Pompe

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Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide. La plus ancienne pompe connue est la pompe à godets inventée en Chine au Ier siècle apr. J.-C. Les pompes modernes ont été développées à partir du XVIIIe siècle. Les pompes diesel et électriques, utilisées de nos jours, peuvent avoir des débits de pompage très élevés. En basse pression pour la circulation de l'eau et en haute pression plus de 400 bars pour l'oléohydraulique.

Pompe à eau à Fixin (Bourgogne).
Pompe à eau citadine à Bruges.

Histoire

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Le principe de la pompe est apparu dès que l'homme a su construire un habitat artificiel pour se protéger des éléments naturels[réf. nécessaire]. Le besoin en eau nécessaire à sa survie l'obligea à trouver un système de transport de cette eau, du puits ou de la rivière à son habitat. Il utilisa d'abord simplement l'énergie développée par ses muscles pour transporter l'eau à l'aide de récipients naturels ou artificiels. Plus la contenance et la distance étaient grandes, plus l'énergie dépensée était importante. Jusqu'au début de l'ère industrielle (fin du e siècle), les pompes ne servirent que pour le transfert de l'eau. L'ancienne pompe à godets fut inventée en Chine au Ier siècle apr. J.-C.

Les principes des pompes à piston, des pompes centrifuges et des pompes à vide sont découverts à cette époque. De manière générale, durant la grande époque de la culture gréco-romaine, de nombreux principes de physique et d'hydraulique sont découverts, mais pas forcément développés. Ctésibios se heurte notamment à la difficulté de concevoir des cylindres et pistons suffisamment réguliers pour jouer l'un dans l'autre sans accrocs. Toutefois les réalisations mettant en œuvre ces principes ne servent cependant souvent qu'à la démonstration des calculs mathématiques (jeux d'intellectuels) ou aux divertissements (fontaines, jeux d'eau, tours de magie etc.).

Les Grecs et les Romains furent les premiers à utiliser des systèmes rotatifs pour véhiculer l'eau. On doit aussi à cette époque l'invention des écluses (afin d'éviter les vitesses d'écoulement trop rapide) et les dispositifs anti-béliers sur les conduites fermées, afin d'éviter l'éclatement des conduites.

Machines élévatrices

Beaucoup de systèmes n'étaient pas à proprement parler des pompes mais des machines élévatrices, à commencer par la simple poulie placée au-dessus du puits pour remonter les seaux.

Pompe à balancier
Article détaillé : Chadouf.

Le chadouf encore utilisé par certaines peuplades africaines.

Vis d'Archimède
Article détaillé : Vis d'Archimède.

La vis d'Archimède, parfois abusivement appelée vis sans fin, est un dispositif qu’Archimède aurait mis au point lors d’un voyage en Égypte, permettant aux habitants du bord du Nil d'arroser leurs terrains.

Chaine à godets
Article détaillé : Chaine à godets.

Peut être aussi pompe à corde (en), la corde coulissant dans un tuyau tirant des rondelles ou des godets faisant monter l'eau[1].

D'autres variantes de la chaine à godets sont apparues dès l'antiquité : la roue persane, appelée aussi noria par extension. Ces variantes étaient surtout utilisées pour l'irrigation.

Tympan, Roue persane
Articles détaillés : Roue persane et grue (histoire).
Roue à augets
Article détaillé : Noria.

Pompe à bras

Articles détaillés : Pompe à bras et Pompe à bras de pompier.

La pompe à bras, est la conséquence des recherches menées par Ctésibios au IIIe siècle IIIe siècle av. J.-C. à Alexandrie. Les efforts qu'il entreprend dans la réalisation de son orgue hydraulique le mènent à inventer le piston au cœur de nombreuses machines hydrauliques et notamment les pompes.

Ce qui n'était souvent qu'un objet de curiosité pour les grecs sera mis en pratique par les romains, notamment dans les mines pour réaliser l'exhaure. Ces systèmes de pompe sont décrits par Philon, Vitruve (machina Ctesibica) et Héron d'Alexandrie[2].

Les Grecs et les Romains furent parmi les premiers à poser les bases de l'hydraulique. Tous ces systèmes furent utilisés pour relever l'eau dans des aqueducs alimentant les villes et les bains.

Dès l'époque romaine, deux pompes nous sont parvenues dans un état de conservation important. L'une à la mine de Sotiel Coronada à Calañas en Espagne, l'autre à Bolsena en Italie[2].

Une pompe à foulement romaine est visible au musée gallo-romain de Lyon. Installée au fond d'un puits à six mètres de profondeur, elle permettait de pomper soixante litres par minute[3]. Une autre est visible au musée Vésunna de Périgueux.

Le principe de ces pompes établi par les Grecs se retrouve dans les pompes à bras urbaines mises en place par la fontainerie, notamment au XVIIIe siècle et XIXe siècle ainsi que dans les engins de lutte contre l'incendie, apparus début e siècle, les pompes à bras de pompier.

