FILTRES CRÉPINES JOHNSON
Les réserves d'eau de surface sont représentées par les lacs, les étangs, les retenues, les rivières ou les canaux ; les besoins en eau potable, d’irrigation, industrielle ou de refroidissement sont satisfaits globalement à 79 % par les eaux de surface. Ce pourcentage valable pour la France, reste vrai pour la majorité de nos voisins européens.
C'est donc environ 22 millions de m³ d’eau de surface qui sont pompés chaque année en France. Ces eaux contiennent toujours soit des corps flottants : troncs d'arbres, brindilles, feuilles mortes, glace, etc., soit des matières, matériaux et débris en suspension de natures diverses, ainsi que poissons ou autres organismes vivants.
Il est donc indispensable, mais à des degrés divers, de filtrer l'eau qu'on se propose de capter par une ou plusieurs prises d'eau installées en profondeur ou à la surface.
Classiquement, les éléments volumineux sont arrêtés par une grille fixe pouvant être munie d’un dispositif de nettoyage automatique ou commandé.
Les particules plus fines sont retenues par un filtre mécanique à tambour avec nettoyage mécanique ou hydraulique.
L'idée de pomper au travers d’un tube perforé n'est pas nouvelle car cela est simple et peu coûteux. Cependant, les énormes besoins en eau de refroidissement des centrales classiques ou nucléaires ont obligé les concepteurs à s'orienter vers les tambours rotatifs et les dégrilleurs automatiques facilement nettoyables et pouvant traiter de grands volumes.
Nous nous proposons ici de décrire les améliorations apportées au concept de la prise d'eau statique et immergée afin de parvenir à un matériau fiable, peu coûteux ; ne nécessitant pas de canal de dérivation, n'interférant que très peu avec le milieu aquatique grâce à des vitesses d’approche de l'eau très faibles.
Les surfaces filtrantes utilisées sont des toiles métalliques ou plastiques tendues sur un support, des toiles perforées à trous ronds ou oblongs ; des cylindres ou des grilles dits à fentes continues et
surface tôle perforée
coupe
surface à fente continue
fil profilé. Dans tous les cas, le concept reste le même. (Voir figure ci-dessus.)
Les schémas suivants indiquent les installations types conçues avec des prises d’eau statiques.
C’est à partir de ces premières configurations que l’on étudia scientifiquement, avec des modèles mathématiques notamment, la définition optimale d’une prise d’eau cylindrique.
UN PEU DE THÉORIE :
Les études théoriques, les essais en laboratoires et sur les sites, ont permis de mettre en évidence les critères de qualité d’une prise d’eau cylindrique.
Ce sont :
- — vitesse d’entrée de l’eau dans la crépine,
- — dimension de l’ouverture,
- — coefficient d’ouverture,
- — relation entre la longueur et le diamètre de la crépine,
- — forme de l’ouverture.
Bien évidemment, d’autres paramètres s’ajoutent aux précédents tels que, le lieu, la disposition, le montage, le démontage, etc., des éléments de réponse seront donnés à ce sujet à la fin de cet article.
A - Vitesse d’entrée :
Tous les essais réalisés Ⓐ et Ⓑ ont confirmé que la vitesse optimale d’entrée de l’eau dans les ouvertures d’une prise d’eau est de 10 cm par seconde. En se limitant à cette valeur, on réduit le colmatage de la surface filtrante occasionné par l’accumulation à l’extérieur de dépôts indésirables et par la pénétration des débits avec une perte de charge excessive.
Du même coup, on réduit la corrosion due à des eaux agressives et l’érosion produite par un flux trop rapide…
Des études d’impact sur le milieu aquatique, Ⓒ et Ⓓ, ont confirmé la justesse de cette valeur de 10 cm/sec.
Les quatre photos suivantes illustrent le très faible impact d’une prise d’eau conventionnelle avec une vitesse d’aspiration de 0,10 m/sec.
Photo 1 : Les paramètres expérimentaux sont les suivants :
- — ∅ du cylindre : 310 mm ;
- — longueur du cylindre : 620 mm ;
- — pourcentage de vide : 32 % ;
- — débit pompé : 70 m³/h ;
- — vitesse du courant : 0,3 m/sec.
Photo 2 : Introduction d’œufs de poissons dans le courant.
Photos 3 et 4 : Les œufs sont entraînés par le courant, une quantité de ceux-ci prise dans le débit d’aspiration vient sur la surface et glisse sur celle-ci.
