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POMPES ET APPLICATIONS (LES FONDAMENTAUX) HYDRAULIQUE, GÉNÉRALITÉS I.1.1 RAPPEL

POMPES ET APPLICATIONS (LES FONDAMENTAUX) HYDRAULIQUE, GÉNÉRALITÉS I.1.1 RAPPEL HYDROSTATIQUE - HYDRODYNAMIQUE I.1.1.1 LES FLUIDES I.1.1.2 L’HYDROSTATIQUE I.1.1.3 L’HYDRODYNAMIQUE: EQUATION FONDAMENTALE I.1.2 PERTES DE CHARGES I.1.3 LE CIRCUIT HYDRAULIQUE CIRCUIT OUVERT / FERMÉ LES FLUIDES Les fluides sont des corps dont les molécules sont très mobiles les unes par rapport aux autres. Ils se divisent en deux groupes : les gaz qui sont très compressibles, les liquides qui sont très peu compressibles. Cette particularité est utilisée en hydraulique pour obtenir des pressions élevées. Caractéristiques Ils prennent la forme du récipient qui les contient. Les molécules fluides, bien que très mobiles, sont liées entre elles par des forces de cohésion qui freinent leurs déplacements. Cette propriété est appelée viscosité. L’HYDROSTATIQUE L’hydrostatique est la science qui étudie les conditions d’équilibre des liquides et notamment les propriétés des liquides au repos . Elle étudie en particulier la transmission des pressions. Remarque importante : Un liquide réel diffère du liquide idéal par sa viscosité. La viscosité ne se manifeste que s’il y a un déplacement. En hydrostatique, le fluide est au repos. Les lois du fluide parfait s’appliquent donc au fluide réel. La pression est l’association d’une force avec une surface unitaire. Nous l’appellerons P, c’est l’expression d’une force (F) par unité de surface (S). () La force exercée au sol par un corps est égale à son poids. L’unité légale de pression est le pascal (Pa), c’est la pression exercée par une force de 1 Newton uniformément répartie sur 1 m². 1 pascal (Pa) = 1 newton/m² (N/m²) LA PRESSION EST UNE FORCE DE POUSSÉE QUI ENGENDRE L’ÉCOULEMENT DE L’EAU. Les différentes pressions En hydrostatique, nous rencontrons trois pressions différentes : la pression atmosphérique qui s’exerce à la surface libre d’un liquide, elle varie autour de 1033 millibars, la pression dans un liquide au repos qui est due au poids de la colonne de liquide : où: - P = pression en pascal, - ρ = masse spécifique en kg/m3, - g = accélération de la pesanteur g = 9,81 m/s/s, - h = hauteur en mètres, la pression due à une force extérieure est la pression dans un volume fermé lue sur un manomètre et due à l’action d’une force extérieure venant s’appliquer sur la surface du liquide L’HYDRODYNAMIQUE: EQUATION FONDAMENTALE L’hydrodynamique étudie les propriétés des fluides en mouvement. Un fluide en mouvement est caractérisé par sa pression et son débit. La notion du mouvement entraîne la notion de frottements et notamment la notion de frottements internes qui interviennent chaque fois que des couches voisines de fluide se déplacent à des vitesses différentes (viscosité). Le débit est le volume V de fluide qui s’écoule au travers d’une section droite S durant l’unité de temps t. L’unité légale de débit est le mètre cube par seconde (m3/s). En pratique, cette unité trop grande est remplacée par le mètre cube par heure (m3/h) ou par le litre par minute ou décimètre cube/minute (l/mn) ou par le centimètre cube/seconde (cm3/s).  Quantité d’eau écoulée : 10 litres. Durée de l’écoulement : 20 secondes. Débit CONSERVATION DES DÉBITS Principe Le débit Q est constant en tous les points d’un circuit. Les vitesses varient en fonction des sections. Considérons un tuyau de diamètre variable « d » et de section de passage : Dans ce tuyau circule une quantité déterminée de fluide « Q ». Q = débit volumique (m3/s) v = vitesse (m/s) S = Section de passage (m²) Equation de continuité : Q = S1 v1 = S2 v2 = S3 v3 = Sv = Cte L’énergie ne peut ni apparaître, ni disparaître. Un système peut donc fournir ou recevoir de l’énergie lorsqu’il travaille. Dans un liquide en mouvement, l’énergie se manifeste sous trois formes : énergie de position, énergie de pression, énergie cinétique. ENERGIE DE POSITION L’énergie de position est l’énergie potentielle liée à une variation d’altitude. Elle dépend du poids de la colonne de liquide par rapport à la ligne de référence. Wpos = m x g x h Wpos = énergie (de position) en joules (J) m = masse en kg g = accélération de la pesanteur = 9,81 m/s/s (≈10) h = hauteur en mètres Exemple : une masse de 50 kg, placée à une hauteur de 3 mètres représente une énergie potentielle (de position) de : W = m. g. h = 50 x 10 x 3 = 1500 J ENERGIE DE PRESSION Energie de pression L’énergie de pression est l’énergie potentielle liée à une variation de la pression sur le fluide en mouvement. Wpres = P x S x L = P xV Wpres = énergie (de pression) en Joules P = pression en Pa