Gonflage des Ballons de surpresseurs (V3)

1 Présentation générale d'un surpresseur
2 Le ballon de surpression
2.1 Nécessité d'une membrane ou d'une vessie
2.2 Position d'un ballon
2.2.1 Cas du ballon avec arrivée vers le bas
2.2.2 Cas du ballon avec arrivée en haut
2.2.3 Cas des grands ballons
2.3 Ballon sans membrane ni vessie
2.4 Contrôle des appareils à pression
2.5 Type de gaz
2.6 L'orifice de remplissage de gaz
2.7 Que peut-on regretter ?
2.8 Comment vérifier la vessie ou la membrane
2.9 Un mauvais exemple 
3 Gaz parfaits / Avogadro et Boyle Mariotte
3.1 Calculs avec la loi de Mariotte
3.2 Les courbes pression/volume
4 Le pressostat
4.1 Pression et variations de pression
4.2 Incidence sur le volume utile
4.3 Les réglages
4.4 Les phénomènes transitoires
5 Pression de gonflage
6 Volume d'eau
7 Les surpresseurs à pression constante
8 La redondance en général
9 L'intérêt de la double pompe
9.1 Le doublage de pompe et ballon
9.2 La mise en parallèle des pompes
10 Conclusions

Si vous arrivez directement sur cette page par un moteur de recherche, vous pouvez avoir accès à la table des matières et à chaque article, en page d'accueil.    L'accès se fait par l'un des deux liens en tête de colonne de droite ----->

Préambule

Je me suis aperçu par mes deux blogs frères, bricolsec et lokistagnepas, que les différents sujets techniquement très intéressants, ne sont lus que par une petite partie des internautes. Alors j'ai pensé pour ce sujet qu'il serait bien d'allier l'utile et l'agréable. Il devrait intéresser les lecteurs des deux blogs et une Newsletter sera faite sur chaque blog, ainsi qu'un renvoi depuis bricolsec. 

Il devrait ravir les bricoleurs puisqu'ils vont trouver ici tous les éléments pour gonfler le ballon de leur surpresseur à la valeur la plus adaptée. (Les amis Belges diront le ballon du "groupe hydrophore").

Cet article devrait ravir aussi ceux qui sont curieux des lois toutes simples et de leur représentation graphique. Je pense que c'est assez éloquent de voir ainsi ce que l'on fait souvent par habitude. Les extrapolations seront tout à fait réalisables aux professionnels pour leurs surpresseurs et pour déterminer à partir des écarts de volumes connus, les dispositifs anti-bélier.

Comment ne pas penser naturellement à l'enseignement si abstrait des maths et qui trouvent ici une démonstration de grande utilité. (Revoir la fonction y=1/x) J'aurais tant apprécié d'avoir quelques exemples de l'utilité des maths quand j'étais potache ? 

L'article "eau de pluie pour les WC" étant tellement généraliste n'avait pas abordé ce sujet, alors ce manque sera réparé ici et certainement avec quelques surprises ?

Le sujet sera donc développé tant au niveau pratique que théorique, mais aussi au niveau professionnel et particuliers.

1 Présentation générale d'un surpresseur

(Sauf les groupes à vitesse variable qui ne font pas partie de cet article)

La photo jointe est un surpresseur un peu particulier qui est situé dans la chambre de vannage d'un petit réservoir. Cette photo est seulement présentée pour montrer la structure générale. S'il devait y avoir un pressostat, il serait à la place de la sonde la plus basse.
(En réalité il s'agit d'un système professionnel à vitesse variable avec ballon, faisant l'objet de l'article "Une solution de marnage").

Pour voir un modèle amateur voir l'article "eau de pluie pour les WC".

Un surpresseur est une installation qui va permettre de créer de la pression pour une installation d'eau (potable ou de pluie) dans la grande majorité des cas, mais il y a des "surpresseurs" dans tous les domaines, et on les appelle plus volontiers des groupes hydrauliques.

Un surpresseur est constitué en premier lieu d'une pompe. C'est elle qui va être à l'origine de la pression. Il y a ensuite la commande de la pompe qui va se réaliser par un interrupteur un peu spécial, dont la manoeuvre est assurée directement par la pression (Pressostat).

Enfin, pour permettre un stockage d'eau (Ou de tout autre liquide) sous pression, il y a le fameux ballon qui est pré rempli d'air qui va assurer le rôle de ressort d'une part, et permettre d'une façon antagoniste avec l'eau, de stocker celle-ci sous pression.

Il y a bien entendu un élément important qui est le clapet anti-retour, faute de quoi tout le ballon se reviderait totalement dans les circuits amont dès l'arrêt de la pompe (Amont=réservoir d'origine à pression atmosphérique le plus souvent ou parfois malheureusement le réseau public).
Ce clapet est un élément essentiel, mais a juste un rôle hydraulique d'anti-retour nécessaire, sans faire réellement partie à proprement parler de la fonction de surpression.

