Les pertes dues aux pulsations dans les pompes péristaltiques industrielles et leur réduction
Les pompes à tuyau font partie des pompes volumétriques positives. Leur principe de fonctionnement repose sur le fait qu’un rotor comprime le tuyau par sections et achemine ainsi le fluide qui s’y trouve. Ce mode de fonctionnement entraîne inévitablement des pulsations dans le débit. Si ce phénomène n’est pas pris en compte, il peut entraîner une augmentation des pertes par accélération, des variations de pression, des nuisances sonores ainsi qu’une usure supplémentaire du tuyau, des raccords et des canalisations.
Cet article explique comment ces pulsations se produisent, quels sont leurs effets et quelles mesures permettent de réduire considérablement les pertes dues aux pulsations.
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ET ORIGINE DE LA PULSATION
Lors du fonctionnement d'une pompe péristaltique, le rotor comprime complètement le tuyau en plusieurs points. Entre deux rouleaux se trouve à chaque fois une chambre de refoulement fermée, qui contient un volume défini de fluide. À mesure que le rotor continue de tourner, cette chambre se déplace dans le sens du refoulement jusqu'à ce que le contenu soit expulsé du tuyau au niveau de la tubulure de refoulement. Simultanément, le tuyau est déchargé côté aspiration et se remplit à nouveau.
Ce cycle se répète à la fréquence de rotation de la pompe. Le fluide pompé subit alors une accélération qui varie en permanence : de l'arrêt à la vitesse maximale, puis inversement. Ces accélérations et décélérations périodiques entraînent des fluctuations de pression dans le système – les pulsations typiques d’une pompe péristaltique.
Les pulsations sont particulièrement marquées du côté aspiration, où le fluide doit subir une forte accélération. Selon la conception, des pertes dues aux pulsations du côté aspiration de l’ordre de quelques dizaines de kPa peuvent survenir. Du côté refoulement, des pertes supplémentaires apparaissent lorsque le débit pulsatoire doit venir à bout de l’inertie et du frottement de la tuyauterie.
EFFETS DES PERTES DE PULSATION
Les pertes dues aux pulsations se traduisent par des pics et des chutes de pression dans le réseau de tuyauterie. Les conséquences peuvent être multiples :
- sollicitation accrue des flexibles de pompe, des robinetteries et des appareils de mesure
- génération de bruits gênants et de vibrations
- débit volumique irrégulier, entraînant par exemple des problèmes de processus lors du dosage ou de la pulvérisation
- besoins énergétiques accrus, car un travail d'accélération supplémentaire doit être fourni à plusieurs reprises
Selon l'application, les pulsations peuvent également nuire à la précision des débitmètres lorsque ceux-ci nécessitent un débit volumique aussi régulier que possible.
INFLUENCE DE LA CONCEPTION DES CONDUITES
L'ampleur des pertes dues aux pulsations dépend essentiellement de la géométrie de la tuyauterie. Les facteurs déterminants sont les suivants :
- la longueur et le diamètre des conduites
- la disposition des robinets et des raccords
- le type de conduite d'aspiration et des raccords côté refoulement
Des inadéquations – par exemple un diamètre de tuyau trop petit ou des conduites d'aspiration mal conçues – peuvent considérablement amplifier les pulsations. Une conception minutieuse de la tuyauterie constitue donc la première étape pour réduire les pertes par pulsations.
RÉDUCTION DES PULSATIONS GRÂCE AUX POMPES DUPLEX
L'utilisation de pompes péristaltiques duplex constitue une mesure constructive efficace. Dans ce cas, deux têtes de pompe fonctionnent en décalage l'une par rapport à l'autre sur un même arbre. Les débits des deux têtes se superposent, de sorte que les pics de pulsation individuels s'équilibrent en partie les uns les autres.
Selon la taille, les pertes dues aux pulsations peuvent être réduites de 50 à 75 % par rapport à un modèle simple (pompe simplex). Parallèlement, les variations de pression et les vibrations au sein du système diminuent considérablement.
AMORTISSEUR DE PULSATIONS CÔTÉ PRESSION
Dans de nombreuses applications, on utilise en outre des amortisseurs de pulsations côté refoulement. On distingue deux principes de base :
- Amortisseurs simples sans séparation du fluide
Ce modèle s'apparente à un réservoir d'air. Le coussin d'air et le fluide pompé sont en contact direct. L'air est comprimé puis décomprimé, agissant ainsi comme un « ressort ». L'inconvénient est que l'air se dissout progressivement dans le fluide, ce qui réduit l'efficacité de l'amortisseur. De plus, ces amortisseurs sont généralement de taille relativement importante. - Amortisseurs de pulsations avec séparation du fluide
Les amortisseurs de pulsations en ligne modernes séparent l’air ou le gaz du fluide transporté à l’aide d’une membrane flexible, d’une vessie ou d’un soufflet. Ils s’intègrent directement dans la tuyauterie et fonctionnent de manière nettement plus efficace. Le volume d’amortissement peut être conçu de manière compacte, et le fluide reste totalement séparé de la charge gazeuse – un avantage indéniable dans les processus où l’hygiène ou la sécurité sont essentielles.
On distingue en outre les amortisseurs actifs et passifs. Les systèmes actifs adaptent automatiquement la précontrainte du gaz à la pression de service actuelle et maintiennent ainsi le point de fonctionnement constant. Les amortisseurs passifs sont précontraints une seule fois ; en cas de variation importante de la pression de service, leur efficacité peut diminuer, ce dont il convient de tenir compte lors du dimensionnement.
MÉTHODES DE CUISSON À LA VAPEUR NON CONVENTIONNELLES
En principe, les pulsations peuvent également être réduites par l'injection ciblée d'air ou de gaz du côté aspiration. Ces méthodes d'amortissement « non conventionnelles » doivent toutefois être considérées avec prudence : dans de nombreux procédés, la présence de bulles de gaz dans le produit est indésirable, complique la mesure du débit ou entraîne une perte de qualité. C'est pourquoi de telles solutions n'entrent en ligne de compte que dans des applications spécifiques.
ÉCONOMIE D'ÉNERGIE GRÂCE À LA RÉDUCTION DES PULSATIONS
Les pertes dues aux pulsations entraînent toujours des pertes d'énergie. Chaque accélération supplémentaire du fluide nécessite une puissance d'entraînement qui, au final, se dissipe sous forme de chaleur dans le système. Des mesures appropriées – un tracé adapté des canalisations, des pompes duplex et des amortisseurs de pulsations conçus de manière efficace – permettent de réduire sensiblement la consommation d'énergie d'une installation de pompes péristaltiques.
Des mesures montrent que l'utilisation d'amortisseurs de pulsations adaptés permet de réaliser des économies d'énergie pouvant atteindre environ 15 %. Parallèlement, la pompe et le tuyau sont soulagés sur le plan mécanique, ce qui prolonge leur durée de vie et réduit les coûts de maintenance.
CONCLUSION
Les pulsations sont une caractéristique inhérente aux pompes péristaltiques industrielles. Toutefois, si elles sont prises en compte lors de la conception et de l'installation, les pertes dues aux pulsations peuvent être efficacement limitées. Une combinaison judicieuse entre :
- un tracé optimisé des canalisations,
- une configuration de pompe adaptée (par exemple, une pompe duplex) et
- des amortisseurs de pulsations correctement dimensionnés
permet d’obtenir un fonctionnement plus silencieux, des variations de pression réduites, une usure moindre et une consommation d’énergie plus faible. Il est ainsi possible de profiter des avantages de la pompe péristaltique – conception simple, débit élevé et compatibilité avec les fluides – sans effets indésirables.
