Analyse de l'Air Entraîné et Dimensionnement de Ventouses
Contexte : L'Ennemi Invisible des Réseaux
L'air est omniprésent dans les réseaux d'eau sous pression. Il peut être introduit lors du remplissage, aspiré par des pompes ou des fuites, ou se dégazer de l'eau elle-même si la pression chute. Cet air a tendance à s'accumuler aux points hauts du réseau, formant des poches d'air. Ces poches sont problématiques : elles réduisent la section de passage de l'eau, augmentent les pertes de charge, et peuvent provoquer des coups de bélier destructeurs lorsqu'elles sont mises en mouvement. Pour éviter ces problèmes, on installe des ventousesAppareil automatique installé sur les points hauts des conduites pour évacuer l'air accumulé (dégazage) ou admettre de l'air en cas de dépression (vidange). (ou purgeurs d'air) qui permettent d'évacuer l'air accumulé. Cet exercice vise à déterminer le volume d'air accumulé dans une conduite et à choisir une ventouse appropriée.
Remarque Pédagogique : La gestion de l'air est un aspect souvent sous-estimé mais critique de la conception des réseaux. Un mauvais positionnement ou un sous-dimensionnement des ventouses peut entraîner des dysfonctionnements majeurs, des surconsommations énergétiques et des ruptures de conduites. Ce problème illustre le lien direct entre un phénomène physique (solubilité des gaz, transport diphasique) et un choix d'équipement d'ingénierie.
Objectifs Pédagogiques
- Comprendre les mécanismes d'entrée et d'accumulation de l'air dans les conduites.
- Calculer le volume d'air dissous dans l'eau en fonction de la pression (Loi de Henry).
- Estimer le volume d'air libéré lors d'une chute de pression.
- Déterminer le débit d'air à évacuer par une ventouse.
- Utiliser un abaque de fabricant pour sélectionner une ventouse adaptée.
Données de l'étude
Schéma du Profil de la Conduite
| Grandeur | Symbole | Valeur |
|---|---|---|
| Solubilité de l'air dans l'eau | s | \(\approx 2\%\) en volume à pression atmosphérique |
| Pression atmosphérique | \(P_{atm}\) | \(1 \, \text{bar} \, (\text{absolu})\) |
| Volume de la conduite | \(\mathcal{V}_{conduite}\) | \(98 \, \text{m}^3\) |
Questions à traiter
- Calculer le volume d'air (ramené aux conditions atmosphériques) qui se dissout dans l'eau lorsque la conduite est mise en pression à 6 bar absolus.
- Ce volume d'air est libéré au point haut lorsque la pression retombe à 1 bar absolu. Si on souhaite évacuer cet air en 5 minutes, quel est le débit d'air \(Q_{air}\) que la ventouse doit pouvoir évacuer ?
- À l'aide de l'abaque simplifié ci-dessous, choisir l'orifice de ventouse adapté.
Correction : Analyse de l'Air Entraîné et Dimensionnement de Ventouses
Question 1 : Calcul du Volume d'Air Dissous
Principe :
La loi de Henry stipule que la quantité de gaz dissous dans un liquide est directement proportionnelle à la pression partielle de ce gaz au-dessus du liquide. Pour l'air dans l'eau, on utilise une règle simplifiée : l'eau peut dissoudre environ 2% de son volume en air à la pression atmosphérique. Ce volume dissous augmente proportionnellement à la pression absolue.
Remarque Pédagogique :
Point Clé : Il est crucial de travailler en pression absolue. La solubilité dépend de la pression totale qui "pousse" les molécules d'air dans l'eau. Une pression de service de 6 bar relatifs correspond à 7 bar absolus si la pression atmosphérique est de 1 bar. L'énoncé donne ici directement les pressions absolues pour simplifier.
Formule(s) utilisée(s) :
Donnée(s) :
- Solubilité : \(s = 2\% = 0.02\)
- Volume de la conduite (eau) : \(\mathcal{V}_{\text{conduite}} = 98 \, \text{m}^3\)
- Pression de service : \(P_{\text{service}} = 6 \, \text{bar} \, (\text{absolu})\)
- Pression atmosphérique : \(P_{\text{atm}} = 1 \, \text{bar} \, (\text{absolu})\)
Calcul(s) :
Le volume d'air dissous à 1 bar est de \(0.02 \times 98 = 1.96 \, \text{m}^3\). Le volume supplémentaire qui se dissout en passant de 1 à 6 bar est :
Points de vigilance :
Volume libéré vs volume total : La question porte sur le volume d'air qui sera libéré lors de la dépressurisation. Il s'agit donc du volume supplémentaire dissous à cause de la pression de service. Le volume initialement dissous à pression atmosphérique restera en solution.
Le saviez-vous ?
Question 2 : Calcul du Débit d'Air à Évacuer
Principe :
Le débit est un volume par unité de temps. Pour déterminer le débit d'air que la ventouse doit être capable d'évacuer, on divise le volume total d'air à purger par le temps alloué pour cette opération. Le choix du temps d'évacuation est une décision de conception qui dépend du risque acceptable.
Remarque Pédagogique :
Point Clé : Le débit d'air est souvent exprimé en "Normal Mètre Cube par heure" (Nm³/h), c'est-à-dire un volume de gaz ramené à des conditions normalisées de température et de pression (généralement 0°C et 1 atm). Ici, le calcul est simplifié car le volume a déjà été ramené aux conditions atmosphériques.