2 Le ballon de surpression

Ce ballon est réellement le coeur du sujet de cet article, et il y a lieu de le décrire de façon précise. Le pressostat sera son alter ego et aura ainsi un rôle parallèle hyper important.

Une remarque concernant les différences essentielles entre les ballons de surpresseurs et les ballons anti-béliers.
Les premiers ont des pressions d'épreuve plus faibles en général, et une sortie de section "moyenne". Ce sera exactement le contraire pour les anti-béliers. (Ces derniers auront de plus un clapet percé faisant office d'amortisseur sur l'onde de retour)

Un ballon de surpresseur est constitué de 3 éléments principaux différents. Outre sa solide enveloppe métallique habituelle, il contiendra TOUJOURS un gaz (Compressible) de l'air le plus souvent et un liquide (Eau dans notre cas) séparés ou non par une paroi mobile.

Ce ballon, lorsqu'il s'agit de liquides différents de l'eau prend parfois le nom d'accumulateur de pression (Industrie) et de tels accumulateurs aussi bien pour l'eau que pour l'industrie permettent de stocker sous pression tout en limitant les variations de pression données par chaque "coup de pale" de la pompe. Le terme précis serait "accumulateur hydropneumatique" !

Il serait vain de penser que la pression en sortie d'une pompe est constante, car elle varie au rythme de la structure interne de la pompe et de la consommation. (Regarder le manomètre en sortie ?)

Grâce au ballon, la pompe va normalement augmenter progressivement la pression par petits ajouts de liquide à chaque volume élémentaire de la pompe. L'air ainsi comprimé par le liquide, aura la même pression bien entendu.

La différence entre une membrane et une vessie est simple. Toutes les deux sont constituées d'une feuille mobile de séparation entre l'air et l'eau. Notez que l'une comme l'autre sont en caoutchouc naturel ou en matière plastique de qualité alimentaire pour l'eau potable. Ces éléments sont obligatoirement souples et de préférence élastiques pour éviter les éclatements.
(Il est nécessaire de bien noter que la pression est obtenue par l'élasticité de l'air et non par l'aspect de l'élasticité du caoutchouc. Certaines vessies sont en plastique souple, mais pas du tout élastique).

Pour la membrane, celle-ci sépare le ballon en deux parties, l'une réservée à l'air, et l'autre réservée à l'eau. Du seul point de vue alimentaire, le type de ballon à membrane n'est pas correct, et est seulement réservé aux installations de chauffage pour palier la dilatation.
Techniquement les deux demi coquilles sont assemblées avec la membrane par sertissage en assurant l'étanchéité des deux parties à la fois.

Une parenthèse cependant, si vous utilisez ce type (membrane) pour l'eau des WC, (Je l'ai fait !) il n'y a pas de problème technique, mais il est nécessaire que ce soit bien la seule finalité d'emploi ? (Jamais pour de l'eau potable). J'ai eu du mal de trouver un éclaté de ce type voici l'adresse : http://www.gitral.fr/gitra_2.html (Avec mes remerciements aux sociétés pour ces emprunts de schémas)

On m'a fait une remarque justifiée, qui est de faire attention à la pression de service de ce type de ballon (et de tous en règle générale), car effectivement il y a beaucoup de fabrications limitées à 3 bars.

Contrairement, à la membrane, la vessie va éviter TOUT contact du liquide avec l'air ET la structure mécanique du ballon (Enveloppe). Ce type est le seul à pouvoir assurer la qualité alimentaire, au niveau ACS (Attestation de Conformité Sanitaire) Naturellement l'eau sera "emprisonnée" dans la vessie et l'air sera tout autour et en contact avec le réservoir métallique.

Faut-il une vessie ou une membrane dans un ballon ?

Cette question a des réponses multiples, car plusieurs éléments convergent vers ce sujet.

En effet, en ce qui concerne l'eau potable, le contact alimentaire impose que l'eau ne soit pas au contact de récipients métalliques qui peuvent rouiller, car la rouille est un support de choix au développement microbien. Pour éviter cela on a créé des ballons avec vessie en caoutchouc naturel, ou en matière plastique de qualité alimentaire.

Pour les installations d'eau NON potable, un ballon à membrane est toujours suffisant, le coût en est toujours plus intéressant. Donc pour les WC seulement, inutile de prévoir des ballons à vessie. Un ballon à membrane suffit, style ballon de chaudière. A noter cependant une propension à avoir un peu de rouille à la fin de vie du ballon.

(Noter qu'il ne s'agit pas de publicité mais que je n'ai pas trouvé d'éclatés de chaque type, ailleurs que sur ces deux sites).

Dans ce même registre, des ballons nus sont également possibles mais toujours peu efficaces (Voir § 2.3)

Beaucoup de petits surpresseurs du commerce, pour des questions de place occupée ont le réservoir horizontal, avec la prise d'eau en extrémité avec un flexible (Et souvent la pompe au dessus). Cette situation qui donne une certaine compacité n'est cependant pas la meilleure.

