Compresseur lent à énergie hydraulique

Introduction

Nous avions évoqué, dans notre article sur le dégazeur de radon, la possibilité de récupérer une partie de l’énergie hydraulique procurée par le réseau d’eau courante. Le dégazeur de radon nécessite effectivement de casser la pression de l’eau courante. Cela implique de remettre cette eau en pression, soit par gravité, soit par un surpresseur, lequel implique une dépense d’énergie supplémentaire, notamment d’origine électrique. Nous proposions l’utilisation d’un réservoir gravitaire situé dans les combles pour éviter l’usage d’un surpresseur. La pression perdue, qui n’est pas facturée (puisque l’on paye le volume d’eau mesuré par le compteur), peut être récupérée. Nous proposons la récupération de cette énergie sous forme d’air comprimé, qui peut être stocké progressivement moyennant une rigueur dans l’étanchéité de la réserve et de ses raccords. Cet air comprimé peut servir au bricoleur à faire fonctionner des outils pneumatiques le week-end.

Schéma

Nomenclature explicative

  1. Filtre à air : il peut avantageusement être précédé d’un sécheur d’air.
  2. Lubrificateur d’air : attention, l’usage de lubrificateurs industriels n’est peut être pas adapté car ces derniers fonctionnent en pression, et avec un « fort » débit (effet venturi). Or, nous sommes dans le cas de très petits débits en dépression. Il peut être pertinent de réaliser soi même un lubrificateur adapté.
  3. Clapets anti retour d’admission.
  4. Clapets anti retour de refoulement.
  5. Compresseurs d’air : ils peuvent être réalisés avec des vérins pneumatiques.
  6. Clapet anti retour avant réserve : il permet d’éviter que les éventuelles légères fuites des raccords des conduits et des compresseurs eux mêmes ne vident la réserve.
  7. Refoulement vers la réserve : il faut prévoir un décanteur en fond de réserve pour récupérer l’huile. Il peut s’avérer pertinent pour cette dernière, de laisser l’huile y rentrer. Un déshuileur intermédiaire peut être source de fuite, de plus, l’huile peut protéger la réserve de l’oxydation. Dans le cas d’un compresseur lent, un séchage post-compression n’est pas forcément pertinent, puisque les températures de refoulements sont très basses et le débit suffisamment lent pour favoriser le fonctionnement optimal du sécheur pré-compression.
  8. Détecteur de pression seuil n°1 : il permet de mesurer la pression de refoulement, et ainsi, ouvrir les vannes 10 afin d’activer un vérin moteur supplémentaire. Avec ce principe, nous limitons la dépense d’eau en étant capable de l’adapter, dans une certaine mesure, à la pression de refoulement. Il s’agit d’un petit vérin pneumatique muni d’un ressort calibré de telle sorte qu’il n’ouvre les vannes qu’à partir de la pression de seuil choisie. Pour une compression à 10 bars, nous pouvons utiliser les seuils suivants : de 0 à 4 bars = utilisation d’un seul vérin moteur, de 4 à 7 bars, utilisation de deux vérins moteurs, de 7 à 10 bars, utilisation de trois vérins moteurs. Ces seuils dépendent évidemment de la section des vérins moteurs 12, 13 et 14 ainsi que de la section des vérins compresseurs 5. Ces détecteurs doivent impérativement être connectés avant le clapet anti retour 6, pour que leurs éventuelles légères fuites ne soient que temporaires.
  9. Détecteur de pression seuil n°2 : il active le dernier vérin moteur disponible.
  10. Vannes d’alimentation des vérins moteurs 12 : ils correspondent au seuil n°1 et sont activés par les détecteurs de pression de seuil 8.
  11. Vannes d’alimentation des vérins moteurs 13 : ils correspondent au seuil n°2 et sont activés par les détecteurs de pression de seuil 9.
  12. Vérins moteurs de seuil n°1 : leur corps (cylindre) peut être réalisé avec un tuyaux en cuivre et leur piston par une rondelle de caoutchouc percée type silentbloc. La tige peut ainsi être réalisée avec une tige filetée en acier inoxydable. En enserrant la rondelle de caoutchouc par des rondelles en acier inoxydable et des écrous freinés, nous pouvons moduler son serrage contre le tuyau. Ceci permet de compenser l’usure et garantir une bonne étanchéité. Il ne serait pas inutile de prévoir un drainage de la légère fuite d’eau possible coté tige. Cette fuite peut être récupérée. Ces vérins moteurs ne sont pas en liaison permanente avec le guidage linéaire, ils utilisent les poussoirs 21, cela évite qu’ils ne soient entrainés lorsqu’ils sont inactifs : la dépression et les frottements bloqueraient le système.
  13. Vérins moteurs de seuil n°2.
  14. Vérins moteurs principaux : ils sont en liaison permanente avec le guidage linéaire et donc avec les vérins compresseurs.
  15. Clapets anti retour : ils empêchent le mouvement parasite des vérins moteurs de seuils n°1 et n°2 lorsqu’ils sont inactifs, au moment de l’échappement des vérins moteurs principaux.
  16. Vannes d’échappement : elles libèrent l’eau motrice vers le réservoir ou le dégazeur de radon.
  17. Vannes d’admission : elles alimentent les vérins moteurs avec la pression du réseau d’eau courante.
  18. Arrivées du réseau d’eau courante.
  19. Départs de l’échappement : vers la réserve ou le dégazeur de radon.
  20. Cames : elles actionnent les vannes d’alimentation et d’échappement en fins de courses. L’alimentation et l’échappement en fin de course d’un système à mouvement linéaire composé d’actionneurs à fluide incompressible fera l’objet d’un autre article. Nous avons déjà évoqué cette difficulté dans l’article sur l’élévateur à pistons.
  21. Poussoirs : ils permettent aux vérins moteurs de seuil n°1 et n°2 de transmettre l’énergie mécanique sans être entrainés par le vérin moteur principal lorsque ce dernier est seul à agir.
  22. Guidage linéaire : il guide les tiges des vérins moteurs et permet la transmission de puissance mécanique entre les différents éléments.

