Introduction à la pompe de support pour la sélection des pompes à vide Roots
Une pompe à vide Roots est une pompe rotative à déplacement positif qui offre des vitesses de pompage élevées à de faibles pressions d'entrée, ce qui en fait un composant indispensable dans d'innombrables applications industrielles — du traitement chimique et de la fabrication pharmaceutique à la métallurgie, à la production de semi-conducteurs et à la simulation aérospatiale. Cependant, une caractéristique fondamentale des pompes à vide Roots doit être comprise dès le départ : une pompe à vide Roots ne peut pas être utilisée seule.
Contrairement aux pompes qui peuvent refouler directement vers l'atmosphère, une pompe à vide Roots a un taux de compression limité et ne peut pas fonctionner contre la pression atmosphérique. Elle doit être associée à une pompe de soutien (également appelée pompe primaire ou pompe de pré-vide) pour former une unité de vide complète. La pompe de soutien sert à réduire la pression de refoulement de la pompe à vide Roots à un niveau auquel elle peut fonctionner de manière sûre et efficace.
Par conséquent, choisir la bonne pompe de soutien est l'une des décisions les plus critiques dans la conception d'un système de pompe à vide Roots. La vitesse de pompage, le type et la configuration de la pompe de soutien déterminent directement le vide ultime, la vitesse de pompage et la fiabilité globale de l'ensemble du groupe de pompage à vide Roots. Cet article présente de manière exhaustive les principes et les pratiques de sélection d'une pompe de soutien pour les pompes à vide Roots, couvrant les calculs du taux de compression, l'adaptation de la vitesse de pompage, les exigences de pression ultime, les considérations sur la composition du gaz et les compromis sur le temps de pré-évacuation.
Comprendre le taux de compression – le fondement de la sélection de la pompe de soutien
Qu'est-ce que le taux de compression ?
Le taux de compression d'une pompe à vide Roots est défini comme le rapport entre la pression de refoulement et la pression d'entrée de la pompe. Étant donné que la pompe à vide Roots a un taux de compression limité, la pompe de soutien doit être capable de réduire la pression du système à un niveau situé dans la plage de fonctionnement de la pompe à vide Roots.
Le taux de compression maximal d'une pompe à vide Roots varie considérablement en fonction de la pression de refoulement :
Sous une pression de refoulement élevée, le taux de compression maximal n'est que d'environ 3:1.
À des pressions de refoulement comprises entre 1 et 10 mbar (1 mbar = 0,75 Torr), le taux de compression maximal peut atteindre 50:1, voire plus.
Cette variation signifie que le choix d'une pompe de soutien pour les pompes à vide Roots doit être basé sur la plage de pression de travail à long terme du système.
La relation entre le taux de compression et la vitesse de pompage
Le taux de compression d'une pompe à vide Roots est inversement proportionnel au rapport des vitesses de pompage entre la pompe à vide Roots et la pompe de soutien. En d'autres termes :
K = S_Roots / S_Backing
Où :
K = Taux de compression
S_Roots = Vitesse de pompage de la pompe à vide Roots
S_Backing = Vitesse de pompage de la pompe primaire
Cette relation fondamentale est la clé pour comprendre comment sélectionner une pompe primaire pour les pompes à vide Roots. Un taux de compression plus élevé nécessite une pompe primaire plus petite par rapport à la pompe à vide Roots ; un taux de compression plus faible nécessite une pompe primaire plus grande.
Exemple pratique – Calcul de la taille de la pompe primaire requise
Pour illustrer le processus de sélection, considérons l'exemple suivant, largement cité dans la littérature industrielle :
Exigence de l'application : Un groupe de pompage à vide Roots doit fournir une vitesse de pompage de 600 litres par seconde à une pression d'entrée de 1 mbar, en fonctionnement continu sur de longues périodes. Quelle taille de pompe primaire doit être sélectionnée ?
Étape 1 – Supposer une taille de pompe primaire : Commencez par supposer une pompe primaire avec une vitesse de pompage de 30 litres par seconde.
Étape 2 – Calculer le taux de compression : K = 600 / 30 = 20
Étape 3 – Déterminer la pression de refoulement maximale : D'après la courbe du taux de compression (ou les données de performance), un taux de compression K = 20 correspond à une pression de refoulement maximale d'environ 30 mbar.
