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Sciences et Techniques LES POMPES

Publié le 06/02/2019

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La pompe péristaltique

 

Tous les problèmes de contamination sont résolus avec la pompe péristaltique, une invention d’une simplicité étonnante mais tout à fait récente : dans ce système, le tuyau flexible transportant le fluide - il peut être en caoutchouc ou en matière synthétique - est pressé tour à tour par les trois galets d’une roue en rotation.

 

Le mouvement de refoulement obtenu est comparable à celui d’un tube dentrifice que l’on presse successivement sur toute sa longueur avec les doigts, ou encore au mouvement de contraction musculaire des intestins. Dans une telle pompe, le fluide est refoulé dans le sens du mouvement des galets, le tube reprenant sa forme initiale après chaque écrasement, ce qui a pour effet d’aspirer le fluide en amont.

 

Outre la fluidité du mouvement, le principal avantage de la pompe péristaltique est l’absence de contact du fluide, entièrement renfermé dans son tube en caoutchouc, avec les pièces mécaniques. Ce n’est donc pas un hasard si ce système a trouvé des applications dans de très nombreux domaines sensibles, et notamment en chirurgie : cœurs et poumons artificiels utilisent des pompes péristaltiques.

 

La pompe centrifuge

 

Le mouvement rotatif est utilisé de façon plus directe dans les pompes axiales et les pompes centrifuges. Les pompes axiales sont de simples turbines en rotation dans un conduit : l’eau en amont est dirigée par le battement des pales vers l’aval. Le débit dépend du volume d’eau déplacé entre les pales et la vitesse de rotation de celles-ci. Les pompes à essence sont de ce type, car leur débit peut être minutieusement contrôlé : on les appelle pour cette raison des volucompteurs.

 

Autre type de pompe rotative, la pompe centrifuge ou hydrodynamique utilise également une turbine à pales. Mais au lieu d’éjecter le liquide dans l’axe du conduit après un simple passage, elle le fait d’abord circuler en colimaçon dans la turbine puis dériver du centre vers l’extérieur, où elle atteint une force d’éjection considérable grâce à la force centrifuge.

 

Le conduit périphérique, par lequel le fluide s’échappe, est évasé en forme de tuyère, un procédé astucieux qui permet de ralentir la vitesse du fluide tout en augmentant sa pression. Mais, et c’est là l’inconvénient de toutes les pompes rotatives, le fluide connaît toutefois une forte turbulence à sa sortie du système. Ce problème peut cependant être atténué par des ailettes fixes montées dans la tuyauterie en aval : faisant office de baffles, elles stabilisent le fluide pour rendre son débit plus laminaire.

S. Chatenay/Sunset

 Ces pompes mobiles sont capables d’aspirer les boues les plus lourdes, par exemple celles des bassins d’épuration. Mues par moteurs Diesel, elles sont de type centrifuge mais utilisent des pompes à vide pour créer une dépression au démarrage afin d’amorcer le système.

 

Les pompes centrifuges présentent un certain nombre d’avantages sur les précédentes : moindre prix de revient, moindre encombrement, couplage direct avec un moteur électrique et fonctionnement sans vibration.

 

Le problème du démarrage

 

Certaines pompes n’ont aucun problème de démarrage : on dit qu’elles sont auto-amorçantes. C’est le cas notamment des pompes à piston. Dès que la pompe est mise en route, le recul du piston crée un vide qui aspire le fluide et le cycle est lancé. Mais d’autres pompes nécessitent une opération spéciale de démarrage, indépendante de leur mode de fonctionnement principal.

 

C’est plus particulièrement le cas des pompes centrifuges, dont la simple mise en rotation n’aspire pas le fluide de façon substantielle. Afin d’amorcer ces pompes, il faut en vider l’air pour y créer une dépression aspirante. Ce résultat peut être obtenu en gardant le corps de la pompe rempli d’eau, grâce à une valve : la mise en route de la pompe consiste à libérer cette eau qui crée un vide derrière elle, aspirant l’eau en amont; le cycle est lancé.

 

D’autres systèmes nécessitent une petite pompe spéciale pour assurer le démarrage de la pompe principale, par exemple une pompe à jet qui consiste en un jet d’air soufflé à travers une chambre communiquant avec le corps de pompe. Ce souffle crée une aspiration qui vide partiellement le corps de pompe de son air et amorce ainsi son cycle.

