Brevet FR2908796A3 — publié le 20080523

FR 2908796 A3 20080523 FR 0610201 A 20061120 La présente invention concerne un dispositif conçu pour fournir de l'eau sous pression à un circuit d'utilisation et étant alimenté soit par une source A d'eau principale telle que : eau de pluie, eau de puits, eau de source, etc par l'intermédiaire d'une pompe, soit par une source B d'eau de secours, qu'il faut protéger de la pollution, telle que le réseau publique d'eau potable. Le dispositif doit donc remplir la fonction de protection contre les retours d'eaux par disconnexion destiné à empêcher la contamination de l'eau potable, au sens de la norme européenne EN1717. La réglementation relative à la protection de L'eau potable du réseau publique impose de protéger l'eau du réseau de toute contamination et de la séparer de toute autre source par une méthode appelée disconnexion . Dans le cadre de l'utilisation de l'eau de pluie, cette obligation a amené les différents constructeurs de matériels à concevoir et réaliser des appareils dont le fonctionnement s'apparente à celui d'une chasse d'eau (réservoir + flotteur). La mise en pression de l'eau dans le circuit d'utilisation est réalisée par une pompe qui puise, soit dans une citerne d'eau de pluie, soit dans le réservoir du disconnecteur. Dans le second cas, quand le niveau baisse dans le réservoir du disconnecteur, le flotteur descend et ouvre un robinet raccordé au réseau d'eau potable qui commence à remplir le réservoir ou à compenser l'eau consommée par la pompe. Ce système, conforme à la norme EN1717 (disconnecteurs de type AA ou AB), présente 2 inconvénients majeurs : 1 ) En cas d'absence d'électricité, la pompe ne fonctionne plus et aucune eau ne peut plus être distribuée. 2 ) A l'ouverture d'une vanne dans le circuit d'utilisation, la pompe, démarre à pleine puissance à chaque sollicitation. Pour que ce ne soit pas le cas, il faut lui adjoindre soit un réservoir de pression pour réduire le 2908796 - 2 nombre de démarrages, soit un régulateur de vitesse / débit sur pompe, soient les deux conjugués. L'invention présente 3 avantages majeurs : 1 ) Elle permet de s'affranchir des coupures 5 d'électricité en se connectant automatiquement sur le réseau d'eau potable pour alimenter le circuit d'utilisation, tout en maintenant la sécurité relative à la séparation des sources. Elle permet aussi d'éviter les branchements de dépannage sur le réseau d'eau de ville, non-conformes et contraires à la 10 sécurité avec un risque majeur de mélange des deux sources. 2 ) La réserve d'eau nécessaire à la réalisation de ce dispositif favorise, par le fait, l'installation d'un système automatique de contrôle/gestion qui permet de faire l'intégration temporelle des consommations en gérant le 15 remplissage et le vidage du dispositif et en évitant les démarrages répétés de la pompe à chaque ouverture d'un robinet. 3 ) En conséquence, la pompe d'alimentation peut être de dimension et de puissance plus petites, favorisant 20 ainsi des économies sur un budget destiné à l'investissement en récupération d'eau de pluie et sur la dépense en énergie pour mettre l'eau à disposition de l'utilisateur. Le dispositif selon l'invention est constitué d'un réservoir principal de forme tubulaire d'une hauteur suffisamment grande 25 par rapport a son diamètre. Sa section est adaptée au volume global recherché. Il est fermé à ses 2 extrémités et réalisé dans une matière compatible avec les utilisations concernant l'eau potable et l'eau de pluie, telles que : le Polyéthylène, le PVC, le Polyester, l'acier Inox, etc_ sans que cette liste 30 soit exhaustive. En partie basse, il est doté d'un premier orifice destiné à l'entrée de l'eau de la source principale A et d'un deuxième orifice destiné à la sortie vers l'utilisation de l'eau. En partie haute, il est doté d'un troisième orifice 2908796 3 destiné à l'entrée, au travers d'une vanne 2/2, de l'air comprimé utile à la propulsion de l'eau vers l'utilisation. La présence de la vanne 2/2 fait partie de l'invention. Pendant son fonctionnement, le réservoir principal est rempli en 5 permanence par de l'eau et de l'air comprimé, dans des