Quels sont les problèmes liés à la position d'un ballon de surpresseur ?

L'eau contient toujours de l'air en dissolution. (Cet air peut même provenir en quantité du réseau lorsqu'il y a des problèmes avec coupure d'eau : eau blanche).

Si l'arrivée d'eau est en bas, des bulles d'air ou du simple dégazage d'eau au repos, peuvent remplir progressivement "la poche" réservée à l'eau. Cela peut limiter la capacité de stockage d'eau. Ce cas est très gênant sur un circuit toujours en pression, car l'air peut prendre du fait de sa pression, une place importante.

Pour remédier à cette situation sans aucun démontage, il faut simplement vider le ballon de son liquide et faire la mise à l'air libre du réservoir (Par l'arrivée/vidange). La partie "gonflable" sera seulement contrôlée en termes de pression.
En réalisant cette opération, la partie eau sera pratiquement vide d'air.

Cette situation se rencontre dans les vieux surpresseurs, mais aussi dans les grandes installations de surpression.

L'eau au contact du métal n'est pas propre à la consommation humaine, et l'air ainsi emprisonné peut favoriser d'éventuels développements microbiens.

Ce type de position "arrivée en bas" est à éviter, car il faut périodiquement faire la mise à l'air libre car les volumes DISPONIBLES stockés peuvent se réduire au fil du temps.
(Remarquer sur l'éclaté avec vessie un cas que je n'ai jamais rencontré, qui est selon toute vraisemblance une purge en partie haute ? Si c'est le cas, une petite ventouse ferait merveille et éviterait la baisse de performances due à l'air emprisonné, mais ne dispenserait pas du contrôle d'étanchéité).

C'est le cas le plus habituel des petits ballons pré gonflés (Membrane ou vessie destinés aux particuliers). L'arrivée se réalise par le dessus, et la capacité est toujours nominale. L'air a toujours tendance à reprendre la tuyauterie et s'évacuer ainsi de façon normale dans les installations.

Il n'y a pas d'air parasite dans la partie eau.

Que dire des grands modèles où la prise est toujours située vers le bas (Éventuellement latérale voir photo, et c'est à déconseiller !) ? Je suppose, car je n'ai pas de certitude, qu'il doit plus certainement s'agir aussi d'une sécurité relative à l'éclatement de membrane ou vessie, car dans ce cas où l'arrivée est en bas, la fonction est préservée, mais la qualité de l'eau est affectée.

Dans le cas des anti-béliers par exemple, ceux-ci restent actifs en cas d'éclatement de vessie, et c'est la sécurité d'un réseau qui est préservée.

C'est aussi je pense une question de tuyauterie, car autrement il y aurait des points hauts à équiper de ventouses, et habituellement les tuyaux sont de préférence installés près du sol (Du moins en eau potable).

Cela signifie qu'avec ou sans membrane ou vessie, il est toujours nécessaire de vidanger et de faire la mise à l'air libre, lorsque l'arrivée est située vers le bas.

Ce type de ballon est donc toujours installé arrivée/remplissage vers le bas. L'air est donc en partie haute, et habituellement une valve de remplissage d'air est située au dessus.

Des appareils sans remplissage d'air sont également possibles mais sont peu performants en termes de volume disponible du fait de la très faible pression engendrée en début de cycle et en milieu. La pression étant essentiellement acquise en fin de cycle. Rappelez vous, cela ressemble au remplissage d'un chauffe eau lorsque tous les robinets d'eau chaude sont fermés.

Certains grands modèles AEP (> 5000 Litres) sont souvent équipés à demeure de compresseurs à fort débit (et parfois forte pression).

Industriellement, tous les appareils à pression doivent faire l'objet d'un contrôle qui consiste à examiner visuellement lorsque c'est possible les parois internes (Trou d'homme). Ce contrôle consiste également en la mesure des épaisseurs de métal les plus faibles (Souvent par méthode ultrasonique). La vérification finale est normalement constituée d'une mise en pression d'épreuve.

Il y a quelques années ce contrôle était tous les 10 ans, mais les réglementations ont peut-être changé et il y a lieu de vérifier, d'autant que les réglementations Européennes tendent à homogénéiser ces dispositions.

Pratiquement, si l'appareil est ancien et de dimensions courantes, il est souvent plus intéressant de changer un appareil que de réaliser ces vérifications toujours très coûteuses.

Des informations sur les textes légaux sont données sur ces sites :
http://ec.europa.eu/enterprise/pressure_equipment/ped/index_fr.html

http://209.85.135.104/search?q=cache:1G1DmvTGTP0J:eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do%3Furi%3DCELEX:31997L0023:fr:HTML+97/23/CE&hl=fr&ct=clnk&cd=4&gl=fr

Air ou azote ? Habituellement c'est l'air qui est utilisé en eau potable. L'azote avec sa neutralité permettrait de meilleures performances dans le temps. Cela resterait à priori un phénomène de mode sans réels fondements, ou de toutes façons des avantages extrêmement réduits. Si vous avez d'autres informations et avis je publierai !

