Qu'est-ce qu'un lest d'air et comment cela fonctionne-t-il ?

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Le dispositif de lest d'air développé en 1935 par Wolfgang Gaede empêche la condensation de la vapeur dans la pompe. Le dispositif de lest d'air utilisé dans les pompes à palettes rotatives, les pompes à piston rotatif et les pompes trochoïdes permet non seulement de pomper des gaz permanents, mais également de plus grandes quantités de gaz condensables.

Avantages d'un lest d'air

Le dispositif de lest d'air (voir Fig. 2.13) empêche la condensation des vapeurs dans la chambre de la pompe. Lors du pompage de vapeurs, celles-ci ne peuvent être comprimées qu'à leur pression de vapeur de saturation à la température de la pompe. Si l'on pompe de la vapeur d'eau, par exemple, à une température de pompe de 70 °C (158 °F), la vapeur ne peut être comprimée qu'à 312 mbar (pression de vapeur de saturation de l'eau à 70 °C (158 °F) (reportez-vous au tableau XIII)). Lorsque l'on comprime davantage, la vapeur d'eau se condense sans augmenter la pression. Aucune surpression n'est créée dans la pompe et la vanne d'échappement n'est pas ouverte. Au lieu de cela, la vapeur d'eau reste sous forme d'eau dans la pompe et s'émulsionne avec l'huile de la pompe. Cela altère très rapidement les propriétés lubrifiantes de l'huile et la pompe peut même se gripper lorsqu'elle a absorbé trop d'eau.

Principe de fonctionnement

Avant le début du procédé de compression proprement dit (voir Fig. 2.13), une quantité d'air définie avec précision (le « lest d'air ») est admise dans la chambre de pompage de la pompe. Cette quantité est telle que le taux de compression de la pompe est réduit à 10:1 maximum. Les vapeurs aspirées par la pompe peuvent alors être comprimées avec le lest d'air, avant d'atteindre leur point de condensation et d'être éjectées de la pompe. La pression partielle des vapeurs aspirées ne peut cependant pas dépasser une certaine valeur. Elle doit être si basse que, dans le cas d'une compression d'un facteur de 10, les vapeurs ne puissent pas se condenser à la température de fonctionnement de la pompe. Dans le cas du pompage de vapeur d'eau, cette valeur critique est appelée « tolérance à la vapeur d'eau ».

La Fig. 2.14 représente schématiquement le procédé de pompage avec et sans lest d'air, tel qu'il se produit dans une pompe à palettes rotatives lors du pompage de vapeurs condensables.

Lors du pompage des vapeurs, deux exigences doivent être respectées :
1) la pompe doit être à la température de fonctionnement.
2) la vanne de lest d'air doit être ouverte.
(Lorsque la vanne de lest d'air est ouverte, la température de la pompe augmente d'environ 10 °C (50 °F). Avant de pomper les vapeurs, la pompe doit fonctionner pendant une demi-heure avec la vanne de lest d'air ouverte).

Tableau XIII Pression de saturation p5 et densité de vapeur eD de l'eau dans une plage de température allant de -100 °C (-148 °F) à +140 °C (+284 °F)

Fig. 2.13 Procédé de fonctionnement d'une pompe à palettes rotatives avec lest d'air

1-2 Aspiration
2-5 Compression
3-4 Admission du lest d'air
5-6 Refoulement

Fig. 2.14 Schéma du procédé de pompage dans une pompe à palettes rotatives sans et avec dispositif de lest d'air lors du pompage de substances condensables.

a) Sans lest d'air

1) La pompe est raccordée au réservoir, qui est déjà presque vide d'air (70 mbar) ; elle doit donc transporter majoritairement des particules de vapeur
2) La chambre de la pompe est séparée du réservoir ; la compression commence
3) Le contenu de la chambre de la pompe est déjà si comprimé que la vapeur se condense pour former des gouttelettes ; la surpression n'est pas encore atteinte
4) L'air résiduel ne produit que maintenant la surpression requise et ouvre la vanne de purge, mais la vapeur s'est déjà condensée et les gouttelettes sont précipitées dans la pompe.

b) Avec lest d'air
1) La pompe est raccordée au réservoir, qui est déjà presque vide d'air (70 mbar) ; elle doit donc transporter majoritairement des particules de vapeur
2) La chambre de la pompe est séparée du réservoir ; la vanne de lest d'air, par laquelle la chambre de la pompe est remplie d'air supplémentaire provenant de l'extérieur, s'ouvre maintenant ; cet air supplémentaire est appelé lest d'air
3) La vanne de purge est ouverte par pression et les particules de vapeur et de gaz sont expulsées ; la surpression nécessaire pour que cela se produise est atteinte très tôt grâce au lest d'air supplémentaire car, au début du procédé de pompage, la condensation ne peut pas se produire
4) La pompe refoule davantage d'air et de vapeurs

