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Rappel : La qualité de l'eau à Fontaine-Fourches...1
            La qualité de l'eau à Fontaine-Fourches...& en France 2 
                             
                               La qualité de l'eau à Fontaine-Fourches...Le bélier hydraulique                                                             
  Les sources de Fontaine alimentaient, à l’origine, un petit affluent de l’Orvin, le ruisseau de la source de Piètremont (toponyme signifiant que la pente n’était pas très prononcée), aussi appelé ruisseau de Charreauld, ou Charreau ou encore Charriot. 
Cette source fut acquise par la commune, « pour l’exécution du projet d’alimentation en eau potable, déclaré d’utilité publique, en exécution de la loi du 3 mai 1841, par décision de M. le Préfet de Seine et Marne en date du 7 juin 1933 ».
Un bélier *, situé à 200mètres des sources, propulsait alors l’eau dans les réservoirs qui approvisionnaient les habitants de la commune en eau potable.
* Cette pompe unique en son genre, conçue par un ingénieur, est toujours présente dans le bâtiment qui l’abrite, et qui se dégrade jour après jour.) 
  Principe   
Le principe utilise l’énergie cinétique d'une masse d'eau en mouvement qui, ayant pris une certaine vitesse est brusquement interrompue ; l'onde de choc violente qui en découle, traduite alors par un bruit sourd, correspond à la surpression créée par l’inertie du liquide,.
C’est l’utilisation de ce phénomène qui permet de faire monter une colonne d'eau réduite à une certaine hauteur.
L'industriel et inventeur Joseph de Montgolfier eu l'idée, en 1792, de détourner l’effet « coup de bélier » à bon escient : une grosse cloche en fonte solidement fixée à un socle pour résister à la pression, deux clapets en bronze, deux arrivées d'eau et le tour est joué. Installée près d'une source ou d'une chute d'eau, la machine permet de monter le liquide jusqu'à plusieurs dizaines de mètres sans énergie autre que celle apportée par le courant (voir le schéma). Une fois lancée, elle ne s'arrête plus. Ou presque. Seule la baisse du débit entrant, le gel ou une impureté dans l'eau qui bloquerait les clapets met fin à ses coups de boutoirs réguliers.

Réalisation d’un bélier hydraulique avril 2008 : [document mis gratuitement à disposition en ligne par activation du lien] :

                    Le bélier hydraulique  [ Archives et documents de la FAO - Titre:  Les machines élevatoires]

