Comment détecter et éviter la cavitation dans une pompe à liquides ?
Pratiquement tous les systèmes à liquides peuvent être affectés par la cavitation. Il est donc important d’en connaître les causes et la formation, et de savoir comment l’éviter.
La cavitation de pompe se produit à l’intérieur d’une pompe ou d'un système quand des zones de faible pression apparaissent dans le liquide, entraînant la formation et l’implosion de bulles de vapeur. Cela engendre de l’érosion, des vibrations et du bruit, ce qui peut sérieusement endommager la pompe et d’autres pièces du système fluidique ; et altérer le liquide pompé. Cela touche les pompes volumétriques, y compris à membrane, à piston et à engrenages. Il est possible d'empêcher la cavitation de se produire en utilisant une solution de pompe optimisée avec des amortisseurs de pulsations et en prenant les mesures appropriées pour optimiser le système fluidique dans son ensemble.
En quoi consiste la cavitation et d’où vient-elle ?
Dans les systèmes à fluides, les gradients de pression varient de manière dynamique en fonction de la vitesse et de la configuration de l’écoulement, c’est-à-dire selon que celui-ci est continu et fluide ou discontinu et avec des changements rapides. Les brusques changements de direction de l'écoulement (dus à des coudes abrupts ou au va-et-vient de pièces) ou la géométrie du circuit d'écoulement (changements soudains de section transversale ou pièces qui coulissent) entraînent de plus fortes chutes de pression. De plus, le gradient de pression hydrostatique dans le système, dû par exemple à un réservoir d’alimentation positionné à une certaine distance sous l’entrée de la pompe, a aussi une influence sur la pression dans le système. Les pertes de pression engendrées se cumulent, entraînant une chute de pression significative.
Si, quelque part dans le système, la pression tombe en dessous de la pression de vapeur du liquide, ce dernier se vaporise, entraînant la formation de bulles de cavitation. Ces bulles se forment généralement dans les zones de la pompe où la pression est la plus faible, en particulier là où l'écoulement est fortement accéléré ou dévié. Les bulles de cavitation sont ensuite transportées via l’écoulement du fluide, passant ainsi de zones de faible pression à des zones où la pression est plus élevée. Dès que la pression locale repasse au-delà de la pression de vapeur, les bulles de cavitation implosent violemment. Ces implosions libèrent une énergie très concentrée et produisent ce qu'on appelle des microjets, qui peuvent générer des pics de pression et de température extrêmes. Cela peut entraîner des dommages considérables au carter de la pompe et au matériau utilisé, et même altérer le fluide pompé lui-même.
Quels sont les éléments qui jouent sur la cavitation ?
La cavitation est un phénomène qui se limite habituellement à la pompe. Toutefois, le système fluidique du côté aspiration (entrée) de la pompe peut avoir une influence majeure sur l’apparition de la cavitation et sur les dommages causés à la pompe et au fluide. Généralement, ce sont les pertes de pression dans la conduite d’aspiration qui ont la plus grande influence sur le phénomène de cavitation. Les conduites d’aspiration très étroites et longues peuvent entraîner des pertes de pression qui sont souvent sous-estimées. Il en va de même avec les coudes abrupts, les vannes ou les filtres. La pompe doit compenser ces pertes de pression en augmentant la hauteur d’aspiration, ce qui favorise fortement l’apparition de la cavitation. Si le réservoir d’alimentation du fluide est situé sensiblement plus bas que la pompe, cela engendre une chute de pression à l’entrée de la pompe et augmente considérablement le risque de cavitation.
La pression de vapeur propre au fluide pompé a également une influence sur le phénomène de cavitation. Une pression de vapeur élevée, comme celle de l’éthanol par exemple, accroît la cavitation par rapport à des fluides ayant une pression de vapeur plus basse, comme l’eau. En outre, la pression de vapeur dépend fortement de la température du fluide. Plus elle est élevée, plus la pression de vapeur est élevée, ce qui favorise la cavitation. Une viscosité élevée augmente également les pertes de pression dans les conduites d’aspiration, ce qui accroît le risque de cavitation.
