Pompe

Une pompe est un dispositif permettant de déplacer un fluide par aspiration ou refoulement, en faisant varier la pression à l'entrée ou à la sortie du système. Le terme générique désigne parfois des machines élévatrices qui réalisent ce déplacement par transport, en soulevant l'eau sans variation de pression, ne répondant pas stricto sensu à la définition des pompes.

Le fluide pompé est le plus souvent un liquide, un gaz dans le cas des pompes à vide (lorsque le gaz est comprimé, le terme plus correct est compresseur), parfois une poudre ou un produit pâteux. Le pompage de l'eau est l'usage originel, notamment pour l'irrigation, les besoins en eau potable, l'épuisement des cales des navires ou la lutte contre les incendies. À partir de la révolution industrielle tous types de liquides seront pompés lors de leur mise en œuvre ou de leur utilisation : des liquides alimentaires aux hydrocarbures en passant par les eaux usées, les liquides de refroidissement ou les liquides biologiques comme le sang, pour lequel le cœur fonctionne comme une pompe.

Les applications des pompes sont innombrables, pour le transport sur de longues distances (oléoducs, assainissement...), la circulation en circuit fermé dans divers réseaux ou machines (chauffage, véhicules, dialyse...), ou l'élévation de pression des pompes à incendie et des systèmes hydromécaniques (presses hydrauliques, engins de chantier...); tous les secteurs d'activité en utilisent, elles consomment de l'énergie électrique produite dans le monde.

L'énergie nécessaire au fonctionnement des pompes est généralement fournie par un moteur électrique ou thermique, cette énergie mécanique est retransmise au fluide sous forme de débit (énergie cinétique) et de pression (énergie potentielle).thumb|Pompe à eau à Fixin (Bourgogne). thumb|Pompe à eau citadine à Bruges.

Histoire Le besoin de transporter et d'élever l'eau, des rivières ou des puits jusqu'aux lieux d'utilisation, apparaît vraisemblablement dès que l'humanité se sédentarise. Le puisage et le transport à la seule force musculaire humaine à l'aide de récipients sont fastidieux et ont de faibles rendements. Le développement de l'agriculture et sa maîtrise, l'essor des villes et de la démographie, l'altitude des terres cultivables, sont autant de facteurs liés à la mécanisation du puisage de l'eau, principalement pour l'irrigation autre que gravitaire. Le captage de la ressource hydraulique au moyen de seaux ou d'outres à l'aide de balancier est attesté à partir du . La vis d’Archimède, aussi appelée vis sans fin, est un dispositif mis au point par Archimède lors d'un voyage en Égypte, permettant aux habitants du bord du Nil d'arroser leurs terrains. La pompe à pistons naît probablement à Alexandrie, dans la première moitié du , dans le contexte des travaux de Ctésibios sur la pompe à air pour l’orgue hydraulique. L’ouvrage de Philon de Byzance intitulé Pneumatiques, au milieu du , est le premier texte conservé à décrire la pompe à eau jusqu’au texte du De architectura de Vitruve qui décrit la « machine de Ctésibios » vers 25 avant J.C.. L'ancienne pompe à godets est inventée en Chine au

Durant l'époque de la culture gréco-romaine, de nombreux principes de physique et d'hydraulique sont découverts, mais pas forcément développés. D'anciennes théories selon lesquelles ces découvertes ne servent souvent qu'à la démonstration de calculs mathématiques (jeux intellectuels) ou aux divertissements (fontaines, jeux d'eau, tours de magie), ou encore qu'elles ne trouvent pas d'intérêt économique face à la main d’œuvre presque gratuite des esclaves sont largement controversées par les études les plus récentes qui questionnent l'impact de ces techniques sur les rendements agricoles, le bien-être et l'état sanitaire des populations.

En 1643, Torricelli explique pourquoi une pompe ne peut pas aspirer d'eau à plus de . Le bélier hydraulique, inspiré de la « machine à pulsation » de John Whitehurst, est utilisé en par Joseph-Michel Montgolfier comme système de pompage. Les principes des pompes centrifuges et des pompes à vide sont découverts à la fin du .

