Comment fonctionnent les pompes à vide à jet de vapeur ?

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Présentation des pompes d'entraînement de liquide

On distingue les pompes à jet telles que les pompes à jet d'eau (17 mbar < p < 10¹³ mbar), les pompes à vide à jet de vapeur (10^-3 mbar < p < 10^-1 mbar) et les pompes à diffusion (p < 10^-3 mbar). Les pompes à vide à jet sont principalement utilisées pour la production de vide moyen. Les pompes à diffusion produisent du vide poussé et très poussé. Ces deux types de pompes fonctionnent avec un flux rapide de fluide de pompe sous forme de vapeur ou de liquide (jet d'eau, vapeur d'eau, huile ou vapeur de mercure). Le mécanisme de pompage de toutes les pompes d'entraînement de liquide est globalement identique. Les molécules de gaz pompées sont éliminées du réservoir et pénètrent dans le flux de fluide de pompe qui se dilate après avoir traversé un gicleur. Les molécules du flux de fluide de pompe sont transférées par impulsions d'impact aux molécules de gaz dans le sens du débit. Ainsi, le gaz qui doit être pompé est déplacé vers un espace présentant une pression plus élevée.

Dans les pompes d'entraînement de liquide, des pressions de vapeur correspondantes apparaissent pendant le fonctionnement en fonction du type de fluide de pompe et de la température, ainsi que de la conception du gicleur. Dans le cas des pompes à diffusion d'huile, cette valeur peut atteindre 1 mbar dans la chambre d'ébullition. La pression de refoulement de la pompe doit être suffisamment basse pour permettre à la vapeur de s'écouler. A cette fin, ces pompes nécessitent des pompes primaires correspondantes, le plus souvent de type mécanique. Le jet de vapeur ne peut pas pénétrer dans le réservoir, car il se condense au niveau des parois extérieures refroidies de la pompe après avoir été éjecté par le gicleur.

Principe de fonctionnement des pompes d'entraînement de liquide

Wolfgang Gaede a été le premier à se rendre compte que les gaz à une pression relativement faible peuvent être pompés à l'aide d'un flux de fluide de pompe à une pression essentiellement plus élevée et que, par conséquent, les molécules de gaz d'une zone à faible pression totale se déplacent dans une zone à pression totale élevée. Cet état de fait apparemment paradoxal se développe lorsque le flux de vapeur est initialement totalement exempt de gaz, de sorte que les gaz d'une zone à pression partielle de gaz plus élevée (le réservoir) peuvent se diffuser dans une zone à pression partielle de gaz plus faible (le flux de vapeur). Ce concept de base de Gaede a été utilisé par Langmuir (1915) dans le cadre de la construction de la première pompe à diffusion moderne. Les premières pompes à diffusion étaient des pompes à diffusion de mercure en verre, puis en métal. Dans les années 1960, le mercure en tant que fluide a été presque intégralement remplacé par l'huile. Pour obtenir une vitesse de flux de vapeur aussi élevée que possible, il a fait sortir le flux de vapeur d'un gicleur à une vitesse supersonique. La vapeur de fluide de pompe, qui constitue le jet de vapeur, est condensée au niveau de la paroi refroidie du corps de pompe, tandis que le gaz transporté est ensuite comprimé, généralement en une ou plusieurs étapes successives, avant d'être éliminé par la pompe primaire. Les taux de compression que l'on peut obtenir avec les pompes d'entraînement de liquide sont très élevés : pour une pression de 10^-9 mbar à l'orifice d'entrée de la pompe d'entraînement de liquide et une pression de refoulement de 10^-2 mbar, le gaz pompé est comprimé d'un facteur de 10⁷ !