 

Les turbopompes

 

Techniques de pointe, les turbopompes sont utilisées dans nombre de moteurs complexes et notamment dans les moteurs-fusées. Dans celles-ci, les propergols (carburant de propulsion du

 

moteur-fusée) doivent être parfaitement dosés et injectés à très forte pression dans la chambre de combustion. On a recours pour cela à des pompes centrifuges, mues par des turbines à gaz : ce sont les gaz d’échappement d’une petite chambre de combustion auxiliaire qui entraînent les pales de la turbine.

 

Afin d’atteindre de très hautes pressions, une seule turbine n’est généralement pas suffisante. On a alors recours à des pompes centrifuges montées en série : le fluide accéléré à la sortie de la première est injecté dans le colimaçon de la pompe suivante et ainsi de suite, la pression étant multipliée à chaque étape appelée «palier». Alors qu’une pompe isolée est limitée à 6 ou 7 bars de pression (c’est-à-dire 6 ou 7 fois la pression atmosphérique), le montage de pompes en série permet d’atteindre de très fortes pressions - de l’ordre de 150 bars.

 

Les pompes à vide

 

On divise conventionnellement le domaine du vide en plusieurs intervalles de pressions appelés vide grossier, vide moyen, vide poussé et enfin ultravide. À chacun correspond des moyens de réalisation et des utilisations différents : mise en forme de matières plastiques, fabrication des ampoules électriques, essai des engins spatiaux dans des enceintes à vide, fours à bombardement électronique, spectromètre de masse, etc.

 

Le vide grossier et le vide moyen sont le domaine des pompes mécaniques simples. Quant au vide poussé, il est obtenu par des pompes mécaniques nettement plus complexes, comme les pompes à diffusion et les pompes moléculaires. L’ultravide fait appel à des phénomènes de fixation des molécules résiduelles. Ce sont notamment les pompes ioniques et les cryopompes qui permettent d’obtenir l’ultravide. Qu’il s’agisse de pompes simples ou complexes, la mesure du vide se fait à l’aide de manomètres et de jauges spéciales.

 

Il existe enfin des pompes spéciales, telles que les pompes électromagnétiques pour fluides bons conducteurs de l’électricité, qui, parcourues par un courant, sont soumises à un champ magnétique : ce qui crée une force électromagnétique les mettant en mouvement.

« Les pompes aspiration LA POMPE PÉRISTALTIQUE avoir recours aux sources d'eau en contrebas.

C'est ainsi que l'élevation de l'eau fut l'un des pre­ miers problèmes de physique auquel fut confron­ tée l'humanité.

Le chadouf, la noria et la vis d'Archimède Le premier système d'élévation f_ut le chadouf, introduit en Mésopotamie et en Egypte plus de mille ans avant notre ère.

Le chadouf se présentait sous la forme d'un balancier muni d'un seau au bout d'un bras et d'un contrepoids à l'extrémité de l'autre.

Le seau était alors abaissé dans le réservoir d'eau par une simple poussée du contrepoids vers le haut, le mouvement étant facilité par l'effet de levier; abandonné à lui-même, le contrepoids redescen­ dait en hissant le seau au bout du bras opposé.

Il suffisait alors de le verser dans une gouttière ou dans tout autre dispositif de distribution destiné à alimenter en eau les cultures.

Un autre dispositif plus élaboré vit le jour.

On la baptisa la noria chinoise (appelée aussi saqiyeh, en Égypte).

Il s'agissait d'une grande roue vertica­ le, plongeant dans un plan d'eau et munie de godets sur toute sa périphérie; lorsque la roue était mise en rotation, par la force animale ou humaine, les godets se remplissaient d'eau en bas et la déversaient en haut sur une gouttière.

Afin de faire tourner la roue verticale, les utilisa­ teurs de ce système avaient généralement recours à des bêtes de somme (des ânes ou des bœufs) harnachées à une roue horizontale qu'elles entraînaient dans leur ronde.

Un système de trans­ mission à crans reliait les roues horizontale et ver­ ticale.

