Energie hydraulique – RECONTEXTUALISATION DES TECHNOLOGIES

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

Filtre à air : il peut avantageusement être précédé d’un sécheur d’air.
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.
Clapets anti retour d’admission.
Clapets anti retour de refoulement.
Compresseurs d’air : ils peuvent être réalisés avec des vérins pneumatiques.
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.
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.
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.
Détecteur de pression seuil n°2 : il active le dernier vérin moteur disponible.
Vannes d’alimentation des vérins moteurs 12 : ils correspondent au seuil n°1 et sont activés par les détecteurs de pression de seuil 8.
Vannes d’alimentation des vérins moteurs 13 : ils correspondent au seuil n°2 et sont activés par les détecteurs de pression de seuil 9.
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.
Vérins moteurs de seuil n°2.
Vérins moteurs principaux : ils sont en liaison permanente avec le guidage linéaire et donc avec les vérins compresseurs.
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.
Vannes d’échappement : elles libèrent l’eau motrice vers le réservoir ou le dégazeur de radon.
Vannes d’admission : elles alimentent les vérins moteurs avec la pression du réseau d’eau courante.
Arrivées du réseau d’eau courante.
Départs de l’échappement : vers la réserve ou le dégazeur de radon.
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.
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.
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.

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 :