Effets de la viscosité sur les pompes volumétriques

La viscosité peut-elle affecter les pompes volumétriques ?

Les pompes volumétriques déplacent mécaniquement des volumes fixes de fluide à travers le système. Par conséquent, on pourrait conclure que la viscosité du fluide a peu d’effet sur le débit de la pompe. Cependant, cette contrevérité peut entraîner de graves problèmes dans un système hydraulique si les effets de la viscosité ne sont pas bien assimilés, ce qui implique que le concepteur du système doit communiquer correctement les informations aux ingénieurs en charge du développement de la pompe.

Qu’est-ce que la viscosité ?

La viscosité est le frottement interne des fluides ou une mesure de sa résistance à la déformation en fonction du temps. L’eau est un exemple de faible viscosité tandis que le miel est un exemple de viscosité élevée. Dans les systèmes fluidiques, une viscosité plus élevée augmente la traînée sur les surfaces environnantes. La force (telle que la pression) doit être appliquée pour surmonter l’interaction visqueuse avec les surfaces environnantes (telles que les parois d’un tube).

La viscosité est généralement exprimée de deux manières : cinématique (ν) et dynamique (μ). Les deux sont liées par ν=μ/ρ où ρ est la densité du fluide. Dans les systèmes laminaires, l’utilisation de la viscosité dynamique est la plus courante. La viscosité dynamique est souvent exprimée en centipoises (cPs) où 1 cPs = 10-3 Pa-s. La majorité des problèmes qui interviennent dans les pompes et les systèmes hydrauliques proviennent de fluides à haute viscosité car très peu de fluides ont une viscosité inférieure à celle de l’eau (1 cPs).

Les concepteurs de ces systèmes doivent également être conscients de la façon dont la température affecte la viscosité du fluide. Par exemple, la viscosité d’une solution à 50 % d’eau/glycol varie de près de 5 fois entre 0 et 50 °C. La viscosité de l’eau change 3 fois sur la même plage de température.

Pertes de charge externes

Une caractéristique souvent négligée d’un système hydraulique est la chute de pression dans les tubes. Si l’écoulement est laminaire, la chute de pression dans le tube dépend linéairement de la viscosité. Par conséquent, un fluide de 100 cPs aura 100 fois la chute de pression dans un tube par rapport à l’eau. Les chutes de pression affectent à la fois la sortie de la pompe (pression positive) et l’entrée (pression négative). L’écoulement turbulent dépend beaucoup plus de la densité que de la viscosité et ne vaut pas la peine d’être pris en compte dans cet article.

Les pompes alternatives à débit pulsé sont encore plus sensibles aux pertes de charge et donc à la viscosité du fluide. En effet, leur débit pulsé a des débits de pointe considérablement supérieurs au débit moyen. Cela peut générer des pics de pression (ou de vide) entraînant des irrégularités de dosage, de la cavitation et une usure accélérée de la pompe.

Les formules de calcul de la chute de pression du débit à travers un tube sont facilement disponibles en ligne. Il est important de vérifier que le nombre de Reynolds est inférieur à 2320 pour s’assurer qu’il est laminaire. Dans les tubes circulaires, le nombre de Reynolds est calculé par Re=4Q/((μ/ρ)∙π∙D) où Q est le débit volumétrique et D est le diamètre intérieur du tube. Les écoulements turbulents sont nettement plus difficiles à quantifier et les pertes de charge ont tendance à augmenter rapidement.

Chutes de pression internes

Les pompes qui ne sont pas conçues pour des fluides à haute viscosité peuvent avoir des voies d’écoulement resserrées à l’intérieur de la pompe. Ces flux peuvent créer le même effet que les chutes de pression externes discutées dans la section précédente. Il est toujours important de discuter des détails de l’application avec l’équipe d’ingénierie de la pompe pour s’assurer qu’il n’y a pas de conséquences imprévues.

Fuite interne

Les pompes volumétriques sont toutes affectées par des fuites internes . Le fluide peut s’écouler entre des espaces minces, entre des composants coulissants ou à travers des micro-espaces dans les joints internes. Les fluides à viscosité plus élevée sont moins susceptibles de s’écouler à travers les espaces internes. Ainsi plus la viscosité est élevée, moins le déplacement sera sensible au différentiel de pression.

Capacité de la pompe

Parce qu’il faut plus de force pour déformer rapidement des fluides à viscosité plus élevée, la viscosité d’un fluide affectera directement la puissance requise pour faire fonctionner la pompe. Un exemple serait d’essayer de remuer un bol d’eau plutôt que d’essayer de remuer un bol de miel. Le travail nécessaire pour déplacer la cuillère dans le miel est considérablement plus élevé. Il en est de même pour les pompes. Si les engrenages d’une pompe à engrenages externes doivent tourner dans des fluides à viscosité plus élevée, la perte de puissance pour simplement tourner sera plus élevée. Si la taille du moteur de la pompe est fixe, cela peut entraîner des vitesses plus faibles et une capacité de pompe réduite.

Cavitation

Comme déjà discuté, les fluides à haute viscosité peuvent générer des vides plus élevés à l’entrée des pompes s’ils ne sont pas correctement traités. Une pression moyenne inférieure à l’entrée de la pompe augmente le risque de cavitation à l’intérieur de la pompe. Fait intéressant, des études ont montré que les fluides à haute viscosité ne forment pas un jet de cavitation aussi dommageable que les fluides à faible viscosité. Néanmoins, éviter la cavitation est crucial pour une distribution de fluide optimale et fiable.

Lubrification

Si la pompe a des paliers hydrodynamiques internes, tels qu’une pompe à engrenages à couplage magnétique , des viscosités plus élevées conduiront généralement à une durée de vie plus longue. La charge hydraulique supportée (sans contact solide-solide) est linéairement liée à la viscosité du fluide. Par conséquent, les fluides à viscosité plus élevée fournissent un support au roulement, augmentant sa durée de vie. L’augmentation de la durée de vie, cependant, peut être compensée par certains des autres effets discutés précédemment.

Conclusion

Le concepteur de système hydraulique a rarement le contrôle de la viscosité du fluide. Il est donc essentiel d’être conscient de la façon dont la viscosité du fluide affecte à la fois le système (comme le dimensionnement des conduites) et la pompe. Un dialogue ouvert avec l’équipe d’ingénierie de la pompe au début du cycle de conception permettra d’éviter les coûts et les retards de reconception.