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Bélier hydraulique

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Un bélier hydraulique traditionnel n’a que deux pièces mobiles, une valve de « déchet » à ressort ou à poids parfois appelée valve « clac » et un clapet anti-retour de « refoulement », ce qui le rend bon marché à construire, facile à entretenir et très fiable.

Le bélier hydraulique de Priestly, décrit en détail dans l’Encyclopedia Britannica de 1947, n’a aucune pièce mobile. NOTE : Cette pompe prétend ne pas avoir de vannes mobiles et utilise de l’air à haute pression, il peut donc s’agir en réalité d’une pompe Pulser.

Séquence de fonctionnementModification

Figure 2 : Composants de base d’un bélier hydraulique :
1. Entrée – tuyau d’entraînement
2. Flux libre au niveau de la valve de décharge
3. Sortie – tuyau de livraison
4. Valve de décharge
5. Clapet anti-retour de refoulement
6. Récipient sous pression

Un bélier hydraulique simplifié est représenté sur la figure 2. Initialement, la vanne de déchets est ouverte (c’est-à-dire abaissée) en raison de son propre poids, et la vanne de refoulement est fermée sous la pression causée par la colonne d’eau provenant de la sortie . L’eau dans le tuyau d’entrée commence à s’écouler sous la force de gravité et prend de la vitesse et de l’énergie cinétique jusqu’à ce que la force de traînée croissante soulève le poids de la vanne d’évacuation et la ferme. L’élan du flux d’eau dans le tuyau d’entrée contre la vanne d’évacuation maintenant fermée provoque un coup de bélier qui augmente la pression dans la pompe au-delà de la pression causée par la colonne d’eau qui s’écoule de la sortie. Cette différence de pression ouvre maintenant la vanne de refoulement et force l’eau à s’écouler dans le tuyau de refoulement. Comme cette eau est forcée de monter dans le tuyau de refoulement plus qu’elle ne descend de la source, le débit ralentit ; lorsque le débit s’inverse, le clapet de refoulement se ferme. Pendant ce temps, le coup de bélier provoqué par la fermeture du clapet de refoulement produit également une impulsion de pression qui se propage en amont du tuyau d’admission jusqu’à la source où elle se transforme en une impulsion d’aspiration qui se propage en aval du tuyau d’admission. Cette impulsion d’aspiration, avec le poids ou le ressort sur la vanne, tire la vanne d’évacuation en arrière ouverte et permet au processus de recommencer.

Un réservoir sous pression contenant de l’air amortit le choc de pression hydraulique lorsque la vanne d’évacuation se ferme, et il améliore également l’efficacité du pompage en permettant un débit plus constant dans le tuyau de refoulement. Bien que la pompe puisse en théorie fonctionner sans lui, le rendement diminuerait considérablement et la pompe serait soumise à des contraintes extraordinaires qui pourraient réduire considérablement sa durée de vie. L’un des problèmes est que l’air sous pression se dissout progressivement dans l’eau jusqu’à ce qu’il n’en reste plus rien. Une solution à ce problème consiste à séparer l’air de l’eau par un diaphragme élastique (similaire à un vase d’expansion) ; cependant, cette solution peut être problématique dans les pays en développement où les remplacements sont difficiles à obtenir. Une autre solution consiste à installer une soupape de purge à proximité du côté de l’entraînement de la soupape de distribution. Elle aspire automatiquement une petite quantité d’air chaque fois que la soupape de refoulement se ferme et que le vide partiel se développe. Une autre solution consiste à insérer une chambre à air d’un pneu de voiture ou de bicyclette dans le réservoir sous pression avec un peu d’air dedans et la valve fermée. Cette chambre à air est en fait la même que le diaphragme, mais elle est réalisée avec des matériaux plus facilement disponibles. L’air contenu dans le tube amortit le choc de l’eau de la même manière que l’air contenu dans d’autres configurations.

Edit d’efficacité

Une efficacité énergétique typique est de 60%, mais jusqu’à 80% est possible. Il ne faut pas confondre ce rendement avec le rendement volumétrique, qui met en relation le volume d’eau délivré avec le total de l’eau prélevée à la source. La portion d’eau disponible au niveau du tuyau de refoulement sera réduite par le rapport entre la hauteur de refoulement et la hauteur d’alimentation. Ainsi, si la source se trouve à 2 mètres au-dessus du bélier et que l’eau est soulevée à 10 mètres au-dessus du bélier, seulement 20 % de l’eau fournie peut être disponible, les 80 % restants étant déversés par la vanne de vidange. Ces ratios supposent une efficacité énergétique de 100 %. L’eau réellement fournie sera encore réduite par le facteur d’efficacité énergétique. Dans l’exemple ci-dessus, si l’efficacité énergétique est de 70%, l’eau fournie sera 70% de 20%, soit 14%. En supposant un rapport de 2 pour 1 entre la tête d’alimentation et la tête de refoulement et une efficacité de 70 %, l’eau fournie sera de 70 % de 50 %, soit 35 %. Des rapports très élevés entre la hauteur de refoulement et la hauteur d’alimentation entraînent généralement une baisse de l’efficacité énergétique. Les fournisseurs de béliers fournissent souvent des tableaux donnant les rapports de volume attendus sur la base d’essais réels.

