Transférer des liquides avec de faibles pulsations

Un trafic en « stop and go » ou pourquoi les pulsations apparaissent

Les pompes à liquide à membrane font partie des pompes volumétriques. Le débit est généré par un changement de volume périodique dans la chambre à membrane. En raison de la résistance hydraulique entre la chambre de la membrane et le reste du système, l’impulsion générée par ce volume se transforme en une impulsion de pression. Ces résistances hydrauliques se trouvent à l’intérieur de la pompe, par exemple sur les clapets, ainsi que dans les composants du système final (tuyaux, filtres, étranglements, dérivations, etc.). On peut comparer cette situation à la circulation sur un parking de cinéma : Périodiquement, de nombreux visiteurs quittent le parking après la fin d’un film. S’il n’y avait pas de barrière à la sortie, le flux de circulation serait fluide (sans pression). Seuls des obstacles tels que cette barrière transforment l’impulsion liée au volume (beaucoup de personnes quittant le cinéma en même temps) en une impulsion de pression (accumulation de voitures). Une fois que toutes les voitures ont quitté le parking, le silence revient jusqu’à la fin du film suivant (par analogie avec la course d’aspiration de la pompe à membrane).

Pour certaines applications ou domaines d’application, il est nécessaire de réduire drastiquement les pulsations en raccordant plusieurs membranes en parallèle ou en utilisant des amortisseurs.

Pourquoi faut-il éviter les pulsations ?

Dans de nombreuses applications nécessitant un transfert de liquide, les pulsations ne sont pas souhaitables. Dans le secteur de la reprographie par exemple, les fluctuations d’encre influencent la qualité de l’image imprimée. En outre, des tuyaux de petit diamètre sont souvent utilisés dans ce domaine, ce qui entraîne d’importantes pertes de pression. Des pulsations élevées réduisent la durée de vie des composants du système, entraînent d’importantes vibrations, et génèrent ainsi un niveau de bruit accru. De plus, elles peuvent entraîner la formation de mousse dans le liquide et, dans le pire des cas, endommager le fluide véhiculé.

Pour permettre aux applications un fonctionnement optimal, KNF, en tant que fabricant et leader technologique de pompes à membrane, a développé des solutions qui permettent un transfert de liquides avec de faibles pulsations : la série de pompes FP, qui est basée sur deux principes de fonctionnement différents. Ils sont abordés plus en détail ci-dessous.

Principe 1 : Utilisation d’une technologie de pompe à multiples membranes

Depuis de nombreuses années, la gamme de pompes à membrane KNF a déjà amplement fait ses preuves. Elle comprend, outre la version à une tête, une version à deux têtes, appelée pompe boxer. La bielle entraîne simultanément deux membranes déphasées de 180° (comme dans un moteur à deux cylindres). Tandis qu’une membrane aspire le fluide présent dans la conduite d’aspiration, la seconde membrane l’expulse dans la conduite de refoulement. Ce mode de fonctionnement déphasé de 180° entraîne une réduction des pulsations lors du transfert de liquide. Le schéma 1 illustre le débit instantané des pompes selon le nombre de membranes connectées. Cela montre de façon impressionnante que les pics de pression peuvent être drastiquement réduits si plusieurs membranes sont connectées en déphasage. A partir de trois membranes utilisées, les pics sont réduits d’un facteur 3. Cette réduction des pics peut réduire considérablement les pulsations causées par les résistances hydrauliques du système.

Pour les clients, raccorder les entrées et les sorties d’une pompe à double tête est toujours relativement complexe, nécessite plus de place et comporte le risque de fuites potentielles au niveau des raccords hydrauliques. KNF est donc allé encore plus loin et a développé la série de pompes à faible pulsations “FP”, des pompes à faible pulsation comprenant jusqu’à cinq membranes déphasées. Les différents volumes de pompage sont combinés au sein des pompes, ce qui offre au client le grand avantage de n’avoir qu’un seul raccord aussi bien du côté aspiration que du côté refoulement. Cela simplifie considérablement la manipulation sur le site du client, réduit la place nécessaire et élimine les raccords.

Principe 2 : Utilisation d’amortisseurs de pulsations et accumulateurs hydrauliques

Une autre approche pour réduire les pulsations générées par une pompe à membrane simple tête est d’utiliser un amortisseur de pulsations. Il est généralement monté dans le système fluidique en sortie de la pompe. Depuis des années, il est utilisé avec succès par KNF pour différents niveaux de débit et de pression. Cependant, comme mentionné pour la version boxer, des raccords hydrauliques supplémentaires peuvent causer des points de fuite potentiels. De plus l’ajout d’un amortisseur de pulsations nécessite une augmentation de la place nécessaire dans l’appareil du client et donc des coûts supplémentaires.

En réponse aux exigences actuelles du marché, KNF a ainsi développé en très peu de temps la première pompe à membrane pour liquide au monde qui intègre un amortisseur de pulsations dans sa tête. La vidéo montre comment fonctionne ce type de pompe. Si la membrane de travail se déplace vers le bas pendant l’aspiration, elle aspire non seulement le liquide présent dans la conduite d’aspiration, mais aussi celui présent dans l’amortisseur de pulsations situé côté aspiration. Cela fonctionne car la membrane de l’amortisseur peut également se déplacer vers le bas grâce à la pression négative. Lorsque la membrane de travail expulse le liquide, celui-ci se retrouve dans la conduite d’aspiration et peut à nouveau remplir l’espace d’amortissement situé côté aspiration. Cela se reconnaît facilement grâce à la membrane d’amortissement qui se déplace vers le haut. Il en résulte un débit volumique presque continu dans la conduite d’aspiration.

Du côté refoulement, l’amortisseur de pulsations absorbe une partie du volume transférée par la membrane de travail, ce qui est facilement visible sur la membrane d’amortissement qui se déplace vers le haut. Si la membrane de travail aspire à nouveau, le volume stocké dans l’amortisseur côté refoulement est libéré dans la conduite sous pression (la membrane d’amortissement côté refoulement se déplace vers le bas). Cela permet donc également d’obtenir un débit volumique continu dans le tuyau, du côté refoulement. Grâce aux faibles fluctuations de débit, les pulsations sont minimales grâce aux amortisseurs intégrés. Cette nouvelle conception offre au client une pompe à membrane à liquide de faible pulsation, quasiment indépendante du système du client. Selon le type de pompe et le point de fonctionnement, la pulsation peut être réduite d’un facteur allant jusqu’à 20. En outre, il n’y a pas d’interfaces supplémentaires pour le client.

Les avantages des pompes à faibles pulsations

Que le transfert de liquide à faible pulsation soit assuré par une pompe à multiples membranes ou par un amortisseur de pulsations, celui-ci offre de nombreux avantages pour le client. Pour un débit souhaité, les pics de pression sont jusqu’à dix fois plus faibles. Ceci est particulièrement le cas pour les liquides à haute viscosité tels que les encres. En même temps, la consommation électrique du moteur est réduite, ce qui signifie qu’il chauffe moins. En outre, le fait d’éviter des pulsations élevées permet de réduire la formation de microbulles et d’empêcher l’apparition de mousse, en particulier pour les liquides à faible tension de surface. Le pilotage de la pompe est également considérablement accru, car le débit est très linéaire par rapport à la vitesse de rotation du moteur, et est indépendant du système du client. Enfin, la charge sur la pompe est réduite et tous les composants du système final sont protégés par la réduction des pulsations. Cela augmente la durée de vie de la pompe. De plus, les vibrations des tuyaux sont réduites, ce qui contribue à la réduction du bruit.

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