Conclusion

Ce système peut être utile s’il est surtout réalisé avec des composants peu coûteux, récupérés par exemple. Il est utile si vous souhaitez récupérer la moindre quantité d’énergie à votre disposition. Rappelez vous que l’on paye le volume d’eau, sans considération de la pression à laquelle elle est délivrée chez vous. Si vous utilisez un réducteur de pression dans votre installation, alors cela signifie que vous vous privez d’une certaine quantité d’énergie que l’on peut considérer comme gratuite. Enfin, en comprimant de l’air, vous pouvez utiliser des outils pneumatiques sans utiliser le réseau électrique. L’étanchéité de la réserve d’air comprimé doit être très rigoureuse, pour que ce système ait un véritable sens, parce qu’il fonctionne par une lente accumulation quotidienne de l’air comprimé.

La roue à admission intérieure.

Introduction

La roue à eau à admission intérieure appartient à la famille des roues à énergie potentielle. C’est à dire que c’est le poids de l’eau et non son énergie cinétique qui est principalement utilisé dans ce cas. Nous précisons « principalement », parce que dans presque toutes les roues, l’eau n’agit jamais que par son poids ou sa vitesse, c’est toujours une combinaison de ces deux phénomènes, puisqu’il ne peut y avoir de débit sans vitesse.

Avant d’entrer dans le vif du sujet, nous tenons à préciser que nous n’avons rencontré la description d’une telle roue que dans un seul ouvrage ancien :

MANUEL DE L’OUVRIER MÉCANICIENHUITIÈME PARTIE HYDRAULIQUE- ROUES-TURBINES-POMPES N°101 BIBLIOTHÈQUE DES ACTUALITÉS INDUSTRIELLES

par Georges FRANCHE

Cet ouvrage a été ré-édité par des programmes de conservation, l’original date de janvier 1903. Il est donc à priori toujours possible de se le procurer. Si, cher lecteur, vous avez connaissance d’autres documents mentionnant ce type de moteur hydraulique, nous vous serions reconnaissants de nous en informer via le formulaire de contact.

Extraits

Décontextualisation nécessaire !

Bien sûr, avant de nous attaquer à un sujet nommé, tel que celui de la roue à admission intérieure, décrite dans un ouvrage plus que centenaire, une décontextualisation s’impose. C’est à dire que nous n’allons pas prendre pour argent comptant ce qui est écrit, mais nous allons le considérer en réfléchissant avec la plus grande attention au contexte dans lequel ces mots ont été écrits. Nous devons considérer les connaissances globales de l’époque, les techniques pratiquées à l’époque, les objectifs de l’auteur mais aussi des lecteurs de l’époque, etc.

Qui était Georges Franches ?