Les moulins (à eau ou à vent, selon les pays) seront le principal moyen de production d'énergie autre que l'énergie animale ou humaine. L'explosion démographique dans la deuxième partie du obligera à mécaniser l'outil de production. Il faudra attendre la fin du pour que les premières pompes soient réellement construites et utilisées de façon industrielle.

Au début du , les progrès apportés aux pompes centrifuges grâce à l'emploi de moteurs électriques ou de turbines à vapeur, notamment les travaux d'Auguste Rateau, permettent d'atteindre des pressions de refoulement de plusieurs centaines de mètres de colonne d'eau, jusqu'alors réservées aux pompes à piston. Les pompes rotodynamiques bousculent alors l'hégémonie des pompes volumétriques et deviendrons progressivement la technologie de pompage la plus employée.

Typologie des pompes

Techniques d'élévation de l'eau Beaucoup de systèmes ne sont pas à proprement parler des pompes mais des machines élévatoires, ou élévatrices, parmi lesquelles on trouve tous les procédés utilisant des récipients remplis d'eau, quels que soient leur niveau de mécanisation ou d'entraînement; les arrosoirs, seaux, paniers ou rigoles basculantes, godets, éventuellement entraînés par des systèmes de cordes et poulies, de chaines ou de roues à aubes sont des dispositifs d'élévation de l'eau par transport.

Classification On peut classer les pompes de plusieurs façons qui évoluent au cours de l'histoire: selon la technologie employée pour le pompage, le fluide pompé, l'énergie motrice, le mouvement rotatif ou rectiligne du système, ou bien selon l'usage qui en est fait. Considérant les pompes en tant que mécanisme, elles se divisent en deux grandes classes:

les pompes rotodynamiques regroupant les pompes centrifuges, hélicocentrifuges, et les hélices; Les pompes volumétriques, comprenant les pompes volumétriques alternatives (piston et membrane) et les pompes volumétriques rotatives (palettes, lobes, vis, engrenages...).

Autres classements Les mouvements d'entraînement transmis aux organes des pompes sont comme tous les mouvements mécaniques de deux grands types : rotatif ou rectiligne (alternatif).

On parle de familles de pompes par usages, comme les pompes de transfert, les pompes d'irrigation, les circulateurs de chauffage, les pompes doseuses, etc. Ces familles par usage comprennent parfois des technologies de pompes différentes (rotodynamique, volumétrique alternative ou volumétrique rotative).

Les pompes peuvent être classées selon leur mode d'entraînement : manuelles, électriques...

Machines élévatoires vignette|Machines élévatoires : 11-12 roues à godets; 13-14 tympan; 15 chaîne à godets; 16-17 chapelet incliné; 18 chapelet vertical; 19 vis d'Archimède

Puits à balancier

Le puits à balancier, puits cigogne, seau à bascule, ou encore chadouf, est une machine élévatoire qui utilise le principe du levier pour puiser et élever l'eau d'un puits, d'un point d'eau ou d'un cours d'eau. Un levier, pivotant sur un support, est lesté à une extrémité; l'autre extrémité suspend un récipient au bout d'une perche en bois, d'une corde ou d'une chaîne. Le système, actionné manuellement, diminue considérablement l'effort nécessaire au puisage, et est adapté pour des hauteurs d'élévation d'environ . Le puits à balancier est le premier mécanisme connu d'élévation de l'eau, représenté notamment sur un sceau-cylindre de l'empire d'Akkad, en Mésopotamie, vers .

Roue élévatoire Le terme Noria désigne tous les mécanismes destinés à élever l'eau à l'aide d'une roue, parmi lesquels on retrouve les puits à roue, les manèges ou roues persanes, ou encore les pompes à chapelet.

