Bomba de ariete

This page is a translated version of the page Bélier hydraulique and the translation is 30% complete.

Tutorial de avatarLow-tech Lab | Categories : Water

Ese tutorial tiene como objectivo facilitar la comprensión, el dimensionamiento, la fabricación y la instalación de un sistema elevador de agua llamado "Bomba de ariete". Esa tecnologia fue documentada (basandose en el tutorial de Basile Sanséau) durante una escala del Nomade des Mers en las Filipinas, en la isla Negros. La ONG "Alternative Indigenous Development Foundation (AIFDI)", basada en la ciudad de Bacolod desde 1991, ayuda mas de 160 comunidades atender a sus necesidades en agua gracias a la instalación de bombas de ariete en varios lugares del achipielago. La bomba presentada en ese tutorial es una version distinta a la usada por la AIFDI porque es mas accesible.

License : Attribution (CC BY)

Introduction

Este tutorial fue iniciado por http://lowtechlab.org/wiki/Utilisateur:Basile_Sans%C3%A9au

El sistema de la bomba de ariete fue inventado en 1797 por Joseph-Michel Montgolfier, el quien construyó el primer globo en 1782 con su hermano, Jacques-Etienne. Fue inmediatamente muy criticado por sus contemporáneos quienes lo asociaron a las teorías del movimiento perpetuo, considerado como herejías.

Se tiene que esperar hasta 1857 para que un patente sea registrado por Ernest Sylvain Bollée, quien mejora y concretiza la invención de Montgolfier.

Muy utilizado desde entonces en el campo francés y europeo, esta ahora implementado en America y Africa, en regiones para las cuales el abastecimiento de combustibles es dificil o costoso.

En que sirve una bomba de ariete ?

La bomba de agua es un sistema de elevación del agua, cuyo funcionamiento sole depende de la fuerza motriz del agua, sin ninguna intervención exterior. Concretamente eso permite bombear el agua de una fuente (rio, lago, arroyo) y usarlo mas arriba para regar cosechas, abrevar a los animales o cualquier uso domestico.

La bomba de ariete presenta varias ventajas :

  • Es relativamente barato
  • Funciona enteramente de manera automática, sin electricidad, a largo plazo, unas funcionando desde varias décadas
  • No necesita ninguna lubricación, no mantenimiento a parte de la limpieza
  • las reparaciones no son muy frecuentes, solo necesitadas por el uso inevitable de las piezas móviles
  • Es adaptable en casi todos los tamaños, caudales y alturas necesarias

Video overview

Materials

No utilizar materias plásticas para la bomba, que sean válvulas o obturadores, porque esos se desgastan muy rápidamente en funcionamiento.

Eso es un ejemplo para el caso de una bomba dimensionada en 26/34, se tiene entonces que adaptar segun los resultados del dimensionamiento (Etapa 2

"Se tiene que comprar :"

-válvula en 26/34

-1 codo en 26/34

-3 mamelons mâles en 26/34

-1 Té en 26/34

-1 colador en 26/34 o una válvula de retención interior plastica (vease fase 5)

-1 válvula de retención en 26/34 con interior acero inoxidable / latón

-2 válvulas de 20/27 o 1 válvula con una llave de vaciado

-1 cruz en 20/27

-1 réduction 26/34 vers 20/27

-1 o 2 rollos de teflon para el sellado del ensamblaje

-liquido de fijación adhesiva para la varilla roscada

-4 varillas con tuercas de mariposa

-unas diez arandelas de diámetro interior de 6mm

-2 tuercas para varilla roscada M5

Se puede recuperar :

-1 extintor 7 o 9 litros

-1 camara de aire o otra goma para hacer una junta

-varios clavos

-1 tabla de madera

-hierro de 20 o 30mm de ancho, aproximadamente 60 cm

-un soplete (según fase 5)

Tools

- una llave sueca

- una pinza con garras para abrir el colador de succion

-tijeras

-un martillo

-una fresa (en ese caso 6, 7)

- un roscado (en ese caso M5)

Step 1 - Como funciona una bomba de ariete

  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




Step 9 - Donnez-nous votre avis

Vous avez une minute ? Que vous souhaitiez ou non réaliser cette low-tech, votre réponse à ce formulaire nous aiderait à améliorer nos tutos. Merci d'avance pour votre aide !

Comme tout le travail du Low-tech Lab, ce tutoriel est participatif, n'hésitez pas à ajouter les modifications qui vous semblent importantes, et à partager vos réalisations en commentaires.

Notes and references

Comments

Published