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BELIER HYDRAULIQUE

Le Bélier hydraulique

Principe
De l'eau s'écoule dans une canalisation qui doit être rigide.
En s'écoulant, cette eau immobile au début prend de la vitesse et emmagazine de l'énergie cinétique.
Un clapet, taré, situé à l'extrémité basse de la conduite, entraîné par la vitesse de l'eau se soulève, et obstrue brutalement la sortie d'eau.
C'est le fameux "coup de bélier", qui peut facilement faire éclater des conduites de distribution d'eau, si l'on ne prend pas certaines précautions...
La vitesse est alors transformée en pression.
Une dérivation à l'extrémité du tuyau, en amont du clapet, comporte également un autre clapet qui sous l'effet de la pression va s'ouvrir, laisser pénétrer l'eau dans une cloche.
La pression diminue alors dans la conduite et l'eau s'arrête de circuler.
Le clapet taré par son propre poids retombe dans son logement et l'eau se remet à couler, prenant de nouveau de la vitesse, et ainsi de suite...
A chaque fermeture du clapet taré, une quantité d'eau pénètre dans la cloche, le deuxième clapet l'empêchant de repartir et cette eau est envoyée sous pression sur une hauteur qui peut aller jusqu'à 10 fois plus que la hauteur de la source.
La cloche doit contenir de l'air, qui par son élasticité agit comme un ressort, en absorbant l'effet indésirable du coup de bélier dans la conduite de sortie, qui elle, peut être souple.
Il régularise également le débit, rendant le fonctionnement plus souple, moins bruyant, et plus efficace.
Le rendement du système dépend du rapport entre la hauteur de chute et celle du refoulement, le rendement énergétique de la machine est de l'ordre de 80 %.



Utilisation
Pomper de l'eau pour remplir un réservoir, un bassin, ou faire couler une fontaine, remplir une piscine, ou une pièce d'eau artificielle pour des poissons... est possible, si vous avez de l'eau et une chute à proximité de votre propriété...
Mais le bélier hydraulique est essentiellement utilisé pour alimenter les châteaux d'eau.
Il permet des débits de 1000 litres par jour à plus de 80.000, selon les tailles, hauteurs de chute et de refoulement.
Même si l'eau est à 1 km de chez-vous, c'est possible (à condition d'avoir l'autorisation et la possibilité physique de traverser cette distance !)

Coût
L'investissement (entre 450 € pour un petit modèle et plus de 2.300 € HT pour les plus gros) ; mais l'on peut en installer plusieurs en parallèle...

Historique
Inventé en 1796 par MONTGOLFIER, le principe de cet appareil est basé sur l'utilisation de l'énergie cinétique de l'eau. La hauteur de la chute multipliée par son débit (P = UI) donne une puissance qui est utilisée pour remonter une partie de l'eau ayant chuté.
La quantité d'eau récupérée varie en fonction de la hauteur de la remontée et du rendement de la machine (environ 75 %).
La durée de vie d'un tel appareil peut largement dépasser, avec un peu d'entretien, plus de 30 ans.

Fonctionnement
Le clapet qui se trouve à l'opposé du tuyau de batterie est levé. Pour mettre celui-ci marche, il faut abaisser le piston du clapet. L'eau s'écoule et produit un choc et après avoir soulevé la soupape qui se trouve sous la cloche, elle pénètre dans celle-ci et comprime celle qui s'y trouve. La soupape se referme et l'eau est envoyée sous pression dans le tuyau de refoulement. Pendant ce temps, dans le tuyau de batterie la pression est tombée, le clapet s'abaisse par son propre poids et le cycle continue jour et nuit sans fatigue appréciable pour les organes de l'appareil.

Quantité d'eau fournie
Elle dépend :
- du débit du ruisseau ou de la source, ou du débit dans le réservoir d'emmagasinage.
  • de la quantité d'eau absorbée par votre bélier,
  • de la hauteur de chute,
  • de la hauteur de refoulement,
  • des pertes de charge dans les canalisations,
  • du rendement du bélier qui dépend des paramètres précédents.

Conseils
Mesure des débits
Mesurer de temps que met la source ou le ruisseau pour remplir un seau ou un récipient dont on connaît le volume.
Si le débit est trop important barrer complètement le courant avec une planche possédant une ouverture de 10-20-30-40 cm de largeur et de 10 cm de haut. Lorsque le courant passe entièrement sans variation de niveau, mesurer la hauteur de la lame d'eau du déversoir.