Conception du tuyau d’entraînement et de refoulementModification

Puisque l’efficacité et la fiabilité du cycle dépendent des effets du coup de bélier, la conception du tuyau d’entraînement est importante. Il doit être entre 3 et 7 fois plus long que la distance verticale entre la source et le bélier. Les béliers commerciaux peuvent avoir un raccord d’entrée conçu pour s’adapter à cette pente optimale. Le diamètre du tuyau d’alimentation doit normalement correspondre au diamètre du raccord d’entrée sur le bélier, qui est lui-même basé sur sa capacité de pompage. Le tuyau d’entraînement doit être de diamètre et de matériau constants, et doit être aussi droit que possible. Lorsque des coudes sont nécessaires, ils doivent être lisses et de grand diamètre. Même une grande spirale est autorisée, mais les coudes sont à éviter. Le PVC peut être utilisé dans certaines installations, mais les tuyaux en acier sont préférables, bien que beaucoup plus chers. Si des vannes sont utilisées, elles doivent être de type à écoulement libre, comme un robinet à boisseau sphérique ou un robinet-vanne.

La conduite de refoulement est beaucoup moins critique puisque le réservoir sous pression empêche les effets de coup de bélier de remonter le long de celle-ci. Sa conception globale serait déterminée par la chute de pression admissible en fonction du débit attendu. En général, la taille du tuyau sera environ la moitié de celle du tuyau d’alimentation, mais pour les très longs parcours, une taille supérieure peut être indiquée. Les tuyaux en PVC et toutes les vannes nécessaires ne posent pas de problème.

Démarrage du fonctionnementModification

Un bélier nouvellement mis en service ou qui a cessé de fonctionner devrait démarrer automatiquement si le poids de la vanne de vidange ou la pression du ressort est correctement réglé, mais il peut être redémarré comme suit : Si la vanne de vidange est en position relevée (fermée), elle doit être poussée manuellement vers le bas en position ouverte et relâchée. Si le débit est suffisant, il effectuera alors au moins un cycle. Si elle ne continue pas à fonctionner, elle doit être poussée vers le bas à plusieurs reprises jusqu’à ce qu’elle fonctionne d’elle-même, généralement après trois ou quatre cycles manuels. Si le vérin s’arrête alors que la vanne d’évacuation est en position basse (ouverte), il doit être soulevé manuellement et maintenu en position haute aussi longtemps que nécessaire pour que le tuyau d’alimentation se remplisse d’eau et que les bulles d’air éventuelles remontent le tuyau jusqu’à la source. Cela peut prendre un certain temps, selon la longueur et le diamètre du tuyau d’alimentation. Ensuite, on peut le mettre en marche manuellement en le poussant vers le bas à quelques reprises comme décrit ci-dessus. Le fait d’avoir une vanne sur le tuyau d’alimentation au niveau du bélier facilite le démarrage. Fermez la vanne jusqu’à ce que le bélier commence à fonctionner, puis ouvrez-la progressivement pour remplir le tuyau d’alimentation. Si elle est ouverte trop rapidement, elle arrêtera le cycle. Une fois que le tuyau de livraison est plein, la vanne peut être laissée ouverte.

Problèmes opérationnels courantsModification

L’incapacité à délivrer suffisamment d’eau peut être due à un mauvais réglage de la vanne d’évacuation, au fait d’avoir trop peu d’air dans le réservoir sous pression, ou simplement à la tentative de faire monter l’eau plus haut que le niveau dont le bélier est capable.

Le bélier peut être endommagé par le gel en hiver, ou la perte d’air dans le réservoir sous pression conduisant à une contrainte excessive sur les pièces du bélier. Ces défaillances nécessiteront des soudures ou d’autres méthodes de réparation et peut-être le remplacement de pièces.

Il n’est pas rare qu’un bélier en fonctionnement nécessite des redémarrages occasionnels. Le cycle peut s’arrêter en raison d’un mauvais réglage de la vanne d’évacuation, ou d’un débit d’eau insuffisant à la source. L’air peut pénétrer si le niveau de l’eau d’alimentation n’est pas au moins quelques pouces au-dessus de l’extrémité d’entrée du tuyau d’alimentation. D’autres problèmes sont le blocage des vannes par des débris ou une installation incorrecte, comme l’utilisation d’un tuyau d’alimentation dont le diamètre ou le matériau n’est pas uniforme, qui présente des coudes aigus ou un intérieur rugueux, qui est trop long ou trop court pour la chute ou qui est fabriqué dans un matériau insuffisamment rigide. Un tuyau d’alimentation en PVC fonctionnera dans certaines installations mais n’est pas aussi optimal que l’acier.

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