Le gisement de pétrole brut et de gaz naturel a donné place à l’inspiration des moyens de transport de ces produits vers les marchés, inspiration aboutie et se matérialisant par la mise en place des réseaux pipelinier au cours des années. Et les distances étaient un bénéfice aux côtés d’un notre gain très important celui de l’implantation de ces pipelines là où les locomotives ne pouvaient accéder. C’est l’avènement du transport par canalisation et conduisant à la définition d’un pipeline comme mode de transport des matières fluides réalisé au moyen des conduites constituant en général un réseau.

Toutefois il est aberrant de croire que ce transport sera assuré par l’effet de la gravité si l’on veut vaincre tous les reliefs mais aussi les pertes des charges dues au frottement du produit avec les parois internes de la canalisation ou encore à des singularité. Sur ce, une puissance mécanique convertie par un dispositif en puissance hydraulique est nécessaire. Et, un autre dispositif en amont devra recevoir de l’énergie électrique qu’il convertira en mécanique. Voilà la nécessité de deux dispositifs dont la pompe et le moteur électrique ou thermique.

Les hôpitaux pourraient être à l’origine d’une pollution dont il faut tenir compte dans une démarche générale d’évaluation du risque sanitaire et environnemental. Les études déjà réalisées aboutissent à la conclusion que l’effluent hospitalier est à rapprocher qualitativement d’un effluent domestique. Cependant l’importance des volumes d’eau consommés aboutit à des flux de pollution ramenés à un lit d’hôpital supérieurs à ceux définis pour un équivalent habitant (Selman.B, 2013). De plus il semble que les rejets de certains services (radiothérapie, service de contagieux,…) puissent être considérés à risques. La gestion des déchets hospitaliers s’est bien généralisée et il pourrait être nécessaire de considérer le cas des rejets liquides. (Selman.B, op.cit).

C’est ainsi que le dimensionnement d’un système moteur, pompe centrifuge et tuyauterie de canalisation sera la clé du présent travail. Ce dernier sera subdivisé en trois chapitres mis à part l’introduction et la conclusion, lesquels porteront respectivement sur les généralités sur l’hydraulique, l’ensemble moteur électrique (thermique) et pompe autrement appelé groupe électropompe (motopompe) enfin l’étude du fonctionnement du groupe motopompe.

1. Généralités sur l’hydraulique

Le mot hydraulique vient du mot grec hydraulikos qui vient d’orgue à eau qui dérive à son tour d’eau et de tuyaux. Dans le monde méditerranéen, les premiers grands maitres de cette science furent Héron d’Alexandrie et Ctésibios. Ce dernier perfectionna la Clepsydre, une horloge à eau fonctionnant sur le principe d’un écoulement régulier au fil du temps. Aussi il inventa un monte-charge et une orgue hydraulique ; l’hydraule.

De manière générale le fluide utilisé dans les systèmes hydrauliques est incompressible. Une pression est appliquée au fluide par l’intermédiaire d’un piston dans un cylindre provoquant une pression équivalente sur un autre piston qui délivre l’énergie. Si la surface du second piston est supérieure à celle du premier, alors la force exercée par le second piston est supérieure à celle appliquée au premier piston. C’est le principe de la presse hydraulique, qui a été découvert en 1650 par Blaise Pascal et mis en application en 1785 par Joseph Bramah. Un des fondateurs de l’hydraulique moderne a été Benedetto Castelli, élève de Galileo Galilei. Ainsi l’hydraulique est la science, la technique des liquides en mouvement.

1.2. Définitions

• L’hydraulique est en fait une branche de la physique qui étudie les fluides sous pression. • Un fluide est un milieu matériel continu, déformable et qui peut s’écouler. L’état fluide englobe donc deux des trois états de la matière : l’état liquide et l’état gazeux. Habituellement étudiés, les liquides et les gaz sont isotropes, c’est-à-dire que leurs propriétés sont identiques dans toutes les directions de l’espace. La différence majeure entre les deux fluides réside au niveau de l’incompressibilité que les liquides présentent et que les gaz n’en possèdent. Ainsi, l’hydraulique se consacre aux liquides alors que l’aéraulique s’occupe des gaz.

