Ram pump

Tutorial de avatarLow-tech Lab | Categories : Water

The purpose of this tutorial is to facilitate the understanding, design, manufacture and installation of a water elevation system called "Ram pump". This technology was documented during a stopover of the Sea Nomad in the Philippines, on the island of Negros. The NGO "Alternative Indigenous Development Foundation (AIFDI)", based in the city of Bacolod since 1991, helps more than 160 rural communities meet their water needs by installing hydraulic rams throughout the archipelago. The ram pump presented in this tutorial is a different version from the one used by the AIFDI because it is more accessible.

License : Attribution (CC BY)

Introduction

This tutorial was initiated by http://lowtechlab.org/wiki/Utilisateur:Basile_Sans%C3%A9au

The hydraulic ram system was invented in 1797 by Joseph-Michel Montgolfier, the man who built the first hot air balloon in 1782 with his brother, Jacques-Étienne. He was immediately criticized by his contemporaries who associated him with the theories of perpetual movement, which were considered heresies at the time.

It was not until 1857 that a patent was filed by Ernest Sylvain Bollée, which improved and made Montgolfier's invention a reality.

Since then, it has been widely used in the French and European countryside, and is now established in America and Africa in regions where fuel supplies are difficult or expensive.

What is the purpose of a hydraulic ram pump?

The hydraulic ram pump is a water elevation system whose operation depends solely on the driving force of the water, without any other external intervention. In concrete terms, this makes it possible to pump water from a source (river, lake, stream) and use it higher to irrigate crops, water livestock or for any other domestic use.

The ram pump has several advantages:

  • It is relatively inexpensive
  • It operates fully automatically, without electricity, over a long period of time, some rams have been operating for several decades
  • It requires no lubrication, no maintenance other than cleanliness care
  • Repairs are infrequent, only necessary due to the inevitable wear and tear of moving parts
  • It can be adapted to almost any size to suit the desired flow rates and heights

Video overview

Materials

Do not use plastic material for the ram, whether valves or flaps, as they will wear out very quickly during operation..

This is an example for the case of a ram pump dimensioned in 26/34mm, but it has to be adapted according to the results of the dimensioning (Step 2

To buy:

-vanne of 26/34mm

-1 elbow of 26/34

-3 male plumbing nipples in 26/34

-1 Té en 26/34

-1 crépine en 26/34 ou un clapet anti-retour intérieur plastique (voir étape 5)

-1 clapet anti-retour en 26/34 avec intérieur  inox/laiton

-2 vannes en 20/27 ou 1 vannes avec robinet de vidange

-1 croix en 20/27

-1 réduction 26/34 vers 20/27

-1 ou 2 rouleaux de téflon pour l'étanchéité de tout l'assemblage

-Du frein filet pour la fixation de la tige filetée

-4 tiges avec écrous papillons

-une dizaine de rondelles de diamètre intérieur 6mm

-2 écrous pour tige filetée M5


A récupérer:

-1 extincteur 7 ou 9 litres

-1 chambre à air ou autre caoutchouc  pour faire un joint

-plusieurs clous

-1 planche en bois

-fer plat de largeur 20 ou 30 mm, environ 60 cm

-un chalumeau (selon étape 5)

Tools

- une pince multiprise

- une pince à griffe pour ouvrir la crépine

- des ciseaux

- un marteau

-un foret (ici 6, 7)

- un taraud ( ici M5)

Step 1 - Comment marche un bélier hydraulique?

  1. À l'amorçage, l'eau qui s'engouffre dans la canalisation d'arrivée s'écoule dans le déversoir à travers la soupape primaire.
  2. L'accélération de l'eau provoque la brusque fermeture de la soupape primaire.
  3. Freinée brutalement, la colonne d'eau génère une surpression dans le corps de pompe (coup de bélier), qui ouvre le clapet interne.
  4. Sous l'effet de cette surpression, l'eau s'écoule dans le ballon (et le conduit de refoulement), comprimant le volume d'air jusqu'à équilibrage des pressions.
  5. L'inversion des pressions referme le clapet interne.
  6. L'eau emprisonnée sous pression dans le ballon se vide dans la canalisation de refoulement jusqu'à équilibrage des pressions (déterminée par la hauteur du conduit).
  7. La fermeture du clapet interne ayant fait chuter la pression, la soupape primaire s'ouvre à nouveau. Un nouveau cycle commence…


Sans accident, ce processus se renouvelle perpétuellement, tant qu'il est alimenté en eau.

Voir des explications en vidéo



Step 2 - Evaluer un site et dimensionner le bélier

Tout d’abord il faut trouver de l’eau en surface qui coule continuellement sur une pente suffisamment vive (de l’ordre de 10% minimum). Si il s’agit d’un barrage ou d’un lac, s’assurer qu’il existe des positions en contrebas.