Le principe de la pompe à bélier hydraulique- a été initialement mis au point en France en 1796, par les frères Montgolfier, plutôt connus pour leurs travaux de recherche consacrés aux ballons dirigeables à l'air chaud. Le bélier hydraulique (représenté schématiquement à la figure 147) est essentiellement un dispositif de pompage automatique qui utilise l'énergie d'une petite chute d'eau pour élever une fraction du débit d'entrée à un niveau nettement supérieur. Autrement dit, comme la turbopompe, ce dispositif utilise l'énergie de chute d'un débit d'eau important sur une petite hauteur pour élever un débit d'eau plus faible sur une hauteur importante. L'avantage essentiel du bélier hydraulique c'est qu'il ne comporte aucune pièce mobile importante. Ceci lui confère une très grande simplicité mécanique, et par suite une très haute fiabilité. D'autre part, les béliers hydrauliques sont d'un entretien facile et réduit au minimum et ils ont une longue durée de vie.
Le principe de fonctionnement des béliers hydrauliques repose sur l'utilisation des effets du "coup de bélier" dans une conduite. Le rendement des béliers hydrauliques dans des conditions de fonctionnement favorables est très satisfaisant. Le schéma de principe est présenté à la figure 147. Au départ, la soupape de choc (1) est ouverte, l'écoulement se fait par gravité dans la conduite (2) à partir de la source d'alimentation en eau (3) protégée par une crépine (4) destinée à empêcher l'entrée des débris dans le bélier hydraulique). Au fur et à mesure que l'écoulement s'accélère, la pression hydraulique sur la soupape de choc ainsi que la pression statique dans le corps du bélier hydraulique (5) augmentent jusqu'à ce que les forces ainsi exercées neutralisent le poids propre de la soupape de choc qui commence à se fermer. Aussitôt que la soupape commence à se fermer, la pression hydraulique augmente très rapidement provoquant la fermeture brusque de la soupape. La colonne d'eau en mouvement dans la conduite d'amenée est alors bloquée par la fermeture de la soupape de choc et sa vitesse diminue brusquement. Cette fermeture sera suivie d'une très forte surpression dans l'ensemble du circuit hydraulique, ce qui provoque l'ouverture de la soupape refoulement (6) dans le réservoir d'air (7). Lorsque la pression dans le réservoir d'air dépasse la hauteur statique de refoulement, l'eau est évacuée par la canalisation de refoulement ((8). L'air contenu dans le réservoir est en même temps comprimé jusqu'à une pression supérieure à la pression de refoulement. En définitive, la colonne d'eau bloquée dans la conduite d'amenée finit par s'arrêter, et la pression statique dans le corps de la pompe tombe pratiquement à la pression statique correspondante à la charge d'eau de la source d'alimentation. Il s'ensuit la fermeture de la soupape de refoulement sous l'effet de la pression dans le réservoir d'air qui est plus forte que la pression régnant dans le corps de la pompe. L'eau continue à être évacuée à travers le clapet de retenue (9) même après fermeture de la soupape de refoulement, jusqu'à ce que la pression de l'air comprimé dans le réservoir redevienne égale à celle correspondante à la hauteur de refoulement. En même temps, aussitôt la soupape de refoulement se referme, la baisse de pression dans le carter du bélier hydraulique permet l'ouverture de la soupape de choc, et ainsi de suite.
Le réservoir d'air est un élément essentiel. En effet, d'une part il favorise l'augmentation du rendement du système par le maintien du débit même après la fermeture de la soupape de refoulement, et d'autre part il contribue d'une manière efficace à l'amortissement des chocs qui pourraient se produire du fait de l'incompressibilité de l'eau. Si par accident ou pour n'importe quelle autre raison, le réservoir d'air se remplit complètement d'eau, les performances du dispositif seront inacceptables, de plus tous les éléments du système (le corps de la pompe, la conduite d'amenée, et même le réservoir d'air proprement dit) seront exposés à des risques d'éclatement sous l'effet du coup de bélier hydraulique. Comme l'eau peut bien dissoudre l'air, en particulier sous pression, les surpressions dues à chaque cycle de fonctionnement vont au bout d'un certain temps épuiser l'air contenu dans le réservoir qui sera entraîné par l'eau au refoulement. Plusieurs techniques ont été adoptées dans les béliers hydrauliques afin de résoudre ce problème. La technique la plus simple consiste à arrêter de temps à autre le bélier hydraulique et à purger le réservoir d'air en ouvrant deux robinets, un pour l'admission de l'air et l'autre pour l'évacuation de l'eau. Une autre technique utilisée dans les béliers hydrauliques les plus perfectionnés consiste à installer un reniflard qui assure l'introduction automatique de l'air à la base du réservoir lorsque la pression hydraulique tombe momentanément au-dessous de la pression atmosphérique. Ceci correspond à l'instant où l'écoulement reprend dans la conduite d'amenée suite à l'ouverture de la soupape de choc. Pour des installations de ce genre, il est très important de vérifier de temps à autre le bon fonctionnement du reniflard et d'enlever les saletés ou débris qui pourraient le colmater.
Le rythme de fonctionnement du bélier hydraulique est dicté par les caractéristiques de la soupape de choc. En effet, on peut toujours lui adjoindre des surcharges ou bien de la soumettre à une tension préalable au moyen d'un ressort réglable. D'une manière générale l'extrémité de la conduite d'alimentation est munie d'un filetage qui permet de modifier à volonté l'ouverture maximum de la soupape de choc. Le rendement obtenu, défini comme le rapport du débit pompé au débit d'amenée, dépend dans une large mesure du réglage de la soupape. En effet, si la soupape de choc reste ouverte plusqu'il ne le faut, seule une fraction réduite du débit va être pompée, et le rendement serait plus faible. Par contre si la fermeture de la soupape intervient subitement la pression n'aura pas le temps d'atteindre la valeur recherchée à l'intérieur du bélier hydraulique, et la quantité d'eau fournie sera également moins importante. Pour cela on prévoit une vis de réglage permettant de limiter l'ouverture de la soupape à une valeur préalablement fixée pour assurer le réglage du dispositif de façon à optimiser son fonctionnement. Un technicien qualifié doit pouvoir régler sur place la soupape de choc afin d'optimiser le fonctionnement en fonction du type du bélier, du site d'installation

                                              FIGURE 147   Représentation schématique d'un bélier hydraulique

 

Par conséquent, le débit fournit par un bélier hydraulique est constant, (24 heures par jour) et il peut être facilement modifié.            
Un réservoir de stockage est généralement installé au sommet de la conduite de refoulement pour pouvoir puiser des quantités variables d'eau en fonction de la demande.