proportions qui varient constamment dans le temps. Son fonctionnement est lié à la relation physique qui existe entre la quantité d'un liquide et la quantité d'un gaz occupant un vase clos et la pression qui règne dans ce vase en. fonction du 10 volume occupé par le liquide. Selon les phases de fonctionnement, les formules physiques qui s'appliquent à un instant `t', sont : P.V = n.R.T, dans laquelle `P' est la pression régnant dans un volume d'air donné, `V' est la valeur du 15 volume occupé par l'air, `n' est le nombre de môles d'air emprisonnées dans le volume, `R' est la constante des gaz parfaits et `T' la température absolue régnant dans le vase. P.V = Cte, par laquelle, si le nombre de môles `n' est constant, la pression est inversement proportionnelle au 20 volume occupé par un gaz, considérant que les variations sont lentes et que la température est stables entre l'instant `t' et l'instant `t+dt'. Le rapport hauteur/diamètre améliore le gain et augmente l'hystérésis des différents seuils de niveaux et de pressions, 25 évitant ainsi les fonctionnement oscillatoires. En partie haute, à l'intérieur du réservoir, est installée une réserve tampon, parfaitement étanche, qui sera remplie par l'eau arrivant de la source B (réseau publique) au travers d'une vanne 3/2 raccordée de façon que l'eau soit 30 passante lorsque la vanne est hors-tension (NO), et d'un clapet anti-retour. La présence de la vanne 3/2 et du clapet anti-retour font partie de l'invention. Cette réserve tampon est équipée, à sa sortie, d'un cylindre débouchant sur un cône 2908796 inversé. Lorsque la source B (réseau publique) est: sollicitée, le flux traverse la réserve tampon de son entrée vers sa sortie. La réserve tampon est isolée du réservoir principal par un clapet anti-retour placé sur sa sortie, avant le cône 5 inversé. Ce clapet a pour fonction de créer 2 cavités distinctes dans le dispositif et d'interdire un reflux d'eau ou d'air du réservoir principal vers la réserve tampon. Le cône inversé a pour fonction d'accélérer la réduction de volume et donc l'accroissement de pression, si l'eau est 10 amenée à remonter à l'intérieur du dit cône et ainsi de maintenir une distance suffisante entre la surface de l'eau et le point le plus bas de l'arrivée d'eau potable. Le volume libre dans un vase à section constante est S.H où `S' est la section du vase et `H' sa hauteur. `S' étant constante, le 15 volume est proportionnel à `H'. Si le volume est délimité par un cône de révolution, le volume est donné par 1/3.B.H où `B' est la section circulaire et `H' la hauteur. Dans le cas d'un cône de révolution, l'angle au sommet étant constant, lorsque `H' diminue, le diamètre de la base diminue 20 proportionnellement. La section circulaire étant fonction du carré du diamètre, elle est aussi fonction du carré de la hauteur. La variation du volume est donc fonction du cube de la hauteur. Donc, si H1=H/2, pour une section constante on a V1=V/2, alors que pour un cône de révolution on a V1=V/8. 25 Le fonctionnement général. du dispositif est le suivant : Dans la description qui suit, pour des raisons de clarté qui ne modifient en rien le fonctionnement du dispositif, il est fait abstraction des sécurités de marche telles que : sur- niveau, surpression, surintensité, vanne à échappement 30 contrôlé, etc ... qui font partie de la gestion normale et implicite de tout équipement automatisé. Les capteurs, qui sont des standard du commerce, ne font pas partie de la description. Seules leur existence et leur situation sur le 2908796 5 dispositif font partie de la description. 1 ) Marche normale, avec présence d'électricité et présence d'eau à la source A (le contrôle de présence de la source A n'est pas considéré dans l'invention) lorsque le 5 niveau d'eau est bas dans le réservoir principal, une pompe est mise en marche par un automatisme afin de remplir le réservoir, du bas vers le haut, en s'arrêtant au niveau haut. Le volume d'air, existant au-dessus de l'eau, se réduit au fur et à mesure du remplissage. 