Comment détecter la cavitation de pompe
La cavitation peut parfois être détectée visuellement par la formation de bulles dans le liquide. Les bulles de cavitation (bulles de vapeur du liquide) se forment et implosent généralement dans la pompe, ce qui signifie qu’on ne peut pas les voir, même à travers des conduites transparentes. Toutefois, en particulier dans les liquides contenant des tensioactifs, l’agitation causée par la cavitation peut générer de la mousse, car les gaz dissous dans le liquide s'échappent en formant des bulles. Sur le plan acoustique, la cavitation se reconnaît par le bruit de craquement caractéristique que produit l’implosion des bulles de vapeur. Cela peut être un indicateur plus clair, en particulier lorsque la cavitation est très prononcée et qu’elle n’est pas masquée par d’autres bruits.
La cavitation de pompe affecte les performances et la précision de la pompe
La cavitation a des effets négatifs sur l’ensemble du système, la pompe et le fluide. Elle réduit les performances de la pompe, car plus il y a de vapeur dans le liquide, moins la pompe peut déplacer de liquide. Les pompes KNF de la série FP, par exemple, ont une courbe de performance linéaire. Cela signifie qu’en doublant la vitesse de rotation, on double aussi le débit. Avec d’autres pompes, en présence de cavitation, la courbe caractéristique linéaire s’aplatit nettement jusqu’à ce qu’une augmentation de la vitesse de rotation n’entraîne plus de changement du débit volumétrique. La présence de cavitation de pompe est particulièrement problématique dans les applications de dosage et de mesure, car elle réduit significativement la précision.
Quelles sont les traces laissées par les dommages par cavitation ?
La cavitation peut causer de gros dommages aux structures solides comme au fluide lui-même. Lorsque les bulles de vapeur implosent près de surfaces rigides, comme les parois des canaux de fluide ou les composants de la pompe, les microjets puissants générés peuvent éroder le matériau et laisser des traces d'érosion semblables à des cratères. Ce sont ces petites cavités qui donnent leur nom au phénomène et qui peuvent entraîner des dommages structurels, comme des fissures. Elles se forment très fréquemment dans des zones sensibles des pompes à membrane, comme au niveau des clapets, des sièges de clapets et des membranes elles-mêmes. Comme décrit ci-dessous, beaucoup d’autres technologies de pompe subissent aussi des dommages par cavitation.
Les liquides sensibles, tels que les suspensions de cultures cellulaires ou les encres pour jet d’encre, peuvent aussi être détériorés par ces implosions. Dans le cas des encres UV, cela peut même altérer leur composition chimique, ce qui nuit à leur qualité et à leur fonctionnalité. On appelle ce phénomène la polymérisation sans lumière.
Cavitation et dégazage, quelle est la différence ?
Outre la cavitation, un phénomène appelé dégazage peut aussi se produire. Lorsqu’un liquide entre en contact avec des gaz, tel que l’air de l’atmosphère, ces gaz se dissolvent dans le liquide. À température ambiante (env. 20 °C) et à pression atmosphérique normale, un litre d’eau contient environ 15 à 20 ml d’air dissous, conformément à la loi de Henry. Dès que ce liquide est soumis à une pression négative, des bulles d’air se forment spontanément et très rapidement. Contrairement aux bulles de cavitation, ces bulles d’air ne se redissolvent pas dans le liquide quand elles arrivent dans une zone à pression plus élevée. Ces bulles d’air qui se détachent peuvent fortement réduire la précision d’une pompe utilisée à des fins de dosage ou de mesure. Elles peuvent aussi poser de sérieux problèmes dans certaines applications, comme dans l’impression à jet d’encre et les systèmes d’analyse.
La cavitation dans les pompes centrifuges
Dans les pompes centrifuges, le plus grand risque de cavitation de pompe se situe typiquement au niveau du bord d’attaque des pales de la roue, car c’est là que le fluide est accéléré rapidement et qu’il doit circuler autour du bord d’attaque. Les bulles de cavitation peuvent gravement endommager les pales de la roue, près du bord d’attaque, ce qui peut entraîner la défaillance de la pompe. Une forte cavitation peut aussi réduire significativement l’efficacité et les performances de la pompe.
La cavitation dans les pompes à engrenages
Les pompes à engrenages déplacent le fluide via les espaces entre les dents des roues, de l’entrée de la pompe vers sa sortie. Lors du mouvement de retour, les dents des deux roues s’engrènent entre elles, ce qui empêche le fluide de refouler. Lorsque l’espace entre les deux roues s’ouvre, il se remplit rapidement de fluide. Cela crée un vide dans lequel la pression est généralement inférieure à la pression de vapeur du fluide, ce qui peut engendrer de graves problèmes de cavitation, un dégazage ou une altération du fluide.
