Conseils pour le pompage de liquides à forte viscosité

Des pompes et des moteurs puissants entraînent des coûts énergétiques élevés

Le pompage de liquides à forte viscosité pose de nombreux défis techniques et physiques, nécessite souvent des pompes puissantes et mérite donc l'appellation "énergivore". Comme toutes les pompes ne sont pas adaptées à cet usage, il est important d'analyser le système de traitement dans son ensemble, les exigences de pompage et le liquide à pomper avant de choisir un système de pompage particulier. L'efficacité énergétique et la durabilité deviennent de plus en plus importantes dans le choix d'un tel système.

Défi

Dans l'industrie alimentaire, travailler avec des liquides à forte viscosité tels que les sauces, les jus, les sirops, les pâtes et les crèmes est la règle plutôt que l'exception. Cette viscosité élevée, voir encadré, peut poser des problèmes à différents stades du processus de production, qu'il s'agisse de problèmes de mélange et de moussage ou de problèmes de transfert de chaleur et de stockage. Le processus de nettoyage nécessite également des techniques spéciales, mais le pompage de ces liquides est bel et bien un véritable "casse-tête".

Les problèmes

Le pompage nécessite souvent des pompes et des moteurs puissants et implique généralement des coûts de consommation d'énergie élevés. Si le processus ne fonctionne pas comme prévu, les conséquences peuvent être considérables.

Problèmes liés au produit

• différences de texture et/ou de consistance car un débit irrégulier peut entraîner un mélange insuffisant des ingrédients et/ou la formation de grumeaux;
• croissance microbienne et contamination: les résidus de liquides à forte viscosité sont (plus) difficiles à éliminer.
• dégradation du produit: les forces mécaniques élevées et/ou les augmentations de température endommagent le produit;
• surchauffe due à la friction provoquant une modification du goût et/ou des changements physiques, par exemple la cristallisation ou la séparation des émulsions;
• différences dans les quantités et la consistance du produit en raison d'une vitesse de production plus faible.

Problèmes techniques

• cavitation, voir encadré, due à l'incapacité de la pompe à aspirer correctement le liquide. Cela peut endommager les composants internes de la pompe au détriment de l'efficacité;
• fuites, car les mécanismes d'étanchéité tels que les joints et les garnitures (mécaniques) sont surchargés en raison des vibrations, des contraintes mécaniques et/ou des effets thermiques;
• des pulsations dans le système parce que la pompe ne parvient pas à atteindre un débit constant. Des pulsations dans le système parce que la pompe n'atteint pas un débit constant, ce qui peut entraîner des erreurs de dosage;
• des problèmes de tuyauterie sous forme de perte de pression, d'obstruction ou d'endommagement des tuyaux, souvent dus à une mauvaise conception de l'installation;
• une réduction de la puissance de pompage, car la pompe peine à atteindre le débit ou la pression requis en raison d'une résistance élevée. Cela peut entraîner une (plus forte) baisse de rendement et endommager la roue et les roulements, entre autres;
• une surchauffe de la pompe et/ou du moteur en raison de la charge supplémentaire, ce qui entraîne des dommages ou des temps d'arrêt.

Technologie des pompes

Les propriétés/caractéristiques qui font qu'une pompe convient au pompage de liquides à haute viscosité sont la capacité d'auto-amorçage, le type de tuyaux, le débit, la consommation d'énergie, la facilité d'entretien et la durée de vie. En outre, il existe bien sûr des exigences d'application spécifiques pour chaque produit. Les types de pompes couramment utilisés dans l'industrie alimentaire sont les pompes volumétriques et les pompes à vis sans fin.

Pompes à déplacement positif

Le terme "positif" dans ce contexte fait référence au fait qu'un volume fixe de fluide est déplacé par cycle, indépendamment de la contre-pression dans le système (déplacement positif).

Pompe à vis excentrée ou pompe à vis

La pompe à vis excentrée est constituée d'un rotor hélicoïdal qui effectue un mouvement excentrique - d'où le nom de "pompe à vis excentrée" - à l'intérieur d'un stator en forme de double hélice, fabriqué dans un matériau souple et caoutchouteux (élastomère). Grâce à la conception de la pompe, des chambres fermées (cavités) se forment et déplacent le fluide uniformément de l'aspiration au refoulement. Ce faisant, le fluide circule de manière régulière et pratiquement sans pulsation, ce qui évite le colmatage, un problème courant avec les fluides à forte viscosité.

L'efficacité énergétique et la durabilité sont des critères de plus en plus importants dans le choix d'un système de pompage

Efficacité énergétique et durabilité: ce type de pompe est le mieux adapté au pompage de produits à haute viscosité. Il se caractérise par une faible vitesse d'écoulement et un débit constant avec un minimum de pulsations. Cette dernière caractéristique permet d'éviter les pertes d'énergie dues aux vibrations. Ce type de pompe est résistant à l'usure, à condition d'être correctement lubrifié et entretenu.

Pompe à lobes

Cette pompe fonctionne avec deux rotors sans contact (lobes) qui tournent dans des directions opposées sans se toucher ni toucher le corps de la pompe (faible production de chaleur et faible usure). Les chambres ainsi créées transportent le liquide uniformément et efficacement de l'aspiration au refoulement. Ces pompes peuvent également déplacer des liquides contenant des solides sans risque d'endommagement ou de colmatage.

