Brevet FR2589900A1 — publié le 19870515

L'invention concerne un dispositif d'exhaure pour puits ou forages avec pompe d'alimentation en surface et bélier-aspirateur immergé, comprenant une valve-bélier et un clapet de pied, la liaison entre bélier-aspirateur et alimentation étant réalisée par un tube d'aspiration placé concentriquement dans une gaine d'alimentation. De par le brevet allemand no. 804288 un dispositif d'exhaure par bélier-aspirateur et aspiration concentrique à alimentation est connu. Toutefois le seuil de fermeture de la valve-bélier est déterminé par le poids de celle-ci. Ces systèmes n'ont pas donné satisfaction, vu que les relations complexes qui régissent le fonctionnement automatique du bélier exigent entre autres une adaptabilité du seuil de fermeture aux conditions de travail et une pression d'alimentation libre de pulsations, si l'alternance entre les phases d'ouverture de la valve-bélier et du clapet de pied correspondants doit être maintenue même en cas d'inévitable pollution de l'eau aspirée, d'inclusions d'air ou de ratés dans l'alimentation. Il est bien impossible d'installer un appareil au fond d'un puits dont le fonctionnement oscillatoire est incertain ou qui doit être remonté à la surface à chaque blocage de clapet. En effet, les solutions connues ne prévoient ni régulation du seuil de fermeture ou du gonflage du ballon à partir de la surface, ni de systèmes de redémarrage efficace. L'invention a pour but de créer un système d'exhaure sur la base des systèmes mentionnés ci-dessus, tout en combinant 2 2589900 un montage facile avec une sécurité oscillatoire nettement accrue; en outre ce but est à atteindre dans l'espace réduit d'un forage avec un minimum de pertes hydrauliques, c'est-à-dire avec peu de changements de direction de la veine fluide. Le dispositif objet de l'invention est caractérisé par le fait que la valve-bélier présente deux sièges bien distincts qui enveloppent d'une façon annulaire le tube d'aspiration, et en ce que le bas de l'ensemble comprenant la valve-bélier et le clapet de pied solidaires du tube d'aspiration forme une fiche/prise avec un entonnoir fixé à la gaine d'alimentation, de telle façon que le retrait du tube d'aspiration entraîne celui de la valve-bélier et dr clapet de pied tout en vidangeant la gaine d'alimentation. Une réalisation'de l'idée inventive sera décrite, à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé qui représente un bélier-aspirateur immergé pourvu de sa liaison avec une alimentation régulation en surface. Sur le dessin, la figure 1 représente une coupe à travers une unité d'alimentation à pompe centrifuge avec ses organes auxiliaires, qui repose sur une poutrelle surplombant l'ouverture d'exhaure; la figure 2 représente une coupe axiale à travers un bélier- aspirateur annulaire, avec ballon électrolytique et dispositif de variation du seuil de fermeture; et la fig. 3 représente une coupe axiale à travers un autre mode de réalisation de la valve-bélier annulaire avec étanchéité à soufflet. Le bélier-aspirateur proprement dit se compose selon la fig. 2 de cinq éléments empilés au bout d'un tube d'aspiration 2 et em- brochés dans une prise 15 solidaire du bas d'une gaine d'alimenta- tion 1 et immergés sous le niveau d'eau 3 d'un puits, d'un forage ou d'un cours d'eau. Ces éléments sont: 1) Une valve-bélier scindée en deux douilles concentriques coulissantes 4a et 4b qui entoure le tube d'aspiration 2 de la façon d'un anneau. L'ensemble s'appuie sur un ressort 5 reposant sur un manchon à siège 7, les deux douilles 4a et 4b étant unies entre elles uniquement par le frottement ou/et l'élasticité d'un joint 6. La douille 4a correspond à un tube à siège 8 pourvu de lumières 8a et solidaire du tube d'aspiration 2. Tant par rapport au tube à siège 8 comme par rapport au manchon à siège 7, les douilles sont guidées radialement dans leur mouvement coulissant axial par deux fois trois protubérances 9 et 10 respectivement. Une lèvre élastique 11 sur le tube d'aspiration 2 sert de butée à l'ouverture de la valve-bélier. Chaque portée sur les deux douilles 4a et 4b peut donc s'adapter individuellement à leurs sièges respectifs 8 et 7 en assurant une étanchéité parfaite libre de contraintes. 