L’auteur de l’ouvrage ci-mentionné, Georges Franches, était ingénieur mécanicien, des Arts & Métiers et de l’école Centrale des Arts et Manufactures (École Centrale de Paris) et agent technique de l’Office National de la Propriété Industrielle. Nous avons affaire à un auteur d’un niveau théorique élevé en sciences, lequel est aussi en lien avec le domaine des idées de par sa fonction à l’O.N.P.I. Il est donc probable que quelque innovation subtile en mécanique n’aurait pu lui être suffisamment distante pour qu’il n’en n’eut pas écho.

Roues et turbines avant 1900

Ce n’est « qu’en » 1824 que Jean Victor Poncelet théorise pour la première fois une innovation majeure dans le domaine des moteurs hydrauliques en inventant la roue qui porte désormais son nom. La théorisation des machines hydrauliques prenant en compte les nouvelles connaissances en physique et mathématiques venait de commencer. Arthur Morin, lui, théorisait presque en parallèle de Poncelet, les traditionnelles roues à aubes planes. Tous ces travaux précèdent de près, ceux de Claude Burdin qui installe une turbine à axe vertical en 1825.

Il faut dire que le mécanicien Bernard Forest de Bélidor (né en 1698, 90 ans avant Poncelet), qui était contemporain de la machine de Marly, aurait évoqué dans certains de ses écrits d’éventuelles aubes courbes destinées aux roues dites « en dessous » mais en n’y accordant hélas pas plus d’intérêt.

Les théorisations des anciennes machines conventionnelles (les roues) avaient démarré tardivement, en ce qu’elles étaient déjà obsolètes par les travaux de Burdin et de son élève de l’école des mines de Saint-Etienne, Benoit Fourneyron. Ce dernier déposa un brevet en 1832 sur une turbine qui porte son nom. Cela rendit à priori Burdin Jaloux, lequel était le « véritable inventeur » de la théorie appliquée de la turbine. En effet, n’est-ce pas le mathématicien suisse Leonhard Euler le véritable inventeur de la théorie même des turbines ? L’élève ayant dépassé le maître, Burdin reçut néanmoins un lot de consolation lors d’un concours en guise de reconnaissance pour ses travaux.

À l’antiquité, et qui sait, peut être même avant, les moteurs hydrauliques étaient utilisés pour les moulins. Les turbines aussi, primitives, en bois, similaires aux moulins à rodets existaient déjà au moyen age. Il n’est donc pas évident de considérer, par exemple, que Lester Allan Pelton est le véritable inventeur de la turbine à action (à énergie cinétique), bien qu’il soit l’inventeur de la version poussée à son paroxysme.

Une roue méconnue et oubliée

Tout cela nous mènerait à penser que, un type de roue constituant une amélioration des versions habituelles, apparu tardivement, à une époque où la communication n’était pas aussi rapide qu’aujourd’hui, put effectivement passer presque inaperçu. Son obsolescence immédiate n’ayant pas permis sa diffusion. Il y a peut être une forme d’ironie dans le fait que Georges Franches nous présente la roue à admission intérieure d’une manière tout à fait naturelle. Cette ironie démontrerait en réalité la connaissance scientifique de l’auteur et son approche très neutre du procédé dont il n’y a raisonnablement pas de raison de douter. Cette forme d’ironie, si elle était intentionnelle, (rien n’est moins sûr : nous ne nous permettons pas de prétendre savoir mieux que l’auteur ce qu’il pensait lui même) ressemblerait un peu à ce qui se passerait si nous n’avions que la rubrique « applications » de ce site, sans aucune explication.

Nous ne savons pas non plus quand ni par qui cette théorie de la roue à admission intérieure est apparue, si vous avez des informations à ce sujet, contactez nous.

Anecdote du rédacteur

Bien avant d’avoir connaissance de l’existence d’une description d’un tel moteur hydraulique, je trouvais dommage que les augets de la roue en dessus se soient partiellement vidés avant d’avoir atteint leur position la plus basse. Cela constitue une perte d’énergie potentielle. Notez que je parle de « l’existence d’une description » et non pas de « l’existence » tout court, parce qu’une invention n’est jamais que la découverte d’une possibilité.

Ainsi, j’avais commencé à étudier quelques concepts d’augets, remplis par leur côté, inspiré par certaines roues d’irrigation. Mais j’ai finalement eu rapidement sous les yeux l’ouvrage de Georges Franche avant de finir mes tracés. Aurais-je fini par inverser totalement l’entrée de l’eau à l’intérieur de la roue ?… En tous cas, ce qui compte, c’est que je n’ai jamais pensé, à aucun moment « une meilleure roue à augets, ça n’existe pas, sinon les grands hommes d’avant moi l’auraient déjà dessinée ».