Types de pompes d'entraînement de liquide

La pression limite des pompes d'entraînement de liquide est limitée par la valeur de la pression partielle du liquide utilisé à la température de fonctionnement de la pompe. Dans la pratique, on essaie d'améliorer cela en introduisant des déflecteurs ou des pièges à froid. Il s'agit de condenseurs situés entre la pompe d'entraînement de liquide et la chambre à vide, de sorte que la pression limite pouvant être atteinte dans la chambre à vide n'est plus limitée que par la pression partielle du liquide à la température du déflecteur.
Les différents types de pompes d'entraînement de liquide se distinguent notamment par la densité du fluide de pompe à la sortie du gicleur supérieur, du côté du vide poussé de la pompe :

Faible densité de vapeur : pompes à diffusion, y compris les pompes à diffusion d'huile et les pompes à diffusion de mercure
Densité de vapeur élevée : pompes à jet de vapeur, y compris les pompes à vapeur d'eau, les pompes à jet de vapeur d'huile et les pompes à jet de vapeur de mercure
Pompes combinées à diffusion d'huile/jet de vapeur
Pompes à jet d'eau

Principe de fonctionnement des pompes à jet de vapeur d'huile

L'action de pompage d'un étage d'éjection de vapeur est expliquée à l'aide de la Fig. 2.46. Le fluide de pompe pénètre dans le gicleur (1) sous haute pression p₁, ce gicleur étant construit comme un gicleur Laval. Il est alors expansé à la pression d'entrée p₂. Lors de cette expansion, le changement soudain d'énergie s'accompagne d'une augmentation de la vitesse. Le jet de vapeur de fluide de pompe ainsi accéléré traverse la zone de mélange (3), qui est reliée au réservoir (4) à évacuer. Les molécules de gaz sortant du réservoir sont alors entraînées avec le jet de vapeur. Le mélange de vapeur de fluide de pompe et de gaz pénètre ensuite dans le gicleur de diffusion construit comme un gicleur Venturi (2). Là, le mélange de vapeur et de gaz est comprimé à la pression de refoulement p₃ et la vitesse diminue simultanément. La vapeur de fluide de pompe est alors condensée au niveau des parois de la pompe, tandis que le gaz entraîné est éliminé par la pompe primaire.

Fig. 2.46 Fonctionnement d'une pompe à jet de vapeur.

Gicleur (Laval)
Gicleur de diffusion (Venturi)
Chambre de mélange
Raccordement à la chambre à vide

Les pompes à jet de vapeur d'huile sont parfaitement adaptées au pompage de grandes quantités de gaz ou de vapeur dans la zone de pression comprise entre 1 et 10^-3 mbar. La densité plus élevée du flux de vapeur dans les gicleurs garantit que la diffusion du gaz pompé dans le flux de vapeur s’effectue beaucoup plus lentement que dans les pompes à diffusion, de sorte que seules les couches extérieures du flux de vapeur sont traversées par le gaz. En outre, la surface à travers laquelle la diffusion se produit est beaucoup plus petite en raison de la construction spéciale des gicleurs. La vitesse de pompage spécifique des pompes à jet de vapeur est donc inférieure à celle des pompes à diffusion. Etant donné que le gaz pompé à proximité du jet, sous une pression d'entrée nettement plus élevée, influence de manière décisive le parcours des conduites d'écoulement, les conditions optimales ne peuvent être obtenues qu'à certaines pressions d'entrée. Par conséquent, la vitesse de pompage ne reste pas constante vers les basses pressions d'entrée. En raison de la vitesse et de la densité élevées du flux de vapeur, les pompes à jet de vapeur d'huile peuvent transporter des gaz à une pression de refoulement relativement élevée. Leur pression de refoulement critique s'élève à quelques millibars. Les pompes à jet de vapeur d'huile utilisées dans la technologie du vide actuelle comportent, en général, un ou plusieurs étages de diffusion et plusieurs étages d'éjection ultérieurs. Le système de gicleur du surpresseur est constitué de deux étages de diffusion et de deux étages d'éjection en cascade (voir Fig. 2.47). Les étages de diffusion assurent la vitesse de pompage élevée comprise entre 10^-4 et 10^-3 mbar (voir Fig. 2.48), les étages d'éjection, le débit de gaz élevé à des pressions élevées (voir Fig. 2.49) et la pression de refoulement critique élevée. L'insensibilité à la poussière et aux vapeurs dissoutes dans le fluide de pompe est assurée par une chaudière spacieuse et un grand réservoir de fluide de pompe. De grandes quantités d'impuretés peuvent se trouver dans la chaudière sans détérioration des caractéristiques de pompage.

