ETUDE THEORIQUE DES POMPES CENTRIFUGES A MELANGE LIQUIDE SOLIDE

De vastes tonnages sont pompés chaque année sous forme de mélange liquide solide par des pompes centrifuges. Ces systèmes de transport ne furent mis au point qu’après la seconde guerre mondiale. Depuis cette époque les techniques de transport par canalisation se sont rapidement développés, de centaines de kilomètres de conduite ont été posées dans plusieurs pays. Au Florida (U S A) du phosphate est récupéré par des draglines énormes dans des travaux miniers à ciel ouvert, mélangé à l’eau puis pompé vers des usines de lavage par des pipelines sur une longueur d’environ 10 kilomètres à raison de 34 millions de tonnes par année. Au Black Messa (U S A) du mélange de charbon partiellement traité est transporté de la mine jusqu’à une station de production de l’énergie électrique sur une distance de 400 kilomètres et ça depuis 1970. La pression de service est de 75 bars. A l’époque actuelle, le transport hydraulique des mélanges liquides solides par des pompes centrifuges est largement appliqué dans différents domaines d’industrie; minière, chimique et dans l’agriculture.

Les pompes centrifuges, en raison de leurs avantages inhérents, de débit élevé et consistant , faible coût , facilité d’entretien et une stabilité meilleure sont de plus en plus utilisées pour pomper des mélanges liquides solides par des pipelines. Le choix des pompes centrifuges pour n’importe quel système de transport dépend principalement des expériences antérieures et /ou sur les caractéristiques de la pompe fonctionnant en eau claire. Beaucoup de chercheurs ont prouvés que les performances de la pompe dépendra du comportement mélange soit comme fluide Newtonien, soit comme fluide Bingham. Des conclusions générales tirées de la plupart des chercheurs sont que la hauteur développée ainsi que le rendement diminuent tandis que la puissance fournie augmente avec l’augmentation de la densité du mélange. Les variables qui affectent directement les performances de la pompe sont : la concentration, les propriétés physiques du solide à savoir ;le densité ,la forme,la taille, la distribution granulométrique des particules ainsi que la taille et l’écoulement à l’intérieur de la pompe .

Plusieurs chercheurs, ont essayés de corréler leurs données expérimentales des essais des pompes avec certaines de ces variables et ont présenté des corrélations pour estimer les performances des pompes centrifuges fonctionnant en mélange en se basant sur les caractéristiques déterminées pour de l’eau claire. Fairbank (1942), a donné une méthode théorique pour calculer la hauteur développée par la pompe fonctionnant en mélange. Les vitesses des particules liquides et solides à la sortie de la roue sont d’abord déterminées ensuite employées pour le calcul. Vocaldo et autres (1974), dans leur analyse théorique ont supposé que les pertes principales dans une pompe fonctionnant en mélange sont dues à l’interaction des particules solides et à l’énergie dépensée pendant le mouvement. Riezes (1976), Cave (1976), Sellgren (1979) et Mcelvain (1974) ont également présentés des corrélations pour calculer les coefficients de réduction des paramètres de la pompe. La comparaison des ces coefficients avec les résultats expérimentaux faits par Holzenberger (1980), Metz (1984), Sellgren and Vappling (1986), Wilson (1997) et enfin F. NI, W.J. Vlasblom (2002) ont prouvé que les corrélations sont diverses et dépendent des caractéristiques physico mécaniques du mélange (densité, taille et formes des particules, concentration etc.) ainsi que les paramètres constructifs de la pompe (nombre d’aubes, forme etc.) Geoff Moore (2003) donne une solution pratique qui permet de déterminer les coefficients de la hauteur, du rendement en fonction de la granulométrie, du diamètre des particules solides, de la concentration et du rapport du diamètre des particules solides et le diamètre de la roue.

Analyse des pompes utilisées dans le processus de transport et leurs caractéristiques

L’analyse des conditions de fonctionnement des pompes à mélange liquide solide montre que le pompage de ces derniers pose des problèmes particuliers résultant des risques d’obstruction de la pompe et des conduites par les matières solides, sans précautions particulières les particules obstruent l’orifice d’aspiration, s’accrochent aux aubages et peuvent provoquer l’usure de la roue mobile et méme bloquer la pompe.