2) Un clapet de pied à bille 12 dont le corps 13 présente une ouverture d'aspiration vers le bas. 3) Un ensemble embrochable, comprenant comme fiche le corps 13 du clapet de pied avec un joint d'étanchéité coulissant 14, et comme prise un entonnoir 15 qui forme en même temps le fond de la gaine d'alimentation 1 qui s'y fixe au moyen de colliers 16. 4) Un ballon tubulaire 17 présenté ici avec un gonflage élec- trolytique par électrode annulaire 18 alimentée par un câble 19, ellemême en regard de l'électrode en forme d'un manchon 20,. en contact avec le tube d'aspiration 2. ) Un dispositif pour la variation du seuil de fermeture en ajoutant à la force du ressort 5 la traction générée par l'immer- sion contrôlée d'un flotteur 21 dans le ballon 17, le flotteur 21 lui-même étant relié par une tige ou élingue 22 à la douille 4a. L'alimentation placée en surface se compose selon la fig. 1 d'un corps d'alimentation 23 qui repose sur une poutrelle 24 sur- plombant l'ouverture d'exhaure. La gaine d'alimentation 1 est serrée sur un mamelon du corps d'alimentation 23. Le tube d'aspi- ration 2 traverse le corps d'alimentation 23 tout en assurant un contact hydraulique avec une chambre 25 au moyens de trous 26. Le corps d'alimentation 23 abrite aussi une pompe d'alimentation centrifuge 27 entraînée par un moteur électrique 28 pour prélever un débit du tube d'aspiration 2 et l'injecter dans la gaine d'ali- mentation 1. Un tube 29 qui va vers l'utilisation, par exemple un Yobinet 30, débouche dans la chambre 25. En outre, le tube 29 peut être courtcircuité avec la gaine d'alimentation 1 à travers und vanne à boisseau 31. Une autre vanne 32 peut couper la con- nexion de la chambre 25 avec la pompe 27. Un raccord à valve 33 pour une pompe à air 34 est prévu sur le tube 29. Enfin une der- nière vanne 36 sert à isoler un accumulateur 35 de l'extrémité supérieure du tube d'aspiration 2 sur lequel ce dernier est fixé latéralement. Un bottier de commande électrique 37, relié au réseau, comporte un relais qui contrôle le moteur électrique 28 de la pompe d'alimentation 27 à travers un câble 38, relais qui est activé par la conductibilité entre des électrodes 39 placées au bout borgne du tube d'aspiration 2 et connectées au boitier de commande 37 par une ligne 40. Des fils 41 applique une différence de potentiel électrique aux électrodes du ballon électrolytique 17, généralement le pôle positif à l'électrode annulaire 18 et le pôle négatif au manchon 20 à travers le tube d'aspiration 2. Le dispositif décrit ci-dessus fonctionne comme suit: En partant d'une position ouverte de la valve-bélier 4a, 4b en butée sur la lèvre élastique 11, la pression fournie par la pompe 27 accélère en circuit fermé l'eau emprisonnée dans la gaine d'alimentation 1,la valve-bélier 4a, 4b, le tube d'aspira- tion 2 et le corps d'alimentation 23, jusqu'à ce que les pertes de charge au niveau de la valve-bélier 4a, 4b atteignent le seuil déterminé par la compression du ressort 5. Alors la valve-bélier 4a, 4b se ferme brutalement, l'inertie de la colonne montante dans le tube d'aspiration 2 tendant à maintenir le mouvement en provoquant un approvisionnement à partir de la nappe à travers le clapet de pied 12, pendant que la colonne descendante dont la vitesse est beaucoup plus petite emmagasine son énergie cinétique réduite dans la compression du ballon 17. Une fois la colonne montante se trouvant freinée par son propre poids, un tassement dans le tube d'aspiration 2 provoque la réouverture de la valve- bélier 4a, 4b, préparant ainsi un nouveau cycle de pompage. La répétition ininterrompue de cette procédure débouche sur une différence de débits à l'alimentation et à l'aspiration, d'o un gonflage progressif de l'accumulateur 35 qui débitera sous pression, c'est à dire à n'importe quelle