L'interaction pompe - système fluidique

À quel endroit, dans un système fluidique, la pression est « perdue »

Toute prévision fiable sur le comportement du système doit se baser sur la question de la perte de pression. Les composants d'un système fluidique tel que les tuyaux, les pièces montées, les filtres, les angles ou les raccordements génèrent une perte de pression dès qu'ils sont traversés par le fluide. Ces composants représentent donc une résistance au flux. Pour surmonter cette résistance hydraulique, il faut que la pression du fluide à l'entrée de ces éléments soit plus haute qu'à leur sortie.

L'importance de la perte de pression dépend d’un certain nombre de facteurs. En font partie, lorsqu'il s'agit de fluides, la viscosité, la structure et la géométrie des composants, la vitesse d'écoulement et le type de flux.

On distingue les écoulements de type laminaire et de type turbulent. Pour les écoulements laminaires, les particules de liquide se déplacent sur des lignes de courant droites et parallèles. Pour les déplacements turbulents, les lignes de courant se croisent.

Les autres termes importants sont écoulement « stationnaire » et écoulement « non stationnaire ». « stationnaire » signifie que l'écoulement est continu, et que la vitesse moyenne d'écoulement ne change pas dans le temps. À l'inverse, dans le cas d'un écoulement non stationnaire, la vitesse varie. Un exemple typique d'écoulement non stationnaire serait l'écoulement pulsatoire existant avec les pompes à membrane à une tête. Selon que la membrane aspire ou refoule (dans la conduite coté refoulement), la vitesse change considérablement dans la conduite.

L'exemple de calcul ci-après, issu du secteur de l'impression à jet d'encre, montre l'avantage d'une estimation de la perte de pression. S'il s'écoule 0,6 litres d'encre d'imprimante par minute avec une viscosité de 10 mPas à travers un tuyau d'un diamètre intérieur de 4 mm et de 3 m de long, la perte de pression engendrée par ce tuyau est de 0,5 bars. Si ce tuyau est installé côté aspiration de la pompe, il en découle une sous-pression de 0,5 bars au niveau de la pompe. Cela limite considérablement la capacité de transport de la pompe et peut entraîner des problèmes tels que la cavitation du fluide. Si le diamètre du tuyau est élargi à 6 mm, la perte de pression n'est alors plus que de 0,1 bar. Le diamètre du tuyau a donc une importance prépondérante.

Un système fluidique se compose de plusieurs composants. L'illustration suivante montre par exemple une pompe avec un système fluidique simple du côté refoulement, qui se compose d'un long tuyau, d'un filtre et d'un réservoir.

Si la perte de pression de tous les composants est déterminée pour le système fluidique et ajoutée, on obtient alors la perte de pression du système fluidique dans son ensemble.

La perte de pression dépend de la vitesse d'écoulement et du débit volumétrique. Si le débit volumétrique du système augmente, la perte de pression augmente aussi. Il en résulte donc pour un système fluidique une caractéristique indiquant la perte de pression en fonction du débit volumétrique (voir schéma 3). Cette caractéristique se nomme "caractéristique système" ou "caractéristique installation". S'ajoute à la perte de pression dépendant du débit volumique une contribution de pression statique lorsqu'il y a une surpression dans le réservoir sous pression ou si le réservoir sous pression est situé à un endroit plus élevé que le récipient d'aspiration.

La caractéristique système ne caractérise que le système fluidique. En revanche, la pompe est décrite par sa caractéristique, qui figure dans les fiches techniques du fabricant de la pompe. Cette caractéristique indique quelle est la capacité de transport en fonction des contre-pressions.

Le point de fonctionnement: une combinaison de caractéristique de pompe et de caractéristique de système

Après l'explication de la caractéristique système et la caractéristique pompe, cet article se penche désormais sur l'interaction de la pompe et le système fluidique. Quel débit volumique et quelle pression résultent de l'utilisation d'une pompe aux divers endroits d'une installation?