C’était pourtant le cas, pour cette fois, avec la roue à admission intérieure. Mais n’ayant pas évoqué, dans mon esprit, une sorte d’infériorité, et de manque de confiance m’interdisant de réfléchir à une amélioration, j’aurais sans doute fini par la réinventer (ou un équivalent). Car il faut bien dire, qu’on joue dans ce cas sur une problématique de mécanique spatiale et géométrique très rudimentaire. C’est en fait un sujet relativement accessible au plus grand nombre.

Nous n’avons pas idée, que très souvent, même sur de grands sujets connus, très peu de choses ont été pensées. C’est l’histoire et le hasard qui rendent certaines idées prédominantes. Nous sommes tous capable d’innover, avec un C.A.P. , comme nous sommes tous capable d’être des plus paresseux et vaniteux avec des agrégations prestigieuses ou des diplômes de grandes écoles d’ingénieurs (inspiré de faits réels !).

Références et confiance

Nous ne remettons absolument pas en cause les talents et connaissances incontestables de l’auteur. Mais nous avons tout de même trouvé à critiquer, en partie parce que, comme ce que nous écrivons, et ce qu’écrivait Georges Franche, ce ne sont en aucun cas des vérités absolues, des paroles divines qui émaneraient du fait que nous nous positionnons comme auteur.

Les auteurs sont des êtres humains comme nous tous et le fait de publier des écrits sur quelque sujet que ce soit n’en fait pas forcément des vérités universelles. Cessez donc sans arrêt de vouloir des « sources », des « citations » ou des « références » qui ne peuvent en aucun cas être considérées comme des critères de valorisation des arguments et ne font qu’encourager notre paresse intellectuelle. Le manque de confiance en soi est trop souvent une excuse permettant de justifier sa paresse. Pensons par nous même, acquérons au besoin le savoir nécessaire pour faire nos propres analyses.

Il n’est pas interdit cependant de citer des travaux comme nous le faisons d’ailleurs nous même, mais seulement pour considérer leur contenu comme étant des hypothèses que nous faisons, ainsi que des suggestions de lectures. Il n’est en effet pas possible, pour une seule personne, de recalculer toute une thèse ou de recommencer à recueillir des montagnes d’informations sur certains sujets. Nous pouvons donc reconnaitre la valeur de certains travaux, après avoir précisément réfléchi par nous même à leur valeur. N’en déplaise à certains, l’effort intellectuel est inévitable car nécessaire.

Critique et améliorations

Que pourrions nous reprocher aux écrits de Georges Franche ? Peut être ceci :

« […]elle convient, enfin, à toutes les chutes, mais en particulier aux petits cours d’eau, en raison du porte-à-faux des couronnes sur les bras« .

Il ne nous parait pas acceptable de présenter un système technique, qui n’est presque jamais rien d’autre qu’une variante d’un concept plus général, de manière affirmative sous une autre forme qu’une proposition. Écrire ou dire par un schéma « une roue à admission intérieure (ou autre système), c’est comme ça, et ça a tel ou tel défaut », c’est beaucoup trop affirmatif et très souvent inexact.

Nous serions tenté de dire, qu’avec les matériaux de l’époque, c’eût été difficile de réaliser de grands moteurs de ce type. Mais cela ne demeure pas du tout convaincant, bien que les méthodes et matériaux composites modernes (rouleuses à commande numérique pour les augets, mécanosoudures et découpes laser diverses, etc.) rendent, de nos jours, plus facile la réalisation d’une roue à admission intérieure.

Au lieu de se réduire à un fatalisme lié à la vision d’une unique variante d’un système, pensons plutôt « faisons le nécessaire pour éliminer ce (ou ces) défaut(s) ».

En plus de pouvoir supprimer le porte à faux évoqué par l’auteur, nous pouvons imaginer de nombreuses variantes ne changeant absolument rien au principe fondamental de la roue à admission intérieure et de ses avantages fort bien expliqués par Georges Franche. Ces variantes pourraient être utiles dans certaines configurations environnementales.

Propositions de variantes

Nous proposons quelques amélioration sous la forme de schémas synoptiques, en vue du dessus, contrairement au schéma de l’ouvrage, afin de faire apparaitre plus clairement les différentes configurations du coursier supérieur.

Proposition n°1 : arrivée d’eau sans demi-tour, avec ou sans porte à faux de la roue.