Pour bien connaitre un site, il faut ensuite estimer 4 paramètres (voir schéma) :

  • q le débit de la source
  • H la hauteur d’élévation
  • L la longueur de la conduite motrice
  • h la hauteur de chute
Pour le débit de la source, une grande précision n’est pas nécessaire il s’agit seulement d’une indication, néanmoins indispensable au bon dimensionnement du système. Pour calculer un débit plusieurs techniques existent, à choisir selon le temps disponible, le matériel disponible ou l’envie (voir Estimation du débit d’eau )
Attention le débit d’un cours d’eau peut énormément varier selon les saisons, il peut donc être pertinent d’établir un débit maximum et minimum sur l’année.


La hauteur d’élévation correspond à la différence de hauteur entre le bélier et le réservoir d’arrivée de l’eau. Concrètement il suffit de décider de l’endroit voulu pour l’arrivée d’eau et de mesurer les dénivelés entre ce point et le cours d’eau (en moyenne). Cette mesure est encore une fois indicative et sera affinée plus tard. Pour les mesures de dénivelés le site https://www.geoportail.gouv.fr/carte est assez fiable et précis. Il faut simplement placer les points GPS sur la carte et effectuer un profil asymétrique. Cela correspond à une courbe montrant l’altitude (en m) en fonction de la distance (en m).


La longueur de la conduite motrice et la hauteur de chute sont directement reliées à la pente de la rivière ou à la pente avale du lac (si c’est un lac). Il est la aussi intéressant d’établir un profil asymétrique afin de se rendre compte des distances et des dénivelés.

Une fois que les paramètres du site sont mieux connus, il va falloir dimensionner le bélier pour avoir le débit voulu à l’arrivée et un coût minimal d’installation (plus le bélier est petit moins il coûte cher!).


Trouver L, H et h:

Formule générale:    q=((h*Q)/(h + H))0.70

Ou 0.70 est le rendement de la pompe et Q le débit d’arrivée

En pratique il faut:

  • H/10<h<H/2
  • 3H <L<15H


On peut aussi s’aider d’un Diagramme de chute comme celui proposé ci-contre pour déterminer H et h.


Dimensionner la pompe:

Pour dimensionner la pompe en elle même il faut choisir le débit voulu en arrivée selon les besoins. Une des manières les plus pratiques est d’utiliser le tableau ci-contre qui donne la taille finale de tuyauterie en fonction du débit de la source, du rapport d’élévation (h/H) et du débit final.

Celui-ci permet de procéder comme suis:

-choisir le débit de sorti voulu correspondant aux besoins en eau

-trouver la case correspondante en fonction des rapports d'élévations possibles avec votre terrain

-ne pas hésiter à surdimensionner en cas de doute

-vérifier que le débit de votre cours d'eau est bien supérieur à celui indiqué dans la ligne choisie

-lire sur la même ligne les dimensions du bélier pertinente avec votre configuration

On obtient donc le diamètre D du tuyau de batterie (ou conduite motrice) qui est le même pour tous les composants de la pompe.

ex: 26x34 correspond à un diamètre intérieur de 26mm et un diamètre extérieur de 34mm
Attention les dimensions sont donnés en mm mais peuvent être exprimés en pouces sur le marché.

Millimètres (mm) Pouces ou inch
15x21 1/2
20x27 3/4
26x34 1
33x42 1 1/4
40x49 1 1/2
50x60 2


L’ensemble de la pompe est donc de même dimension sauf le tuyau de sortie (ou conduite de refoulement) qui est de telle sorte que son diamètre D’ soit égal à la moitié du diamètre du tuyau de batterie : D’=D/2


Step 3 - Choisir son type de montage

Lors de la fabrication d'une pompe bélier, il existe 2 configurations qui jouent sur le rendement du bélier. Ces différents montages concernent les positions du clapet de choc, de la cloche à air et du clapet anti-retour.

Montage en répartition (voir image 1):

Il s'agit d'un montage ou le clapet de choc est située avant la cloche à air, cela peut donner au bélier une allure plate comme sur la photo de présentation. Selon certaine source ce montage aurait 20% de rendement en plus par rapport à l'autre mais cela reste à prouver.

Montage en butée (voir image 2):

C'est celui présenté dans ce tuto, il est aussi beaucoup utilisé et donne au bélier une allure verticale.

Il est difficile de choisir entre les deux car les avis sont très partagés sur le sujet.


Step 4 - Cloche à air

Pour démonter l’extincteur il faudra dévisser l'embout à l'aide d'une clef multiprise puis sortir la cartouche de CO2 contenue à l'

il faut ensuite retirer de la bombone la lance ainsi qu'un tube plastique.

La sortie est normalisé 20x27 ce qui permettra le raccord par vissage avec le corps du bélier.

Pour obtenir une cloche à air en état de fonctionner il reste à vider la poudre et à laver minutieusement l'intérieur.

Le trou de lance doit être bouché par quelque chose qui résiste à la pression! Trouver un bouchon voir souder une pièce ronde dessus peut être une solution.

Souder une pièce ronde ou trouver un bouchon pour fermer le trou de la lance. Il faut que ça puisse tenir la pression.