Pompage simultané de gaz et de vapeurs

Lors du pompage simultané de gaz permanents et de vapeurs condensables d'un système de vide, la quantité de gaz permanent suffit souvent à empêcher toute condensation des vapeurs à l'intérieur de la pompe. La quantité de vapeur qui peut être pompée sans condensation dans la pompe peut être calculée comme suit :

(2.1)

Où : pvapor est la pression partielle de vapeur à l'entrée de la pompe.
p_perm est la pression totale de tous les gaz permanents pompés à l'entrée de la pompe.
p_vapor,sat est la pression de saturation de la vapeur pompée, en fonction de la température (voir Fig. 2.15).
p_sum = p_exhaust + Δp_valve + Δp_{exhaust filter}
ΔP_valve est la différence de pression dans la vanne d'échappement qui s'élève, selon le type de pompe et les conditions de fonctionnement, à 0,2 ... 0,4 bar.
Δp_{exhaust filter} est la différence de pression au niveau du filtre d'échappement qui s'élève à 0 ... 0,5 bar.

Fig. 2.15 Pressions de vapeur de saturation : tableau des températures

Exemple

Un mélange de vapeur d'eau et d'air est pompé par une pompe à palettes rotatives dotée d'un filtre de brouillard d'huile externe en série. Les valeurs suivantes sont utilisées pour appliquer l'équation (2.1) :

La pression de la vapeur d'eau dans le mélange air/vapeur d'eau ne doit pas dépasser 23 % de la pression totale du mélange.

Tolérance à la vapeur d'eau

Le pompage de la vapeur d'eau représente un cas particulier important par rapport aux considérations générales faites ci-dessus concernant la tolérance à la vapeur. Selon les normes PNEUROP, la tolérance à la vapeur d'eau est définie comme suit :

« La tolérance à la vapeur d'eau est la pression la plus élevée à laquelle une pompe à vide, dans des conditions de température ambiante et de pression normales (20 °C/68 °F, 1013 mbar), peut aspirer et transporter en continu de la vapeur d'eau pure. Elle est exprimée en mbar ». Elle est désignée par P_W,O.

L'application de l'équation (2.3) à ce cas particulier signifie :

(2.4)

Si, pour le lest d'air, on utilise de l'air atmosphérique présentant 50 % d'humidité, alors p_vapor, g.b. = 13 mbar ; avec B/S = 0,10, un chiffre habituel dans la pratique, et p_sum (pression totale d'échappement) = 1 330 mbar, la tolérance à la vapeur d'eau p_W,0 en fonction de la température de la pompe est représentée par la courbe la plus basse du schéma de la Fig. 2.16. Les autres courbes correspondent au pompage de mélanges vapeur d'eau-air, d'où p_perm = p_air O), indiqué par le symbole p_L en millibar. Dans ces cas, une plus grande quantité de vapeur d'eau à pression partielle p_w peut être pompée, comme indiqué sur le schéma. Les chiffres de p_W,0 indiqués dans le catalogue font donc référence à la limite inférieure et se trouvent du côté sécurisé.

Fig. 2.16 Pression partielle pw de la vapeur d'eau qui peut être pompée avec la vanne de lest d'air ouverte sans condensation dans la pompe, en fonction de la température de la pompe pour différentes pressions partielles pL de l'air. La courbe la plus basse correspond à la tolérance à la vapeur d'eau pw,o de la pompe.

Selon l'équation 2.4, une augmentation du lest d'air B entraînerait une tolérance à la vapeur d'eau p_W,0 accrue. Dans la pratique, une augmentation de la valeur B, notamment dans le cas de pompes à lest d'air mono-étagées, est limitée par le fait que le vide limite pouvant être atteint pour une pompe à lest d'air fonctionnant avec la vanne de lest d'air ouverte se détériore à mesure que le lest d'air B augmente. Des considérations similaires s'appliquent également à l'équation générale 2.3 pour la tolérance à la vapeur p_vapor.

Au début d'un procédé de pompage, la pompe à lest d'air doit toujours être utilisée avec la vanne de lest d'air ouverte. Dans presque tous les cas, une fine couche d'eau est présente sur la paroi du réservoir et ne s'évapore que progressivement. Pour atteindre de faibles pressions limites, la vanne de lest d'air ne doit être fermée qu'une fois la vapeur pompée. Les pompes Leybold offrent généralement une tolérance à la vapeur d'eau comprise entre 33 et 66 mbar. Les pompes bi-étagées peuvent offrir d'autres niveaux de tolérance à la vapeur d'eau correspondant au taux de compression entre leurs étages, à condition qu'elles disposent de chambres de pompage de différentes tailles.

Autres gaz en tant que lest

En général, l'air atmosphérique est utilisé en tant que lest d'air. Dans certains cas particuliers, lors du pompage de gaz explosifs ou toxiques, par exemple, d'autres gaz permanents tels que les gaz nobles ou l'azote peuvent être utilisés.

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