Une machine écologique et diabolique : le bélier hydraulique

Anecdotes concernant le bélier de Monsieur de Montgolfier.

La machine diabolique :

Dès son apparition, à la fin du XVIIIème siècle, le bélier est source de polémique dans les milieux scientifiques. Le fonctionnement de cette machine, d’une simplicité déconcertante, marque du génie de son inventeur, semble diabolique. Comment peut on élever de l’eau sans utiliser d’énergie apparente ?, c’est impossible !Bélier de M de Mongolfier

Jugez plutôt, relaté par Marc Seguin, petit neveu de Montgolfier:

Joseph de Montgolfier porta la description de son bélier à la connaissance de l’Académie des Sciences. « L’accueil (…) n’eut rien de flatteur, Montgolfier excita la pitié des auditeurs. Parmi ceux-ci était l’abbé Bossut, auteur d’un Traité d’hydrodynamique, qui fit observer qu’il était, lui, Montgolfier, en désaccord complet avec la science (…) que les résultats annoncés ne pouvaient être admis sans qu’on fût du même coup contraint d’admettre la possibilité du mouvement perpétuel, hérésie, condamnée par la raison comme par la science.(…).

L’inventeur laissa parler l’académicien tant qu’il le voulut et, quand celui-ci eut fini, il lui fit observer que cette machine impossible fonctionnait au domicile de l’inventeur, rue des Juifs n°18, puis pria le président de la Compagnie de bien vouloir nommer (…) une commission, dont l’abbé Bossut ferait partie. Au jour et à l’heure indiquée, (…) on laissa l’abbé Bossut examiner en détail la conduite par laquelle (…) l’eau devait être portée à 10 mètres de hauteur sur les toits de la maison. L’abbé s’assura qu’aucune cachette ne recélait quelque Savoyard dont les bras vigoureux dussent produire les effets annoncés par Monsieur Montgolfier (…). Bossut, s’étant précisément mis à la place qu’allait inonder l’eau retombant du toit (…), Joseph s’empressa d’en faire la remarque (…). L’abbé refusa de changer de place et avec tant d’opiniâtreté qu’il fallut enfin passer outre et inonder d’eau la tête chauve du malheureux académicien. ».

Diabolique ! vous disais-je !

 

Il y a deux cents ans, les idées s’envolent déjà hors frontières :

Peu après sa découverte, contrairement aux gouvernants de l’époque, qui n’autorisent pas l’installation du bélier, les Anglais discernent le profit à en tirer. Les plans sont parvenus à Watt et Bolleton. Celui-ci obtient sans mal une patente d’importation le 13 décembre 1797. Ils exploitent immédiatement le procédé. Cela explique que certains considèrent les Anglais comme les inventeurs, ce qui fait s’insurger Montgolfier : « Cette invention n’est point originaire d’Angleterre, elle appartient toute entière à la France ; Je déclare que j’en suis le seul inventeur… »

Perfide Albion !

Fierté de Montgolfier : Mieux que la machine à voyager dans l’air !

C’est du moins l’avis de l’inventeur qui voyait dans le Bélier bien d’autres possibilités :

« On peut l’employer comme un moyen puissant pour comprimer l’air atmosphérique (…) et pour faire jouer une presse hydraulique lorsque le manufacturier a à sa disposition une chute d’eau… On peut aussi l’employer à seigner* des marais jusqu’à une profondeur de 24 à 28 pieds (…) nous leur donnons le nom de béliers aspirateurs (…) On peut profiter du roulis d’un navire pour seigner simultanément et à peu de frais la cale de l’eau qui s’y infiltre, ainsi que l’air qui s’y infecte… ».

 

Toujours de nos jours, alors que les énergies électriques et pétrolières ont envahi le monde, il continue à pomper sans nuisance, gratuitement ou presque, dans la sphère des énergies durables ou il retrouve une nouvelle vigueur, surtout dans les Pays du Tiers monde.

 

Et chez nous, le bélier hydraulique des Fretins

Voici ce que nous avons pu reconstituer à partir des explications que les utilisateurs, Monsieur et Madame Maurice Garnier, ont eu la gentillesse de nous transmettre :

En 1919 "les grands pères" acceptent de louer la ferme, à condition de pouvoir alimenter suffisabélier des fretins installé au reuilmment cette ferme en eau. Le bétail (40 à 50 têtes) ne peut se contenter de l’eau tirée au seau, au puit de la cour de ferme. L’électricité n’arrivera aux Fretins qu’en 1934.
- Le propriétaire décide d’utiliser un élévateur d’eau et fait installer en 1921 un bélier hydraulique. L’installation est réalisée par les établissements Têtard de Montceau les Mines.

Cet élévateur, qu’est ce que c’est ?