Celui-ci est presque toujours disposé à l'extrémité opposée du remplissage. Un raccord type valve de chambre à air de voiture l'équipe. Cette valve est souvent cachée sous un capuchon plastique qu'il suffit de dévisser.

Une information pratique...tout ce qui concerne l'étanchéité de l'air se réalise non pas avec du chanvre et de la pâte mais au téflon exclusivement. (Le chanvre laisserait légèrement passer l'air)

Un manomètre placé à l'amont de la valve équipe les appareils les plus importants. Il témoigne de la pression d'air de l'instant. Il indiquera également la pression de gonflage en l'absence d'eau. Je vais déjà indiquer la réponse à une question souvent posée. "Je mesure la pression de gonflage quand" ? Plein ou vide ?

Réfléchissons et cela sera de nouveau confirmé en §3, l'air et l'eau sont dans le même récipient et la pression de l'un est rigoureusement la pression de l'autre. Ceci sauf lorsqu'il n'y a plus d'eau ! Et c'est justement dans ce cas que l'on réalise le pré gonflage.

Le pré gonflage est TOUJOURS réalisé ballon vide de liquide.

Ainsi en utilisation, il faudra attendre que l'eau ait atteint la pression de pré gonflage pour que celle-ci puisse pénétrer dans le ballon. Cette pression d'air va augmenter par la suite au rythme de l'arrivée de l'eau ? 

Que peu de fabricants ne placent de sortie de vidange de la partie "eau". C'est souvent à réaliser au montage, et c'est souvent oublié par les monteurs ou les plombiers. La conséquence est toujours postérieure, puisque cela ne se révèle qu'à la première vérification de maintenance.

(On peut supposer qu'il est plus facile de garantir la pression d'essai sans dispositifs annexes)

Les vessies sont plus sujettes à éclatement, surtout lorsque les pressions sont élevées ou à cause des dynamiques de pression (Régimes transitoires). Il est donc nécessaire de contrôler périodiquement leur intégrité (étanchéité).
Les vessies sont toujours suspendues dans les grands réservoirs verticaux. Cette suspension est importante pour assurer un équilibre de force sur une vessie remplie d'eau et qui "flotte" dans l'air. Ne pas perdre de vue qu'un litre d'eau pèse 1 Kg !...

Cette vérification est réalisable de façon simple en laissant l'arrivée d'eau à l'air libre, et en gonflant la partie air, ce qui aura tendance à rétrécir la vessie ou plaquera la membrane sur l'orifice "eau". (Ceci en respectant les limites des constructeurs) En général, il n'est pas nécessaire d'aller très haut en pression et le simple contrôle de la stabilité de la pression d'air (Sur quelques heures) est souvent suffisant et renseigne parfaitement de l'étanchéité. (Une grille empêche de refouler la membrane par l'orifice d'arrivée d'eau).

Si on a pris la précaution de noter la dernière valeur de gonflage, il est alors simple de vérifier cette étanchéité en réalisant une vidange et une mise à l'air libre de la sortie. (La pression précédente doit être retrouvée intégralement). Ne pas oublier de la noter sur la cuve de façon bien visible.

2.9 Un mauvais exemple 

Ce paragraphe vient d'être ajouté en date du 25/10/2011. Je n'ai pas pu faire autrement que de mentionner ce problème qui m'est arrivé...

Le fameux ballon rouge de la photo de tête d'article a rendu l'âme après 6 années de service... Cela fait tout de même un peu court.

Alors comme je n'aime pas mourir idiot, je l'ai tout de même ouvert pour voir l'état. Pour l'ouvrir, c'est à la disqueuse sur le sertissage !
Alors je veux faire la publicité de cette société qui a l'outrecuidance de vendre du matériel pas même protégé de la rouille.

L'intérieur du ballon du côté de l'air est nu, aucun traitement époxy, rien du tout, mais c'est assez sain, car le peu d'humidité de l'air emprisonné a légèrement attaqué, mais franchement c'est trois fois rien.

Côté eau, c'est un désastre TOTAL où la rouille est l'élément majeur qui reste encore. Alors WATTS Industrie c'est bien ! Mais ce serait encore mieux si ils avaient le courage de mettre un peu de peinture époxy.

Alors ne vous étonnez plus si votre ballon est perçé, vous saurez que cette société fait l'économie de la peinture à l'intérieur des ballons.

Mais pour le coup d'oeil extérieur, c'est nickel ! Il faut bien b... le client !

Les photos parlent d'elles mêmes, et pour ceux qui n'ont jamais vu de membrane, celle-ci a pris les couleurs de la rouille.... Tiens je ne savais pas que le caoutchouc rouillait !!!