Étape 4 – Déterminer la pression d’admission admissible : Lors de l’utilisation d’une pompe de soutirage de 30 L/s, la pompe à vide Roots peut fonctionner de manière fiable à des pressions d’admission inférieures à 1,5 mbar.
Étape 5 – Comparer avec l’exigence : Le vide de travail requis est de 1 mbar, ce qui est inférieur à 1,5 mbar. Par conséquent, une pompe de soutirage de 30 litres par seconde peut satisfaire les besoins de pompage de ce système à vide.
Conclusion : Si la pression de travail requise avait été supérieure à 1,5 mbar, une pompe de soutirage plus grande aurait été nécessaire.
Principes généraux pour le dimensionnement de la pompe de soutirage
La règle du 1/2 au 1/4
Lorsqu’une pompe à vide primaire alternative ou à anneau liquide est utilisée comme pompe de soutirage pour une pompe à vide Roots, une règle générale s’applique : la vitesse de pompage de la pompe de soutirage doit être comprise entre 1/2 et 1/4 de celle de la pompe à vide Roots.
Pourquoi cette plage ?
Si la pompe de soutien est trop grande (dépassant la moitié de la vitesse de la pompe à vide Roots), le taux de compression devient trop élevé, ce qui oblige la pompe à vide Roots à fonctionner à des températures de refoulement excessivement hautes.
Si la pompe de soutien est trop petite (moins du quart de la vitesse de la pompe à vide Roots), la pompe à vide Roots risque de ne pas atteindre le vide limite requis ou de fonctionner de manière instable.
Gradation typique (rapport de vitesse de pompage)
Dans l'industrie du vide, le rapport des vitesses de pompage entre une pompe à vide Roots et sa pompe de soutien est appelé gradation.
Les gradations typiques se situent entre 1:2 et 1:8.
Plage de sélection générale : le taux de compression est généralement choisi entre 2 et 10.
Applications de bas vide : pour un fonctionnement dans la plage de bas vide, un rapport de déplacement plus petit (2:1 à 4:1) est recommandé.
Applications de vide moyen ou élevé : pour un fonctionnement dans la plage de vide moyen ou élevé, un rapport de déplacement plus grand (4:1 à 10:1) doit être préféré.
Exigences de pression ultime – Adaptation de la pompe primaire au niveau de vide
Le vide ultime requis de l'unité de pompe Roots est un autre facteur critique dans le choix de la pompe primaire. Différents types de pompes primaires peuvent atteindre différents niveaux de vide ultime :
Exigences de vide poussé (1×10⁻³ Pa à 1×10⁻² Pa)
Lorsque l'unité de pompe Roots doit atteindre des pressions ultimes comprises entre 1×10⁻³ Pa et 1×10⁻² Pa, une pompe mécanique à palettes rotatives à deux étages avec joint d'huile ou une pompe mécanique à tiroir à deux étages doit être sélectionnée comme pompe primaire.
Ces pompes offrent la capacité de vide poussé requise pour des applications exigeantes telles que la fabrication de semi-conducteurs, le revêtement sous vide et les systèmes de vide de recherche.
Exigences de vide moyen (1×10⁻² Pa à 1×10⁻¹ Pa)
Pour des exigences de pression ultime comprises entre 1×10⁻² Pa et 1×10⁻¹ Pa, une pompe mécanique à joint d'huile à un étage peut servir de pompe de soutien. Cette configuration est courante dans les applications industrielles de vide général telles que le séchage sous vide, l'imprégnation et l'emballage.
Exigences de vide primaire (133 Pa à 1 333 Pa)
Lorsque la pression ultime requise se situe dans la plage de 133 à 1 333 Pa, une pompe à vide alternative ou une pompe à vide à anneau liquide peut être utilisée comme pompe de soutien.
Remarque importante : lorsqu'une pompe à anneau liquide ou alternative est utilisée comme pompe de soutien pour une pompe à vide Roots, la vitesse de la pompe de soutien doit être limitée à 1/2 ou 1/4 de la vitesse de la pompe à vide Roots. Dépasser ce rapport entraînerait un taux de compression trop élevé, provoquant des températures de refoulement excessives et des dommages potentiels à la pompe à vide Roots.