10 Selon la formule PV=Cte, la pression qui tend à s'accroître est maintenue, par un échappement régulé, à une valeur de marche réglée à l'avance par l'automatisme (par ex. 2,5 bar pour un réseau d'eau publique à 3 bar). Lorsqu'une demande en eau apparaît dans le circuit d'utilisation, la pression qui 15 règne dans le réservoir principal propulse l'eau dans les canalisations. Selon PV=Cte, la pression d'air commence à baisser et déclenche la mise en oeuvre de la source d'air comprimé pour maintenir la pression de fonctionnement. Le cycle se répète à l'infini, tant que les conditions de marche 20 sont présentes. 2 ) Marche de secours, avec présence d'électricité et manque d'eau de la source A (ce mode de marche fait partie des fonctions du dispositif et doit être considéré comme `normal') : lorsque le manque d'eau de la source A est détecté 25 par l'automatisme, la vanne 3/2, située en amont de la réserve tampon, est mise hors-tension et alimente la dite réserve tampon en eau de la source B (réseau publique). La pression qui règne alors dans le réservoir principal (par ex. 2,5 bar) étant inférieur à la pression de la source B (par ex. 3 30 bar), un flux s'établit, qui traverse la réserve tampon, franchi le clapet anti-retour de sortie se répand sur les parois du cône par capillarité et continue de remplir le réservoir jusqu'à l'équilibrage naturel des pressions entre 2908796 6 la source B et le réservoir principal. Le débit s'interrompt naturellement lorsque les pressions sont équilibrées. Le clapet anti-retour de la réserve tampon se referme. A ce stade, le niveau d'eau est quelconque dans le réservoir. 5 Lorsqu'une demande en eau apparaît dans le circuit d'utilisation, la pression qui règne dans le réservoir principal propulse l'eau dans les canalisations. Selon PV=Cte, la pression d'air commence à baisser et le flux d'eau potable se rétablit jusqu'à ce que l'équilibre soit à nouveau obtenu. 10 Dans ce fonctionnement, il rentre autant d'eau de la source B qu'il en sort à l'utilisation. Quand la présence d'eau à la source A est à nouveau détectée, l'automatisme remet la vanne 3/2 sous-tension et la réserve tampon n'est plus alimentée. Les demandes d'eau font à nouveau baisser la pression jusqu'à 15 ce qu'elle revienne à sa valeur de régulation par l'automatisme. Le dispositif repasse automatiquement en marche normale. 3 ) Marche de secours par manque d'électricité, quelque soit la présence d'eau de la source A (ce mode de 20 marche fait partie des fonctions du dispositif et doit être considéré comme `normal') : plusieurs cas de figures sont possibles. Il se peut, dans ces cas, que le niveau de l'eau soit amené à dépasser le niveau maximum contrôlé par l'automatisme. Une garde d'air est donc laissée, par 25 construction, en dessous du niveau inférieur de la réserve tampon de façon à ce que le complément apporté par la source d'eau B ne puisse pas amener la surface de l'eau à toucher la réserve tampon. Ce point est une garantie supplémentaire pour la non-pollution de l'eau de la source B (réseau publique). 30 3-a ) La pompe est en marche, en train de remplir le réservoir principal, le niveau d'eau est quelconque et inférieur au niveau maximum : elle s'arrête par manque de tension dans la chaîne électrique, la régulation d'air 2908796 7 comprimé se ferme par manque de tension, la vanne 3/2 change d'état par manque de tension, le flux d'eau de la source B s'établit au travers de la réserve tampon et complète le remplissage du réservoir principal, jusqu'à l'équilibrage 5 naturel des pressions et la fermeture du clapet anti-retour. 3-b ) La pompe n'est pas en marche, le niveau d'eau est quelconque et inférieur au niveau maximum : la régulation d'air se ferme par manque de tension, la vanne 3/2 change d'état par manque de tension, et le cycle de remplissage 10 s'établit comme en 3-a. 3-c ) La pompe vient de terminer le remplissage et l'eau est à son niveau maximum, la pression est stabilisée à la pression de régulation (par ex. 2,5 bar) : la régulation d'air se ferme par manque de tension, la vanne 3/2 chance d'état par 15 manque de tension et le flux d'eau de la source B complète le niveau d'eau dans le réservoir, au dessus du niveau maximum autorisé par l'automatisme, jusqu'à l'équilibrage naturel des pressions et la fermeture du clapet anti-retour. 