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Pompes à vide à anneau liquide – Technologie de vide classique mais toujours à la pointe de la technologie

La technologie de vide n’a jamais cessé de se développer et continue sa progression, non seulement au cours des dernières années, mais déjà depuis plusieurs dizaines d'années. Aujourd'hui, les pompes à vide à vis sèches sont utilisées dans les technologies de processus chimiques et de nombreuses autres applications, tout comme les pompes à vide à becs sèches sont reconnues comme les générateurs de vide standard dans de nombreux secteurs de l’industrie. Les pompes à vide à palettes rotatives et lubrifiées constituent, pour de nombreuses applications, une solution à la pointe de la technologie, en particulier grâce à leur développement continu. Dans leurs domaines d’application, ce sont généralement les pompes à vide les plus utilisées.
Néanmoins, en dépit de nombreuses améliorations, de nouveaux développements et d’autres avancées, un principe de génération de vide continue aujourd’hui à être appliqué avec succès dans certaines applications : la pompe à vide à anneau liquide.
Le principe inhérent à la pompe à vide à anneau liquide a été développé dès 1890, en tant que « pompe à anneau à eau ». De par leur construction fonctionnelle et robuste, les pompes à vide à anneau liquide (Fig. 1) conviennent à la génération de vide dans des applications où des gaz ou vapeurs humides sont évacués ou dans lesquelles de la condensation est générée à l’intérieur de la pompe à vide lors du processus de compression. Elles sont donc idéales pour les processus humides et sont par conséquent utilisées pour la génération de vides primaires dans les techniques des processus, l’industrie chimique, la production et la transformation du pétrole, l’évacuation des condenseurs de turbines à vapeur, l'industrie du plastique, la fabrication du papier, l’industrie des technologies alimentaires et de nombreuses autres applications industrielles.
Principe de fonctionnement
Comme fluide de fonctionnement, les pompes à vide à anneau liquide utilisent de l’eau ou un liquide compatible avec le gaz ou la vapeur à évacuer. De l’éthylène glycol, des huiles minérales ou des solvants organiques peuvent également être utilisés, tout comme d’autres liquides faisant déjà partie du processus. Le principe de base est le même, quelles que soient la taille et la version des pompes.
Une roue à aubes montée excentriquement tourne à l’intérieur d’un boîtier cylindrique (Fig. 2). Ce boîtier est rempli de fluide de fonctionnement de façon à immerger les palettes de la roue à aubes. Avec la rotation de la roue à aubes et la force centrifuge résultante, le liquide dans le boîtier forme ledit anneau liquide. Le gaz est pompé dans les espaces compris entre les palettes individuelles et l'anneau liquide. Du fait de la position excentrique de la roue à aubes, les volumes de ces espaces varient en permanence ce qui provoque l'aspiration, la compression et l'expulsion répétées des gaz. L’anneau liquide assure l’étanchéité des espaces individuels jusqu’au cylindre. C’est pourquoi le fluide est parfois appelé fluide d’étanchéité plutôt que fluide de fonctionnement.
Mécanisme
En raison du fluide de fonctionnement utilisé, ce mécanisme peut être utilisé uniquement dans la gamme de vide primaire. Cela s’explique par le fait que le niveau de vide pouvant être atteint dépend de la pression de vapeur et de la viscosité du fluide de fonctionnement, qui est constamment pompé par la pompe à vide. Cela permet d’utiliser une pompe à vide à anneau liquide à des températures relativement basses. Elle fonctionne également essentiellement de manière isotherme. Ceci signifie que le milieu à pomper se réchauffe difficilement pendant le processus de compression. Par conséquent, les pompes à vide à anneau liquide sont idéales pour le pompage des vapeurs et des gaz à haute teneur en humidité. Les basses températures de la pompe à vide sont favorables à la condensation des vapeurs et des gaz humides produits au cours des processus. Dans une certaine mesure, cela signifie que la pompe à vide se comporte également comme un condensateur. Parce que la condensation se crée lorsque le gaz pénètre dans la pompe à vide, le volume du gaz est considérablement réduit. Outre l’effet de condensation, la vitesse de pompage nominale augmente également. Le fluide de fonctionnement absorbe la chaleur de compression, un processus qui est compatible avec la formation de condensation et l'augmentation de la vitesse de pompage. L’un des avantages notables des pompes à vide à anneau liquide est que le fluide de fonctionnement et les matériaux utilisés pour les composants peuvent être adaptés en fonction du mélange pompé. Cela permet également de pomper des vapeurs et des gaz explosifs. En raison des faibles températures de fonctionnement, le pompage de matières explosives s’avère, dans tous les cas, bien moins problématique qu’avec d’autres pompes à vide mécaniques.
Structure
Il existe une différence fondamentale entre les pompes à vide à anneau liquide mono-étagées et bi-étagées. Dans la version mono-étagée, le processus de compression décrit précédemment est réalisé dans un seul étage de compression. Dans la pompe à vide bi-étagée (Fig. 3), le fluide pompé pré-comprimé au premier étage est transporté jusqu’à un second étage de compression et comprimé à nouveau. Des pressions finales de 130 hPa (mbar) peuvent être obtenues avec les versions de pompes à vide à anneau liquide mono-étagées, tandis que les versions bi-étagées permettent d’obtenir des pressions allant jusqu’à 33 hPa (mbar).
Même les dimensions varient de manière significative. Dans son portefeuille, Busch Solutions de Vide propose différentes séries et versions de pompes à vide à anneau liquide DOLPHIN, avec des vitesses de pompage dans une plage allant de 25 à 26 500 mètres cubes par heure.
Variantes
L’approvisionnement en fluide de fonctionnement et sa suppression sont réalisables de trois façons :

