Il y a quelque temps, j’ai écrit sur les coups de bélier, un phénomène hydraulique qui peut entraîner des problèmes majeurs dans les canalisations. Puis, j’ai écrit sur le coup de bélier, un phénomène quelque peu connexe associé aux systèmes de tuyauterie à vapeur qui peut être extrêmement dangereux. Et enfin, j’ai fait un suivi du coup de bélier en parlant des phénomènes de vide transitoire qui peuvent faire s’effondrer les canalisations si elles ne sont pas conçues et exploitées correctement. Mais même après ces articles, il s’avère que je n’ai pas tout dit. Car même si les coups de bélier sont généralement un problème pour les ingénieurs, il existe un moyen de tirer parti de cet effet normalement inauspicieux pour une utilisation bénéfique. Bonjour, je m’appelle Grady et je vous présente Practical Engineering. Dans l’épisode d’aujourd’hui, nous parlons des pompes hydrauliques à bélier.
Un bélier hydraulique est un dispositif astucieux inventé il y a plus de 200 ans qui peut pomper de l’eau en amont sans autre source d’énergie externe que l’eau qui s’y écoule. Non, ce n’est pas un dispositif d’énergie libre, mais si vous faites des recherches, vous trouverez beaucoup d’excellentes mises en œuvre de ce style de pompe sur YouTube, principalement par des personnes qui font du homesteading et des vlogs sur le mode de vie hors réseau. Et il est facile de comprendre pourquoi les pompes à bélier sont si populaires parmi ces groupes. En effet, si vous disposez d’un terrain avec une source d’eau abondante, une pompe bélier vous permet d’acheminer cette eau vers un réservoir ou un endroit situé à une altitude plus élevée grâce à une conception vraiment élégante qui ne nécessite ni électricité ni carburant et seulement deux pièces mobiles. Bien sûr, j’ai construit la mienne pour que vous puissiez voir comment elle fonctionne, mais nous devons d’abord acquérir un minimum de connaissances de base sur le comportement des fluides. Et c’est quelque chose que tout le monde peut comprendre.
Il y a trois types d’énergie qu’un fluide peut avoir, et en génie civil, nous les convertissons généralement à leurs équivalents comme la hauteur d’une colonne statique. Cette distance est appelée la hauteur de chute. La compréhension de l’énergie d’un fluide nous permet de résoudre de nombreux problèmes d’ingénierie, car dans la plupart des scénarios, la quantité d’énergie reste la même, et la seule chose qui change est la forme qu’elle prend. Le premier type d’énergie est celui du potentiel gravitationnel. Il n’y a pas de colonne statique équivalente car il s’agit d’une colonne statique. La hauteur de chute est simplement la distance par rapport à un point de référence arbitraire. Celle-ci est facile à démontrer avec un réservoir et un tube. Je peux déplacer ce tube où je veux, mais le niveau dans le tube et le réservoir sera toujours le même. Ils sont tous deux exposés à la pression atmosphérique à leur surface et ils ne bougent pas, il n’y a donc pas de vitesse. C’est juste du potentiel gravitationnel pur.
Le deuxième type d’énergie est la tête de pression. Dans ce cas, la hauteur de chute est la pression divisée par la gravité et la densité du fluide. Ainsi, si je ferme le haut de mon réservoir et que j’ajoute un peu de pression d’air, le niveau dans le tube monte. La nouvelle hauteur est la hauteur de pression, la colonne statique équivalente liée à la pression dans le réservoir. Pour une pression donnée, un fluide plus dense comme le mercure aura une hauteur manométrique inférieure à celle d’un fluide plus léger comme l’eau, car leurs poids unitaires sont différents. Le baromètre est un bon exemple de mesure de la hauteur manométrique. Nous vivons au fond d’un océan d’air et nous aimons suivre la pression de l’air ici-bas. L’une des façons les plus simples de le faire est de mesurer à quelle hauteur la pression peut pousser une colonne statique d’un fluide, dans la plupart des cas du mercure.