L’examen de la surface filtrante et du réservoir de stockage montre que pratiquement aucun œuf de taille supérieure à l’ouverture n’a été entraîné ni bloqué dans les fentes.
B - Dimension de l’ouverture :
La grosseur et la forme des particules à retenir conditionnent la dimension de l’ouverture. Si, à la sortie, l’eau ne doit subir aucun traitement, en irrigation par exemple, on peut choisir une ouverture assez fine (1 ou 2 mm).
Si, au contraire, l’eau doit être traitée ensuite, on peut adopter une ouverture de 4 à 10 mm. La crépine permet alors une préfiltration qui sera suivie de filtrations secondaires.
Il faut noter qu’une crépine prise d’eau n’est pas appelée à jouer le rôle réservé aux bassins de sédimentation. Des crépines à ouvertures très fines (inférieures à 1 mm) seraient trop vite colmatées par des particules visqueuses ou filandreuses et donc d’entretien difficile.
C - Coefficient d’ouverture :
C’est le rapport de la surface des trous à la surface totale ; appelé parfois pourcentage de vide.
Nous rappellerons pour mémoire quelques calculs de coefficient de surface ouverte pour différentes configurations. (Voir tableau de la page suivante.)
Il est à remarquer que la construction dite à fente continue permet d’obtenir le plus grand coefficient de surface ouverte tout en conservant une résistance mécanique importante.
D - Définition géométrique :
Si l’on considère les lignes de courant créées dans l’eau à partir d’un tube d’aspiration, nous avons le schéma suivant :
données
a : entraxe des trous ronds en mm
d : diamètre du trou rond en mm
c : côté d'un trou carré en mm
L, l : petit et grand côté des trous rectangulaires ou oblongs en mm
V, W, Y : entraxes des trous rectangulaires ou oblongs, mesurés parallèlement aux côtés L et l en mm
H : hauteur du trou hexagonal en mm
s = 0,906 (d/a)² Trous ronds en quinconce à 60° S = L × l − 0,215 l Trous oblongs « en ligne » v × y s = 0,785 (d/a)² Trous ronds « en ligne » « égaux » S = 2 L × l − 0,215 l Trous oblongs alternés w × y s = 1,57 (d/a)² Trous ronds alternés à 45° Fente continue S = fente / (fente + fil)
À partir de ce tube, les surfaces homocinétiques sont des sphères.
Vitesse = Débit / Surface = Q / (4 π R²)
L'idée est de concevoir et de réaliser une surface filtrante qui viendra s'inscrire dans la sphère correspondant à une vitesse de 0,1 m/s. On en déduit ainsi la forme de l'élément filtrant ; le diamètre devra être égal à la longueur et le point de pompage sera situé au centre de la crépine. Cette deuxième condition est remplie grâce à l'utilisation d’un tube modulateur.
Les graphes suivants illustrent ces différentes considérations. Le croquis donne la forme de l'élément filtrant et le graphique indique le rapport entre la vitesse moyenne calculée et la vitesse réelle le long de la surface filtrante.
1) Cylindre long :
Dans le cas d'un élément long, nous aboutissons à une très mauvaise distribution des vitesses le long du tube perforé qui entraîne un colmatage rapide.
L'étude d'un modèle mathématique confirme a posteriori ce résultat empirique.
Le rapport entre les vitesses maximales et minimales est de : 76.
2) Cylindre où : diamètre = longueur :
- — Fond filtrant avec tube intérieur.
- — Fond non filtrant avec tube intérieur.
Rapport entre la vitesse maximale et minimale : 1,82 pour une valeur théorique moyenne de 10 cm/s.
Vitesse maximale : 13,7 cm/s. Vitesse minimale : 7,5 cm/s.
E - Forme des ouvertures :
La construction particulière des crépines à fil profilé en V amène quelques commentaires sur l'intérêt d'une telle construction.
En effet, la forme de V renversé de la section de passage empêche le stationnement et l’accumulation des particules à l'intérieur de cette ouverture. De plus, à vitesse d’entrée identique, le courant d'eau reste laminaire, et il n’y a pas création de turbulences dans la zone d’aspiration.
EXEMPLES DE CONSTRUCTIONS :
Nous avons ainsi exposé le schéma-directeur de la conception d'une prise d'eau ; mais voyons comment cela se traduit concrètement.
A — Débit : 100 m³/h – 1 666 l/min – 27 l/s.