Formule(s) utilisée(s) :
Donnée(s) :
- Volume d'air à évacuer : \(\mathcal{V}_{\text{air}} = 9.8 \, \text{m}^3\)
- Temps d'évacuation : \(t = 5 \, \text{minutes} = 5/60 \approx 0.0833 \, \text{h}\)
Calcul(s) :
Points de vigilance :
Unités de Temps : Le débit des ventouses est quasi-systématiquement donné en m³/h ou Nm³/h. Il est donc primordial de convertir le temps d'évacuation en heures avant de faire la division.
Le saviez-vous ?
Question 3 : Sélection de l'Orifice de la Ventouse
Principe :
Les fabricants de ventouses fournissent des abaques (graphiques) qui donnent le débit d'air qu'un orifice de taille donnée peut évacuer en fonction de la pression différentielle entre l'intérieur de la conduite et l'atmosphère. Pour choisir la bonne ventouse, on cherche sur l'abaque l'orifice qui peut fournir le débit requis (\(Q_{air}\)) sous la pression de service minimale attendue au point haut (ici, 0 bar relatif, car l'air est évacué à l'atmosphère).
Remarque Pédagogique :
Point Clé : La capacité d'une ventouse diminue lorsque la pression interne augmente, car il est plus difficile pour l'air de "sortir". Le dimensionnement se fait donc généralement pour la condition la plus défavorable, c'est-à-dire la plus faible pression différentielle sous laquelle l'évacuation doit se faire. Dans notre cas, la pression est la pression atmosphérique, donc la pression différentielle est nulle ou très faible, ce qui correspond à la capacité maximale de la ventouse.
Formule(s) utilisée(s) :
Lecture directe sur l'abaque.
Donnée(s) :
- Débit requis : \(Q_{\text{air}} = 117.6 \, \text{m}^3/\text{h}\)
- Pression différentielle : \(\approx 0 \, \text{bar}\)
| Orifice (mm) | Débit à 0 bar (m³/h) |
|---|---|
| 10 | 50 |
| 15 | 120 |
| 20 | 200 |
Calcul(s) :
On cherche l'orifice dont la capacité est juste supérieure ou égale au débit requis de 117.6 m³/h.
- Orifice 10 mm : Capacité = 50 m³/h (< Insuffisant)
- Orifice 15 mm : Capacité = 120 m³/h (> 117.6 m³/h, OK)
- Orifice 20 mm : Capacité = 200 m³/h (Possible mais surdimensionné)
On choisit donc le plus petit orifice qui satisfait la condition.
Points de vigilance :
Lecture de l'abaque : Il faut être prudent lors de la lecture d'un abaque, en s'assurant de bien comprendre les axes, les unités et les courbes. Une erreur d'interpolation ou de lecture peut mener à un mauvais choix d'équipement.
Le saviez-vous ?
Simulation de Dimensionnement de Ventouse
Explorez comment le volume de la conduite et le temps d'évacuation souhaité influencent le débit d'air requis et le choix de l'orifice.
Paramètres de Conception
Capacité des Orifices vs. Débit Requis
Le Saviez-Vous ?
Dans les égouts et les systèmes d'assainissement, le problème est inverse. La décomposition de la matière organique produit des gaz (comme le H₂S, corrosif et toxique). Des évents et des systèmes de ventilation sont nécessaires non pas pour purger l'air, mais pour évacuer ces gaz dangereux et éviter leur accumulation.
Foire Aux Questions (FAQ)
Pourquoi l'air s'accumule-t-il aux points hauts ?
Étant beaucoup moins dense que l'eau, l'air est soumis à une forte poussée d'Archimède. Les bulles d'air ont donc une tendance naturelle à monter. Dans une conduite avec un profil en long ondulé, elles migrent avec l'écoulement jusqu'à ce qu'elles atteignent un point haut local où elles ne peuvent plus avancer et se retrouvent piégées, formant une poche qui grossit avec le temps.
Une ventouse peut-elle geler en hiver ?
Oui, c'est un risque majeur dans les climats froids. L'eau présente dans le mécanisme de la ventouse peut geler, bloquant le flotteur et rendant la ventouse inopérante. Les installations dans ces régions nécessitent souvent des ventouses isolées, chauffées, ou enterrées dans des chambres protégées du gel.
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Si la pression de service double, le volume d'air supplémentaire dissous dans la conduite :
2. Une poche d'air dans une conduite en charge est problématique car elle :
Glossaire
- Air Entraîné / Dissous
- L'air peut être présent dans l'eau sous forme de bulles (entraîné) ou dissous au niveau moléculaire. La quantité d'air dissous dépend de la pression et de la température.
- Ventouse (Purgeur d'Air)
- Dispositif mécanique automatique placé sur les points hauts d'une conduite pour évacuer les poches d'air accumulées.
- Loi de Henry
- Loi physique qui stipule qu'à température constante, la quantité de gaz dissous dans un liquide est directement proportionnelle à la pression partielle de ce gaz au-dessus du liquide.
- Point Haut
- Point du profil en long d'une conduite qui a une altitude locale maximale. C'est le lieu d'accumulation préférentiel des poches d'air.
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