   

Animation vidéo,très simple, du principe de fonctionnement d'un bélier.

Conditions d'installation requises

La charge d'alimentation d'une installation du type bélier hydraulique est obtenue en aménageant un petit canal de dérivation d'un cours d'eau, le long d'une courbe de niveau. Dans certains cas (en particulier lorsqu'il s'agit de petits cours d'eau) on peut se contenter de la construction d'un déversoir avec le bélier hydraulique juste en dessous.

Pour les débits importants, il est d'usage courant d'associer plusieurs béliers hydrauliques en parallèle. Cette solution permet l'adaptation du nombre de béliers en service à chaque instant aux variations du débit d'alimentation ou aux modifications des besoins en eau.

Le diamètre et la longueur de la conduite d'amenée doivent être choisis en fonction de la pression de service (ou charge) du bélier hydraulique. D'autre part, comme la conduite d'amenée est soumise à de fortes charges dynamiques internes dues aux coups de bélier, elle doit donc être en acier de bonne qualité. D'une manière générale elle doit avoir une longueur égale à 3 à 7 fois la hauteur d'alimentation. Cependant, la longueur idéale de la conduite d'amenée doit être au moins égale à 100 fois son propre diamètre. Par exemple, la longueur théorique d'une conduite d'amenée de 100 mm de diamètre devrait être de 10 m environ, et de 15 m si son diamètre est de 150 mm. La conduite doit être rectiligne, car la présence d'un coude quelconque provoquera non seulement des pertes supplémentaires de rendement, mais aussi l'apparition des poussées latérales variables susceptibles d'entraîner sa rupture.

Le corps du bélier hydraulique doit être fermement boulonné à un socle de béton, car les chocs créés par son fonctionnement entraînent des charges dynamiques importantes. Il faut aussi l'installer de sorte que la soupape de choc soit toujours au-dessus du niveau des crues, car le dispositif cesse de fonctionner en cas d'immersion de la soupape. La conduite de refoulement peut être constituée de n'importe quel matériau pouvant supporter à la pression de refoulement de l'eau vers le réservoir. Dans toutes les installations, sauf pour des hauteurs d'élévation très importantes, les tuyaux en plastique peuvent être utilisés. Par les hauteurs d'eau importantes, la partie inférieure de la conduite de refoulement doit être de préférence en acier. Le diamètre de la conduite doit être tel que les pertes de charge par frottement soient acceptables pour acheminer le débit nécessaire le long de la conduite de refoulement à la hauteur voulue. Il est recom­mandé d'installer soit une vanne de manoeuvre ou un clapet de retenue (clapet anti-retour) sur la conduite de refoulement juste à la sortie du bélier hydraulique pour éviter le vidange de la conduite de refoule­ment en cas d'arrêt de l'installation pour une raison quelconque, notam­ment pour une mise au point. De plus, cette protection permet d'arrêter le débit de retour d'eau à travers la soupape de refoulement vers le réservoir d'air, ce qui améliore le rendement du dispositif.

                                         FIGURE 148   Bélier hydraulique classique (Blakes) de fabrication européenne

Conception du bélier hydraulique

Les modèles traditionnels, tels que ceux représentés sur la figure 148 et mis au point il y a déjà un siècle en Europe, sont très robustes. Ils sont généralement fabriqués de grosses pièces en fonte. Ils ont la réputation de fonctionner d'une manière fiable pour une durée de 50 ans au moins. Des béliers du même modèle sont encore fabriqués en faibles quantités en Europe et aux Etats-Unis. Le bélier hydraulique de la figure 148 diffère du schéma de principe de la figure 147 par la soupape de choc qui est située du côté de la conduite d'amenée, mais le principe de fonctionnement est le même.