Temps de pré-évacuation – équilibrer vitesse et efficacité
Au-delà du fonctionnement en régime permanent, le temps de pré-évacuation (pompage primaire) est un facteur important dans le choix de la pompe de soutien pour les pompes à vide Roots.
Lorsqu'une pompe de soutien plus petite est suffisante
Si le temps de travail normal de l'ensemble de pompes à vide Roots est beaucoup plus long que le temps de pré-évacuation, une pompe de soutien plus petite peut être sélectionnée. La pré-évacuation plus lente est acceptable car elle ne représente qu'une faible fraction du cycle de fonctionnement total.
Lorsqu'une pompe de soutien plus grande est nécessaire
Si la chambre à vide est grande ou si le processus nécessite une pré-évacuation très rapide, une pompe de soutien plus grande doit être utilisée. La vitesse de pompage plus élevée pendant la phase de pompage primaire réduit le temps nécessaire pour atteindre la pression de démarrage de la pompe à vide Roots.
La stratégie à deux pompes pour économiser de l'énergie
Parfois, pour mieux utiliser l'efficacité de l'ensemble de pompes à vide Roots, le système est équipé de deux pompes de soutien :
Une grande pompe de pré-évacuation qui n'est utilisée que pendant la phase de pompage primaire.
Une pompe de maintien plus petite qui maintient le vide pendant le fonctionnement normal.
Une fois que le système atteint le vide de fonctionnement normal, la grande pompe est arrêtée et la plus petite pompe continue de maintenir le vide. Cette stratégie permet d'économiser de l'énergie tout en offrant un pompage rapide si nécessaire.
Composition du gaz – Gaz corrosifs et condensables
La composition du gaz pompé est un facteur essentiel dans le choix d'une pompe de soutien pour les pompes à vide Roots.
Gaz corrosifs
Si le gaz pompé contient des substances corrosives, les pompes mécaniques à huile ne peuvent pas être utilisées comme pompes de soutien. Les gaz corrosifs attaquent les composants internes de la pompe, dégradent l'huile d'étanchéité et entraînent une défaillance rapide de la pompe.
Dans de tels cas, d'autres technologies de pompes de soutien doivent être envisagées :
Pompes à vide à anneau liquide (utilisant des liquides d'étanchéité compatibles)
Pompes à vis sèches (avec revêtements résistants à la corrosion)
Pompes alternatives (avec des matériaux appropriés)
Vapeurs condensables
Les pompes mécaniques à joint d'huile ne conviennent pas pour pomper des gaz contenant de grandes quantités de vapeur condensable (telle que la vapeur d'eau ou les solvants organiques). Lorsque la vapeur condensable pénètre dans une pompe à joint d'huile, elle se condense et se mélange à l'huile d'étanchéité, provoquant une émulsification rapide qui détruit les propriétés lubrifiantes de l'huile.
Les solutions incluent :
Pour de grandes quantités de vapeur condensable : Utilisez une pompe à vide à anneau liquide ou un autre type de pompe capable de traiter les gaz humides.
Pour des traces de vapeur condensable : Utilisez une pompe mécanique à joint d'huile équipée d'un dispositif de ballast gazeux. Le ballast gazeux introduit de l'air dans la chambre de compression, empêchant la condensation en maintenant la pression partielle de vapeur en dessous de son point de rosée.
L'option à anneau d'eau
Pour les applications impliquant à la fois des gaz corrosifs et des vapeurs condensables, la pompe à anneau liquide est souvent le choix privilégié comme pompe de soutien pour les pompes à vide Roots. Lorsqu'une pompe à anneau d'eau est associée à une pompe à vide Roots, le liquide de travail peut être de l'eau ou des solvants organiques (tels que le méthanol, l'éthanol, le xylène ou l'acétone). La pompe à anneau liquide offre :
Tolérance aux entraînements liquides
Capacité à traiter les gaz corrosifs (avec des matériaux appropriés)
Résistance aux problèmes de condensation de vapeur
Configurations de pompes à vide Roots à plusieurs étages
Pour les applications nécessitant des vitesses de pompage élevées à de faibles pressions d'entrée (dans la plage de 1 à 100 Pa), une seule pompe à vide Roots avec une pompe de soutien peut ne pas suffire.