Par chaque 10 cm de largeur d'ouverture, le débit est de :
- 10 litres à la minute pour 1 cm de haut,
- 30 litres à la minute pour 2 cm de haut,
- 55 litres à la minute pour 3 cm de haut,
- 90 litres à la minute pour 4 cm de haut,
- 120 litres à la minute pour 5 cm de haut, etc.

Note de Régis Petit :
Ces résultats numériques ne conviennent que pour une hauteur (h) de la lame d'eau définie en arrière du déversoir et non pour une hauteur (h') définie au droit du seuil du déversoir.
En effet, la formule standard pour un déversoir à seuil épais est la suivante : qA = b h' Racine_carrée[2 g (h - h')] où qA est le débit volumique (en m³/s), b la largeur du déversoir (en m), h et h' les différences de niveau par rapport au seuil (h avant la seuil et h' au droit du seuil, toutes deux en m), g la constante d'accélération de la pesanteur 9,81 m/s2 On démontre ensuite que qA est maximum pour h' = (2/3) h D'où les formules : qA = b h' Racine_carrée[g h' ] ou bien qA = (2/3) b h Racine_carrée[(2/3) g h ] Vous avez pris apparemment la seconde formule (qA = 10 l/mn pour b = 0,1 m et h = 0,01 m).
En pratique, il est plus aisé de mesurer la hauteur (h') au droit du seuil et on obtiendrait alors les résultats suivants :
- qA = 19 l/mn pour h' = 0,01 m
- qA = 53 l/mn pour h' = 0,02 m
- qA = 98 l/mn pour h' = 0,03 m
- qA = 150 l/mn pour h' = 0,04 m
- qA = 210 l/mn pour h' = 0,05 m 2).

Mesure des hauteurs (verticalement)
Elles doivent être faites le plus exactement possible, car de la précision de leur mesure dépend le prix du bélier.
En effet, une différence de quelques centimètres en plus ou en moins sur la hauteur de chute ou de quelques décimètres sur le refoulement, peut faire varier sensiblement le coût de l'installation. Elles seront faites au niveau à vases communicants, à l'alidade nivellatrice ou par tout autre procédé de nivellement. La hauteur de chute se mesure entre le niveau de la source ou du ruisseau à l'endroit où l'on prévoit le captage et l'endroit où l'on veut installer le bélier ( entre 10 et 30 mètres du captage). La longueur du tuyau de batterie est déterminée par nos tables de calculs en fonction des ces hauteurs ainsi que le rendement du bélier. La longueur du tuyau de refoulement n'influe pas sur le fonctionnement.

Choix
C'est la quantité d'eau que vous pouvez canaliser par minute dans votre tuyauterie de batterie, qui déterminera la taille du bélier à utiliser.


Installation
(Bélier "Walton")
L'appareil devra être établi sur une petite assise solide en maçonnerie, nivelée avec précision.
Il sera fixé sur une assise au moyen de quatre boulons de scellement.
Le bélier étant soumis à des chocs brusques, il faut donc qu'il ne puisse pas être ébranlé par son fonctionnement.

tuyau de batterie
La longueur du tuyau de batterie est importante, elle dépend à la fois de la hauteur de chute, de celle de l'élévation et du débit du bélier.
Les règles servant à la déterminer sont assez compliquées.
Il est possible d'ailleurs que dans des conditions particulières, cette longueur soit modifiée d'une faible quantité pour augmenter le rendement de l'appareil et régulariser son fonctionnement.
Les tuyaux de batterie doivent être en ligne droite ou tout au moins ne pas présenter de coudes brusques sur leur parcours. La pente du tuyau de batterie n'intervient pas dans le fonctionnement, c'est-à-dire que ce tuyau peut être horizontal, s'il prend à la base d'un réservoir comprenant une certaine hauteur d'eau.
Cette disposition peut faciliter une installation, en permettant d'enterrer le tuyau sur toute la longueur.
Il est toutefois indispensable qu'il n'y ait pas de contre-pente.
Pour que l'alimentation du bélier soit continue et qu'il n'y ait pas d'entraînement d'air, il est aussi indispensable que la crépine soit toujours recouverte d'au moins 0,40 m d'eau. Les béliers "W" sont munis de brides taraudées pour recevoir des tuyaux de fer. Enfin, afin d'éviter les entraînements de sable ou de matières étrangères dans le bélier, il est nécessaire de munir l'extrémité du tuyau de batterie d'une crépine.

prise d'eau
Il faut distinguer le cas où la prise d'eau se fait dans une source, dans une rivière ou dans un ruisseau.
- dans le cas d'un bassin de captation de source cela constitue généralement un excellent réservoir d'alimentation.
- dans le cas d'une rivière, elle peut être exposée à des crues qui rendent les eaux vaseuses, il est donc conseillé de ne pas faire la prise directement dans la rivière mais dans un petit puisard ou dans un regard communiquant librement avec la rivière, mais séparé de celle-ci par une toile métallique.
- dans le cas d'un ruisseau, il est généralement facile d'y établir un barrage et le bief d'amont forme alors le bassin d'alimentation.