                                                  FIGURE 149  Bélier hydraulique utilisé au Sud-Est de l'Asie

Des modèles plus légers, en tôle d'acier soudée (figure 149), ont été d'abord utilisés au Japon, ensuite dans d'autres régions tel que le sud-est de l'Asie, notamment à Taiwan et en Thaïlande. Ils sont certaine­ment moins coûteuses. Mais, comme ils sont faits de matériaux légers, leurs durées de vie sont plus courtes (une dizaine d'année) et ils sont facilement sujets à la corrosion. Néanmoins du point de vue qualité-prix, ils peuvent être considérés comme économiquement rentables, et ils ont un fonctionnement faible pendant une durée de vie plus ou moins longue. Les béliers hydrauliques sont pour la plupart utilisés pour l'alimentation en eau potable. Ils fonctionnent à des hauteurs d'eau plus importantes, et des débits plus faibles que ceux normalement nécessaires pour l'irrigation. Vraisemblablement, les béliers hydrauliques conçus pour l'irrigation seront ceux les plus importantes, i.e. ils sont équipés de conduites d'amenée de 100 à 150 mm de diamètre (de 4" à 6"). D'autres modèles plus simples, de fabrication artisanale avec les pièces spéciales des conduites (coudes, manchons etc.;) ont également été mis au point par des agences d'aide (voir notamment le modèle représenté à la figure 150). D'autres modèles plus rudimentaires ont été montés, notamment au sud du Laos en se servant de matériaux de rebut, tels que les matériaux de récupération des restes de ponts bombardés. Des bouteilles de propane vides ont été utilisées comme réservoirs d'air. Ces dispositifs sont évidemment bon marché, et les canalisations coûtent en définitive beaucoup plus que le bélier hydraulique proprement dit. Bien que leur fiabilité ne soit pas du tout comparable à celle des modèles traditionnels, ils sont néanmoins d'une fiabilité acceptable et faciles à réparer en cas de panne.

                     FIGURE 150  Bélier hydraulique peu coûteux fabriqué à partir des pièces spéciales des conduites

Caractéristiques de fonctionnement
Le tableau 25 (tiré de [64]) donne les débits d'alimentation des béliers hydrauliques de tailles différentes. Ce débit d'alimentation permet de déterminer le débit pouvant d'être obtenue pour une hauteur de refoulement donnée. La limite inférieure indique la valeur du débit d'alimentation minimum pour le fonctionnement du dispositif. Tandis que la limite supérieure correspond au débit maximum utile. Le tableau 26 [64] indique le volume d'eau pouvant être pompé en litres par 24 heures, pour chaque unité de débit d'alimentation exprimée en litres/min.  […]
Les coûts propres des béliers hydrauliques sont a priori faibles. Mais chaque fois qu'il faut pomper de forts débits d'eau à des hauteurs plus petites, les dimensions du dispositif, et plus particulièrement celles de la conduite d'amenée deviennent importantes ; et il en sera de même pour les coûts. Les béliers hydrauliques sont plus particulièrement destinés à fonctionner à des débits faibles et à des hauteurs d'eau importantes (par exemple pour l'irrigation des pépinières en terrasses situées dans les régions montagneuses). Tandis qu'une turbopompe, comme celle de la section précédante, semble avoir un fonctionnement plus satisfaisant pour le pompage des débits forts à des hauteurs plus faibles. Ce dernier cas est le plus rencontré dans l'irrigation des cultures de rente des exploitations agricoles marginales.

                                         Visite du Moulin des Princes à Chantilly 12 mai 2012   association arhyme
Dans cette blanchisserie modèle utilisée aussi comme laboratoire pédagogique, M. Buck nous a fait une démonstration du principe du "Bélier Hydraulique". Pour cela il a utilisé plusieurs montages dont un montage simple comprenant 3 bouteilles plastiques reliées par des tubes souples : en versant de l'eau dans la bouteille supérieure, on obtient un jet d'eau  qui s'élève au dessus de cette bouteille à partir du tube supérieur. [...]
 Il a donné naissance à la pompe bélier hydraulique utilisée encore actuellement, là où il faut élever l'eau sans avoir d'énergie électrique disponible : il suffit d'une faible courant d'eau dont on utilise l'énergie cinétique au moment où on l'interrompt brusquement pour élever à une plus grande hauteur l'eau que l'on veut utiliser, avec un système de clapets .

                              

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