Choix entre pompe centrifuge et pompe à déplacement positif est l'une des premières décisions prises lors de la spécification d'équipements de manutention de fluides, et se tromper coûte bien plus que le prix d'achat.
Une pompe centrifuge convertit l'énergie cinétique de rotation d'une roue en vitesse du fluide puis en pression, tandis qu'une pompe à déplacement positif (PD) déplace le fluide en emprisonnant un volume fixe dans une cavité et en le forçant dans la ligne de refoulement.
Les deux familles se comportent si différemment selon les conditions changeantes que choisir le mauvais type conduit à une cavitation chronique, des défaillances d'étanchéité, ou à un processus sous-performant pendant toute la durée de vie de l'actif.
Les pompes centrifuges utilisent une roue tournante pour accélérer le fluide radialement ou axialement, convertissant la charge de vitesse en charge de pression lorsque le fluide ralentit dans la volute ou le diffuseur. Le débit dépend de la pression différentielle imposée par le système : augmenter la pression de refoulement fait chuter le débit, car l'impulseur n'a pas de piège géométrique fixe pour le fluide.
Les pompes à déplacement positif (engrenage, à lobes, à vis, à diaphragme, à piston, à cavité progressive) isolent un volume fixe de fluide par révolution ou course et le poussent mécaniquement dans la conduite de refoulement quel que soit la pression en aval. Le débit est essentiellement proportionnel à la vitesse d'arbre et largement indépendant de la pression, jusqu'aux limites mécaniques et du moteur de la pompe.
C'est la distinction la plus importante pour la conception du système. Une pompe centrifuge a une courbe hauteur/débit (H/Q) continue qui décroît de la hauteur de coupure à débit nul jusqu'à zéro hauteur à un débit maximal d'épuisement.
La pompe fonctionne toujours à l'intersection de sa courbe avec la courbe de résistance du système, si bien que tout changement de position de vanne, d'encrassement de filtre ou d'altitude déplace le point de fonctionnement le long de la courbe.
Une pompe PD a une courbe presque verticale et plate: le débit reste constant sur une large plage de pressions de refoulement, ne changeant que par la vitesse et le glissement interne.
Parce qu'une pompe PD continuera à pousser du volume même contre une conduite bouchée, elle nécessite une soupape de sécurité côté refoulement; une pompe centrifuge n'en a pas besoin, puisque son fonctionnement en charge bloquée repousse simplement le point de fonctionnement le long de sa propre courbe jusqu'à la hauteur de coupure.
La viscosité affecte les deux familles de manière opposée.
La correction de performance des pompes centrifuges devient nécessaire une fois la viscosité supérieure à environ 20 cSt, selon la méthode de correction de viscosité ANSI/HI 9.6.7 de la Hydraulic Institute (qui s'applique formellement à partir d'environ 4,3 cSt): hauteur, débit et rendement chutent tous par rapport à la courbe d'essai sur l'eau à mesure que la viscosité augmente.
Vers 300 cSt, les pompes centrifuges deviennent impraticables pour la plupart des services et les pertes d'efficacité sont sévères.
Les pompes PD s'améliorent généralement avec la viscosité, jusqu'à un certain point. Une viscosité plus élevée réduit le glissement interne à travers les jeux dans les pompes à engrenages, à lobes et à vis, si bien que le rendement volumétrique augmente en pratique des huiles légères jusqu'à plusieurs milliers de cSt.
C'est pourquoi les pompes PD dominent pour le bitume, le fioul lourd, le transfert de polymères, résines et pâtes alimentaires, tandis que les pompes centrifuges restent confinées aux fluides de type eau.
Les pompes centrifuges génèrent une hauteur limitée par étage, typiquement de l'ordre de 20 à 150 m pour un seul étage (des conceptions monobloc à haute énergie peuvent dépasser cela), les conceptions multistages étant utilisées pour atteindre des pressions plus élevées (les grandes pompes d'alimentation de chaudières utilisent couramment 4 à 10 étages
avec des pressions totales de refoulement dépassant 200 bar sur des services haute pression). La hauteur est fixée par la vitesse de pointe et le diamètre de l'impulseur selon les lois d'affinité, donc la capacité de pression est une décision de conception, pas d'exploitation.
Les pompes PD peuvent générer des pressions de refoulement très élevées limitées principalement par le couple moteur, la résistance du carter et le NPSH disponible, puisque l'étanchéité mécanique entre les cavités d'aspiration et de refoulement accomplit le travail indépendamment de la résistance.
Les pompes alternatives à piston/plongeur dépassent couramment 400 à 1 000 bar dans les applications de nettoyage haute pression, d'épreuves hydrauliques et d'injection chimique, des unités spécialisées étant classées bien au-delà de ces valeurs.