hauteur, à travers le robinet 30. Un mouvement de tassement dans le tube d'aspiration 2 in- suffisant, par exemple à la suite d'entrées d'air ou de remontée excessive du niveau d'eau dans le puits, peut engendrer des ratés dans le rythme des coups de bélier, ou même un arrêt intempestif. Si ces conditions adverses sont à craindre, il est recommandé de recourrir au dispositif selon la fig. 3 oi la valve-bélier 4a', 4b' est pourvue d'une étanchéité à soufflet 6' à la place du joint coulissant 6 de la fig. 2. Ce soufflet 6' est soumis à une précontrainte par une bague filetée 42 de telle façon qu'une partie réduite s' de la course de la douille 4b' doive s'accomplir avec un effort accru une fois que la douille 4a' repose sur son siège 8. Ceci provoque une levée forcée de la valve-bélier 4a',4b' dès que la sous-pression due à l'aspiration disparaît dans le tube d'aspiration 2. Le cycle n'est donc plus tributaire du coup de tassement et le rythme du bélier reste régulier même en cas de conditions critiques. Des saletés ou des incrustations peuvent bloquer le fonc- tionnement de la valve-bélier 4a, 4b, notamment après une longue période d'inutilisation. Si la valve-bélier 4a, 4b est bloquée en position ouverte, il suffit généralement de mettre sous pression le tube d'aspira- tion 2 au moyen du raccord à valve 33 et de la pompe à air 34. Ceci comprime le coussin d'air du ballon 17, qui peut être détendu brutalement en ouvrant par exemple le robinet 30, ce qui provoquera une impulsion de débit telle que la valve-bélier 4a, 4b se dé- bloquera. Ce même dispositif permet de remplir d'eau tout le cir- cuit si l'on ne dispose pas de réserve en surface. En partant même d'une immersion minime on peut, en alternant les phases de gonflage et les phases de pompage provoquées par le rééquilibrage des colonnes d'eau dans la gaine d'alimentation 1 et le tube d'aspiration 2, extraire le volume nécessaire pour amorcer le pompage continu. Si la valve-bélier 4a, 4b reste bloquée en position fermée, il suffit généralement de court-circuiter l'alimentation et l'aspiration au moyen de la vanne 31 ou d'arrêter la pompe. l'équilibre des pressions amont et aval permet alors au ressort 5 d'ouvrir la valve-bélier 4a, 4b. Si cette force ne suffit pas, un coup de bélier inverse peut être engendré dans le tube 29 en y faisant d'abord circuler l'eau à vide - les vannes 31 et 32 étant ouvertes - et en fermant ensuite brutalement la vanne 32. L'onde de choc sera transmise par le tube d'aspiration 2 sur la section interne de la valve---bélier 4a, 4b qui sera ainsi soumise à une force énorme d'ouverture. Si le niveau d'eau 3 de la nappe baisse à tel point que de l'air se trouve aspiré par le clapet de pied 12, une bulle se formera dans le bout supérier borgne du tube d'aspiration 2, ce qui activera à travers les électrodes 39 se trouvant à ce bout le relais dans le bottier de commande 37 pour arrêter la pompe 27. La lente dissolution de l'air dans l'eau fait qu'au bout d'un laps de temps la conductivité entre les électrodes 39 se rétablit et l'ensemble se remet en marche automatiquement. Tout le bélier se trouve immergé sous le niveau de la nappe 3 qui en périodes de pluie peut remonter notablement. Il est donc nécessaire de réalimenter le coussin d'air du ballon 17 à partir de la surface. Si un gonflage périodique par pompe à air au moyen d'un tube à prévoir à cet effet est impossible, un gonflage électrolytique automatique peut être prévu. On applique une Diffé- rence de potentiel entre l'électrode 18 et l'électrode-manchon 20 en contact avec l'intérieur du ballon 17, ce qui origine une dé- composition gazeuse électrolytique dont l'oxygène se dissout très rapidement dans l'eau qui est constamment renouvelée par les coups de bélier. Il reste donc dans le ballon 17 un coussin d'hydrogène dont l'extension peut être contrôlée par l'immersion des élec- trodes, elle-même tributaire du courant électrolytique par rapport au coefficient de dissolution. Pour une forme d'électrode allongée dans le sens vertical, il est donc facile de contrôler le niveau d'eau dans le ballon 17, donc d'en déterminer l'élasticité ou-de tarer le seuil de fermeture de la valve 4a, 4b, si celle-ci se trouve reliée à un flotteur 21 dans le ballon 17 au moyen de tiges ou cables 22. Ce tarage permet d'ajuster en marche le débit aspiré à la puissance disponible, au rabattement, ou à toute autre variable intervenant dans l'exhaure. 