À la poursuite de la pompe sans fuite
Le besoin d'une pompe sans fuite est devenu urgent à l'ère moderne lorsque les pompes industrielles ont commencé à manipuler des liquides dangereux. Dans le cas d'un liquide toxique ou inflammable, il est indispensable de protéger les personnes et l'environnement des éventuelles fuites. De plus, chaque fuite signifie un produit gaspillé, ce qui devient important lors du pompage de fluides coûteux, tels que des matériaux pharmaceutiques.
Image 1. Pompe avec presse-étoupe (Images reproduites avec l'aimable autorisation d'ITT Goulds Pumps)
Pourquoi les pompes fuient-elles ?
Considérez pourquoi il est si difficile d'empêcher les pompes de fuir. Prenons l'exemple de la pompe centrifuge courante. Dans cette pompe, un arbre et une roue sont entraînés en rotation par un moteur, mais le moteur est situé à l'extérieur de la pompe. C'est là où l'arbre sort de la pompe, en particulier aux points de contact entre les pièces rotatives et fixes, que des fuites peuvent se produire et se produisent.
La boîte à garniture
Dans certaines pompes, un dispositif appelé presse-étoupe est utilisé pour résoudre le problème de fuite.
Le presse-étoupe est une chambre située à l'extérieur du corps de pompe où l'arbre sort. À l'intérieur,
un matériau d'étanchéité - une substance d'emballage souple - est posé autour de l'arbre.
A l'aide d'un dispositif spécial (un écrou dans le cas le plus simple), la garniture est ensuite comprimée, la faisant se plaquer contre les parois de la chambre et de l'arbre, empêchant ainsi le liquide de s'écouler hors de la pompe.
Cependant, l'arbre doit être en contact étroit avec le matériau d'emballage pour que le joint soit étanche. Cela peut créer des frottements et réduire la durée de vie.
Image 2. Garniture mécanique
Garnitures mécaniques
Les principaux éléments des garnitures mécaniques sont deux bagues : une mobile, qui tourne avec l'arbre, et une fixe, qui est fixée au corps de la pompe avec une goupille.
L'étanchéité contre les fuites est créée par le contact entre les surfaces de l'anneau, qui forme une paire dite de friction. Pour assurer le contact, la bague mobile est plaquée contre la bague fixe par un ressort, bloc ressort ou soufflet - qui est une gaine ondulée monocouche ou multicouche élastique en matériaux métalliques, non métalliques et composites. Pour une étanchéité supplémentaire, des joints secondaires sont utilisés, qui sont des joints toriques en élastomère.
Lorsqu'il fonctionne correctement, un mince film de liquide est présent entre les surfaces de friction pour assurer la lubrification et la dissipation de la chaleur. Le jeu entre leurs surfaces est égal à leur hauteur de rugosité et, en règle générale, ne dépasse pas un millionième de mètre. Surtout, la bague fixe ne touche jamais l'arbre, ce qui réduit l'usure.
Choisir les bons matériaux pour les bagues d'étanchéité n'est pas une tâche facile. Les anneaux doivent avoir une résistance et une résistance à l'usure suffisantes pour résister aux effets du fonctionnement de la pompe et être chimiquement résistants au fluide pompé. De plus, ils doivent pouvoir résister aux températures élevées dues au frottement. Pour ces raisons, les paires de friction sont des technologies étonnamment sophistiquées, nécessitant les disciplines théoriques et de calcul de la mécanique, de la thermodynamique, de l'hydraulique et de la tribologie. En raison du faible jeu entre les anneaux, la fabrication de garnitures mécaniques modernes relève en fait de la catégorie des nanotechnologies.
Garnitures mécaniques doubles
Les joints mécaniques à paire de friction unique peuvent seulement minimiser les fuites, pas les éliminer. Pour tenter davantage d'éliminer les fuites, des doubles joints bout à bout mécaniques ont été créés. Le système auxiliaire - appelé plan de rinçage ou plan de tuyauterie - alimente un fluide spécial, appelé barrière, dans la zone du joint entre les deux anneaux de la paire de friction. Sa pression est maintenue un peu plus élevée que celle du fluide pompé dans la zone d'étanchéité et, de cette manière, l'étanchéité est obtenue. Le fluide de barrage effectue également les tâches nécessaires d'évacuation de la chaleur et de lubrification dans le cas où le fluide pompé n'a pas les propriétés pour le faire. L'eau, par exemple, perd ses propriétés lubrifiantes à environ 176 F (80 C).
Les joints mécaniques à double bout peuvent éliminer les fuites du fluide pompé dans l'atmosphère. Cependant, ils peuvent être relativement coûteux et difficiles à entretenir. De plus, même la paire de friction la plus soigneusement construite échouera avec le temps en raison de l'usure, elle nécessite donc une surveillance et un remplacement continus.
Accouplements magnétiques
Image 3. Dessin en coupe d'une pompe à entraînement magnétique. L'arbre avec les aimants d'entraînement fait tourner la cartouche, qui comprend les aimants entraînés.
Grâce à cette transmission de puissance à distance, l'arbre n'a pas besoin de traverser le carter, il n'y a donc pas de trous et il ne peut y avoir de fuites. Cependant, ces pompes ont tendance à être plus chères, en raison du coût des aimants de pointe dont elles ont besoin. Habituellement, ceux-ci sont faits d'alliages exotiques de néodyme, de cobalt et de samarium, mais l'alliage néodyme fer bore (NdFeB) est maintenant considéré comme plus efficace. La durée de vie de ces aimants peut atteindre des dizaines, voire des centaines d'années, souvent plus longue que la durée de vie de la pompe elle-même.
Pompes à moteur en conserve
L'autre avancée issue du développement de l'électromécanique et de la théorie électromagnétique a été la motopompe en conserve. Cet appareil combine la fonction du moteur électrique avec celle de la pompe centrifuge classique. Il est similaire à une pompe avec un aimant couplage, mais le rôle des aimants est assuré par les bobinages du stator (partie fixe du moteur électrique) et du rotor. Il est appelé "en conserve" car le moteur est protégé des courts-circuits par un cylindre spécial (coquille) et situé à l'intérieur du corps de pompe dans le liquide pompé, qui lubrifie et refroidit simultanément les roulements.
Image 4. Motopompe à rotor noyé
Le couple des enroulements "secs" du stator est transmis à travers un boîtier étanche, il n'y a donc aucune possibilité de fuites.
Comme les pompes à moteur noyé utilisent moins de pièces, elles sont compactes. Cependant, du fait que les bobinages du stator et du rotor sont séparés par plusieurs cloisons, leur rendement peut être relativement faible. Par conséquent, ces appareils sont extrêmement utiles mais consomment plus d'énergie.
Des efforts persistants pendant de nombreuses années ont maintenant produit une variété d'options pour obtenir une pompe sans fuite. Chacun a son propre mélange d'avantages et d'inconvénients. Pour déterminer ce qui convient le mieux à votre exploitation, les spécialistes sélectionneront une conception en fonction des propriétés des liquides pompés, des conditions de fonctionnement et des contraintes économiques.