Bélier Hydraulique

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    Connaissez-vous le bélier ...hydraulique ? On l’appelle « RAM » en anglais ou encore « ariete hidráulico » en espagnol. C'est un type de pompe qui travaille SANS électricité et vous pouvez même en construire une vous-même !

     Le bélier hydraulique est un système de pompe à eau inventé il y a plus de deux cents ans, pour élever de l’eau douce grâce à sa propre énergie cinétique*. C’est une pompe automatique qui n’utilise que la force de l’eau, c'est-à-dire sans apport d'énergie extérieure, en profitant d’une chute d’eau grâce au renouvellement d’un arrêt brutal de cette même eau en fin de chute. Cet arrêt est réitéré indéfiniment lors de son passage au niveau du bélier. Cela permet de relever une partie de cette eau à une hauteur supérieure à la hauteur de chute qui alimente le bélier. C’est donc une technologie rustique, à la fois économique et écologique.

* L’énergie cinétique est l'énergie que possède un corps/un fluide/un gaz du fait de son mouvement par rapport à un référentiel (une position/un repère) donné.

Quels sont les principaux avantages du bélier hydraulique ? 

     . Il est relativement peu coûteux si on le fabrique soi-même ; 
     . Il fonctionne de façon entièrement automatique, sans électricité, sur une longue durée (certains fonctionnent depuis des dizaines d'années) ; 
     . Pas de graissage, ni d’entretien particulier autre que lui assurer sa propreté ; 
     . Les réparations sont peu nombreuses, hormis l'usure inévitable des pièces mobiles ; 
     . Le bélier hydraulique peut prendre toutes les tailles pour s’adapter aux débits et aux hauteurs souhaitées.

Quelles sont le conditions pour pouvoir utiliser ce type de pompe ?

     Généralement, c’est dans un environnement de collines et de source(s), comme un étang, que les conditions sont les plus propices. Si la source est plus haute que le point qui doit être servi (un réservoir, un abreuvoir, un bassin pour irriguer, etc.), le problème ne se pose pas, car par simple gravitation vous réaliserez vos rêves. Par contre, si la source se trouve en contre-bas, il vous faudra impérativement faire usage d’une pompe. Dans ce cas, le bélier hydraulique peut se révéler suffisant, même si les quantités d’eau à élever ne représente que 20-30 % de l’eau qui passe par l’installation de cette pompe rustique. Toutefois, chaque litre/minute fourni en amont permettra de stocker environ 1,44 m³/jour ! De plus, le réel avantage est de fonctionner économiquement (pas besoin d’électricité, ni de groupe électrogène).

De quoi est-il constitué ?

Le système est formé de 3 sections :

     (1) A partir d’une source ou réservoir, un tuyau d’ alimentation (amenée) de l’eau en pente (qui servira à créer de l’énergie cinétique) ;
     (2) Le corps proprement dit du bélier (une chambre de compression, généralement une cloche en fonte) ; et
     (3) Un tuyau de refoulement pour élever en partie cette eau (par exemple, à un château d’eau ou un tank).

Comment cela fonctionne-t’il ?

     En provenance de la source, l'eau s'écoule librement à travers une conduite motrice conduisant au corps du bélier. Dans un premier temps, cette eau (qui a un poids) prend de la vitesse et s’échappe (en fin de course) par un gros clapet principal qui fait partie du bélier et qui est fixé à un palier plus bas. Toutefois, grâce à la vitesse acquise, le clapet principal se ferme brusquement à un certain moment en provoquant une hausse de pression instantanée ...ce que l’on nomme "coup de bélier".

     Ce coup de bélier va provoquer l'ouverture d’un petit clapet intérieur pour remplir une chambre d’air (le corps même du bélier) que l’on nomme la cloche du bélier. En pénétrant dans cette cloche, l'eau va comprimer l'air intérieur qui se trouve en permanence prisonnière dans la partie supérieur. La pression atteindra une limite de compression qui va provoquer à une certain moment l’effet contraire en repoussant l’eau qui, par pression acquise, va fermer le petit clapet et pousser l'eau dans une conduite de refoulement (en amont) à laquelle la cloche est reliée. Tous ces mouvements de l’eau sont donc régulés par ce petit clapet permettant dans un premier temps l’accès et dans un deuxième temps d’empêcher l’eau de revenir en arrière.

     Cette façon opératoire est répétée plusieurs fois par minute et ne s’arrête qu’avec l’intervention humaine (par exemple, en ajoutant des valves de plomberie).

     En voici les étapes successives :

Quelles sont les précautions à prendre pour pouvoir installer un bélier hydraulique ?