Nous précisons que George Franche évoquait le porte à faux de la couronne supportant les augets, mais sans avoir évoqué un éventuel porte à faux de la roue entière, effectivement non nécessaire, mais toujours possible si l’on souhaite abriter les paliers dans un unique bâtiment contenant le mécanisme de transmission tout en autorisant le coursier supérieur à prendre place à hauteur de l’axe. Le porte à faux de la couronne est clairement visible sur une vue du dessus, le porte à faux total de la roue peut se gérer par les paliers 1 et 2 et permet ainsi que le coursier supérieur ne soit pas gêné par l’axe de la roue. Pour autant, l’eau peut être admise en dessous ou au dessus de l’axe, moyennant un dimensionnement différent du diamètre de la roue. Ainsi, le coursier passerait en dessous ou au dessus de l’axe supporté par les paliers 2 et 3. Notez que ces dessins sont des schémas de principe et qu’il conviendrait d’apporter d’autres améliorations sur la forme du coursier, représenté trop anguleux, par exemple.

Proposition n°2 : arrivée d’eau sans demi-tour, sans porte à faux.

Dans cette configuration le porte à faux des couronnes est supprimé, du moins, il est symétrisé. L’admission sans demi tour permet, comme dans le cas précédent, de minimiser les pertes d’énergie cinétique. Dans ce cas sans porte à faux, l’axe traversant impose un dimensionnement en diamètre un peu différent afin de placer le coursier légèrement au dessus ou en dessous de l’axe. Si l’admission partielle liée à la division du coursier et du déversoir s’avère problématique (ce qui n’est pas certain dans le cas d’une roue à énergie potentielle, mais l’on cherchera tout de même à minimiser les chocs), alors les augets peuvent être cloisonnés en leur milieu ou distincts. Nous aurions ainsi deux roues en une, ce qui sous entend que nous pourrions choisir de gérer indépendamment l’alimentation des deux branches du coursier supérieur.

Proposition n°3 : arrivée d’eau avec demi-tour, sans porte à faux.

Nous pouvons dire qu’il s’agit de la version originale décrite par Georges Franche, améliorée par la suppression du porte à faux des augets.

Conclusion

Lors de la lecture d’un document, l’analyse contextuelle de celui-ci doit être systématique pour comprendre comment utiliser les informations qu’il est susceptible de fournir. Dans le cas de la roue à admission intérieure, cette analyse nous permet de comprendre globalement sa fréquente méconnaissance. De plus, nous ne devons jamais chercher à justifier notre paresse à l’analyse qui décourage la critique objective de nos lectures. Ici nous avons pu proposer des variantes éventuellement améliorées de la roue presque présentée comme « la meilleure » dans un ouvrage ancien. Nous vous serions reconnaissants de nous contacter dans le cas où vous auriez entendu parler de la roue à admission intérieure dans d’autres documents.

Élévateur d’eau volumétrique à pistons.

L’élévateur volumétrique à pistons utilise le même principe que les surpresseurs d’air comprimé ou les systèmes qui permettaient de faire rentrer de l’eau dans les chaudières à vapeur sous pression.

Le principe global utilise le fait que la force exercée par un piston dépend de sa section et de la valeur de la pression qu’il reçoit. Il est donc possible d’augmenter la pression d’un fluide en faisant transiter l’énergie par une transmission mécanique entre des pistons de sections différentes. On obtient, dans le cas de l’eau, un dispositif comme le montre le schéma ci-dessous.

Avantages de l’élévateur volumétrique :

  • Il fonctionne quelque soit le débit de la source primaire.
  • Il utilise facilement l’intégralité de l’énergie potentielle disponible car la conduite d’alimentation est pressurisée.
  • Il est peu encombrant.
  • Il ne nécessite pas de recharge en air comme un bélier hydraulique car il ne stocke pas de pression.
  • Le pompage (et non seulement l’élévation) est possible. Ce système fonctionne comme un moteur volumétrique qui pourrait entrainer n’importe quel récepteur.

Inconvénients :

  • Réalisation plus complexe qu’un bélier.
  • Étanchéité rigoureuse nécessaire des ensembles pistons/cylindres, ces derniers peuvent être réalisés en polycarbonate, par exemple.