Le dernier type d’énergie est la tête de vitesse, qui concerne l’énergie cinétique d’un fluide. Je peux démontrer la colonne d’eau équivalente à l’aide d’un outil appelé tube de Pitot. La conversion de la hauteur de chute est la suivante : vitesse au carré divisée par 2 fois l’accélération gravitationnelle. C’est beaucoup d’informations, mais elles sont importantes pour comprendre le fonctionnement d’une pompe à piston. En effet, sans source d’énergie externe, même si vous pouvez passer d’un type d’énergie à un autre, vous ne pouvez pas extraire plus d’énergie que celle que vous aviez au départ. Par exemple, je peux convertir une colonne d’eau statique en une colonne ayant une certaine vitesse, mais je ne parviendrai jamais à amener le fluide à une altitude plus élevée que celle de départ… à une exception près. Une exception dont la pompe bélier hydraulique tire magnifiquement parti.
Une pompe bélier se résume essentiellement à deux clapets anti-retour unidirectionnels, l’un appelé clapet de décharge et l’autre clapet de refoulement. Pour la faire démarrer, il suffit d’ouvrir momentanément la soupape d’évacuation pour permettre à l’eau de s’écouler. Ensuite, elle travaille d’elle-même pour pomper l’eau en amont, au-dessus de l’altitude de la source. Plutôt étonnant, je trouve. Parcourons le chemin de l’eau pour comprendre comment cela fonctionne. Tout d’abord, lorsque la vanne d’évacuation s’ouvre, l’eau entre dans la pompe et ressort immédiatement par la vanne. Mais, à mesure qu’elle prend de la vitesse, l’eau qui s’écoule finit par forcer la valve d’évacuation à se fermer. Maintenant l’eau est arrêtée dans la pompe. Elle avait de l’énergie cinétique… mais maintenant elle n’en a plus. Cela signifie que l’énergie cinétique a été convertie en quelque chose d’autre, dans ce cas la pression. C’est la définition du coup de bélier. Fermer une vanne convertit toute cette énergie cinétique presque instantanément, créant un énorme pic de pression qui peut entraîner des contraintes et des dommages dans les systèmes de canalisation et les équipements connectés.
Dans le cas de la pompe bélier cependant, ce pic de pression a un effet différent. Il ouvre le deuxième clapet anti-retour et force l’eau qui entre dans la pompe à passer dans la ligne de refoulement. Comme vous pouvez le voir sur mon manomètre numérique, ce processus est cyclique, pompant une partie de l’eau et gaspillant le reste chaque fois que la valve se ferme. Vous pouvez voir ce qui se passe ici en temps réel : la pompe vole une partie de l’énergie cinétique du flux et la transmet à un plus petit volume d’eau. Il s’agit d’une redistribution de l’énergie, qui convertit une faible hauteur de chute et un débit élevé en une hauteur de chute élevée et un débit faible. Et ce type de pompe peut vraiment créer beaucoup de hauteur de charge. J’ai installé ma ligne de refoulement bien au-dessus du toit de mon abri, et ma pompe est toujours capable d’amener l’eau là-haut. Parfois, une chambre à air est incluse dans la pompe pour lisser ces pics de pression brutaux et fournir un débit plus régulier hors du tuyau de refoulement, ce qui réduit l’usure des composants de la pompe.
Si vous aimez penser en termes d’appareils électriques modernes, imaginez que nous installions une turbine hydroélectrique sur un tuyau pour faire tourner un générateur, puis que nous utilisions cette électricité pour alimenter une pompe afin de déplacer l’eau sortant de la turbine. Il est évident que vous ne pourriez pas pomper toute l’eau et, de toute façon, ce serait une installation assez compliquée pour quelque chose que la pompe à rampe peut faire avec quelques pièces de plomberie très simples du commerce. En fait, il existe un type de pompe qui fonctionne à partir d’une turbine actionnée par l’eau. Je vais peut-être en construire une. Pour l’instant, je pense que la pompe bélier est un moyen ingénieux de tirer parti des propriétés des fluides. Nous avons tous besoin d’eau pour diverses raisons, et le fait de pouvoir la déplacer là où nous en avons besoin sans équipement sophistiqué ni source d’énergie externe est un outil très intéressant à avoir dans sa boîte à outils. Merci, et faites-moi savoir ce que vous en pensez !