  1. La plupart des béliers ont besoin au départ d’un débit d’eau d’au moins 8-10 litres/minute ; il faut donc considérer les niveaux d’eau de votre source c’est-à-dire les minimum et maximum d’eau disponibles (en relation avec les saisons) ;
  2. Ils doivent être installés au moins 0,7-1,0 mètre en contre-bas de la source d’où provient l’eau ;
  3. La pente du tuyau d’amenée d’eau doit avoir une pente d’au moins 30° avec l’horizontale ; 
  4. La distance de la source au bélier (l) doit être idéalement au moins 6 fois la chute verticale (h) ;
  5. L’eau peut être levée depuis le bélier jusqu’au point d’utilisation (approximativement) d’une hauteur représentant 10 fois la chute verticale entre la source et le bélier ;
  6. La longueur du tuyau de refoulement est généralement le double en longueur de celui de l’alimentation en eau ;
  7. La section du tuyau de refoulement est généralement de moitié de celle de l’alimentation ;
  8. Pour un bon fonctionnement, l’eau doit être maintenue propre en écartant en amont (à la source) les feuilles et débris (car ceux-ci pourraient bloquer le gros clapet) ;
  9. Le coût initial d’un bélier hydraulique est plus cher qu’une pompe électrique ...de même capacité. Toutefois, si bien calibré, son coût d’entretien est inexistant.

Enfin, comment calcule-t’on l’apport souhaité à élever ?

     D'une manière générale, on peut dire que le rapport entre la hauteur de chute et la hauteur de remontée est inversement proportionnel au rapport entre la quantité d'eau prélevée à la source et la quantité d'eau remontée, au rendement près. Ce rendement est d'environ 70 %.

     Ainsi, si on dispose d'une source ayant une capacité de 30 l/min et une chute de 10 m, on pourra relever à 30 m une quantité d'eau de 10 l x 70% ou 7 litres d'eau par minute.

     Le choix d'un modèle de bélier repose essentiellement soit sur le débit possible de la source, ou du ruisseau, soit du besoin à l'utilisation.

Calcul d'un bélier

     Si Q est la quantité d'eau débitée par la source ou le ruisseau, la quantité q d'eau remontée vers le réservoir d'utilisation, est calculée par la formule :

q = [(h x Q)/(h + H)] x 0,70

où 0,70 représente le rendement du bélier.

Exemple 1

     Une source à un débit de 30 l/min dont une partie la plus grande possible doit être pompée 20 m plus haut. Si la hauteur de chute h est de 3 m, la quantité d'eau remontée sera de :

[(3 x 30) / (3+20)] x 0,70 = 2,7 l/min ou 3,88 m³/jour

     Si la hauteur h de chute est de 20 m, la quantité d'eau remontée sera de :

[(20 x 30) / (20+20)] x 0,70 = 10,5 l/min ou 15,12 m³/jour

     Dans le premier cas, la longueur de la conduite motrice devra être de 9 à 15 m tandis que dans le second cas, elle devra atteindre 60 à 100 m.

Exemple 2

     Une source à un débit de 150 l/min dont 5 l/min doivent être pompés 50 m plus haut. La hauteur de chute possible sur le bélier est de 10 m. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de choisir un bélier d'une capacité de 150 l/min mais de seulement :

Q = [(h + H) x q] / (h x 0,70) = [(10 + 50) x 5] / (10 x 0,70) = 43 l/min

     Sachez aussi que vous pouvez facilement construire vous-même un bélier hydraulique. Il s’agit de vous procurer (comme cela a été notre cas en Amérique Centrale) différentes pièces simples de plomberie pour ensuite les monter selon un plan d’assemblage trouvé dans l’une ou l’autre publication ou sur le web. Dans notre cas, nous en avions fabriqué un avec l’aide d’un manuel (documentation) technique, fort bien illustré, provenant du très connu « Peace Corps ». Sous les hospices de la coopération internationale, cet organisme US aide de nombreux pays aux ressources financières limitées. Le coût de ce DIY (Do It Yourself = faites-le vous-même) peut bien souvent vous revenir entre 1/3 et 1/10ieme du prix d’un bélier acheté à l’industrie ...tout dépend du dimensionnement (volume à atteindre) pour votre installation. De plus, pour augmenter le débit/l’efficacité, il est toujours possible d’installer plusieurs béliers en parallèle.

     

Béliers hydrauliques assemblés en se procurant les pièces dans le commerce

     Enfin dernier détail : au vu de la pression de l’eau à l’alimentation dans bien des cas (poids + énergie cinétique emmagasinée), il est généralement conseillé de limiter le PVC (tuyaux en plastique, à moins d’être conditionnés pour l’usage spécifique) aux seuls refoulement et rejet pour l’élévation. Le corps du bélier et les clapets doivent pouvoir encaisser certaines pressions occasionnées par le fameux « coups » de bélier hydraulique (lorsque l’eau est violemment stoppée). Par conséquent, choisissez des pièces métalliques afin qu’elles puissent résister plus facilement à tous ces retours de pression.

     Si le sujet vous intéresse, consultez l’intéressant website suivant:

https://wiki.lowtechlab.org/wiki/B%C3%A9lier_hydraulique

     Il vous donnera une façon de construire facilement un bélier hydraulique (en français). 

Références :

  • http://seme.cer.free.fr/
  • http://www.schlumpf-ag.ch/
  • https://www.econologie.com/
  • http://www.regispetit.fr/
  • https://wiki.lowtechlab.org
  • Hydraulic ram for village use, Ersal W. Kindel, Volunteers in Technical Assistance, Maryland, 1975.
  • Pumping water with a hydraulic ram, Agricultural Engineering, The Ohio State University, 1981.
  • The hydraulic RAM pump : perpetual motion for the homestead, Mother Earth News n°22, pg.40-46, 1973. 
Quelle est le premier caractère du mot unpe7 ?

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