 Son principe de fonctionnement :
Laissons la parole à Joseph Montgolfier qui expérimenta son premier bélier à Annonay en 1792 : « C’est une machine qui a pour effet d’élever l’eau d’une source à un niveau plus élevé que celui de la source, et cela en utilisant la force vive* de cette eau. Autrement dit, il s’agit d’un dispositif qui utilise le choc de l’eau dans une conduite brusquement fermée (coup de bélier) pour forcer une partie de la masse de liquide à remonter à une altitude supérieure à la hauteur de la source…». (* Force vive : Energie cinétique)

Première phase : Le clapet de batterie est ouvert. L’eau s’écoule depuis la retenue par le tuyau de batterie et acquiert du fait de la différence de niveau une vitesse de plus en plus grande, tant que ce clapet reste ouvert.
Deuxième phase : Le clapet de batterie fini par se fermer et produit un coup de bélier. L’eau, lancée dans cette canalisation très rigide, monte en pression et peut ouvrir le clapet de refoulement pour pénétrer dans le ballon.
Troisième phase : L’air est comprimé dans ce ballon tant que le clapet de refoulement est ouvert. Cette pression, restituée, clapet fermé, fait monter régulièrement l’eau dans le tuyau de refoulement, jusqu’au réservoir.
Enfin, l’eau de la source n’ayant plus la « vitesse » suffisante pour maintenir le clapet de batterie fermé, s’écoule à nouveau par ce clapet.
Et, …la première phase reprend. Le pompage est ainsi rythmé par l’ouverture et la fermeture des clapets, le pouls du bélier, à des pressions très fortes (au moins 6 bars pour la ferme des Fretins).

principe de fonctionnement du bélier

Comment à l’époque a-t-on réalisé l’installation de ce système ?

 Pour que le bélier fonctionne et que son emploi soit intéressant, pratiquement, il faut que la hauteur de la chute soit d’au moins 25 cm (ici : 8m) et que le rapport entre les hauteurs de refoulement hr et de chute Hc ne dépasse pas 25 à 30 (ici : 47/8). La grande hauteur de chute choisie aux Fretins permet un excellent rendement (68 %).
Formule utilisée pour le calcul du rendement : R=0,258 (12,8- hr/Hc)1/2.
Refoulement jusqu'à la ferme

Pour se faire soi-même une idée du bélier utilisé et se rendre compte de la quantité d’eau qu’il a élevé journellement, il faut, en plus des hauteurs données par la carte IGN, mesurer le débit de la source. (ci-contre l'écurie du bélier et le toit de la ferme des Fretins, tout là haut)


- Comment, en 1920, a-t-on mesuré le débit d’eau motrice?
La méthode du seau jaugé est assez simple d’emploi pour les petits débits, et pour les débits plus importants on utilise laruisseau des fretins en amont planche, un procédé ingénieux dans son application. Voici :

On établit un déversoir à échancrure rectangulaire (0,5m de largeur) à l’aide d’une planche. La hauteur de la lame d’eau déterminera le débit à 10% près. 

 

 - Comment choisir le bélier quand on a déterminé le débit de la source ?


Au début du siècle passé, plusieurs théories, basées sur un dix neuvième siècle d’expériences, existent. Ce sont en particulier celles d’Etelwein, de Herza, de Lorenz …, résumées dans différents tableaux et formules empiriques.

C’est seulement en 1928 que M.L. Bergeron fait paraître une étude à peu près complète dans son cours Machines Hydrauliques.

Tableau des débits : la formule du déversoir de Bazin (1898) était visiblement déjà employée (Q=mLH(2gH)1/2)

H en cm

Débit en l/s

H en cm

Débit en l/s

H en cm

Débit en l/s

H en cm

Débit en l/s

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0,32

0,94

1,72

2,6

3,62

4,75

5,95

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

7,25

8,65

10

11,2

12,85

14,60

16,3

8

9

10

11

12

13

14

19,8

23,75

27,7

32,15

36,65

41,5

46,5

15

16

17

18

19

20

51,5

56,5

62

68

73

79

Pour savoir approximativement la quantité d’eau qu’il peut élever journellement, il suffit d’employer la formule utilisée au début du siècle dernier:

Quantité pompée par jour = R.Q.(Hc/hr).60.24

(soit pour notre bélier, théoriquement, de 3941 à 8211 litres par jour).

Tableau des diamètres à utiliser en fonction du débit de la source :

N° des béliers à utiliser

Diamètres intérieurs des tuyaux

Débits des sources en litres par minutes : Q

d’arrivée

de départ

1

2

3

20 mm

24

33

12 mm

15

18

de 3 l/mn à 8 l/mn

de 6 l/mm à 16 l/mn

de 12 l/mn à 28 l/mn

4

50

20

de 24 l/mn à 50 l/mn

5

6

7

8

60

66

80

100

26

33

50

60

de 48l /mn à 100 l/mn

de 80 l/mn à 160 l/mn

de 100 l/mn à 200 l/mn

de 200 l/mn à 300 l/mn

Besoins de la ferme :

Reportons nous donc aux tableaux de l’époque pour estimer ces besoins :

 

 

Pour la ferme des Fretins, 2000 l à 3000 litres sont consommés dans une journée normale.

Dépenses à prévoir dans une maison bourgeoise par jour :

Toilette et WC, par personne

…..

Âne ou vache, par tête

Cheval

…..

Lavage d’une voiture à cheval

Par mètre carré de jardin à arroser

30 à 50 l

 

30 à 50 l

80 l

 

200 l

3 à 8 l