La cavitation dans les pompes à membrane et à piston
Dans les pompes oscillantes, telles que les pompes à membrane et à piston, les courses d’aspiration et de refoulement se suivent de manière cyclique.
Ce fonctionnement cyclique entraîne le fluide dans un mouvement discontinu, tant dans la conduite d’aspiration que dans celle de refoulement. En raison de l’inertie du fluide, il en résulte des pulsations de pression dans la pompe et les conduites qui y sont raccordées. Lors de la course d’aspiration, le fluide est aspiré de la ligne d’aspiration vers la pompe. Cela crée un vide suffisant pour dépasser toute résistance dans la ligne d‘aspiration et pour accélérer le fluide à la vitesse d’entrée. Si les courses d’aspiration sont rapides, la pression peut descendre sous la pression de vapeur du fluide et entraîner une cavitation. Dans les grandes pompes, ces effets dynamiques peuvent être atténués par des amortisseurs de pulsations ou « chambres d’air ».
Comment éviter efficacement pulsations et cavitation
Il existe différentes manières d’éviter la cavitation et les pulsations dans une pompe. Cela peut se faire via la pompe elle-même ou via l’ensemble du système. Pour l’optimisation côté pompe, KNF a développé la technologie Smooth Flow, dont bénéficient par exemple les pompes de la série FP. Dans les grandes pompes à membrane pour liquides, plusieurs membranes fonctionnent l’une après l’autre pour produire un débit régulier et stable. Dans les petites pompes FP, des éléments d’amortissement optimisés sont intégrés, à la fois côté aspiration et côté refoulement. De plus, les circuits d'écoulement dans ces pompes ont été optimisés afin de limiter toute chute de pression. Résultat : ces pompes déplacent les fluides de manière uniforme et continue, avec de faibles pulsations et pratiquement aucune cavitation, ce qui assure un fonctionnement durable et sans entretien.
Afin d'éviter les pulsations et la cavitation dans les pompes à membrane sans technologie Smooth Flow, des amortisseurs de pulsations séparés peuvent être installés directement en amont et en aval des pompes. Par ailleurs, l’utilisation d’une pompe plus grande à une vitesse inférieure et celle d’un excentrique peuvent aider à éviter la cavitation.
Mesures systémiques pour éviter toute cavitation de pompe
Afin d'éviter toute cavitation, il est particulièrement important de veiller à ce que la perte de pression dans la conduite d’aspiration reste faible. Cela peut se faire en prenant les mesures suivantes :
- Utiliser une conduite d’aspiration avec un grand diamètre interne.
- Placer la pompe aussi près que possible du réservoir d’alimentation du côté entrée et, si possible, en dessous. La pression positive en entrée réduit le risque de cavitation. C’est pourquoi, dans le génie industriel, les réservoirs sont souvent placés un étage au-dessus des pompes. Dans les systèmes dans lesquels le réservoir d’alimentation doit être placé sous la pompe, l’aspiration doit être minimisée.
- Choisir des raccords et des vannes de grandes dimensions côté aspiration qui répondent aux exigences de l’application afin de limiter les chutes de pression.
- En outre, la conduite d’aspiration doit comporter le moins possible de coudes, de vannes et de raccords, et doit avoir un diamètre interne suffisamment grand.
Des exigences initiales à la configuration optimale de la pompe
Lors de la conception de systèmes de pompes, les experts de KNF s’assurent que la solution est précisément adaptée aux exigences spécifiques de l’application. Tous les paramètres pertinents, tels que le débit, les conditions de pression, les caractéristiques du fluide et la géométrie du système, sont attentivement analysés avec le client. La conception modulaire des pompes à membrane permet une adaptation flexible en vue de limiter les pulsations et la cavitation. Grâce à un environnement de simulation puissant et facile d’utilisation, il est possible de modéliser les conduites de fluide pendant la phase de conseil. Cela permet de déceler à un stade précoce des conditions de fonctionnement critiques, telles que le risque de cavitation de pompe, d’identifier des configurations de pompe adéquates et d’optimiser efficacement l’ensemble du système.