Les procédés utilisés dans la majorité des cas des processus pour permettre le pompage des mélanges consistent à utiliser des pompes dont les roues comportent un nombre d’aubes très limité de façon à réserver des sections suffisantes pour permettre le libre passage des particules solides contenues dans l’eau. Parfois les roues sont couvertes de matière résistante à l’action mécanique des particules solides pour diminuer l’usure rapide des aubes. Dans les entreprises Algériennes on utilise différents types de pompes centrifuges ; à Ismail (Algérie) les pompes employées sont des pompes soviétiques à sable de type ПHBГ-2-61 avec un débit de 28,3m3 /h et une hauteur de 20 m. Dans ces pompes l’aspiration s’effectue radialement, cela permet de protéger l’arbre de la pompe de l’usure et pour éviter le passage des particules solides à travers les paliers on utilise des roues supplémentaires avec des aubes radiales qui mettent le mélange en mouvement de rotation ce qui entraine une réduction de la pression entre le flasque arrière de la roue d’action et le corps de la pompe.

Pour les pompes à sable à aspiration axiale la protection de l’arbre se fait par une douille de protection et le disque arrière de la roue est muni d’aubes radiales jouant le même rôle que celui des pompes à aspiration radiale. Les pompes centrifuges de type Wilfley sont employées pour l’acheminement du minerai de la carrière vers l’usine de traitement de Rais-hamidou (Algérie) sur une distance de 3000 m et une conduite de 200 mm de diamètre. Les pompes Wilfley ont des roues d’action couvertes de matière protectrice et elles peuvent assurer des débits de 200 m3/h. La dépression crée par ce vortex facilite l’aspiration du liquide et des matières solides ces dernieres sont entrainées vers la tubulure de refoulement par la force centrifuge et n’ont pratiquement par de contact avec la roue, de ce fait elle ne risque pas d’être endommagée par la même raison, l’engueulement de la pompe est évité grâce à la forme spéciale des parois internes du corps de le pompe. Les mélanges transportés par ce type de pompe peuvent comporter un pourcentage important de particules solides. Il est à noter que la majorité des pompes utilisées sont des pompes centrifuges à console.

Analyse bibliographique des pompes à mélange liquide solide

Les résultats obtenus par les chercheurs sur le processus de fonctionnement des pompes centrifuges à déblai sont différents: on a effectué des essais [5] sur des pompes centrifuges 4k-6 en suspension de houille dont 75% des particules ont un diamètre compris entre 0 et 0,07 mm et une densité de mélange égale à 1220 kg/m3.

En changeant la concentration de 25% à 44% on a remarqué qu’avec une concentration de 25% le mélange se présente comme un liquide newtonien mais en augmentant la concentration le mélange il deviendra un liquide Bingham. Aussi notant que l’augmentation de la densité du mélange mène à un changement de la caractéristique de la pompe H= (Q) (Figure.1.9) qui ne peut pas être expliqué avec les méthodes existantes du calcul des caractéristiques des pompes. En augmentant la densité du mélange les zones de faible débit sont caractérisées par une intense courbure de la caractéristique H= (Q) dans les zones du débit optimal les courbes H= (Q) ont des extremums, ce phénomène est expliqué par le changement des propriétés du mélange dues à l’augmentation de la viscosité. L’augmentation de la densité du mélange provoque aussi l’augmentation de la puissance consommée et la réduction du rendement de la pompe. Les essais présentés [10] sur la pompe 5M (Figure.1.10.) en suspension de magnétite ( ρm=1900 kg/m3 , et ρs=4600 kg/m3 , Cv=28% et un diamètre des particules solides inférieur à 0,074mm) montrent que l’augmentation de la densité du mélange mène à la chute de la caractéristique H= (Q) de la pompe. Pour la densité 1900kg/m3 la chute de la courbe de la hauteur est d’environ 12% celle du rendement elle est de – 5%, pour le régime avec un grand débit on a une grande chute de la caractéristique H= (Q).