Schéma

Nomenclature explicative

  • 1. Piston/cylindre : c’est l’ensemble moteur, le piston est de section S1 et la pression P1 est celle imposée par le hauteur de la chute d’eau primaire.
  • 2. Piston/cylindre : c’est l’ensemble pompe, le piston est de section S2 et la pression P2 est celle imposée par la hauteur de refoulement.
  • 3. Arrivée d’eau : c’est la canalisation qui provient de la source d’eau primaire.
  • 4. Clapet anti-retour : c’est le clapet qui permet à l’eau de la source primaire de repousser l’ensemble vers le bas.
  • 5. Clapet anti-retour : c’est le clapet de refoulement de l’ensemble pompe.
  • 6. Conduite de refoulement
  • 7. Vanne d’admission : c’est la vanne d’admission de l’ensemble moteur.
  • 8. Vanne d’échappement : c’est la vanne d’échappement de l’ensemble moteur.
  • 9. Conduite d’échappement : c’est la conduite d’échappement qui évacue le volume d’eau motrice.
  • 10. Lien mécanique : c’est une tige qui relie les deux pistons et soutient l’arbre à cames 11.
  • 11. Arbre à cames : il soutient les cames 12 qui actionnent la vanne d’échappement et d’admission.
  • 12. Cames : elles actionnent les vannes 7 et 8. La position des cames n’est pas à l’échelle sur le schéma indicatif.

Pour que le système fonctionne, il faut :

S1/S2 > P2/P1

La supériorité est indispensable pour compenser les pertes et les énergies nécessaires à l’actionnement des vannes. Il conviendra d’estimer ces valeurs en fonction de la dimension du système et des technologies de vannes utilisées. La question du comportement des vannes en fin de course nécessite un travail d’étude supplémentaire.

Automatisation d’un bélier hydraulique.

Le bélier hydraulique est sans doute, de tous les systèmes élévateurs d’eau n’utilisant comme source d’énergie qu’une chute d’eau, le plus répandu.

Il permet, c’est là tout l’intérêt, de remonter de l’eau à une hauteur supérieure à celle de la source. Toutefois, il est possible que la chute d’eau primaire ne fournisse pas un débit permettant l’alimentation continue d’un bélier hydraulique. Pour pallier ce manque de débit, il est possible d’utiliser une source d’eau intermittente à vanne en bas.

Pour découvrir ce qu’est un bélier, je vous invite à visionner cette vidéo :

Notez, pour bien comprendre, qu’un bélier hydraulique utilise l’énergie cinétique de l’eau dans la conduite d’alimentation pour créer de la pression. Si vous souhaitez augmenter la pression de refoulement, c’est à dire augmenter l’énergie d’un coup de bélier, vous pouvez augmenter la longueur de la canalisation d’alimentation. Ainsi, vous augmentez la masse totale d’eau en mouvement et donc l’énergie cinétique.

Revenons à nos moutons : le bélier devra démarrer lorsque le réservoir d’amont sera plein et s’arrêter automatiquement lorsqu’il sera vide. Avec la solution à fontaine intermittente, la vanne d’alimentation du récepteur, ici, le bélier, sera en fait remplacé par une action sur le clapet du bélier. Sa remise en marche ne pouvant effectivement se faire aussi simplement que par l’ouverture d’une vanne. Nous proposons l’utilisation d’un marteau hydraulique miniature. En effet, si de l’air s’introduit dans une canalisation après une maintenance, le redémarrage du bélier nécessite une succession de pressions sur le clapet.

Voici un exemple de marteau hydraulique miniature :

On peut alors remarquer que, tant que le marteau miniature sera alimenté par le trop-plein du réservoir primaire de la source intermittente, il tentera sans cesse de relancer le bélier. Pour éviter toute perturbation en fonctionnement normal, si le débit de la source dépasse celle du bélier en saison humide, il faudra limiter le débit. Cela peut se faire par la structure du captage de la source primaire. En effet, il peut simplement s’agir de limiter la section du tuyau d’alimentation de la source initiale.

