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La cavitation et comment l'éviter

Qu'est-ce que la cavitation ?


Toutes les pompes fonctionnent en créant une basse pression à l'entrée et en permettant à la pression atmosphérique (ou système) de pousser le fluide dans la pompe. Ce procédé rend toutes les pompes sensibles à un phénomène appelé cavitation. La cavitation est la formation de cavités de vapeur (bulles) à l'intérieur d'un liquide lorsque la pression locale diminue rapidement sous la pression de vapeur du liquide. Cela forme une bulle de vapeur à l'intérieur du liquide qui dure généralement peu de temps avant de s'effondrer à nouveau en liquide. L'effondrement est violent, produisant un fort bruit de claquement et endommageant souvent les surfaces avoisinantes. Même les métaux forts seront piqués lorsqu'ils seront soumis au jet fort et localisé résultant de l'implosion de la bulle.

Cycle de vie d'une bulle de cavitation

À l'intérieur des pompes, la cavitation prend souvent naissance derrière une pièce en mouvement, là où il existe des zones de basse pression localisées. L'utilisateur ne s'en rendra peut-être pas compte, mais cela commencera à endommager les composants de la pompe et doit être évité. Au fur et à mesure que la pression d'entrée du système diminue, la cavitation devient plus importante, ce qui produit des fluctuations de la pompe, émet un bruit fort et parfois un liquide trouble à la sortie de la pompe.

Le point de départ de la cavitation est très compliqué à définir. Il s'agit d'une combinaison de la viscosité du fluide, de la pression de vapeur, de la densité, de la température, de la levée hydraulique, de la pression atmosphérique, du type de pompe et de la vitesse de la pompe. Un précurseur de la cavitation est souvent l'augmentation de gaz préexistant piégé dans le liquide. Bien que ces bulles ne constituent pas un risque d'endommagement de la pompe, elles peuvent réduire la précision du débit du fluide.


Restrictions d'entrée


La cavitation la plus fréquente lors de l'utilisation de pompes volumétriques résulte de l'utilisation de tubes longs et de petit diamètre à l'entrée de la pompe. Une équation générale pour la chute de pression à travers un tube est, où :

Q = débit
µ = viscosité dynamique
L = longueur du tuyau
D = diamètre intérieur du tube

Notez que la chute de pression dépend de D4, donc doubler le diamètre intérieur du tube diminuera la perte de charge par un facteur de 16 ! L'équation ci-dessus ne concerne que le flux laminaire (nombres de Reynolds < 2 320). Pour un écoulement turbulent, l'équation est plus compliquée et dépend de la densité plutôt que de la viscosité.

Écoulement laminaire ou turbulent dans les tubes

La tuyauterie n'est pas la seule source de perte de charge souvent négligée par les concepteurs de systèmes hydrauliques. Les filtres d'entrée, les clapets anti-retour et les orifices sont des exemples de composants qui augmentent le vide à l'entrée. Les clapets anti-retour, en particulier, doivent être choisis avec soin afin de ne pas créer un vide trop important.


Cavitation dans les pompes alternatives à déplacement positif


Les pompes alternatives à déplacement positif ne souffrent généralement pas de cavitation interne très localisée comme les pompes rotatives à grande vitesse. Cependant, elles ont un débit très pulsé, ce qui se traduit par des débits de pointe jusqu'à trois fois le débit moyen. Plus important encore, l'arrêt/démarrage fréquent du fluide génère un vide basé sur l'inertie à l'entrée. Lorsque la pompe commence à aspirer le fluide par l'entrée, le fluide derrière elle doit accélérer. Comme pour la traînée visqueuse, les tubes longs et fins sont les pires pour le vide lié à l'accélération du fluide (proportionnelle à D2). Ces aspects des pompes à piston peuvent surprendre un ingénieur système qui conçoit en fonction du débit moyen.

Débit pulsé dans une pompe alternative

Cavitation dans les pompes rotatives à déplacement positif


En plus de la traînée de production de vide mentionnée précédemment, les éléments mobiles à grande vitesse créent une zone de basse pression immédiatement derrière l'élément mobile. Il s'agit d'un risque pour les composants de plus grand diamètre tels que les hélices ou la roue d'une pompe centrifuge et qui n'a pas une influence aussi forte sur les pompes à engrenages plus petites. Cependant, une cavitation interne peut se produire dans une pompe à engrenages au niveau du treillis d'engrenages lorsque le vide s'ouvre entre les deux engrenages et que le volume nouvellement créé est rapidement rempli de liquide. Cet effet peut être minimisé avec des engrenages hélicoïdaux usinés avec précision, générant une ouverture en douceur des mailles de l'engrenage. Néanmoins, les mécanismes internes de la pompe peuvent produire des pertes de charge localisées allant jusqu'à 0,1 bar dans l'eau à des vitesses supérieures à 3 000 tr/min.

Emplacements de cavitation courants dans une pompe à engrenages externes

Les pompes péristaltiques et les pompes à lobes ont un profil d'écoulement relativement pulsé. Cette pulsation produit des vides transitoires semblables à ceux des pompes à piston. Par conséquent, il faut être prudent lors de la mise en œuvre de ces types de pompes.


Hauteur d'aspiration positive nette (NPSH)


Le NPSH est une mesure couramment utilisée par les ingénieurs civils. Les fabricants de pompes centrifuges et de turbines de ce domaine donnent souvent à leurs pompes une cote NPSH, ce qui signifie la pression minimale à l'orifice d'aspiration nécessaire pour empêcher la cavitation de la pompe. Le NPSH est généralement donné en unités de pieds puisqu'il s'agit de l'unité de pression (hauteur manométrique) communément utilisée par les ingénieurs civils aux États-Unis. Les pompes volumétriques pour les applications médicales, alimentaires et de boissons et les applications industrielles légères ne fixent généralement pas de valeurs NPSH aux pompes en raison des grandes variations des fluides, températures, vitesses et autres conditions de fonctionnement.

La meilleure façon d'éviter la cavitation est d'engager le fournisseur de la pompe dès le début de la conception d'un système hydraulique. Les ingénieurs des pompes comprennent la sensibilité de leurs pompes, savent quels niveaux de vide sont tolérables et ont une grande expérience de l'adaptation des systèmes hydrauliques pour éviter la cavitation. Une étroite collaboration entre les concepteurs de systèmes et les ingénieurs des pompes permettra de rationaliser le processus de conception et d'éviter les itérations tard dans le cycle de conception.