Si une pompe fonctionne sur un système fluidique, il en résulte un « point de fonctionnement ». Celui-ci se caractérise par le débit volumétrique, la pression à l'entrée et la pression à la sortie de la pompe, comme indiqué au schéma 2. Le point de fonctionnement qui décrit les trois variables mentionnées résulte toujours de l'interaction entre le système fluidique et la pompe.

Pour obtenir le point de fonctionnement, il faut que la caractéristique pompe et la caractéristique système soient combinées entre elles. Le schéma ci-après (schéma 4) illustre le mode de fonctionnement pour un système côté refoulement (voir schéma 2). Le côté aspiration n'est pas pris en compte ici.

La caractéristique système peut être intégrée à la caractéristique pompe. Pour ce faire, interchanger leurs axes en respectant la représentation habituelle pour les pompes à membrane. Le point d'intersection des deux courbes correspond désormais au point de fonctionnement 1 et montre quel débit volumique se met en place et contre quelle pression fonctionne la pompe.

Si le système est modifié maintenant par exemple en raison de l'utilisation d'un tuyau de diamètre moindre, le point de fonctionnement se décale également, sur la caractéristique pompe, vers le point 2. Le débit volumétrique diminue, et la contre-pression augmente. Si, d'un autre côté, la caractéristique pompe est modifiée en plus, par exemple par la réduction de 50 % du régime, le point de fonctionnement se décale sur la caractéristique système jusqu'au point 3. Le débit volumique diminue visiblement, tout comme la contre-pression.

La caractéristique pompe est mesurée par le fabricant de pompes et représentée sur la fiche technique. Il ne reste plus qu'à expliquer comment est déterminée la caractéristique système. Comme mentionné précédemment, il est possible de calculer la caractéristique système. C'est lié, même pour les systèmes simples, à une certaine charge de travail, car cela nécessite que tous les composants du système fluidique soient identifiés correctement. Il est possible, alternativement, de mesurer la pression au moyen d'une pompe à faible pulsation en se basant sur la caractéristique connue dans le système pour les différents régimes. Sur la base des résultats obtenus, il est alors possible de recommander au client une pompe appropriée à son système fluidique. Il est possible, sur demande du client, de l'adapter aux besoins spécifiques.

Ainsi, il devient possible de calculer le débit volumique et la pression existant dans le système fluidique.

Avec des pompes volumétriques, il était jusque-là quasi-impossible de bien prévoir le point de fonctionnement. Comme déjà expliqué dans le premier article de cette trilogie de blog « L’analogie du train KNF : Débit et pulsations dans un système fluidique », les pulsations dues aux phénomènes ondulatoires survenant dans les tuyaux d'un système fluidique entraînent des pertes de pression ayant de trop grandes variations. Pour contrer ces phénomènes, KNF a développé la nouvelle série de pompes FP à faible pulsation. La série de pompes offre aux utilisateurs des avantages tels qu'une faible perte de pression, une manipulation en douceur du fluide et des composants, ainsi que moins de vibrations et moins de bruit. S'ajoute un autre aspect décisif pour les utilisateurs : En raison des faibles pulsations, l'écoulement est quasi-stationnaire, et les estimations présentées dans ce blog au sujet de la perte de pression et du point de fonctionnement peuvent être appliqués. Le comportement de la pompe en matière de pression et de débit volumique dans le système client devient plus prévisible, ce qui permet une régulation optimale de la pompe dans le système fluidique. Vous trouverez également plus d'informations à ce sujet dans les deux autres parties de notre trilogie de blog, à la fin de cet article.

L'essentiel en bref

• Les nouvelles pompes FP de KNF assurent un débit volumique quasi-constant, et donc non pulsatoire.

• En ce qui concerne la pression et le débit volumique, il devient facile de prévoir le comportement de la pompe FP dans le système du client.

• Ainsi, il devient possible de réguler la pompe dans le système fluidique en fonction des souhaits.

Nous vous proposons volontiers une solution spécialement conçue pour répondre à vos besoins. Nos experts KNF seront ravis de votre prise de contact.