Schéma 1

Nomenclature explicative

  • 1. Couple flotteur-contrepoids : il génère un signal mécanique qui inhibe ou autorise le fonctionnement du bélier, conditionné par le niveau haut. Le but est d’arrêter la consommation d’eau en cas de remplissage complet et de relancer le bélier dès que le niveau commence à baisser.
  • 2. Système de poulies : il permet de guider le câble de transmission 3.
  • 3. Câble de transmission : il renvoie le signal mécanique généré par le couple flotteur-contrepoids jusqu’au clapet du bélier.
  • 4 . Conduite de trop plein : c’est une dérivation du signal hydraulique du trop-plein mentionné dans l’article sur la source intermittente à vanne en bas. Il alimente le marteau hydraulique pour relancer le bélier.
  • 5 . Signal mécanique : c’est l’action mécanique récupérée de la source intermittente à vanne en bas. Il correspond à l’action sur la « vanne en bas » qui, dans ce cas, est remplacée par le clapet du bélier.
  • 6. Signal mécanique : c’est l’action mécanique du marteau sur le clapet du bélier et qui est répétée tant que le niveau du réservoir de la source intermittente déborde.
  • 7. Refoulement : c’est la conduite d’eau sous pression produite par le bélier et qui alimente le réservoir final.
  • 8. Échappement : il s’agit de la conduite d’évacuation de l’eau motrice du bélier et du marteau miniature.

Schéma 2

Nomenclature explicative

  • 1. Guidage de l’index du marteau : il permet de renvoyer le mouvement du marteau à la tige 6.
  • 2. Ressort de rappel : il ramène l’index du marteau en position haute.
  • 3. Marteau hydraulique miniature : il permet d’envoyer des impulsions sur le clapet tant que le trop-plein du réservoir de la source intermittente déborde. Si le réservoir d’eau final est plein, alors l’inhibition empêche l’impulsion de pousser la tige 6.
  • 4. Arrivée du trop-plein : conduite de dérivation en provenance du trop-plein du réservoir d’alimentation de la source intermittente.
  • 5. Index guidé : il renvoie les signaux mécaniques en provenance de la source intermittente sur la tige 6.
  • 6. Tige du clapet : il renvoie les différents signaux mécaniques au clapet 9.
  • 7. Ressort de traction réglable : il permet, en plus du poids de la tige 6 elle même, d’ajuster l’effort sur le clapet, c’est un réglage usuel sur les béliers hydrauliques.
  • 8. Index guidé : il renvoie les signaux mécaniques en provenance du réservoir d’eau final sur la tige 6.
  • 9. Clapet du bélier.
  • 10. Corps du bélier.

Source d’eau automatique à accumulation, vanne en bas.

La source d’eau intermittente présentée dans l’article précédent atteint ses limites lorsque l’utilisation de l’eau est située à plus de 10 mètres en contrebas. En effet, si l’on ferme la vanne située en haut dans ces conditions, on obtient une dépression de 1 bar environ. Une fermeture d’une vanne en haut d’une colonne d’eau provoque la cavitation et peut détériorer les conduites.

Cette version « vanne en bas » est plus complexe. Elle utilise en effet deux fois le système de la version simple, mais permet d’étendre le champ d’application d’une source intermittente.

Schéma

Fonctionnement

Lorsque la source 1 a rempli le réservoir 2 jusqu’au trop-plein 3, il remplit à son tour le seau 16 provoquant l’ouverture de la vanne 23 et la fermeture de la vanne 22. En se fermant, la vanne 22 autorise le prochain remplissage du seau 15. La vanne 23 est ouverte et alimente l’utilisateur 26. Lorsque le niveau du réservoir 2 atteint le flotteur 12, il ouvre la vanne 13. Cette dernière remplit le seau 15 de la quantité contenue dans le volume réservé 4. La prise d’air 14 permet d’éviter la cavitation et la vidange totale du volume injecté dans la conduite. Cela provoque l’ouverture de la vanne 21 et donc la vidange du seau 16. Le contrepoids 18 ouvre alors la vanne 22 et ferme la vanne 23. La vanne 22, en s’ouvrant, provoque la vidange du seau 15. Une fois vide, il autorise le contrepoids 17 à refermer la vanne 21, autorisant le remplissage du seau 16 au prochain trop-plein.

Chronogramme logique du cycle (approximation des courbes par des pentes)

Vous aurez sans doute remarqué une interaction paradoxale entre les vannes 21 et 22. Pour être certain d’avoir parcouru la course totale des leviers des vannes 22 et 23, il faut veiller à respecter les dispositions géométriques mentionnées ci-dessous. Nous pouvons aussi faire en sorte que, la sortie 25 soit légèrement rétreinte, afin de ralentir la vidange du seau 15. Il convient notamment que le seau 15 recueille initialement une quantité d’eau supérieure au volume strictement nécessaire à la compensation du contrepoids. Associé à la rétreinte de la sortie 25 évoquée plus haut, nous augmentons donc le temps d’ouverture de la vanne 21. La sortie 24 doit rester libre pour faciliter la vidange rapide du seau 16.