Pompe aspirante

Fin XVIIIe siècle, en termes de fontainerie, une pompe désigne une machine composée de tuyaux cylindriques de bois, de plomb ou de potin, d'un piston et de soupape, dont on se sert pour puiser l'eau et l'élever. Pomper équivaut à mouvoir le piston d'une pompe pour faire monter l'eau. Il existe différentes espèces de pompe, à savoir : la pompe aspirante, la pompe refoulante, la pompe aspirante et refoulante, la pompe à cylindre et la pompe noyée. Toutes ces pompes se meuvent, soit à bras par une bascule, soit par eau, soit par un manège ; le mécanisme en diffère selon leur position[F 1] :

  • Pompe aspirante ou ordinaire: agit par le moyen de la pression de l'air. Elle aspire jusqu'à 32 pieds (soit 10,33 mètres, comme l'a montré Evangelista Torricelli en 1644) de hauteur du niveau de l'eau. Dans le corps du tuyau cylindrique est renfermé un piston percé, garni d'une soupape ou clapet ;
  • Pompe refoulante: élève l'eau de même que la précédente. Son piston, au lieu d'avoir un clapet, est massif et agit dans le tuyau d'aspiration; sous ce piston est un clapet et un coude pour que l'eau puisse s'échapper, lorsqu'elle est comprimée par le piston ;
  • Pompe aspirante et foulante: fait le service des deux précédentes. On en fait usage pour élever l'eau où on peut désirer dans les divers étages d'une maison ;
  • Pompe à cylindre: semblable à la pompe refoulante, excepté que le corps de pompe est fermé par une boîte nommée suffinboc, dans laquelle passe une tringle en cuivre que l'on nomme « cylindre », à laquelle est fixé le piston ;
  • Pompe noyée ou élévatoire: la plus simple de toutes comme la moins sujette à entretien, monte l'eau à une grande hauteur ; elle se place au fond du puits ; le piston qui est plein agit au bas du corps ; l'eau entrant par des ouvertures faites dans la pompe au-dessus du piston est foulée et élevée par lui, puis retenue par un clapet qui est placé au-dessus de ce piston.

Industrialisation

Les besoins économiques de l'époque gallo-romaine satisfaits par l'emploi massif d'esclaves (main-d'œuvre presque gratuite), ne nécessiteront pas une mécanisation de l'outil de production. Jusqu'au e siècle, la croissance démographique fournira une main-d'œuvre abondante et bon marché. Les moulins (à eau ou à vent, selon les pays) seront le principal moyen de production d'énergie autre que l'énergie animale ou humaine. L'explosion démographique dans la deuxième partie du e siècle obligera à mécaniser l'outil de production . Il faudra attendre la fin du e siècle pour que les premières pompes soient réellement construites et utilisées de façon industrielle.

Force hydraulique ou éolienne

Éolienne de relevage d'eau Bollée n°3, 1901, à Souilly, département de la Meuse, en Lorraine, France. Une éolienne actionnant une pompe.

Les moulins à eau et à vent furent les premiers dispositifs à fournir une énergie « non musculaire » relativement abondante. D'abord utilisés pour moudre le grain, ils furent ensuite couplés à des pompes à élever les eaux. En particulier, ils furent utilisés aux Pays-Bas pour extraire l'eau des polders. Le premier polder de ce type fut celui de Beemster en Hollande septentrionale en 1612. Plus tard, la force hydraulique appliquée à des pompes fut également utilisée à d'autres fins. Une des réalisations les plus remarquables fut la machine de Marly.

La pompe à eau de Porcheresse[4] fonctionna de 1870 à 1952 et de nombreuses pompes à bélier fonctionnent encore de nos jours.

L’éolienne Bollée est un type d'éolienne inventé par Ernest-Sylvain Bollée (1814-1891), qui servait au pompage de l'eau. Elle fut produite en France de 1872 à 1933, à environ 350 exemplaires, qui furent installés principalement en France, dans quarante-quatre départements. Environ 80 sont encore visibles. Bolée dépose en 1857 le brevet d'un bélier hydraulique.

Pompe à feu

Article détaillé : Pompe à feu.
Principe de la machine à vapeur à balancier de Thomas Newcomen (1712). La machine actionne une pompe placée au fond de la mine, réalisant l'exhaure de la mine.

Les pompes mues par une machine à vapeur étaient couramment appelées « pompe à feu ».

L'apparition de la machine à vapeur (Denis Papin) permet la mécanisation des secteurs industriels où les besoins étaient en pleine expansion (coton, charbon).

Le besoin constant de minerai de charbon apparut avec le développement de l'ère industrielle, obligeant la recherche de celui-ci à des profondeurs qui ne permettaient plus le travail à ciel ouvert. Les infiltrations d'eau noyant de façon continue les galeries souterraines, on utilisa alors de façon régulière des pompes pour évacuer cette eau. Il s'agit probablement là de la première utilisation industrielle des pompes. À partir de 1712 Thomas Newcomen met au point une machine à vapeur activant une pompe utilisable pour l’exhaure des mines. Celle-ci est par la suite améliorée par James Watt en 1784. Il s'agissait en fait de pompes à piston (machine de Watt) dont l'énergie provenait de la vapeur produite par de l'eau chauffée par un foyer. Ce foyer ouvert provoquait régulièrement des incendies dans les galeries.

Pompes électriques à partir du e siècle

C'est au cours de ce siècle qu'une seconde évolution dans la technique des pompes fit son apparition, cette fois grâce à l'énergie électrique.

Celle-ci permit le développement des pompes à principe rotatif, turbines et pompes centrifuges. En fait, depuis près d'un siècle, aucun grand principe de pompe n'a été découvert. Seuls les matériaux utilisés et la précision d'usinage permirent aux pompes d'évoluer vers de meilleurs rendements, de plus grands débits et de plus hautes pressions. Le seul fait d'utiliser un liquide pour la fabrication d'un produit implique nécessairement l'utilisation de pompes.

Pompes modernes

Les pompes répondent toutes au même besoin : déplacer un liquide d’un point à un autre.

Pour déplacer ce liquide, il faut lui communiquer de l'énergie. Les pompes remplissent cette fonction.

Le moteur qui alimente les pompes transforme l'énergie thermique ou électrique en énergie mécanique pour permettre le mouvement des organes des pompes. Cette énergie mécanique est retransmise au fluide.

Cette énergie fluide se traduit sous forme de débit (énergie cinétique) et de pression (énergie potentielle). Ces énergies vont s'échanger et se consommer dans les circuits de l'installation.

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