Si aucun extincteur n'est à portée de main il est possible de fabriquer une cloche à aire à l'aide d'un tube bouché à une extrémité et d'un raccord, les deux en PVC pression. La liaison entre le raccord PVC et un pas de tuyauterie standard se fait par une réduction filetée plus difficile à trouver dans le commerce (voir photo).


Step 5 - Clapet de choc

Rappel: Il s'agit toujours d'un exemple pour un dimensionnement en 26/34, à adapter


Première technique à l'aide d'une crépine (image 1):

Cette technique est la plus robuste mécaniquement mais présente plus de difficulté lors de la construction.

Il faut d'abord démonter la crépine à l'aide d'une pince à griffe.

Une fois le clapet extrait, le donner à un tourneur dans un atelier pour qu'il perce au centre avec un foret de 4mm, sur 7 à 10 mm de profondeur.

Tarauder à 5mm.

Percer avec foret de 6 ou 7 mm au centre du haut de la crépine

Insérer la tige avec un peu de frein filet dans le trou de 5 mm.

[1]Je vous conseille de regarder ceci : https://www.youtube.com/watch?v=HZNX5r4G-cs


Deuxième technique à l'aide d'un clapet anti-retour (image 3):

Cette technique est moins solide mais plus accessible car ce type de clapet en plastique se trouve dans tous les magasins en france.

Pour ouvrir le clapet anti-retour:

-placer des raccords mâles de chaque côté pour éviter de l'abîmer pendant la manipulation

- Distinguer une ligne (très fine) séparant les deux partie du clapet

- Chauffer à l'aide d'un chalumeau au niveau de cette ligne pour faire fondre la colle à l'intérieur (ne pas trop chauffer non plus).

- Dévisser la clapet (à l'aide d'une pince à griffe et d 'un étau par exemple)

Il suffit ensuite d'enlever le clapet en plastique contenu à l'intérieur et de le remplacer par une rondelle, des écrous et une tige filetée comme sur la quatrième image.


Attention, pour les deux techniques, donner un soin tout particulier au centrage de la tige sans quoi elle risquerait de se coincer, bloquant ainsi le fonctionnement de la pompe.

Step 6 - Assemblage

Avant d'assembler le système, il recouvrir les filetages de téflon ou de tout autre moyen permettant d'assurer l'étanchéité.

Voici une vidéo explicative pour la pose du téflon.

Il suffit ensuite d'assembler le bélier selon le schéma ci-contre.

Il est important de bien étanchéifier le bélier car la moindre fuite aurait des répercussions importantes sur le rendement final!



Step 7 - Support

Pour choisir un support il faut prendre en compte la taille du dispositif et en particulier de la cloche à air car c'est elle qui risque de faire basculer l'ensemble. Le socle peut être en bois ou en métal mais pour des bélier sensés résister dans le temps l'idéal est de couler une dalle de béton pour fixer l'ensemble.

Découper les fers plats en fonction des longueurs désirées.

Fabriquer 2 ou 3 pièces en arc avec la méthode des clous (en traçant l'arc au diamètre du raccord choisi pour la fixation).

Percer les pièces en arc et le socle aux bons endroits afin d'obtenir un serrage conséquent mais pas démesuré (pour ne pas abîmer les conduites).

Fixer les pièces en arc au socle avec le bélier grâce à des tige filetées et des écrous papillon.

Pour empêcher la cloche à air d'osciller et d'abîmer le système i lest possible de rajouter un tuteur fixé au socle ou planté dans le sol.



Step 8 - Mise en fonctionnement

Tout d'abord, placer le bélier dans un endroit plat et régulier, s'aider d'un niveau si nécessaire. Installer en suite la conduite de chute ainsi que celle de refoulement et effectuer les branchements (sans oublier le téflon).

Initialement, le bélier est vide d'eau et toutes les vannes sont fermées. On commence par ouvrir un peu la vanne de refoulement vers la citerne, puis en totalité celle d'arrivée d'eau. Normalement l'eau va pousser sur le clapet de choc et le mettre en marche.

S'il n'est pas encore en mouvement, il est utile de l'actionner plusieurs fois à la main afin d'avoir suffisamment de contre-pression dans la conduite de refoulement pour lancer le système. Il est possible que ça ne marche pas si le poids des rondelles est trop grand ou si le réglage de la course du clapet n'est pas adapté, c'est pourquoi ce modèle vous permet de faire ces réglages en changeant la position du premier écrou et le nombre de rondelles. Le réglage impactera aussi sur la quantité d'eau remontée par rapport à celle perdue.

Plus le nombre de rondelle est élevé, plus le coup sera fort mais plus la fréquence sera faible. Il s'agit donc de trouver un équilibre entre fréquence et force du coup de bélier.


Vous devrez vidanger régulièrement le bélier. En effet, le principe de fonctionnement implique qu'il doit y avoir toujours de l'air sous pression, poussée par l'eau, dans la cloche, or cet air se videra au fur et à mesure. Il faudra donc couper la vanne d'arrivée et de refoulement, ouvrir celle de vidange et réamorcer comme initialement.

Vidéo ici



Notes and references

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