Les pompes centrifuges fournissent un débit continu et régulier avec seulement une légère ondulation de pression due au passage des aubes à la fréquence de passage des pales (nombre d'aubes de l'impulseur multiplié par la vitesse de l'arbre). Les pompes PD rotatives (engrenage, vis, lobes) sont également assez régulières, bien que les pompes à lobes montrent plus de pulsations lorsqu'elles ont moins de lobes.
Les pompes PD alternatives (piston, plongeur, diaphragme) produisent des pulsations de débit prononcées liées au nombre de pistons ou diaphragmes et à la fréquence de course, ce qui peut exciter des résonances de tuyauterie et nécessite des amortisseurs de pulsations à la fois à l'aspiration et au refoulement. Cette pulsation se manifeste aussi par des sollicitations cycliques sur les clapets et les garnitures d'étanchéité, raccourcissant la durée de vie des composants si l'amortissement est sous-dimensionné.
| Caractéristique | Centrifuge | À déplacement positif |
|---|---|---|
| Débit vs pression | Le débit diminue à mesure que la pression augmente | Débit quasi-constant indépendamment de la pression |
| Plage de viscosité optimale | Inférieure à environ 20 cSt sans correction | S'améliore jusqu'à plusieurs milliers de cSt |
| Hauteur typique par étage simple | 20 à 150 m (plus élevé pour des conceptions spécialisées) | Limitée principalement par le moteur et la résistance du carter |
| Soupape de décharge | Pas requise | Obligatoire |
| Pulsation du débit | Faible, continue | Faible (rotative) à élevée (alternative) |
| Gestion des solides/boues | Médiocre à moyenne | Bonne (avec type de jeu approprié) |
| Réduction de débit via la vitesse | Réduction de puissance cubique (lois d'affinité) | Débit linéaire, couple quasi-constant |
Les pompes centrifuges ont un point de rendement optimal (BEP), typiquement 50 à 85 % selon la vitesse spécifique, et l'efficacité chute en s'éloignant du BEP dans les deux directions
fonctionner en dessous d'environ 70 % du débit au BEP augmente les efforts radiaux et accélère l'usure des roulements et des joints, sujet traité en détail dans vitesse spécifique des pompes et recirculation de débit minimum des pompes .
Les pompes PD conservent typiquement un rendement volumétrique de l'ordre de 80 à 95 % sur une large plage de vitesses parce que la sortie est géométriquement fixe, ce qui les rend bien adaptées aux tâches de mesurage et de dosage où la précision à vitesse variable est importante.
Parce que les lois d'affinité signifient que la puissance des centrifuges varie avec le cube de la vitesse, les entraînements à vitesse variable sur pompes centrifuges offrent de grandes économies d'énergie en régime partiel, tandis que la puissance d'une pompe PD varie approximativement linéairement avec la vitesse à pression constante.
La surveillance continue de l'état et le suivi de l'OEE via une plateforme GMAO (CMMS) telle que Fabrico aident à signaler la dérive d'efficacité et les tendances de vibration des roulements qui indiquent qu'une pompe centrifuge s'est écartée de son BEP, déclenchant un ordre de travail avant qu'un joint ou un roulement ne soit endommagé.
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Les pompes centrifuges dépendent fortement du maintien de la marge NPSH, des jeux corrects de l'impulseur et de l'alignement d'arbre; le désalignement ou l'usure du coupleur se traduisent directement dans les signatures de vibration évaluées par rapport aux zones de gravité des vibrations ISO 20816.
Les pompes PD dépendent davantage de l'usure des jeux internes, de l'état des clapets ou des rotors, et de l'intégrité de la soupape de sécurité, car une soupape de sécurité défaillante ou bloquée sur une pompe PD représente un véritable risque de surpression plutôt qu'un simple problème d'efficacité.
La durée de vie des roulements profite d'une pratique de lubrification disciplinée, comme indiqué dans les intervalles de relubrification des roulements.
Bref, oui, puisqu'elle fonctionne à la hauteur de coupure avec débit nul, mais une mise en pression prolongée fait chauffer le fluide emprisonné et peut endommager les joints et les roulements, donc une protection de débit minimum est toujours nécessaire.
Une pompe PD continue de déplacer un volume fixe indépendamment de la résistance, donc un refoulement bouché fait monter la pression jusqu'à ce que quelque chose cède ; le débit d'une pompe centrifuge tombe simplement à zéro à la hauteur de coupure, que le carter est conçu pour supporter.
Les pompes PD conservent généralement mieux leur efficacité sur une plage de vitesses car la sortie est fixée par la géométrie, tandis que les pompes centrifuges perdent de l'efficacité en s'éloignant de leur point de rendement optimal en raison des recirculations internes et des pertes par chocs.
Dans la plupart des cas oui, puisque l'augmentation de la viscosité réduit le glissement interne et améliore le rendement volumétrique des PD, alors que la performance des centrifuges commence à nécessiter une correction dès que la viscosité dépasse environ 20 cSt.
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