(Ne soyez pas inquiets sur la découpe réalisée sur la partie air... Je récupère au moins la partie valve pour en faire ultérieurement un bouteille d'injection d'antigel pour le panneau solaire).

A noter que la membrane est restée en bon état. Vous pourrez voir sur la petite photo, le renfort central qui évite "le poussage" dans le circuit "eau", et qui vient en appui sur le raccord 20x27 de sortie. 

3 Gaz parfaits / Avogadro et Boyle Mariotte

De l'air ou de l'azote, le principe restera le même à epsilon près. On parlera donc d'air exclusivement.

Les différentes formules qui suivent résultent toutes de la nature même de la matière liée à l'agitation thermique des atomes. Il s'agit essentiellement des domaines de la physique, et de la thermodynamique et non seulement ce n'est pas l'objet de cet article, mais je ne saurais le faire sans commettre quelques erreurs.

Un point important est de souligner que tous les gaz (Gaz parfaits) occupent à température fixe le même volume de 22.4 Litres à 20°C et à pression de 1013 mbar (Ou hPa), ceci pour le même nombre d'atomes ou une mole(Voir ci-après définition de la mole).

Je vais simplement citer quelques éléments compréhensibles de la loi d'Avogadro qui ont pour but de fixer les idées :

La quantité de matière gazeuse est proportionnelle au volume du gaz.

La quantité de matière gazeuse est proportionnelle à la pression du gaz.

La quantité de matière gazeuse est inversement proportionnelle à la température.

On a défini la mole (symbole mol) comme étant une quantité de matière qui contient 6.02210^E23 atomes de l'élément. C'est simplement une façon plus commode d'écriture qui évite de "traîner" 23 zéros à chaque nombre et de faire des erreurs de calculs.

Ceci amène directement à la formule d'Avogadro : PV=nRT

avec P la pression en Pascal (1 bar=10^E5 Pascal)

V Volume en m³

R 8,31 J/K/mol. (Constante des gaz parfaits)

T température degrés kelvin (= °C + 273)

n quantité de matière gazeuse en Nombre de moles

ATTENTION : On oublie régulièrement que cette formule est élaborée pour une pression ABSOLUE (Il faut donc ajouter 101300 Pa)

Consulter ce site pour plus de précisions :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Loi_d%27Avogadro

La loi de Mariotte est finalement dérivée de la loi d'Avogadro, puisqu'elle dit simplement que le produit du volume par la pression est une constante et que pour une température identique, on a la relation :

P1*V1=P2*V2

Les calculs pour les ballons peuvent être réalisés aussi bien "avec Mariotte qu'avec Avogadro", et comme "Mariotte" est plus simple, ne nous en privons pas, d'autant plus que dans ce cas, il n'y a plus d'erreurs d'approximations des nombres dans les calculs, mais on ne peut pas travailler travailler en pression relative. (Correction de la version récédente)

Consulter ce site pour plus de précisions :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Loi_de_Mariotte

P1*V1=P2*V2 (Noter que les unités de pression sont exprimées en pression absolue)

Le grand principe de calcul consiste à dire que le volume total du ballon représente l'air ET l'eau soit :

V Total= V eau + V air (L'eau étant par définition incompressible !)

Exemple :
On utilise un ballon type chauffage central (À membrane) de 18 litres pour un petit surpresseur. Le surpresseur est piloté par un pressostat (Voir son rôle paragraphes suivants) dont les limites sont 1.5 bars et 3.6 bars en pression RELATIVE. On va donc gonfler (En théorie seulement) le ballon à 1.5 bars (En absence d'eau).

P1=(1.5 bars+1 bar pression atmosphérique)* V1= 18 litres puisque l'air occupe tout le volume donc P1*V1=18*2.5=45

Quels sera le volume d'eau à 3.6 bars ?

P2*V2=45 d'où V2=45/4.6=9.78 litres ATTENTION ! V2 représente le volume du gaz.

Le volume d'eau est donc le volume initial diminué de l'air soit : 18 litres - 9.78 litres (D'air) soit 8.3  litres d'eau.

Pour l'exemple sur ce ballon de 18 litres, une première courbe globale permet de voir l'étendue des valeurs possibles et de bien appréhender les asymptotes (Valeurs jamais atteintes) Division par zéro pour l'explication mathématique (Ou informatique)

La deuxième courbe du §5 est identique, mais simplement changée d'échelle pour les valeurs réelles de pression du surpresseur.

4 Le pressostat

C'est certainement l'élément le plus mystérieux du système car on ne sait pas en général que ce dispositif interrupteur a un hystérésis, c'est-à-dire qu'il déclenche (S'ouvre) à une pression maxi et s'enclenche (Se ferme) à une pression mini.

En d'autres termes, au mini il va activer le fonctionnement de la pompe, et l'arrêtera au maxi.

Ces valeurs sont partiellement réglables voir § 4.3

Sur la photo d'un modèle ancien mais très robuste on distingue le ressort principal de réglage. L'ensemble agit sur une bascule mécanique qui par ses caractéristiques détermine l'hystérésis. On remarque également que ce modèle est initialement prévu pour des commandes directes de pompes en triphasé, sans relayage. (La règle habituelle pour les pompes AEP est le triphasé !)