Fermeture et ouverture des vannes

En respectant la configuration suggérée ci-dessus, nous nous assurons de l’ouverture franche des vannes. Pour que le mouvement débute, il faut que le moment Fp x R soit supérieur au couple résistant Cr. C’est toujours le cas à partir de l’instant où le mouvement a débuté. En effet, sur la course C1, cette quantité ne fait que croître. Sur la course C2, elle diminue et la masse du contrepoids ou du seau qui génère la force F n’est pas censée varier suffisamment pour arrêter le mouvement. Dans le cas du seau 15, les préconisations évoquées plus haut permettent d’empêcher la variation trop rapide de la masse. De plus, lors de la course C1, les masses ont acquis de l’énergie cinétique qui facilite le franchissement de la course C2. Lorsque les seaux sont vides, la masse ne varie plus.

Nous pouvons présupposer que si le mouvement des vannes 22 et 23 débute, il s’achève aussitôt. La rétreinte de la sortie 25 et l’excédent de masse dans le seau 15 constitueraient des options garantissant au besoin le mouvement complet des vannes 22 et 23. La vanne 22 pourrait être facultative si le seau 15 était légèrement fuyard. Cependant, l’utilisation d’une fontaine intermittente est prévue dans le cas où l’eau est précieuse car le débit de la source primaire est insuffisant pour une utilisation directe. Nous privilégierons donc l’économie d’eau en minimisant la quantité utile du seau 15.

Source d’eau automatique à accumulation.

Ce système permet d’obtenir, par intermittence, un débit d’eau élevé à partir d’une source de faible débit. C’est le principe de la chasse d’eau, si ce n’est que le déclenchement de la vidange se fait automatiquement lorsque le réservoir est plein. Cela peut être utile dans le cas où vous voudriez faire fonctionner une fontaine ou un moteur hydraulique à partir d’une source de tout petit débit.

Nous pourrions être tenté d’utiliser le principe naturel d’une Fontaine intermittente. Toutefois, dans ce cas, de l’air rentre dans la conduite de sortie, ce qui ne convient pas à toutes les applications. Le système proposé dans cet article permet d’éviter l’entrée d’air dans la conduite, moyennant un processus mécanique un peu plus complexe que celui d’un siphon.

Le dispositif proposé est autonome et n’emploie aucun composant, ni électronique ni électrique.

Schéma

Fonctionnement

Au vu de la logique de fonctionnement, nous n’utiliserons pas de nomenclature explicative mais une description du déroulement d’un cycle mentionnant les différents composants impliqués au fur et à mesure.

L’eau de la source primaire arrive par la conduite 1 et remplit le réservoir 12. Dans ce cas, le flotteur 9 maintient le levier 10 levé qui maintient lui même la vanne 12 fermée. Lorsque l’eau atteint le trop-plein 2, le seau 3 se remplit ainsi que la conduite souple 11, la vanne 12 étant toujours fermée. Lorsque le seau 3 devient plus lourd que contrepoids 5, il actionne la tige 6, qui tire sur le levier 7. Ce dernier ouvre ainsi la vanne 8 qui alimente la conduite 13 reliée au récepteur (fontaine, turbine, etc.)

À ce stade, le niveau dans le réservoir 12 diminue.

Lorsque le niveau d’eau atteint le flotteur 9, le levier 10, sous son propre poids, descend en ouvrant la vanne 12 (l’ensemble 9;10;12 peut être constitué d’un robinet flotteur de chasse d’eau). Il en résulte la vidange du seau 3 et de la conduite souple 11. Le seau 3 devient plus léger que le lest 5 qui pousse alors la tige 6 et le levier 7, fermant ainsi la vanne 8.

Le cycle recommence indéfiniment de manière autonome. Le composant repéré 4 est une poulie.

Ci-dessous, deux curiosités :

  • Un système similaire qui utilise, à la place du seau 3, un réservoir fuyard, évoqué dans l’article sur la version 2 de la source intermittente.
  • Un autre système similaire, qui utilise, à la place du seau 3, un réservoir en vase communiquant avec le réservoir 12. Ceci est possible lorsque le réservoir principal, ici la bassine, est « à l’échelle » du vase communiquant. Cela peut être judicieux si le tuyau qui relie ce petit réservoir à la bassine assure qu’il n’est pas capable de déborder pendant le temps de la décharge complète. Dans ce cas, le temps de décharge conditionne le débordement du petit vase durant son maintien en position basse.

Avec un temps de décharge court et une augmentation d’échelle :