Pompe à chapelet Le chapelet, initialement incliné de , est constitué de deux axes horizontaux autour desquels s'enroule une sorte de chaîne sans fin; elle peut être en bois, en métal ou en corde. Des planchettes rectangulaires, perpendiculaires et solidaires de la chaîne, y sont disposées à intervalles réguliers. Les deux brins de la chaîne sont tendus entre les deux axes, et le brin inférieur, équipé de ses planchettes, se loge dans un canal, en forme de U, qui épouse leur formes.

Le chapelet vertical apparaît ensuite comme une évolution du chapelet incliné, avec de meilleures performances que son prédécesseur; le canal en forme de U devient une conduite rectangulaire fermée et l'ensemble est installé verticalement. Il évolue ensuite avec le remplacement du canal de transport de l'eau par un tuyau, les planchettes sont remplacées par des rondelles faisant monter l'eau..

Chaine à godets Des variantes de la chaine à godets sont apparues dès l'antiquité : la roue persane, appelée aussi noria par extension. Ces variantes sont surtout utilisées pour l'irrigation.

Roue persane

Tympan

Vis d'Archimède

La vis d'Archimède, parfois abusivement appelée vis sans fin, est un dispositif qu’Archimède aurait mis au point lors d’un voyage en Égypte, permettant aux habitants du bord du Nil d'arroser leurs terrains.

Pompes volumétriques

Une pompe volumétrique est un type de pompe dans laquelle le mouvement du fluide est créé car un volume de fluide isolé est forcé à se déplacer jusqu’à l’orifice de sortie. Dans la plupart des pompes volumétriques, le fluide est également comprimé avant son refoulement. Elles sont d'une grande diversité, et divisée en deux catégories : les pompes alternatives et rotatives. Dans les bases de données de brevets, elles portent le nom de « pompes à déplacement positif ».

Pompe à piston thumb|Pompe à vin à piston. La pompe à piston est composée de plusieurs parties telles que la crépine, la soupape d’aspiration, le piston, la tringle, le tuyau de refoulement ou la superstructure.

Ce type de pompe utilise un piston coulissant de manière étanche dans un cylindre pour repousser un fluide, admis précédemment dans le cylindre par l'intermédiaire d'un clapet, d'une soupape ou d'une lumière, grâce à l'aspiration provoquée par le recul du piston. Une réalisation remarquable de pompe à piston entraînée par des roues à augets est la machine de Marly.

Les performances sont élevées : pression de plusieurs milliers de bar, notamment pour le découpage jet d'eau ; débit jusqu'à 500 L/min ;

Il existe différents montages mécaniques, dont :

Pompe à pistons axiaux

Les pistons sont situés parallèlement à l'axe de transmission. Ils fonctionnent grâce à : une glace sur laquelle glissent les patins situés en pied de pistons ; un barillet dans lequel sont logés les pistons.

Certaines pompes peuvent fonctionner avec des solutions aqueuses, voire à l'eau pure.

Pompe à pistons radiaux

Dans la pompe à pistons radiaux, les pistons se déplacent vers l’extérieur et vers l’intérieur en formant un angle de 90 degrés par rapport à l’axe de l’arbre. Lorsque le poussoir roule vers le bas de la came (logement ovale), le piston se déplace vers l’extérieur. La pression atmosphérique ou une pompe de charge pousse l’huile à travers l’orifice d’entrée de valve et remplit l’espace laissé par le mouvement du piston. Lorsque le poussoir roule vers le haut de la came (logement ovale), le piston se déplace vers l’intérieur. L’huile est poussée hors du cylindre et à travers l’orifice de sortie (refoulement).

Pompe à palettes

Ce type de pompe est surtout utilisé pour diminuer ou augmenter la pression des gaz : pompe à vide, compresseur d'air, climatiseur, réfrigérateur, etc.

Il est aussi très utilisé dans les circuits hydrauliques. Elles sont à débits fixes ou variables.

Les pompes à palettes sont peu bruyantes.

Bélier hydraulique