Fig. 2.47 Schéma d'une pompe à jet d'huile (pompe mécanique).

Fig. 2.48 Vitesse de pompage de différentes pompes à vapeur en fonction de la pression d'admission liée à une vitesse de pompage nominale de 1 000 l/s. Fin de la plage de fonctionnement des pompes à jet de vapeur d'huile (A) et des pompes à diffusion (B)

Fig. 2.49 Vitesse des différentes pompes à vapeur (issue de la Fig. 2.48)

Pompes à jet d'eau et éjecteurs de vapeur

La catégorie des pompes d'entraînement de liquide comprend non seulement les pompes qui utilisent de la vapeur à écoulement rapide en tant que fluide de pompe, mais également les pompes à jet de liquide. Les pompes à vide les plus simples et les moins chères sont les pompes à jet d'eau. Comme dans une pompe à vapeur (voir Fig. 2.46 ou 2.51), le flux de liquide est d'abord libéré par un gicleur puis, en raison des turbulences, se mélange au gaz pompé dans la chambre de mélange. Enfin, le mouvement du mélange d'eau et de gaz est ralenti dans un tube Venturi. La pression totale limite dans un conteneur pompé par une pompe à jet d'eau est déterminée par la pression de vapeur de l'eau et, par exemple, à une température de l'eau de 15 °C (59 °F), elle s'élève à environ 17 mbar.

Fig. 2.46 Fonctionnement d'une pompe à jet de vapeur.

Gicleur (Laval)
Gicleur de diffusion (Venturi)
Chambre de mélange
Raccordement à la chambre à vide

Fig. 2.51 Représentation schématique du fonctionnement d'une pompe à jet de vapeur.

Admission de vapeur
Gicleur à jet
Diffuseur
Zone de mélange
Raccordement à la chambre à vide

Les pompes à jet de vapeur produisent essentiellement des vitesses de pompage plus élevées et des pressions limites plus faibles. La section d'un étage est représentée sur la Fig. 2.51. Les repères correspondent à ceux de la Fig. 2.46. Dans la pratique, plusieurs étages de pompage sont généralement montés en cascade. Pour le travail en laboratoire, les combinaisons de pompes bi-étagées sont bien adaptées et se composent d'un étage d'éjection de vapeur et d'un étage (de refoulement) à jet d'eau, tous deux en verre. L'étage de refoulement à jet d'eau permet un fonctionnement sans autres pompes primaires. A l'aide d'un flux de vapeur en surpression, la chambre à vide peut être évacuée à une pression limite d'environ 3 mbar. Les condensats provenant de la vapeur sont évacués par le dispositif de vidange. L'étage à jet d'eau de cette pompe est refroidi à l'eau afin d'augmenter son efficacité. Les pompes à jet de vapeur sont particulièrement bien adaptées au travail en laboratoire, notamment si des vapeurs très agressives doivent être pompées. Les pompes à jet de vapeur, qui fonctionnent à une pression de quelques millibars, sont particulièrement recommandées pour le pompage d'appareils de distillation de laboratoire et d'installations similaires lorsque la pression d'une simple pompe à jet d'eau est insuffisante. Dans ce cas, l'utilisation de pompes rotatives ne serait pas économique.

Limites des pompes à jet d'eau

Dans les laboratoires, les pompes à jet d'eau et les éjecteurs de vapeur sont, malgré leur faible coût d'investissement, de plus en plus remplacés par des pompes à membrane en raison des problèmes environnementaux liés à l'utilisation de l'eau en tant que fluide de pompe. Les solvants qui pénètrent dans l'eau ne peuvent être éliminés qu'à l'aide de méthodes de nettoyage complexes (distillation).

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