Unités à trois et quatre étages
Pour atteindre des vitesses de pompage élevées à de faibles pressions d'entrée, une pompe à vide Roots peut être utilisée comme pompe de soutien pour une autre pompe à vide Roots, formant ainsi une unité à trois ou quatre étages.
Dans ces configurations multi-étages :
La première pompe à vide Roots (la plus proche de la chambre à vide) fournit la vitesse de pompage principale.
La deuxième pompe à vide Roots sert d'étage intermédiaire.
La troisième pompe à vide Roots (ou une pompe de soutien classique) gère le refoulement.
Rapports de vitesse de pompage dans les unités multi-étages
Dans les unités de pompes à vide Roots multi-étages, le rapport de vitesse de pompage entre les pompes Roots successives est généralement compris entre 2 et 5.
Cette réduction progressive de la vitesse de pompage correspond à la diminution du débit de gaz lorsque la pression baisse (en raison d'un débit massique constant mais d'une densité plus faible), garantissant que chaque étage fonctionne efficacement dans sa plage de conception.
Tableau récapitulatif – Guide de sélection de la pompe de soutien pour les pompes à vide Roots
Exigence
Pompe de soutien recommandée
Remarques
Vide limite : 1×10⁻³–1×10⁻² Pa |
Pompe à palettes rotatives à deux étages ou pompe à tiroir |
Capacité de vide poussé |
Vide limite : 1×10⁻²–1×10⁻¹ Pa |
Pompe mécanique à joint d'huile à un étage |
Usage industriel général |
Vide ultime : 133–1 333 Pa |
Pompe alternative ou à anneau liquide |
Vitesse = 1/2–1/4 de la pompe Roots |
Pré-évacuation rapide, grande chambre |
Pompe de soutirage plus grande |
Peut utiliser une stratégie à deux pompes |
Processus lent, longue durée de maintien |
Pompe de soutirage plus petite |
Économe en énergie |
Gaz corrosifs |
Vis sèche ou anneau liquide résistant à la corrosion |
Éviter les pompes à joint d'huile |
Charge élevée de vapeur condensable |
Pompe à anneau liquide ou pompe à joint d'huile avec ballast de gaz |
Empêcher l'émulsification |
Vapeur condensable à l'état de traces |
Pompe à joint d'huile avec ballast de gaz |
Acceptable pour de faibles charges |
Haute vitesse de pompage à 1–100 Pa |
Roots multi-étagées (rapport de vitesse 2–5:1 par étage) |
3 ou 4 étages typiques |
Conclusion – Une approche systématique pour la sélection de la pompe de soutirage
La sélection d'une pompe de soutirage pour les pompes à vide Roots n'est pas une décision universelle. Elle nécessite une analyse minutieuse de multiples facteurs interdépendants :
Exigences du taux de compression – déterminées par la plage de pression de travail de la pompe à vide Roots. Le taux de compression est inversement proportionnel au rapport de vitesse de pompage entre la pompe à vide Roots et la pompe de soutirage.
Les exigences de pression ultime dictent le type de pompe primaire nécessaire : pompes à huile à deux étages pour le vide poussé, pompes à un étage pour le vide moyen, et pompes à anneau liquide ou alternatives pour le vide grossier.
Le temps de pré-évacuation – des chambres plus grandes ou des temps de cycle plus rapides nécessitent des pompes primaires plus grandes ; des temps de processus plus longs permettent d'utiliser des pompes plus petites.
La composition du gaz – les gaz corrosifs et les vapeurs condensables peuvent exclure les pompes mécaniques à huile au profit de pompes à anneau liquide ou de pompes sèches.
Les configurations multi-étages – pour des pressions d'entrée très basses, plusieurs pompes à vide Roots peuvent être connectées en série avec des rapports de vitesse de 2 à 5 entre les étages.
En suivant les principes et exemples décrits dans cet article, les ingénieurs et responsables d'usine peuvent sélectionner en toute confiance une pompe primaire adaptée aux caractéristiques de leur pompe à vide Roots et aux exigences de l'application, garantissant ainsi des performances fiables, efficaces et rentables du système de vide.