Du principe même du pressostat, la sortie en direct d'un surpresseur classique varie toujours entre un maximum et un minimum qui est uniquement le fait du pressostat (Et non du ballon). (Le temps entre deux pompages dépend du volume du ballon ET de son pré-gonflage)

Il est naturellement possible de monter la pression assez haut et de la réduire avec un réducteur de pression dont la consigne sera à peine en dessous du mini du pressostat  ? OK ! Restons simples et pour l'eau des WC je ne vois pas bien l'intérêt énergétique de parfaire ce dispositif.

(De plus ce réducteur devrait certainement travailler dans de mauvaises conditions, car les écarts de pression seraient très faibles en limite basse).

Les variations de pression acceptées vont également influer largement sur la capacité de stockage d'eau en pression. (Voir les courbes et les traits repères en rouge)

Le pressostat par ses limites mini/maxi va directement agir sur le volume disponible dans le ballon. On pressent donc qu'un mauvais gonflage du ballon peut entraîner un volume utile réduit, et donc une mise en marche plus fréquente de la pompe.

Ainsi un ballon dégonflé se traduira par un volume d'eau plus important réduisant d'autant la capacité de l'air présent à jouer le rôle de ressort.

Le réglage d'un surpresseur se réalise sur deux éléments, la pression de pré-gonflage du ballon mais aussi et surtout par le pressostat.

Habituellement un pressostat est réglable sur la pression maxi. La pression mini est normalement "ce qu'elle peut", car c'est la construction mécanique qui fait que ce dispositif a un hystérésis.

Il existe des modèles mécaniques où on peut régler les deux consignes théoriquement séparément, mais mes expériences ont prouvé que ce n'est pas rigoureusement le cas, et qu'il y a toujours interaction réciproque, même minime.

Habituellement l'hystérésis n'est pas modifiable facilement et c'est donc l'ensemble que l'on déplace dans l'échelle des pressions et même parfois avec modification de la largeur de plage de l'hystérésis.

4.4 Les phénomènes transitoires

Dans le réglage des pressostats, il peut y avoir des phénomènes d'oscillations marche/arrêt qui sont dangereux. Souvent ces soubresauts sont dus à une fréquence de résonance de certains éléments de circuits. (Ce peut-être aussi les "battements" de la pompe elle-même). A la résonance il y a amplification des phénomènes. (Histoire du régiment sur un pont=rompre le pas)
Pour remédier à ce type de problèmes, il est nécessaire d'amortir les oscillations, en réduisant les sections d'amenée d'eau au pressostat. Les constructeurs proposent parfois des capillaires, mais souvent cela peut être insuffisant. Il y a alors lieu de mettre un robinet à pointeau en complément.
Ainsi lors d'une montée très rapide de pression, avant que toute l'eau ne puisse atteindre la membrane du pressostat, le système sera déjà passé dans une phase de dépression (Régression du volume). Il y aura amortissement des ondes ! (Seulement au niveau du pressostat)

5 Pression de gonflage

Vous attendez la réponse ? Pression mini du pressostat MOINS 0.2 bars environ pour respecter les grandes traditions des plombiers, mais il y a tout de même mieux ?

Pour commencer examinez attentivement ce graphique établi avec Excel sur la base d'un ballon de 18 litres. Vous trouverez le maxi et le mini du pressostat (2 Traits rouges horizontaux), différentes courbes établies pour des pressions de pré-gonflage différentes. Enfin les flèches horizontales représentent le volume disponible entre deux démarrages de pompe.

Finalement il a fallu 7 pages pour en arriver là !  ?

Il y a tout de même des précisions à apporter puisque les 0.2 bars résultent bien de quelque chose :

Il faut examiner la courbe Pression/Volume au niveau de la pression mini. Cette courbe est plus horizontale que verticale. Ceci implique que la pression varie assez peu au début, et qu'il y a lieu de faire attention, car de faibles écarts de gonflage peuvent faire varier de plusieurs litres le volume utile d'eau sous pression !

Il y a lieu de réfléchir un peu avant toutes choses...De toutes façons, quelque soit le réglage du pressostat, la pompe démarrera, car ce sera l'utilisation qui chutera brutalement de pression, lors d'un tirage d'eau. (Même si la limite basse du pressostat était fixée à 5 bars pour l'exemple).

Prenons le cas suivant : (Attention l'ancienne version est maintenant corrigée suite aux remarques pertinentes de "gériko" et  "Gilles53")
Pressostat réglé à 1.5 bars et ballon gonflé à 1.3 bars. Dans la pratique 0.2 bars permettent d'assurer simplement l'absence de rupture basse de pression de façon certaine, puisqu'en respectant cette disposition, la pompe démarrera à 1.5 bars et qu'il reste encore de l'eau dans le ballon puisque l'absence totale d'eau correspond à 1.3 bars.

