifuge vs déplacement positif

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Propriété	Centrifuge	Déplacement positif
Plage de viscosité effective	L’efficacité diminue avec l’augmentation de la viscosité (max. 200 Cp)	L’efficacité augmente avec l’augmentation de la viscosité
Tolérance à la pression	Le débit varie en fonction de la pression	Le débit est insensible à la pression
	L’efficacité diminue à la fois à des pressions plus élevées et plus basses	L’efficacité augmente avec l’augmentation de la pression
Primage	Requise	Non requise
Débit (à pression constante)	Constant	Pulsation
Cisaillement (séparation d’émulsions, boues, fluides biologiques, produits alimentaires)	Le moteur à haute vitesse endommage les milieux sensibles au cisaillement	Faible vitesse interne. Idéal pour pomper des fluides sensibles au cisaillement

Quelles sont les principales applications des pompes volumétriques ?

Les pompes volumétriques sont couramment utilisées pour pomper des fluides à haute viscosité tels que l’huile, les peintures, les résines ou les denrées alimentaires. Elles sont privilégiées dans toutes les applications où un dosage précis ou un débit à haute pression sont nécessaires. Contrairement aux pompes centrifuges, le débit d’une pompe volumétrique n’est pas affecté par la pression. Elles sont donc privilégiées dans toutes les situations où l’alimentation est irrégulière. La plupart sont auto-amorçantes.

Type de pompe PD	Application	Caractéristiques
Pompe à piston	Eau – lavage à haute pression ; autres liquides à faible viscosité ; production d’huile ; pulvérisation de peinture	Action réciproque avec piston(s) scellé(s) par des joints toriques
Pompe à piston		Action réciproque avec piston(s) scellé(s) par une garniture
Pompe à membrane	Utilisée pour le dosage ou la distribution ; pulvérisation/nettoyage, traitement de l’eau ; peintures, huiles ; liquides corrosifs	Sans soudure, auto-amorçage, faibles débits et capables de hautes pressions
Pompe à engrenages	Pompage de fluides à haute viscosité dans les industries pétrochimiques, chimiques et alimentaires : pétrole, peintures, produits alimentaires	Les engrenages maillés fournissent une action de pompage rotative
Pompe à lobes	Industries chimiques et alimentaires ; applications sanitaires, pharmaceutiques et biotechnologiques	Faible cisaillement et usure. Facile à nettoyer ou à stériliser
Pompe à vis	Production d’huile, transfert et injection de carburant ; irrigation	Le fluide se déplace axialement en réduisant les turbulences ; capable de débits élevés
Pompe à palettes	Fluides de faible viscosité ; systèmes de transmission automobile ; chargement et transmission de carburant ; distributeurs de boissons	Résistant aux solides entraînés et résistant à l’usure des palettes. La conception permet un débit variable

Résumé

Une pompe volumétrique déplace un fluide en enfermant de façon répétée un volume fixe, à l’aide de joints ou de soupapes, et en le déplaçant mécaniquement dans le système. L’action de pompage est cyclique et peut être entraînée par des pistons, des vis, des engrenages, des lobes, des diaphragmes ou des palettes. Il existe deux types principaux : alternatif et rotatif.

Les pompes volumétriques sont préférées pour les applications impliquant des fluides très visqueux tels que les huiles épaisses et les boues, en particulier à des pressions élevées, pour des alimentations complexes telles que les émulsions, les aliments ou les fluides biologiques, et aussi lorsqu’un dosage précis est nécessaire.

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