Comme la longueur à adopter pour le tuyau de batterie n'est pas arbitraire, il peut se faire qu'elle soit différente de la distance qui sépare la prise d'eau du bélier. Dans ce cas, il y a lieu d'établir à une distance du bélier - égale à la longueur du tuyau de batterie - un petit réservoir d'alimentation dans lequel prend le tuyau de batterie.
Ce réservoir est relié avec la source au moyen d'un tuyau quelconque et l'eau y prend le même niveau qu'à la prise d'eau par le principe des vases communicants. Il peut n'être qu'une simple cheminée en tube PVC placé verticalement d'une capacité au moins égale à la quantité d'eau prise par le bélier en 5 minutes.

Amorçage
Au démarrage du bélier, il existe une astuce qui évite de manoeuvrer longtemps le clapet de choc pour faire monter l’eau dans la conduite de refoulement. Il suffit de fermer complètement la vanne d’arrêt de la conduite de refoulement. Quelques manoeuvres suffiront alors, car la pression dans la cloche va vite monter, ce qui correspond à une grande hauteur (fictive) de refoulement. Ne pas oublier de réouvrir la vanne dès que le bélier bat tout seul !

Note de Régis Petit :
Une cheminée en tube d'acier est à préférer, en général, à un tube PVC.
En effet, ce tube n'est que la continuité de la conduite motrice (tronquée) et il convient d'avoir toujours une grande valeur de la vitesse de l'onde de choc pour pouvoir monter l'eau à de grandes hauteurs de refoulement.

Il faut autant que possible placer le bélier à l'abri du gel, soit en l'entourant de maçonnerie soit en le mettant dans une fosse d'une certaine profondeur à condition, bien entendu. que l'eau puisse s'échapper librement de cette fosse.


reniflard
Le reniflard doit être monté de 10 à 20 cm avant le bélier sur la partie horizontale du tuyau de batterie, il doit être vissé correctement et non pas à fond, mais de manière à ce que son extrémité vienne affleurer la paroi intérieure du tuyau.
contrôle :
à chaque fermeture du clapet du bélier, un mince filet d'eau doit jaillir par l'orifice central minuscule si celui-ci n'est pas bouché.

tuyau de refoulement
Si la conduite de refoulement comporte plusieurs branchements, il faut absolument que l'orifice d'écoulement le plus élevé ne soit pas muni d'un robinet ni d'un bouchon de façon à toujours laisser un échappement à l'eau refoulée par le bélier.
Quoique cela ne soit pas indispensable, c'est une excellente précaution de mettre à la base du tuyau de refoulement un clapet de retenue qui permet de maintenir la conduite de refoulement pleine d'eau si l'on est obligé de démonter le bélier pour une cause quelconque. Lorsque les conduites sont posées, afin de s'assurer qu'il n'existe aucune fuite, il est prudent de les laisser à découvert, pendant une huitaine de jours après la première mise en marche.


Mise en marche et entretien
Le bélier Walton étant un appareil à la fois récepteur et moteur, son fonctionnement ne peut se faire que lorsqu'il y a équilibre entre le refoulement d'une part et la batterie de l'autre. Par conséquent, au début de l'installation, le tuyau de refoulement étant vide il n'y a pas équilibre et le bélier ne peut fonctionner.
L'arrivée de l'eau dans l'appareil soulève le piston qui reste au point le plus haut de sa course.
Il faut alors faire fonctionner à la main le piston du bélier jusqu'à ce que le tuyau de refoulement soit plein ou presque plein. Cela demande naturellement un temps plus ou moins long, suivant la longueur du tuyau de refoulement.

nettoyage
Lorsque des dépôts de sable se sont accumulés à la longue dans le bélier, il suffit pour s'en débarrasser de dévisser la bride située du côté opposé au tuyau de refoulement : il se produit alors une chasse d'eau qui nettoie l'appareil.
Il est installé comme indiqué sur les schémas : installation normale avec tuyauterie de batterie simple entre prise d'eau et bélier.
Règle générale : HR ne doit pas excéder 15 HC (avec HC 1 m minimum).

Contact
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Tel : 04 66 81 12 36 - Fax : 04 66 63 21 31


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