Comme on le voit l’analyse des recherches présentées pour différentes pompes et différentes caractéristiques des mélanges liquides solides ne peuvent pas être prises comme base de calcul des caractéristiques des pompes fonctionnant en mélange. Tout cela nous mène à connaître les caractéristiques principales des mélanges tels que ; la concentration, la granulométrie, la viscosité etc. et étudier les paramètres influents sur les caractéristiques individuelles des pompes centrifuges. La vaste application des pompes centrifuges dans le transport hydraulique des mélanges liquides solides et pour différentes conditions pose devant les chercheurs des grands problèmes pour le choix rationnel du type de pompe capable de travailler avec une grande concentration et une durée de vie plus grande ainsi avec une vitesse de transport sans décantation du mélange dans les conduites de transport et une usure minimale des éléments de la pompe.

Table des matières

INTRODUCTION GERNERALE
CHAPITRE.1 : ECOULEMENT INTERNE DANS LES POMPES CENTRIFUGES
Introduction
1.1 Equations de base
1.1.1. Equation de l’écoulement incompressible
1.1.2. Equations dans le repère relatif
1.2. Classification des pompes centrifuges
1.3. Courbes caractéristiques théorique
1.4. Pertes dans une pompe centrifuge
1.4.1. Courbes caractéristique réelle
1.5 .Analyse des pompes utilisées dans le transport et leurs caractéristiques
1. 6. Analyse bibliographique des pompes centrifuges à mélange liquide solide
CHAPITRE.2. : CARACTERISTIQUES PHYSICOMECANIQUES DES MELANGES
2.1. Rhéologie des mélanges
2.1.1. Concentration
2.1.2. Notions de mouvement de cisaillement et viscosité
2.1.2.1. Définition
2.1.2.2. Contrainte de cisaillement
2.1.2.3. Déformation et vitesse de cisaillement
2.1.2.4. Equation d’état
2.1.3. Typologie de l’écoulement
2.1.3.1. Fluides à contrainte critique
2.1.3.2. Fluides sans contrainte critique
2.1.4. Facteurs influençant la rhéologie des mélanges
2.1.4.1. La teneur en solide
2.1.4.2. La température
2.2. L’agressivité
2.2.1. Evaluation de l’érosion par le calcul
2.3. Dureté des solides transportés
2.4. Caractéristiques des mélanges et vitesse de chute
CHAPITRE.3. : ETUDE THEORIQUE DES POMPES CENTRIFUGES A MELANGE LIQUIDE SOLIDE
3.1. Caractéristiques hydrauliques des pompes
3.1.1. Application de la théorie des filets sur le processus de fonctionnement des pompes centrifuges
3.1.2. Application de la théorie tourbillonnaire
3.1.3. Analyse du fonctionnement de la roue en appliquant la théorie tourbillonnaire
3.1.4. Détermination des coefficients de correction de la hauteur théorique de la pompe centrifuge
3.2. Paramètres influents sur les caractéristiques des pompes centrifuges
3.2.1. Hauteur théorique de la pompe fonctionnant en mélange
3.2.2. Les pertes de charge supplémentaires dans la roue mobile d’une pompe centrifuge fonctionnant en mélange liquide solide
3.3. Analyse des méthodes de correction des caractéristiques des pompes centrifuges fonctionnant en mélange liquide solide
3.4. Conclusion
CHAPITRE. 4. ETUDE EXPERIMENTALE DES POMPES CENTRIFUGES A MELANGE LIQUIDE SOLIDE
4.1. Problématique
4.2. Schéma du stand et méthodologie des essais
4.3. Choix des appareils de mesure et erreurs de mesure
4.3.1. Mesure du débit de la pompe
4.3.2. Mesure de la densité du mélange
4.3.3. Analyse granulométrique du solide
4.3.4. Mesure de la puissance du moteur de commande
4.4. Traitement et discussions des résultats des recherches expérimentales
4.4.1. Influence de la taille de la pompe
4.4.2. Influence des propriétés du solide transporté
4.4.3. Influence de la concentration du mélange
4.5. Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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