4 ) Réactions en modes défaillances : De nombreux 20 cas de défaillances peuvent être envisagés, selon les situations qui peuvent apparaître. La fonction centrale du dispositif est de maintenir une garde d'air suffisante et une séparation certaine entre les sources d'eau A et B pour répondre aux contraintes de sécurité de la norme EN1717. 25 Cette sécurité ultime est réalisée par la réserve tampon. Cette réserve doit être parfaitement étanche dans ses différents assemblages et résistante à la pression extérieure par sa construction et l'épaisseur de ses parois. La fonction sécurité est constituée par les éléments 30 suivants : 4-a ) Cône inversé : dans le cas ultime où un reflux de l'aval vers l'amont amènerait l'eau de seconde source contenue dans le réservoir principal au contact de la 2908796 8 face inférieure de la réserve tampon, que la pression de l'air aurait chuté jusqu'à la pression atmosphérique et qu'aucune sécurité n'aurait fonctionné préalablement, la remontée de l'eau dans le cône provoquerait alors un accroissement très 5 rapide de la pression de l'air enfermé dans ce cône. Le calcul montre que pour une remontée à presque 60% de la hauteur totale d'un cône de révolution, la pression dans le cône dépassera iMpa, qui est la pression de tenue nDrmative des appareils fonctionnant sur les réseaux d'eaux, et qu'à 65% de 10 remontée, la pression dépasserait la pression d'éclatement de la plupart des appareils conventionnels. Les dimensions du cône et de la tubulure qui le prolonge doivent. donc tenir compte de ces valeurs pour la détermination finale des cotes de construction. 15 4-b ) Le clapet anti-retour implanté dans la tubulure de sortie de la réserve tampon isole la zone tampon de la zone supposée polluée ou contaminée et bloque le reflux décrit dans le $4-a. 4-c ) L'eau contenue dans la réserve tampon est, par 20 construction et mise en oeuvre, de l'eau de la source B. Si elle est issue du réseau publique, elle est réputée saine et contenant du chlore et apporte donc la rémanence nécessaire à la non-contamination du réseau publique, pour le cas où l'eau de la source A entrerait en contact avec l'eau contenue dans la 25 réserve tampon. 4-d ) Le clapet anti-retour placé en amont de la réserve tampon bloque le reflux de l'eau contenue dans la réserve tampon, donc un éventuel reflux d'eau originaire de la source A vers l'amont. 30 4-e ) La vanne 3/2, lorsqu'elle est sous-tension, connecte la tubulure d'entrée de la réserve tampon à l'atmosphère. Au cas où un reflux aurait quand. même lieu, l'eau s'écoulerait alors à l'exutoire. 2908796 9 Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente le dispositif en entier en coupe. En référence à cette figure, le dispositif est constitué d'un réservoir de forme tubulaire(1) dont la face inférieure(2) et 5 la face supérieure(3) sont obturées. En bas du dispositif, un orifice(4) permet l'entrée d'eau de la source A et un orifice(5) de sortie alimente l'utilisation. En haut du dispositif, un orifice(6) permet l'entrée d'air comprimé. Cet air comprimé est admis au travers d'une vanne 2/2 (7) faisant 10 partie du dispositif. A l'intérieur et en partie haute du dispositif, la réserve tampon(8) est fixée sous la face supérieure(3). Son orifice d'' alimentation (9) traverse la face supérieure(3) pour être alimenté en eau de la source B au travers d'une vanne 3/2 (10) et d'un clapet anti-retour(11). 15 Des capteurs du commerce permettent de gérer le niveau bas(12), le niveau haut(13) et la pression d'air(14). La figure 2 représente la réserve tampon en coupe. En référence à cette figure, la réserve tampon es': constituée d'une enveloppe cylindrique(15) fermée sur le dessus(16). 