Reprenons le même ballon de 18 litres ? Quel est le volume de sécurité avec 0.2 bars ? (Et pour ce seul cas)

Soit P1*V1=1.3bars+1bar *18 litres=41.4

Alors P2=1.5+1=2.5 donc V2=41.4/(1.5+1)=16.56 litres d'air, soit 18-16.56=1.44 litres d'eau. (C'est encore beaucoup d'eau pour un appareil de particulier !)

(L'ancienne valeur en erreur de 23.4 a été remplacée par 41.4, mais le résultat de 1.44 L est inchangé. Cette petite erreur a été débusquée par "Gilles53", merci pour cette correction)

La grande question est de savoir si il est nécessaire qu'il y ait de l'eau qui reste dans le ballon. A priori ce ne serait pas absolument nécessaire (Voir ci-après)

Un fichier de calcul XLS pour votre installatin été fait par "gériko", (Voir les commentaires
" www.microfer.fr/geryko " sur la page "téléchargements publics").  
Je vous invite à vous y reporter, car celui que j'avais fait est vraisemblablement faux du fait de l'erreur sur la simplification erronée de la formule. Merci à tous ces contributeurs qui apportent réellement à tous ces problèmes de la vie de tous les jours.

On m'avait reproché gentiment  d'avoir développé inutilement ce sujet alors que "0.2 bars en dessous" suffisaient. Sur cette affirmation, et sans polémiquer, je pense qu'il est toujours préférable de comprendre ce que l'on fait, car dans le cas contraire, on est parfois amené à faire des catastrophes. Sur des petits ballons, il est toujours utile d'avoir 1 litre de mieux de volume disponible, car la pompe se met en marche moins souvent.
Si vous partagez ma façon de voir, n'hésitez pas à mettre des commentaires. Dans le cas contraire, enfoncez le clou ! Ça aura le mérite de mettre un peu d'animation !

6 Volume d'eau

Il faut bien différentier le volume d'eau total DANS le ballon et le volume d'eau DISPONIBLE. Ceci n'est pas tout à fait la même chose.

Le volume disponible est la valeur correspondante aux intersections avec les lignes rouges des limites du pressostat. (C'est le volume entre deux démarrages de pompe).

En effet en ne pré-gonflant pas le ballon, le volume d'eau DANS le ballon sera plus important, mais du fait du pressostat, le volume DISPONIBLE sera très faible, car l'eau va enlever des possibilités pour atteindre la valeur basse de consigne du pressostat. (Voir la courbe rouge ci-dessus, -seulement 3 litres-)

Il faut regarder les différentes courbes pour comprendre ce qui se passe lorsque le ballon est insuffisamment gonflé.

Courbe Jaune (pression de gonflage supérieure à la pression d'enclenchement du pressostat) :

Lorsque le ballon est totalement vide d'eau, la pression de l'eau du circuit de distribution va continuer de baisser (Très rapidement) au premier tirage alors que la pression d'air dans le ballon ne change pas et reste stable. Ce gonflage particulier fonctionnera seulement parce que le pressostat est sur le circuit d'eau et que la demande d'eau du circuit interne finira par baisser la pression et déclencher la pompe.

Il faut seulement prendre garde à la courbe jaune qui représente un fonctionnement avec rupture brusque de pression, mais le plus important est que cette courbe ne permet pas d'atteindre le meilleur Volume disponible. (écart brutal de pression ayant pour valeur l'écart entre mini pressostat et pression de pregonflage du ballon)

Alors pour conclure, et optimiser au mieux les ballons de surpression, il y a lieu de fixer la pression du ballon EXACTEMENT à la pression Mini du pressostat.

(De préférence par valeur très légèrement inférieure pour ne pas avoir de petite chute rapide de pression avant l'enclenchement de la pompe).

Ce réglage est le meilleur, car il est économique et utilise au maximum la capacité dynamique du ballon. (Le réglage à -0.2 bars est certes correct, mais n'est pas le plus performant). Bien que la consommation d'une pompe ne soit pas un gouffre énergétique, il est important d'optimiser et d'économiser l'énergie.
Ce réglage est aussi le meilleur en terme de nombre de démarrages de pompes.

Ce meilleur réglage se vérifie sur les différentes courbes où l'on peut voir les volumes disponibles de respectivement 3, 7.2, 8 et 9 (Valeurs approximatives)

7 Les surpresseurs à pression constante

Ces surpresseurs qui ont tout de même un petit ballon de stockage ayant surtout un rôle de laminage des transitoires, ont un principe très différent, puisque cette fois, il n'y a plus de pressostat.
Une jauge de pression mesure la pression et commande en asservissement sur la baisse de pression, une ou plusieurs pompes en vitesse variable. C'est une régulation PID.
C'est donc en principe une grande régularité de la pression, puisque le système est asservi. C'est-à-dire que les pompes par leur vitesse modulée vont compenser la perte de pression pour toujours atteindre la pression de CONSIGNE.