Là où il y avait la possibilité que la noria trempât dans une rivière au débit rapide, le mou­ vement de la roue était entretenu par le courant, sans qu'il soit nécessaire de recourir à une source d'énergie extérieure.

Le plus célèbre savant de l'Antiquité, Archimède (287 -212 av.

J.-C.), apporta une autre solution élé­ gante au problème de l'élévation de l'eau en inventant la vis sans fin.

Enferm ée dans un cylindre en bois, son mouvement tournant (assu­ ré également par des bêtes de somme ou toute autre force motrice) entraînait l'eau depuis le bas vers le haut.

Ce système a largement prouvé son efficacité puisqu'il est toujours utilisé de nos jours, notamment pour élever les eaux usagées des usines d'épuration.

La pompe à piston Mais plutôt qu'un mouvement rotatif, c'est le mouvement de va-et-vient du piston qui servira de base aux premières pompes modernes.

Dans LA POMPE CENTRIFUGE refoulement ! Dans la pompe A péristaltique, les trois galets pressent un tube déformable, faisant avancer le fluide.

Dans la pompe .....

centrifuge, les pales d'une turbine propulsent le liquide vers la périphérie du corps de pompe, la force centrifu ge l'éjectant dans la volute d'expulsion.

Celle-ci transforme le mouvement rapide et à basse pression du fluide en un mouvement plus lent mais à plus forte pression.

Dans la pompe .....

axiale, les pales rotatives poussent le fluide d'un côté à l'autre du corps de pompe.

son principe, la pompe à piston crée une dépres­ sion dans un cylindre lorsque le piston monte, aspirant l'eau, et, après fermeture du clapet d'ad­ mission, le piston refoule, lors de sa course des­ cendante, le liquide dans le circuit de distribu­ tion.

Le débit d'une telle pompe est nécessaire­ ment saccadé : aussi, pour y remédier, on monte plusieurs cylindres en parallèle, aux cycles dé­ calés les uns par rapport aux autres, ce qui a pour effet de régulariser le flux.

L'une des premières applications des pompes à piston fut l'évacuation des eaux d'infiltration au fond des mines.

Le mouvement de va-€t-vient du piston était assuré par un système de bielles et de manivelles, enchaînées à une roue mue par le courant d'une rivière ou par le manège de bêtes de somme.

Ces pompes aspirantes et refoulantes devaient également servir à l'alimentation des villes en eau potable, comme ce fut le cas à Paris sous le règne d'Henri IV Celui-ci fit installer au Pont-Neuf une roue à aubes de cinq mètres de diamètre entraînant deux pompes à piston immergées dans la Seine.

Appelé pompe de la Samaritaine (nom qu'a repris le grand magasin de la rive droite), ce dispositif délivrait près de 700 m3 d'eau par jour, soit 700 000 litres.

La pompe à piston est aussi utilisée pour la cir­ culation de l'air, son application la plus connue étant la pompe à bicyclette.

En poussant le piston, corps aspiration (pression) LA POMPE AXIALE l'opérateur refoule de l'air dans le pneu, qui y est maintenu par une valve se refermant en fin de cycle.

Lors du mouvement de retour du piston, une valve d'admission s'ouvre pour laisser une nou­ velle dose d'air atmosphérique remplir le cylindre, quelques centimètres cubes d'air sont alors injec­ tés dans le pneu au cours du cycle suivant.

Ces pompes sont dites à simple effet, un seul mouvement de refoulement ayant lieu lors de chaque cycle.

Une amélioration du principe est la pompe à double effet : le fluide à faire circuler pénètre dans le cylindre des deux côtés du pis­ ton.

Grâce à un système plus complexe de valves et de soupapes, le fluide est alors refoulé à chaque demi-course du piston, dans les deux sens du va-€t-vient.

La pompe à membrane Dans les pompes à pistons ordinaires, le fluide à pomper est en contact direct avec les parties mécaniques du système : s'il s'agit d'air ou d'eau pure, ce contact n'est pas problématique; en revanche, il l'est beaucoup plus s'il s'agit d'eaux boueuses pouvant obstruer les soupapes ou grip­ per le piston, ou si l'on est en présence de fluides acides ou salins pouvant attaquer les pièces métalliques du mécanisme.

La pompe à membra­ ne résout le problème au moyen d'un diaphrag-. »

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