1.3.1.2 L’écoulement turbulent

Il est caractérisé par un mélange aléatoire des couches de fluide. À cause de ce mélange, la distribution des vitesses est beaucoup plus uniforme le long de la section transversale du conduit. Le mélange a un effet positif sur le transfert de chaleur. Par contre, le mélange se traduit par la pulsation de la vitesse et de la pression. Ces pulsations peuvent être transférées à l’ensemble de la tuyauterie et à l’équipement, et provoquer des vibrations4. (Source : Mécanique des fluides Notions scientifiques de base).

Notons qu’en approfondissant les études sur les écoulements turbulents les conclusions ont été concluantes. Il existe encore une subdivision entre les écoulements turbulents lisses et les écoulements turbulents rugueux. La limite entre ces différents types d’écoulements est évidemment difficile à appréhender.

En utilisant divers fluides à viscosités différentes et en faisant varier le débit et le diamètre de la canalisation, Reynolds a montré que le paramètre qui permettait de déterminer si l'écoulement est laminaire ou turbulent est un nombre sans dimension appelé nombre de Reynolds donné par l’expression suivante:

Les pertes de charges correspondent à l’énergie dissipée par le frottement du liquide. Cette énergie doit être compensée afin de permettre au liquide de se déplacer. Physiquement, elles correspondent à une perte de pression dans une canalisation. On les exprime donc sous la forme d’une variation de pression (∆) ; bien qu’elles soient en fait représentative d’une dissipation d’énergie et qu’elles apparaissent dans l’équation de Bernoulli comme une hauteur de colonne d’eau. Il existe deux types de pertes de charge :

1.4.1. Les pertes de charge régulières

Comme nous l’avons vu, les pertes de charge régulière existent dans toutes les canalisations, elles sont la conséquence de la perturbation du fluide par la paroi. Ainsi la perturbation peut se caractériser par le nombre de Reynolds Re. Donc plus Re est élevé plus le fluide est perturbé et plus les pertes de charge sont importantes. Les pertes de charge vont donc suivre différent modèle suivant le régime du fluide et la rugosité de la canalisation. Ces deux notions sont introduites dans le calcul des pertes de charges par le coefficient. On a alors : ∆= ××× (1.2)

Les pertes de charge vont donc suivre différent modèle suivant le régime du fluide et la rugosité de la canalisation. Ces deux notions sont introduites dans le calcul des pertes de charges par le coefficient. On a alors : ∆= ××× (1.2)

Avec l : Longueur du tube en (m),
 : Masse volumique du fluide en (⁄ )
: Facteur de perte de charge répartie (sans dimension)
V : Vitesse du fluide en (⁄)
D : Diamètre de la conduite (m)
Remarque : Si la section de la canalisation n’est pas circulaire, on calcul un diamètre hydraulique équivalent.
Détermination de  en fonction du régime et de la rugosité.
A - Pour Re < 2100 (régime laminaire)
Les pertes de charges sont dans ce cas assez simples à calculer car elles ne dépendent pas de la rugosité de la canalisation.

Contrairement aux pertes de charges linéaires qui sont proportionnelles à la longueur de la conduite, les pertes de charges singulières sont provoquées par des singularités de dimensions restreintes tels que changement de section, coude... En écoulement turbulent, toutes ces pertes de charges se mettent sous la forme : J= (1.11) Où k est un coefficient sans dimension, caractérisant la singularité. Ces pertes de charge singulière présentent également la particularité d'être parfois non additives.

Le Groupe Motopompe

Un groupe motopompe est un ensemble composé d’un moteur électrique ou thermique entrainant une pompe hydraulique. Cet ensemble peut être fixe ou mobile (sur remorque ou sur camion).

Un modèle particulier de groupe motopompe est la motopompe utilisée par les sapeurs pompiers. Il s'agit d'une pompe centrifuge entraînée par un moteur thermique l'ensemble se doit d'être particulièrement léger (~200 kg) et transportable.

2.2.1. La partie hydraulique : La pompe

Le principe de la pompe est apparu dès que l'homme a su construire un habitat artificiel pour se protéger des éléments naturels. Le besoin en eau nécessaire à sa survie l'obligea à trouver un système de transport de cette eau, du puits ou de la rivière à son habitat. Il utilisa d'abord simplement l'énergie développée par ses muscles pour transporter l'eau à l'aide de récipients naturels ou artificiels. Plus la contenance et la distance étaient grandes, plus l'énergie dépensée n’était importante. Jusqu'au début de l'ère industrielle (fin du XVIIIe siècle), les pompes ne servirent que pour le transfert de l'eau. L'ancienne pompe à godets fut inventée en Chine au 1er siècle ap. J.-C.