Il n'y a plus d'hystérésis (Ou très très faible, constitué surtout d'un overshoot lors d'un tirage d'eau).

On comprend fort bien que ce dispositif ne supporte pas du tout les fuites, car les pompes tourneront à faible vitesse constante permettant la compensation d'une fuite.

Ce principe n'est pas toujours applicable en adduction d'eau potable, car LA fuite existe toujours, même réduite au plus bas niveau. Ce système nécessite une surveillance accrue.

8 La redondance en général

J'ai déjà parlé de la redondance des circuits en eau potable, cela restera une règle pour les surpresseurs. Cette règle sera même très souvent rendue triple.

En effet beaucoup d'installations de surpression AEP sont nécessitées par des pressions trop faibles occasionnant des débits "ridicules". Mais il y a débit tout de même !

Dans ce cadre, les surpresseurs ont très souvent une bâche de reprise permettant de linéariser les débits, car un réseau peut à certains instants ne plus donner une seule goutte.

Alors en cas de panne d'électricité par exemple, il n'y aurait plus d'eau du tout. Ce ne serait pas acceptable, surtout à ce jour où le consommateur est exigent.

Une solution à performances dégradées existe par l'adjonction d'un clapet sur le réseau d'alimentation. Ce clapet est toujours normalement fermé lorsque le surpresseur fonctionne, mais s'ouvre pour laisser le passage à "un tout petit peu d'eau", lorsqu'il y a panne ! Le confort a alors disparu, mais il subsiste souvent l'EAU

Cela est aussi applicable pour le particulier qui a au moins un peu de pression, mais chose curieuse, dans le cas de surpresseurs sur le réseau, il n'y a pas de bâche de reprise ? C'est un risque important de se trouver sans eau et de griller la pompe ? Dans ce cas le surpresseur est en aspiration réseau, ce qui n'est normalement pas autorisé.

9 L'intérêt de la double pompe

Dans les installations AEP, il y a parfois des pics de consommations pour lesquels, les débits demandés et calculés sur la base de moyennes sont trop faibles.

Pour palier ces éventuelles pointes, il y a le fonctionnement suivant :

Il faut en premier lieu déclarer que tout élément qui ne fonctionne pas s'abîme encore plus vite que s'il fonctionne. Ceci est le premier "postulat".

Pour assurer la redondance, il faut doubler les équipements.

Pour avoir un secours opérationnel en permanence, il y a lieu de faire fonctionner alternativement chaque pompe. Cette méthode permet à la fois de faire fonctionner et d'être protégé en cas d'incident sur une pompe. La probabilité de 2 pompes en panne étant extrêmement faible.

Ceci n'écarte pas cependant un problème de ballon, et pour être parfait un couplage de 2 ballons ne dépareillerait pas, mais nécessiterait une bonne égalité de la pression de gonflage de chaque ballon. De façon non raisonnée, on double habituellement les pompes mais plus rarement les ballons. C'est une erreur, car une opération d'échange de vessie nécessite une journée de travail toujours ingrat. 

Outre la fonction de secours mentionnée ci-dessus, il est un dispositif très intéressant qui consiste à travailler alternativement sur une pompe, puis l'autre, mais à démarrer en parallèle une deuxième pompe si la pression venait à encore baisser sous une deuxième consigne basse.

Ceci permet de franchir allègrement les pics de consommation, puisque dans ce cas il n'y a pas tout à fait doublement du débit mais il est fortement amélioré.

Pour ce fonctionnement, il y a deux pressostats séparés, et l'affectation de la deuxième pompe n'est pas figée mais dépend de la pompe en service à l'instant initial du premier démarrage (Bascule).
Le deuxième pressostat s'enclenche pour un mini légèrement plus faible que le premier. Le maxi "recouvre" le mini du premier pressostat.
Dès que la pression est revenue à une valeur plus raisonnable, et au dessus du mini initial, la deuxième pompe s'arrête, et laisse la première "terminer sa mission normale".

10 Conclusions

Un article qui m'a rappelé que l'on dit parfois des choses qui ne sont pas toujours vérifiées et qu'il est parfois utile de refaire le point à la lumière d'une petite révision. (Je pense à la valeur de gonflage des ballons à -0.2 bars !)

Ces deux lois et formules devraient permettre un assez grand nombre de calculs tous azimuts, et même pour les dispositifs anti-béliers. Dans ce cas il faut connaître le volume susceptible de quitter le ballon, ainsi que celui qui arrivera, et tout cela par rapport à une valeur d'équilibre statique.

La loi de Boyle-Mariotte devrait permettre de s'en sortir.

Pour tous les surpresseurs, les éléments présents devraient suffire à déterminer tout ce dont vous avez besoin pour que vos installations soient optimisées.

Et pour le mot  de la fin, il sera de circonstance...ça me gonfle !

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