ÉTUDE HYDRAULIQUE

Analyse d’un Clapet Anti-Retour

Analyse d'un Clapet Anti-Retour : Perte de Charge

Analyse d'un Clapet Anti-Retour : Perte de Charge

Comprendre le Rôle et l'Impact d'un Clapet Anti-Retour

Un clapet anti-retour (ou clapet de non-retour) est un dispositif de protection installé sur une tuyauterie pour s'assurer que le fluide s'écoule dans une seule direction. Il s'ouvre sous la pression de l'écoulement normal et se ferme automatiquement pour empêcher tout reflux. Bien qu'essentiel pour la sécurité et le bon fonctionnement de nombreux systèmes (par exemple, pour protéger une pompe de l'inversion de marche), son mécanisme interne (disque, battant, bille) constitue un obstacle à l'écoulement. Cet obstacle génère de la turbulence et une dissipation d'énergie, qui se traduit par une perte de charge singulière. Le calcul de cette perte de charge est crucial pour dimensionner correctement la pompe et évaluer l'énergie totale requise pour le système.

Données de l'étude

Un clapet anti-retour à battant est installé sur la conduite de refoulement d'une pompe. On souhaite déterminer la perte de charge et la chute de pression qu'il engendre.

Caractéristiques du système et du fluide (eau à 20°C) :

  • Fluide : Eau
  • Débit dans la conduite (\(Q\)) : \(50 \, \text{L/s}\)
  • Diamètre intérieur de la conduite (\(D\)) : \(150 \, \text{mm} = 0.15 \, \text{m}\)
  • Type de clapet : Clapet à battant, entièrement ouvert
  • Coefficient de perte de charge singulière (\(K\)) : \(2.0\)
  • Masse volumique de l'eau (\(\rho\)) : \(998.2 \, \text{kg/m}^3\)
  • Accélération de la pesanteur (\(g\)) : \(9.81 \, \text{m/s}^2\)
Schéma d'un Clapet Anti-Retour dans une Conduite
→ Q Point 1 Point 2

Questions à traiter

  1. Calculer la vitesse moyenne de l'écoulement (\(v\)) dans la conduite.
  2. Calculer la hauteur de vitesse (\(v^2/2g\)), qui représente l'énergie cinétique du fluide.
  3. Déterminer la perte de charge singulière (\(h_s\)) introduite par le clapet anti-retour.
  4. Calculer la chute de pression (\(\Delta P\)) correspondante entre l'amont et l'aval du clapet.

Correction : Analyse du Clapet Anti-Retour

Question 1 : Vitesse Moyenne (\(v\))

Principe :

Pour déterminer la vitesse moyenne du fluide, il faut d'abord convertir le débit volumique en unités standard (m³/s), puis le diviser par l'aire de la section transversale de la conduite. Cette vitesse est fondamentale pour les calculs d'énergie.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ A = \frac{\pi D^2}{4} \quad ; \quad v = \frac{Q}{A} \]
Calcul :
\[ \begin{aligned} Q &= 50 \, \frac{\text{L}}{\text{s}} \times \frac{1 \, \text{m}^3}{1000 \, \text{L}} = 0.05 \, \text{m}^3/\text{s} \\ A &= \frac{\pi \times (0.15 \, \text{m})^2}{4} \approx 0.01767 \, \text{m}^2 \\ v &= \frac{0.05 \, \text{m}^3/\text{s}}{0.01767 \, \text{m}^2} \approx 2.83 \, \text{m/s} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : La vitesse moyenne de l'écoulement est \(v \approx 2.83 \, \text{m/s}\).

Question 2 : Hauteur de Vitesse

Principe :

La hauteur de vitesse représente l'énergie cinétique du fluide par unité de poids. C'est un terme fondamental dans l'équation de Bernoulli et dans le calcul des pertes de charge, car ces dernières sont souvent proportionnelles à cette hauteur.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Hauteur de vitesse} = \frac{v^2}{2g} \]
Calcul :
\[ \begin{aligned} \frac{v^2}{2g} &= \frac{(2.83 \, \text{m/s})^2}{2 \times 9.81 \, \text{m/s}^2} \\ &= \frac{8.0089}{19.62} \, \text{m} \\ &\approx 0.408 \, \text{m} \end{aligned} \]
Résultat : La hauteur de vitesse est d'environ \(0.41 \, \text{m}\).

Question 3 : Perte de Charge Singulière (\(h_s\))

Principe :

La perte de charge singulière due à un accessoire comme un clapet est calculée en multipliant la hauteur de vitesse du fluide par un coefficient de perte de charge (\(K\)) qui est propre à la géométrie de l'accessoire.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ h_s = K \cdot \frac{v^2}{2g} \]
Calcul :
\[ \begin{aligned} h_s &= 2.0 \times 0.408 \, \text{m} \\ &\approx 0.816 \, \text{m} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : La perte de charge introduite par le clapet est \(h_s \approx 0.82 \, \text{m}\).

Question 4 : Chute de Pression (\(\Delta P\))

Principe :

La perte de charge (\(h_s\)), exprimée en mètres de colonne de fluide, correspond à une perte d'énergie qui se manifeste par une chute de pression (\(\Delta P\)) entre l'amont et l'aval de l'obstacle. Cette conversion se fait via la relation hydrostatique fondamentale.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \Delta P = \rho \cdot g \cdot h_s \]
Calcul :
\[ \begin{aligned} \Delta P &= 998.2 \, \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \times 9.81 \, \frac{\text{m}}{\text{s}^2} \times 0.816 \, \text{m} \\ &\approx 7984 \, \text{Pa} \approx 7.98 \, \text{kPa} \end{aligned} \]

En bars (1 bar = 100 000 Pa) :

\[ \Delta P = \frac{7984}{100000} \approx 0.08 \, \text{bar} \]
Résultat Question 4 : La chute de pression due au clapet est d'environ \(8.0 \, \text{kPa}\) ou \(0.08 \, \text{bar}\).

Quiz Rapide : Testez vos connaissances

1. La perte de charge à travers un clapet anti-retour est considérée comme :

2. Si la vitesse de l'eau dans la conduite double, la perte de charge due au clapet :

3. Le coefficient de perte de charge (\(K\)) d'un clapet dépend principalement :

Glossaire

Clapet Anti-Retour
Dispositif mécanique qui autorise l'écoulement d'un fluide dans un seul sens et empêche tout retour en sens inverse (reflux).
Perte de Charge Singulière (\(h_s\))
Perte d'énergie localisée, due à la perturbation de l'écoulement par un "accident" sur la conduite, tel qu'un coude, une vanne, un rétrécissement ou un clapet.
Coefficient de Perte de Charge (\(K\))
Nombre sans dimension, déterminé expérimentalement, qui caractérise l'ampleur d'une perte de charge singulière pour un accessoire donné. Il permet de calculer la perte de charge en la reliant à l'énergie cinétique du fluide.
Hauteur de Vitesse
Terme de l'équation de Bernoulli (\(v^2/2g\)) qui représente l'énergie cinétique du fluide par unité de poids, exprimée en hauteur de colonne de fluide.
Analyse d'un Clapet Anti-Retour - Exercice d'Application

D’autres exercices d’hydraulique en charge:

0 commentaires
Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *