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Bélier hydraulique

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autre principe

- Aperçu de ce qu'est un bélier et de son utilisation.
        Il vous est sûrement arrivé de fermer brusquement un robinet, et d'entendre un coup ou onde de choc dans la tuyauterie. Et bien, sans vous en rendre compte, vous veniez de provoquer un coup de bélier. Le principe est simple. Par l'ouverture du robinet, l'eau prend de la vitesse. Au moment de refermer celui-ci, l'eau est freinée dans sa course. C'est l'énergie cinétique de l'eau qui est absorbée par le conduit, provoquant une onde de choc. C'est ce qui explique le Boom que l'on entend dans la tuyauterie. Vous avez un ruisseau, ou une source qui coule près de votre habitation, ou camp d'été. Il serait intéressant alors, de transformer cet écoulement en travail utile. Comme, par exemple, pour le pompage de l'eau, servant à l'arrosage du jardin. Si, celle-ci est potable, il serait intéressant de l'utiliser, pour l'approvisionnement en eau de consommation.
Mais par contre, si vous avez deux points d'eau. Disons une source d'eau pure qui n'a pas un gros débit, et un ruisseau avec au minimum 30 centimètres(1 pied) de dénivellation, mais non potable. Celui-ci peut tout simplement servir à apporter l'énergie nécessaire au pompage de l'eau potable de la source, en séparant les deux par une membrane ou un piston.
On appelle ce montage, bélier composé.
- Bref historique.
    Inventé en 1796 par Joseph Montgolfier, l'ainé des frères au célèbre ballon Montgolfier et son fils Pierre.
Ce dernier inventa le bélier composé, dans lequel l'eau motrice est maintenue séparée de l'eau à élever.
- Principe complet de fonctionnement.
    Un bélier hydraulique typique est constitué d'une conduite motrice, dont l'une des extrémités débouche dans un réservoir d'eau et dont l'autre extrémité est munie d'un clapet d'impulsion.
L'eau s'écoule dans la conduite et en sort par le clapet d'impulsion jusqu'à ce qu'elle atteigne une vitesse critique, à laquelle le clapet se ferme brutalement et la pression dans la conduite motrice augmente.
Cette augmentation de pression fait entrer une partie de l'eau de la conduite dans un réservoir d'air fermé par l'intermédiaire d'un clapet de retenue. Dès que la pression dans la conduite d'entraînement diminue, le clapet de retenue se ferme et le clapet d'impulsion s'ouvre de nouveau, le cycle se répète alors de lui-même.
La longueur de la conduite motrice et la course des clapets sont en général réglées de façon à ce qu'il y ait de 20 à 60 cycles par minute. L'eau entrant dans le réservoir d'air, la pression d'air augmente et chasse l'eau dans une conduite de refoulement, alimentant un réservoir qui est situé à un niveau plus élevé que celui du réservoir d'alimentation.
Les béliers hydrauliques peuvent fonctionner avec une très faible hauteur de chute, ne dépassant pas parfois 30 cm (1 pi), et peuvent élever de l'eau à des hauteurs dépassant 120 m (400 pi). Ils fonctionnent sans carburant, ni lubrifiants ou source extérieure de puissance, et ne nécessitent qu'un très faible entretien avant usure des clapets. La durée de vie de ces derniers est de 10 à 30 ans, et certains béliers hydrauliques, dans lesquels on n'a procédé qu'à leur remplacement, ont fonctionné pendant plus de 100 ans. Malheureusement, le débit d'eau motrice doit être très grand par rapport au volume d'eau élevé. Le rapport entre ces deux valeurs est généralement de 1,5 à 2 fois le rapport entre la hauteur d'élévation et la hauteur motrice. On a utilisé des béliers composés pour élever l'eau de sources qui ne fournissaient pas suffisamment d'eau motrice, en utilisant l'énergie d'un cours d'eau voisin, dont l'eau est introduite dans la conduite motrice. L'augmentation de pression sert à élever un piston équilibré par ressort qui procède au pompage de l'eau de la source. L'importance des quantités d'eau motrice nécessaires, limite l'utilisation des béliers hydrauliques, et ceux-ci sont normalement ulilisés pour alimenter en eau les fermes el les hameaux isolés. Certaines installations ont fourni jusqu'à 545 000 litres (120 000 gallons) par jour. D'autres applications des béliers hydrauliques seraient possibles, comme, par exemple, employer des béliers en compresseurs d'air ou d'utiliser des béliers hydrauliques composés pour entraîner des pompes à chaleur.
- Mon bélier personnel, et comment le construire.
    Cela fait environ 15 ans que j'ai un bélier hydraulique, pour l'arrosage du jardin durant l'été. Et il me donne entière satisfaction. Je n'ai changé aucune pièce sur celui-ci depuis tout ce temps. De plus, à défaut de trouver un bélier manufacturé, très rare en ces temps modernes, ou pompes électriques prévos sur tout autre système. Je m'en suis fait un en plastique. Facile à construire, et très peu dispendieux. Voici deux schémas, figure 1, montage en plomberie de plastique, et figure 2, montage en plomberie métallique ou galvanisée. Le tout est monté sur tuyaux et valve de 1 pouce.
-Maintenant l'explication en détail de la valve d'impulsion.
Étape 1
    Se procurer une valve en laiton, normalement utilisé dans un puits pour empêcher le retour de l'eau.
Et enlever la crépine, car on n'en a pas besoin pour le montage qui nous intéresse.
Étape 2
    Enlever le clapet et le ressort du corps de la valve. Ces deux items, subissent le même sort que la crépine. C'est- à-dire, qu'ils sont inutiles pour ce montage.
Étape 3
     Se procurer deux boulons, un d'une longueur d'environ 6 millimètres par 75 millimètres (1/4" x 3") avec filet à l'extrémité seulement. Ou longueur proportionnelle à la valve.
Plus simplement, la tête du boulon doit être appuyée sur l'extrémité du corps de la valve, là où était fixée la crépine. Les filets doivent être au niveau du clapet. Ceci vous donne la vraie mesure que doit avoir votre boulon. À noter qu'il faudra sûrement perforer l'ancien troue de vis de la crépine, légèrement plus gros que votre boulon, pour empêcher la friction de nuire au bon fonctionnement de la valve d'impulsion.
Et un autre boulon de même grosseur, par 40 millimètres (1 1/2") de long. Il va servir de support au poids, qui est variable selon le débit et l'onde de choc, (explication sur le poids, donné plus loin dans la section, comment bien faire fonctionner un bélier hydraulique).
Souder les boulons tête à tête, comme sur l'illustration.

 
    Maintenant le montage du clapet.
Faire pénétrer le plus long des boulons, par la partie supérieure du corps de la valve. Placer un premier écrou sur le boulon, suivi d'une rondelle métallique qui doit impérativement être plus petite que le trou du siège de la valve.Découper une rondelle de caoutchouc, dans une pièce du genre chambre à air de pneu, et lui faire une perforation en son centre, pour la fixer au boulon. Son diamètre doit recouvrir le siège de la valve en entier mais, sans excès, elle ne doit pas toucher la paroi extérieure. Par contre, si la rondelle du clapet initial peut-être récupérée, utilisez-la. Sauf dans le cas ou celle-ci ne peut être placée entre les deux rondelles métalliques, sans subir de déformation. Très important, car il en va de l'étanchéité de la valve d'impulsion.
La rondelle métallique inférieure va servir d'appui à la rondelle de caoutchouc, et sa circonférence doit être sensiblement la même que celle de caoutchouc sans excès, elle ne doit pas percuter les parois extérieures.
 
Étape 4
    Laissez appuyer la tête du boulon, sur le socle de la valve. Il ne vous reste plus qu'à ajuster l'ouverture de celle-ci, en vissant les écrous pour amener la rondelle de caoutchouc à environ 5 à 8 millimètres du siège. Pour terminer, serrez les écrous sans exagération, il ne faut pas déformer la rondelle de caoutchouc.
    Comme vous le savez sans doute, les liquides sont incompressibles. C'est pour cela qu'il nous faut un réservoir d'air. L'élasticité de l'air sert à régulariser les coups de bélier. Elle emmagasine donc l'énergie cinétique de l'eau par diminution de volume et augmentation de pression. Un réservoir d'une capacité de 8 litres (2 gallons) suffit. Mais il est souvent très difficile de trouver aussi petit. Malgré leur petite taille, ils sont souvent dispendieux. Voici comment j'ai remédié à la situation.
La figure 4 représente un réservoir fabriqué en ABS collé.
    Voici maintenant la configuration du site ou est installé mon bélier. Ne pas oublier d'ajouter une crépine à la source du conduit d'alimentation, pour prévenir l'obstruction des valves, par les débris ou dépôts accumulés.

 

 
 
 
 
 

-Installation

    Vous avez terminé le montage du bélier comme sur la figure 1 ou 2 incluant réservoir, valve d'impulsion et de retenue. Arrive maintenant l'installation du système dans son ensemble. C'est-à-dire, fixation du bélier, pour qu'il demeure bien à la verticale, pendant tout la durée de son fonctionnement. Vient ensuite le branchement du conduit d'alimentation, un conseil sur celui-ci. Prendre une qualité de tuyaux de plastique supérieure, il doit être d'une épaisseur plus importante qu'un tuyaux ordinaire, qui fonctionne malgré tout mais fait perdre une partie de l'énergie cinétique due à sa minceur et son élasticité. Les tuyaux de métal sont le meilleurs de toute la gamme pour la conservation de l'énergie cinétique des coups de bélier. Ça peut aller pour de courtes distances, mais il demeure dispendieux et sa vie est moins longue, vous l'aurez deviner, parce qu'il rouille. Ajoutez une crépine à son extrémité, ceci empêche les impuretés de pénétrer le système. Il ne reste plus qu'à fixer le conduit de refoulement, celui-là même qui apporte l'eau de  pompage au réservoir d'accumulation. Ce conduit peut être d'une dimension inférieure, à celui de l'alimentation, car ceci n'altère en rien quant à la performance du pompage, c'est une loi fondamentale (formule fondamentale de l'hydrostatique) quel que soit le volume la pression demeure la même à un niveau déterminé.
    La pression demeure la même au niveau réservoir de régulation du bélier. Sauf pour un conduit excessivement petit, dans cette seule situation il risque de produire une résistance et diminuer la performance du système. Autrement dit, pour vulgariser un peut ce charabia. Plus vous aurez à envoyer en hauteur votre pompage et plus vous pouvez réduire la dimension de ce conduit. Puisque plus on monte et moins on a d'eau de pompage due au surplus d'énergie qu'il faut fournir pour la monté. Sa petite dimension est seulement une question d'économie.
-comment bien faire fonctionner un bélier hydraulique
    Bon enfin nous y voilà. Le moment tant attendu de tous. Le démarrage de son tout nouveau bélier hydraulique. Premier ajustement, l'ouverture de la valve d'impulsion. À la figure 3, étape 4, il est fait  mention d'une ouverture de 5 à 8 millimètres. Eh bien, 5 millimètres est un minimum et il est associé à une chute d'eau de seulement 30 centimètres. Il y a trop de facteurs à tenir compte pour avoir une mesure juste ou table de calcul afin d'obtenir la mesure exacte d'ouverture en millimètre. Je vais tout de même vous donner un truc, afin de vous aider à réussir cet ajustement. Si vous n`êtes pas dans la situation minimum d'une chute d'eau de seulement 30 centimètres de hauteur, alors 8 millimètres est un bon départ pour un ajustement ultérieur. Si le conduit d'alimentation (conduite motrice) est sinueux et doit faire quelques détours, ceci est un facteur d'influence sur l'onde de choc (coup de bélier). Et le nombre de coup de bélier à la minute est directement relié à la longueur du conduit d'alimentation, sauf exception de sa sinuosité et de l'absorption de l'énergie cinétique par celui-ci (qualité et robustesse du conduit). C'est pour ces raisons que je vous fais mention de l'impossibilité de donner des mesures exactes, il y a trop de facteurs à considérer. Mais je vous donne tout de même quelques mesures empiriques. Une conduite motrice d'une longueur minimum de 15 mètres (environ 50 pieds) requiert 60 coups minute à la valve d'impulsion. Une conduite motrice d'une longueur maximum de 155 mètres (environ 500 pieds) requiert 10 coups minute à la valve d'impulsion. Dépassé cette longueur, un écho de l'onde de choc primaire ce fait sentir, et désynchronise les coups de bélier, il perturbe suffisamment le système pour provoquer son arrêt après une certaine période. On peut le percevoir en écoutant la valve de retenue travailler, juste à se placer l'oreille contre le réservoir de régulation. Au moment où la valve d'impulsion se referme brutalement, on perçoit l'onde de choc primaire par la vibration de la valve de retenue, à l'instant où elle semble diminuer d'intensité une deuxième vague plus courte ce fait sentir et se termine par la réouverture de la valve  d'impulsion. Ceci est valable pour de longs conduits, le phénomène diminue proportionnellement à la longueur du conduit. En 15 ans j'ai eu le temps d'expérimenter beaucoup sur le sujet. Voilà pour l'ajustement de départ. Passons à l'étape suivante maintenant.
-Amorçage du système.
    Tenir la valve d'impulsion ouverte jusqu'à ce qu'il n'y ait plus d'air dans la conduite motrice. L'eau doit couler régulièrement et non par saccade. Ensuite, relâcher la valve d'impulsion, elle va se refermer brutalement (si elle ne se referme pas d'elle-même c'est que son ouverture est trop grande, diminuer de quelque millimètre). Répéter ce geste d'ouverture et de fermeture de la valve d'impulsion, jusqu'à ce que l'eau sorte par le conduit de refoulement, à votre réservoir d'accumulation. Ceci a pour but d'emplir et de régulariser les pressions nécessaires à votre système. À partir de cet instant, la valve d'impulsion devrait fonctionner sans que l'on ait à intervenir dans son mouvement d'ouverture et de fermeture. Il se peut qu'après quelques coups elle s'arrête. Dans ce cas, ajoutez du poids en plaçant quelque rondelle métallique à l'extrémité du boulon supérieur. Prenez bien soin de terminer avec l'écrou bien serré, car ces rondelles ne doivent pas nuire à la valve en rebondissant. Un bélier est comme un système d'horlogerie. Il faut se synchroniser avec l'onde de choc, qui peut varier légèrement d'un système à l'autre, selon la disposition du site etc... Nous sommes donc arrivés à l'étape cruciale du montage. Ajuster le nombre de coups à la minute de la valve d'impulsion. Le meilleur conseille que je puisse vous transmettre à cette étape ci. C'est d'ajouter du poids, en plaçant une rondelle métallique à chaque fois et en redémarrant la valve d'impulsion, jusqu'à ce que celle-ci demeure ouverte par un excès de poids. Vous enleverez bien sûr la dernière rondelle qui est de trop. Ceci vous donnera donc le maximum d'énergie cinétique récupérable par la valve. La question qui suit est. Avons-nous le bon nombre de coups à la minute? Alors top chrono et soyez patient. Il y a deux possibilités, il bat quelques coups en moins à la minute. Je vous dit que ceci n'est pas bien grave. Car par expérience, plus on triche en baissant le nombre d'impulsions, par une plus grande ouverture de la valve et une diminution de poids, et plus on gagne en pression au réservoir de régulation. On a besoin d'un surcroît de pression, quand le réservoir d'accumulation est placé haut, Il faudra plus tard, calculer combien de minutes il faut pour le pompage d'un litre dans ce réservoir, histoire de savoir combien de litres par 24 heures sont pompés par le système. Mais si les coups sont trop rapides, il risque tôt ou tard de s'arrêter de lui-même, par une désynchronisation de l'onde de choc. Pour diminuer sa vitesse, augmenter légèrement l'ouverture de la valve d'impulsion, et recommencer avec le poids. Pour le poids cela demeure toujours le même principe. Dans tous les cas de figure, il faut dépasser le poids nécessaire, jusqu'à ce que la valve d'impulsion ne puisse se refermer d'elle-même, et par la suite enlever l'excès, jusqu'à ce qu'elle soit capable d'amorcer ces coups régulièrement. Ceci a pour but, au risque de me répéter, de récupérer le maximum d'énergie cinétique disponible de la conduite motrice. Je suis persuadé que vous me contacterez due aux ajustement de celui-ci. Mais j'aimerais avoir de vos nouvelles aussi, quand tout fonctionne pour le mieux. Ceci me donne la satisfaction de ne pas avoir créé ce document en vain.
-Exemple et table de calcul
Je vais vous donner une très brève explication pour bélier de 1 pouce et 2 pouces de grosseur. Pour un bon rendement en pourcentage de pompage, tenez-vous en à un rapport minimum de 6 fois la hauteur de chute pour la longueur de la conduite motrice de type métallique.