Rendement énergétique et durabilité: le rendement est bon pour des viscosités moyennes à élevées, même lorsque la pression varie. Les pulsations peuvent entraîner une perte d'énergie; un amortissement est alors nécessaire. Les lobes fonctionnant sans contact, l'usure est faible, ce qui améliore la durée de vie. Cependant, la sensibilité au fonctionnement à sec et à la cavitation peut la réduire.

Pompe péristaltique

Elle pompe les liquides par un mouvement de compression le long d'un tuyau flexible; là encore, elle est auto-amorçante. Comme le liquide n'entre en contact qu'avec l'intérieur du flexible (généralement facilement remplaçable), les autres composants restent exempts de substances corrosives ou contaminantes, le risque de contamination est réduit et l'usure des composants de la pompe est minimisée.

Efficacité énergétique et durabilité: par rapport à d'autres types de pompes, la consommation d'énergie dépend moins des variations de viscosité, en particulier à des débits stables. Comme aucune pièce mobile n'entre en contact avec le liquide pendant le processus de pompage, il y a moins de risques de fuites internes ou de cavitation, ce qui améliore la durabilité.

Pompes à vis sans fin

Ce type de pompe entre dans la catégorie des pompes volumétriques rotatives. Une fois le liquide aspiré, il est déplacé parallèlement à l'arbre (axialement) au moyen de plusieurs vis hélicoïdales (broches). Celles-ci s'emboîtent les unes dans les autres et forment des chambres étanches, ce qui permet un écoulement continu et sans pulsation du produit. L'emprisonnement d'air et la formation de mousse sont évités, et les faibles forces de cisaillement évitent d'endommager les produits sensibles.

Efficacité énergétique et durabilité: grâce au principe de déplacement, on obtient une efficacité volumétrique élevée (débit constant, fuite interne minimale), en particulier pour les liquides visqueux. Les faibles pressions d'entrée ne posent pas de problème et les fluctuations de pression sont moins importantes que pour d'autres pompes. En raison de la friction et de l'usure minimales entre les broches de la vis et le boîtier, ces pompes durent plus longtemps que beaucoup d'autres types de pompe.

Trucs et astuces

Il existe plusieurs façons d'optimiser (davantage) le pompage de liquides à forte viscosité, à condition que la sécurité alimentaire soit garantie à tout moment.

Conception technique

• optimiser la conception du système: utiliser des matériaux faciles à nettoyer tels que l'acier inoxydable, prévoir des ouvertures d'entrée et de sortie plus larges, des conduites (plus) larges, des coudes (plus) souples - moins de perte de charge et de friction - et des systèmes de nettoyage efficaces (NEP);
• utiliser une mesure de la viscosité en ligne: cela permet de connaître en permanence la viscosité du liquide, de sorte que le chauffage ou la dilution peuvent être appliqués si nécessaire (voir ci-dessous);
• installer des équipements supplémentaires tels que des aides au pompage et/ou des systèmes de raclage.

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Technique du produit

• chauffer le liquide: à mesure que la température augmente, les molécules acquièrent plus d'énergie cinétique et se déplacent plus rapidement. Les forces intermoléculaires perdant partiellement leur emprise, la résistance à l'écoulement et donc la viscosité diminuent;
• ajouter un solvant/diluant: cela entraîne une réduction (temporaire) des forces intermoléculaires et de la friction interne.

Technique du système

• Réduire la vitesse de pompage: les liquides à haute viscosité génèrent plus de friction et de résistance, ce qui peut entraîner une surchauffe et/ou une usure à grande vitesse;
• réduire les turbulences: choisir des transitions graduelles entre les composants de l'installation afin de réduire les pertes de pression;
• éviter l'inclusion de l'air en remplissant complètement la pompe de liquide au préalable et en utilisant des systèmes de ventilation dans les conduites (pour éviter les débits irréguliers et la cavitation);
• augmenter la pression: la pression supplémentaire nécessaire peut être obtenue par des boosters ou des systèmes d'augmentation de la pression.

Sur le plan énergétique, il  convient de minimiser la force nécessaire pour déplacer les fluides visqueux tout en maintenant une capacité de pompage maximale

Technique de maintenance

• utiliser des systèmes de lubrification externes ou des matériaux autolubrifiants;
• vérifier périodiquement l'accumulation de produit et l'usure;
• nettoyer régulièrement: il reste souvent des résidus dans les pompes, les tuyaux et les vannes, qui peuvent provoquer des blocages et de l'usure. Le NEP et le SEP sont les plus efficaces.

Perspectives d'avenir

L'avènement de pompes "intelligentes" dotées de capteurs n'est probablement qu'une question de temps. Les capteurs peuvent optimiser le processus de pompage sur la base de mesures en temps réel de la pression, du débit, de la température et de la viscosité, que ce soit ou non dans le cadre de processus de numérisation et d'automatisation (Internet des objets - IoT).

Sur le plan énergétique, il s'agit de minimiser la puissance nécessaire pour déplacer des fluides visqueux tout en maintenant une capacité de pompage maximale. Il est également possible d'économiser de l'énergie en ajustant la consommation à la demande réelle à l'aide d'un entraînement à fréquence variable (VFD). Les éléments ci-dessus et le développement de matériaux plus performants et plus durables - revêtements céramiques, matériaux hybrides et polymères à haute résistance à l'usure - permettront d'accroître encore les performances et la durée de vie des pompes à l'avenir.

En collaboration avec Netzsch