1. Fonctionnement sans recirculation
Il s’agit de la variante la plus simple d’utilisation d’une pompe à vide à anneau liquide. Elle est utilisée à chaque fois qu’une quantité suffisante de fluide de fonctionnement est disponible. L’étage de compression est constamment alimenté en fluide de fonctionnement. Le liquide est ensuite évacué avec le gaz et le condensat.

2. Circuit à recirculation partielle de liquide
Dans un circuit ouvert (Fig. 4), le fluide de fonctionnement est dévié dans un séparateur de liquide avec le gaz, dès sa sortie de la pompe à vide. Liquide et gaz y sont alors séparés. Le gaz est évacué ou transféré tandis que du fluide de fonctionnement neuf est injecté dans le séparateur de liquide. Cela garantit une quantité suffisante de liquide dans le circuit et empêche toute augmentation de température. Ce type de circuit ouvert peut permettre d’économiser jusqu’à 50 % de liquide comparé à un fonctionnement sans recirculation.
3. Circuit de liquide fermé
Dans ce cas, un séparateur de liquide est également installé en aval de la pompe à vide, dans un circuit fermé (Fig. 5). Le gaz est évacué du séparateur, tandis que le fluide de fonctionnement est dévié à l’aide d’un échangeur thermique avant de pénétrer à nouveau dans la pompe à vide. Le fluide de fonctionnement est ainsi refroidi en permanence. Cette configuration permet d’économiser jusqu’à 95 pour cent du fluide de fonctionnement. Ainsi, seules de petites quantités de liquide propre doivent être ajoutées via le séparateur de liquide. Nous recommandons le système en circuit fermé quand le fluide de fonctionnement n’est pas disponible en quantité suffisante ou que la plus grande partie du liquide de fonctionnement doit être préservée.
Systèmes de vide sur mesure
Les pompes à vide à anneau liquide sont particulièrement bien adaptées pour fonctionner sous forme de modules dans les systèmes et installations de vide. Des pressions finales inférieures peuvent être obtenues en combinaison avec des éjecteurs à vapeur. Il est ainsi possible de trouver des solutions optimales du point de vue technique et économique pour des systèmes de vide directement adaptés aux applications concernées. Busch Solutions de Vide est fort de dizaines d’années d’expérience dans la conception, la configuration et la construction de ces types de systèmes, utilisés de manière sûre et économique dans le monde entier, dans les technologies de processus chimiques, la production et la transformation de pétrole, la production d’électricité et de nombreux autres secteurs. Les pompes à vide à anneau liquide DOLPHIN de Busch sont proposées dans différentes versions certifiées ATEX.