S = section en m² L = longueur en m V = volume en m3 Il est possible d’écrire : avec m en kg et ρen kg/m3 donc : ENERGIE CINÉTIQUE Energie cinétique L’énergie cinétique représente l’énergie emmagasinée durant le déplacement. Wcin = énergie cinétique en joules m = masse en kg v = vitesse en m/s Equation de Bernoulli Equation de base Un système travaille lorsqu’il fournit ou reçoit de l’énergie. Si nous considérons un système qui évolue entre l’état initial 1 et l’état final 2, nous pouvons écrire que les variations d’énergie sont dues : pour l’énergie de position (énergie potentielle) à la variation de la hauteur : pour l’énergie de pression à la variation de pression : , pour l’énergie cinétique à la variation de vitesse : et à l’équilibre (énergies exprimées en joule) + + Variation énergie cinétique Variation énergie potentielle de position Variation énergie potentielle de pression Notion de circuit Nous venons de rappeler quelques unes des propriétés communes à la majorité des fluides et nous avons évoqué les différents types d’écoulement. Cette notion d’écoulement est directement liée à celle de circulation ou d’alimentation. L’expérience prouve que le site utilisateur d’un fluide est rarement à proximité du lieu de production ou de stockage. Qu’il s’agisse d’eau ou de fluide industriel, le problème est le même. Prenons le cas de l’eau. Nous constatons que celle-ci existe en de nombreux endroits, à la surface du globe ou dans le sous-sol. Par contre, les lieux d’utilisation sont parfois éloignés et il s’avère nécessaire de transporter, de stocker et de redistribuer. Cette démarche entraîne la nécessité de créer des réseaux ou circuits. Nous étudierons ultérieurement les différents types de circuit. Dans l’immédiat, intéressons-nous aux composants principaux qui participent à cette entité : un fluide à transporter qui doit être identifié, une tuyauterie qui doit être déterminée, un élément moteur qui doit être calculé. I.1.2 PERTES DE CHARGES I.1.2.1 Coefficient de perte de charge Les facteurs d’un écoulement le nombre de Reynolds. la vitesse d’écoulement v, le diamètre de la tuyauterie d, la viscosité cinématique du fluide  Détermination de  Définition Le coefficient de perte de charge  se détermine à partir du nombre de Reynolds sur des courbes expérimentales que nous devons à Nikuradsé. Courbes de Nikuradsé Ces courbes font apparaître 3 zones qui définissent des types d’écoulement : écoulement laminaire, écoulement turbulent lisse, écoulement turbulent rugueux. 1 Circuit ouvert Circulation à partir d’un réseau de distribution L’installation comporte un réservoir (bâche ou château d’eau) alimenté à partir d’un puisage ou d’un captage. Ce réservoir est placé en hauteur et alimente par gravité les différents postes d’utilisation. Circuit fermé Le circuit fermé est utilisé dans les installations de chauffage (circulation d’eau chaude) ou de climatisation (circulation d’eau glacée). L’eau passe dans les différents appareils, (échangeurs, évaporateurs ou condenseurs) au travers d’un circuit fermé, sous pression. Elle est constamment recyclée. Le circuit est dit « fermé » car le liquide n’a aucun contact avec l’extérieur. Circuit semi-ouvert L’eau circule dans un circuit dont l’un des éléments établit un contact entre l’eau et l’atmosphère. C’est le cas par exemple des tours de refroidissement d’eau à circuit ouvert. Au niveau de la tour de refroidissement d’eau, il se produit une évaporation. Il est donc nécessaire de prévoir un apport d’eau d’appoint pour rétablir le niveau. Courbes de(s) pompe(s) et réseau Définition Nous avons vu que la pompe est un outil destiné à assurer le transfert d’un certain volume de liquide. Pour cela, elle doit vaincre des pertes de charge et à ce titre, consommer une énergie. Une pompe sera définie parfaitement par les courbes : débit/pression, avec indication des puissances : absorbées, intensité, rendement. Courbes débit/pression Courbes d’intensité Courbes de rendement Par définition, le rendement d’une pompe est l’expression du rapport qui existe entre : le produit du débit par la hauteur manométrique totale (Q H),  la puissance fournie sur l’arbre moteur (Pa). EXEMPLES Couplage des pompes La notion de couplage des pompes est liée à la nécessité d’améliorer les performances soit : en débit, en hauteur manométrique, en débit et hauteur manométrique Pompes en parallèle Lorsque deux pompes sont raccordées en parallèle, les débits s’ajoutent, la hauteur manométrique ne varie pas. Pompes en parallèle et de même débit Pour une même hauteur manométrique, les débits s’ajoutent. Pompes en parallèle et de caractéristiques différentes uploads/s3/ pompes-et-applications-les-fondamentaux.pdf