La hauteur de refoulement minimum est de 1/3 plus haut que la chute ou conduite motrice, ou rapport de 3 le mieux est un rapport de 8 .

Exemple :

bélier 1 pouce, hauteur de refoulement de 40 mètres pour une conduite motrice avec une chute ou dénivellation de 5 mètres et un tuyau métalique pour cette conduite motrice de 30 mètres de longueur. Maintenant quel quantité d'eau le bélier en théorie, va fournir pour le pompage. Quantité d'eau absorbé par la conduite motrice en litres par minute.

Type de bélier Rapport (longueur de conduite) / (hauteur de chute)
6 7 8
1 pouce 6,6 6,1 5,6
2 pouces 12,9 12,2 11,5


Ensuite le pourcentage ou rendement de pompage pour un bélier et conduite motrice métallique.

Type de bélier Rapport (hauteur de refoulement) / (hauteur de chute)
4 6 8 10 12
1 pouce 50% 54% 54% 48% 40%
2 pouces 52% 56% 56% 50% 44%


Pour en revenir à l'exemple d'un bélier de 1 pouce. La quantité d'eau passant dans la conduite motrice serait de 6,6 litres/minute. En tenant compte du pourcentage de rendement du bélier, ici environ 54%. ce qui nous donne à espérer un pompage de 3,5 litres/minute à la sortie de refoulement à 40 mètres plus haut. En espérant que ceci puisse mieux vous aider !
    Pour toute information, ou juste pour le plaisir d'en discuter, contactez-moi sylvainlev@videotron.ca.
    À ce stade-ci, tout devrait bien fonctionner, et votre réservoir d'accumulation de commencer à s'emplir. Et je soupçonne même sur votre visage un sourire non dissimulé, tout en contemplant votre système. Tout émerveillé par son principe de fonctionnement que vous connaissez maintenant. Imaginez quand les passants, les amis ou la famille vous demanderont comment cela fonctionne-t-il ? Vous aurez le plaisir de leur expliquer. tout comme je viens de le faire.
Alors il ne me reste plus qu'à vous souhaiter bonne chance dans votre montage.
Et amusez-vous bien !

 

 
 
 

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