Les principes des pompes à piston, des pompes centrifuges et des pompes à vide sont découverts à cette époque. De manière générale, durant la grande époque de la culture gréco-romaine, de nombreux principes de physique et d'hydraulique sont découverts, mais pas forcément développés. Ctésibios se heurte notamment à la difficulté de concevoir des cylindres et pistons suffisamment réguliers pour jouer l'un dans l'autre sans accrocs. Toutefois les réalisations mettant en œuvre ces principes ne servent cependant souvent qu'à la démonstration des calculs mathématiques (jeux d'intellectuels) ou aux divertissements (fontaines, jeux d'eau, tours de magie etc.).

Les Grecs et les Romains furent les premiers à utiliser des systèmes rotatifs pour véhiculer l'eau. On doit aussi à cette époque l'invention des écluses (afin d'éviter les vitesses d'écoulement trop rapide) et les dispositifs anti-béliers sur les conduites fermées, afin d'éviter l'éclatement des conduites. Les ancêtres de la pompe d’aujourd’hui sont les machines élévatrices, le chadouf, la vis d’Archimède, la chaine à godets, la roue persane, la pompe à bras de Ctésibios. Il a fallu attendre la fin du XVIIIe siècle pour que les premières pompes soient réellement construites et utilisées de façon industrielle. Pendant ce siècle Les moulins à eau et à vent furent les premiers dispositifs à fournir une énergie « non musculaire » relativement abondante. Les pompes mues par une machine à vapeur couramment appelées « pompe à feu » étaient les dernières durant ce siècle.

C'est au cours du XIXe siècle qu'une seconde évolution dans la technique des pompes fit son apparition, cette fois grâce à l'énergie électrique. Celle-ci permit le développement des pompes à principe rotatif, turbines et pompes centrifuges. En fait, depuis près d'un siècle, aucun grand principe de pompe n'a été découvert. Seuls les matériaux utilisés et la précision d'usinage permirent aux pompes d'évoluer vers de meilleurs rendements, de plus grands débits et de plus hautes pressions. Le seul fait d'utiliser un liquide pour la fabrication d'un produit implique nécessairement l'utilisation de pompes.

Les pompes, qu’elles soient centrifuges ou volumétriques sont utilisées pour véhiculer des liquides de toutes sortes : eau, hydrocarbures, liquides plus ou moins visqueux, produits chimiques ou toxiques tel que le benzène. Cependant, elles peuvent véhiculer du gaz dans le cas des pompes à vide tel que les pompes rotatives à anneaux liquide.

Aussi, c’est souvent la composition de l’effluent qui déterminera le type de pompe à utiliser. L’exemple ci-dessous nous le confirme bien. Si l’on observe le comportement d’une pompe fonctionnant dans des conditions identiques, c’est-à-dire même débit aspiré, même pression d’aspiration et même vitesse de rotation. Mais, avec des liquides de densités différentes ; butane (0.5), soude (1.2), eau (1). Le tableau suivant indique les pressions lues aux manomètres de la pompe pour chaque liquide (source: Exploration et Production Les Équipements Les Pompes (Support de Formation: EXP-PR-EQ070-FR) Total)

Ces pompes sont constituées par une pièce mobile animée d’un mouvement de rotation autour d’un axe, qui tourne dans le corps de pompe et crée le mouvement du liquide pompé par déplacement d’un volume depuis l’aspiration jusqu’au refoulement.

Les volumes engendrés à l'aspiration et au refoulement, résultent du déplacement alternatif sur son axe, d'un piston ou d'un plongeur, à l'intérieur d'un cylindre.

Un temps est consacré au remplissage du cylindre (aspiration) et un temps est consacré à la vidange du cylindre (refoulement). Le débit du liquide engendré par la pompe sera donc discontinu.

Lorsque le piston se déplace pour créer les conditions d'aspiration, il faut que le remplissage s'effectue avec du liquide provenant de la tuyauterie d'aspiration. Il est nécessaire de fermer l'ouverture de refoulement et d'ouvrir l'arrivée d'aspiration .

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