science & patrimoine

Bélier hydraulique



Le bélier hydraulique est une technique qui permet de pomper de l’eau jusqu’à une hauteur plus élevée que la source en utilisant l’énergie d’une chute d’eau de hauteur plus faible, grâce à un dispositif mécanique et hydraulique.

En 1792, Joseph-Michel Montgolfier et Aimé Argand, eurent l’idée d’utiliser le phénomène du coup de bélier pour l’appliquer à un mécanisme simple en vue du pompage de l’eau à destination de la papeterie familiale. Ils se seraient inspirés de la machine de John Whitehurst, la «machine à pulsation» inventée en 1772.
Coup de bélier
Le coup de bélier est phénomène connu : quand on ferme brusquement un robinet, la canalisation, du fait de l’arrêt de l’écoulement et de l’inertie de la masse d’eau en mouvement, subit un choc qui se traduit souvent par un bruit. Dans les grosses installations, ce phénomène peut provoquer l’éclatement des canalisations du fait de la quantité d’eau en mouvement. Il convient donc de déjouer les forces en présence pour faire en sorte de l’éviter. Un dispositif à ressort ou à membrane, l’anti-bélier permet d’atténuer ce phénomène et donc de protéger les installations.
Énergie cinétique
Le principe utilise l’énergie cinétique d’une colonne d’eau ayant pris une certaine vitesse ; puis, arrêtée brusquement par un clapet, une surpression se fait, ce qui permet de faire monter une colonne d’eau réduite à une certaine hauteur. Le résultat dépend des quantités et des vitesses mises en jeu.

La conduite d’arrivée d’eau contrôlée par une vanne d’arrivée principale est alimentée par une eau sous pression liée au dénivelé, dont l’énergie cinétique alimentera le dispositif en énergie. De cette énergie dépend la capacité de pompage. La pression d’arrivée est cependant inférieure à la hauteur du refoulement et nécessite une énergie supplémentaire pour augmenter la pression. 

Le bélier est constitué d’une conduite d’arrivée, d’une soupape primaire à ouverture contrôlée par un ressort (ou parfois par un simple poids), d’une conduite de refoulement avec un clapet anti-retour et une cloche remplie d’air.

Fonctionnement

Le rendement hydraulique d’un bélier dépend du débit initial et du rapport chute/élévation (h/H). Il ateint 20% (c’est-à-dire 20 litres d’eau pompée pour 100 litres « tombés ») dans les conditions idéales.

1/ L’eau arrive dans la conduite et ferme le premier clapet. Une onde de choc et créée qui parcourt la conduite en sens inverse à la vitesse de 15 mètres par seconde dans un tuyau en plastique ; de 1000 mètres par seconde dans un tuyau en acier. C’est le coup de bélier.

2/ La surpression ouvre le second clapet permettant à l’eau de monter dans la cloche.

3/ La pression de l’air à l’intérieur de la cloche pousse l’eau. Le clapet se ferme et l’eau monte dans la conduite de refoulement. Un nouveau cycle commence alors.
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