7 2589900 Grâce à sa simplicité combinée avec un haut rendement, le dispositif objet de l'invention permet la substitution de pompes centrifuges immergées ou d'éjecteurs, notamment pour le bas de gamme en puissance. Ces qualités, alliées à un entretien réduit du fait de l'absence d'usure, prédestinent ce système aux zones à structure technique réduite et à l'alimentation autonome, vu que le courant du groupe motopompe 27, 28 peut provenir de batte- ries du fait de son emplacement en surface qui permet l'utili- sation directe de moteurs à courant continu. Revendications 1. Dispositif d'exhaure, notamment pour un puits ou un forage, avec pompe d'alimentation en surface et bélier-aspira- teur immergé, comprenant une valve-bélier et un clapet de pied, la liaison entre bélier-aspirateur et alimentation étant réalisée par un tube d'aspiration placé concentriquement dans une gaine d'alimentation, caractérisé par le fait que la valve-bélier (4a, 4b) présente deux sièges (7, 8) bien distincts qui enveloppent d'une façon annulaire le tube d'aspiration (2), et en ce que le bas de l'ensemble comprenant la valvebélier (4a, 4b) et le clapet de pied (12, 13) solidaires du tube d'aspiration (2) forme une fiche/prise avec un entonnoir (15) fixé à la gaine d'alimentation (1), de telle façon que le retrait du tube d'aspiration (2) entraîne celui de la valve-bélier (4a, 4b) et du clapet de pied (12, 13) tout en vidangeant la gaine d'alimentation (1). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la valve-bélier se compose de deux douilles (4a, 4b) coulissant l'une dans l'autre et présentant chacune une portée d'étanchéité qui vient s'appuyer sur deux sièges (7, 8) solidaires du tube d'aspiration (2), les deux douilles (4a, 4b} étant reliées netre elles uniquement par un élément d'étanchéité et s'appuyant sur un ressort (5) qui détermine un seuil de fermeture. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'élément d'étanchéité est un joint de glissement (6). 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'élément d'étanchéité est constitué par un soufflet élastique (6') à précontrainte réglable. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'un ballon (17) d'air ou de gaz à gon- flage variable. est disposé au-dessus de la valve-bélier (4a, 4b) pour amortir les pulsations dans la gaine d'alimentation (1). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le ballon (17) est gonflable électrolytiquement, le ballon (17) étant pourvu à cet effet d'une électrode (18) isolée du tube d'aspiration (2). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'un flotteur (21) est placé dans le ballon (17), ledit flotteur (21) étant relié lui-même avec la valve-bélier (4a, 4b) par des tiges ou câbles (22) pour permettre la variation du seuil de fermeture en modifiant le niveau d'eau dans le ballon (17) au moyen de son gonflage. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'au niveau de l'alimentation (23) la gaine d'alimentation (1) et le tube d'aspiration (2) peuvent être courtcircuités par un tube 829), ce qui permet de déverrouiller la valve-bélier (4a, 4b) si celle-ci se bloque en position fer- mée, soit en équilibrant les pressions aval et amont, soit en créant un coup de bélier qui se répercute dans le tube d'aspira- tion (2). 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'une valve de gonflage (33) avec un raccord pour pompe à air (34) est disposée sur un tube de sortie (29), permettant ainsi d'augmenter temporairement la pression d'alimentation pour fermer la valve-bélier (4a, 4b) lors que celle-ci est bloquée en position ouverte.