20 L'intérieur du dessus(16) est réalisé de manière concave de façon à obtenir un volume mort(17) destiné à stocker l'air emprisonné dans la réserve tampon. Cet air pourra être évacué lorsque le flux d'eau traversera la réserve tampon. Le dessous(18) de la réserve tampon est occupé en son centre par 25 un cône de révolution en creux(19) créant une cavité conique23). Cette cavité conique(23) se prolcnge par un conduit(22), équipée d'un clapet anti-retour(21) qui débouche à l'intérieur de la réserve tampon. L'arrivée de l'eau dans la réserve tampon se fait par l'orifice(9) qui est prolongé par 30 un tube d'entrée dont l'ouverture basse(24) est proche du fond de la réserve afin de créer un siphon dont le rôle est de faire fonctionner cette réserve comme un tampon en cas de reflux de l'aval vers l'amont. Le flux d'eau franchi le siphon 2908796 - 10 - et remonte à l'intérieur de la réserve. Une légère compression se fait dans le volume mort(17) et l'eau se déverse par- dessus le bord de la tubulure(20) de sortie. Lorsque la pression est suffisante, le clapet(21) s'ouvre, et l'eau emprunte le chemin 5 (25, 26, 27) de sortie. Le profil de la jonction(30) entre la tubulure(20) et le cône(19) est réalisé de façon à forcer l'eau à suivre la paroi intérieure du cône par capillarité. Le passage sur la face intérieure du cône sert au nettoyage de cette partie du dispositif. Si l'eau de la source B est de 10 l'eau du réseau publique d'eau potable, il en résulte que ce nettoyage est fait avec de l'eau réputée propre et chlorée. La figure 3 montre la partie basse de la réserve tampon en situation de contact avec l'eau du réservoir principal, dans un cas de défaillance (cas 4-a) avec reflux sous pression de 15 l'aval vers l'amont. La cavité(22+23) constituée par le cône(19) et la tubulure(20) est isolée du reste du dispositif par la surface de l'eau(28/29) et le clapet anti-retour(21). Le niveau de pénétration dans le cône avec une pression de lMpa dans la cavité est représenté par la ligne de niveau 20 repère 29. La ligne de niveau repère 28 représente la pénétration dans le cône à 0,3Mpa (3bar). Selon une variante non illustrée, le dispositif peut être équipé d'un indicateur de niveau tubulaire extérieur. A titre d'exemple non limitatif, le dispositif :pourra avoir 25 des dimensions telles que : Hauteur = 1800 mm, Diamètre extérieur = 350 mm. Réalisé d'après ces cotes, le dispositif selon l'invention a une autonomie de 110 litres d'eau environ. REVENDICATIONS 1)Dispositif pour la protection contre les retours d'eaux par disconnexion d'une source d'eau principale vers une source d'eau à protéger caractérisé en ce qu'il est constitué d'un réservoir principal(l) de forme tubulaire d'une hauteur suffisamment grande par rapport a son diamètre, équipé d'un orifice(4) en partie basse pour l'arrivée de la source principale et d'un orifice(9) en partie haute pour l'arrivée de la source à protéger. 2)Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la propulsion de l'eau vers l'utilisation à l'orifice (5) de sortie est faite par une mise sous pression de l'air dans le réservoir principal(l) par un orifice(6) situé en partie haute et alimenté en air comprimé. 3)Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce 15 que l'eau de la source à protéger traverse une réserve tampon (8) avant de pénétrer dans le réservoir principal(l). 4)Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que la réserve tampon(8) est constitué par un volume parfaitement étanche équipé d'un tube d'entrée(24) se 20 terminant près du fond de la réserve afin de faire un siphon. 5)Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le dessus(16) de la réserve tampon(8) est réalisé de façon concave à l'intérieur pour ménager un volume mort(17). 6)Dispositif selon les revendications 3 et 5 caractérisé 25 en ce que la réserve tampon(8) comporte une tubulure(20) verticale de sortie à section horizontale de façon à constituer un déversoir dont les fonctions sont de fixer le niveau maximum de l'eau et de canaliser l'air contenu dans le volume mort(17). 2908796 - 12 - 7)Dispositif selon les revendications 3 et 6 caractérisé en ce que la tubulure(20) est équipée d'un clapet antiretour(21) et prolongée par un cône de sortie(19) concourant à réaliser une cavité(22+23) par rapport au fond(18) de la 5 réserve tampon(8. 8)Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que la jonction(30) entre la tubulure(20) et le cône de sortie(19) est réalisée de façon à forcer l'eau à suivre la surface intérieure du cône par capillarité afin de réaliser 10 un lavage de cette surface.