Ouverture : 3 mm. Coefficient d'ouverture : 61 %. Diamètre du cylindre : 0,380 m. Hauteur : 0,380 m.
B — Débit : 500 m³/h – 8 333 l/min – 140 l/s.
Ouverture : 3 mm. Coefficient d'ouverture : 61 %. 1 cylindre : diamètre 0,85 m, hauteur 0,85 m,
ou 2 cylindres : diamètre = hauteur = 0,6 m.
C — Débit : 3 600 m³/h – 60 m³/min – 1 m³/s.
Ouverture : 3 mm. Coefficient : 61 %. 2 cylindres : diamètre = hauteur = 1,60 m,
ou 4 cylindres : diamètre = hauteur = 1,15 m.
Nettoyage des prises d'eau statiques :
Pour beaucoup d'utilisateurs, la possibilité de nettoyer un filtre efficacement est un point essentiel, particulièrement dans le cas d'un pompage relativement éloigné d'une berge.
En l'état actuel des recherches, c'est le lavage à contre-courant par de l'air comprimé qui reste le moyen le plus efficace. L'air peut être introduit directement dans la canalisation de pompage ou envoyé dans un tube perforé lui-même installé dans la crépine.
[Figure : « a » BACKWASH BY AIR-OVER WATER] [Figure : « b » BACKWASH BY AIR HEADER]Les pressions d’air sont d'environ 2 à 4 kg/cm². Attention à ne pas faire exploser la prise d'eau. Avec une injection d'air à ces pressions, on obtient en effet la libération de deux fois le volume de l'élément filtrant en une seconde.
Un problème demeure cependant : l'introduction d'air dans les tubulures peut être génératrice de difficultés pour le pompage.
Dans le cas d’un développement biologique important sur la prise d’eau (intérieur ou extérieur), on doit prévoir un nettoyage physique et, en conséquence, la manutention éventuelle de la prise d'eau.
Cette idée a conduit à la réalisation d’ensembles de prises d’eau consistant en plusieurs petites prises facilement accessibles et démontables pendant que les autres restent en service. (Voir les schémas ci-dessous.)
[Figure : Trois exemples de réalisations]BIBLIOGRAPHIE
- 1. Improved cylindrical pipe intakes – R.T. Richards – A.S.C.E. 1979.
- 2. Recent developments in technique to protect aquatic organisms at the water intake of steam-electric power plants. Divisions of the MITRE Corp. Nov. 77. Contact Sponsor Electricité de France.
- 3. Hydraulic model studies – University of Minnesota – St-Anthony Falls Hydraulic Laboratory.
- 4. Study on the protection of fish larvae at water intake using wedge-wire screening. Division of Forestry, Fisheries and Wildlife Development, Tennessee Valley Authority (août 78).
- 5. Basic intake screen dimensions for computer analysis. Johnson Division U.O.P, Inc. (1979.)
EMUC
D. 462
Par ultra-sons, le transmetteur de débit EMUC pour canaux ouverts peut déterminer le niveau. Ce signal de niveau est rendu linéaire pour être converti en un signal électrique proportionnel au débit du canal.
Avantages :
- — Aucun contact avec le fluide, donc aucune usure ni aucun nettoyage.
- — Indépendant de la pression et de la température à l'endroit de la mesure.
- — Aucun recalibrage périodique.
- — L'importance de l'exposant du déversoir de mesure est facile à régler sur la plaque frontale.
- — Peut être utilisé pour tous les canaux normalisés de mesure et tous les déversoirs de mesure.
Caractéristiques techniques
- — Gammes de mesures : variations de niveaux de min. 0-200 mm et max. 0-1100 mm.
- — Précision : 1,5 % de la pleine échelle.
- — Tension d'entrée : 100 à 120 V et 220 à 240 V +10 à –15 %, 50-60 Hz.
- — Signal de sortie : 0-20 mA ou 4-20 mA.
- — Température ambiante admissible : organe électronique 0 à +55 °C.
- — Transducteurs : –20 à +55 °C.
- — Étanchéité : organe électronique IP 54 – transducteurs IP 67.
- — Charge : 0 à 600 ohms.
rH – pH – TEMPERATURE
D. 463
Enfin 3 fonctions regroupées dans un seul appareil portatif (500 g) : mesure du rH, du pH compensé et de la température.
Des performances absolues sur 0 °C – 100 °C : ±4 mV, ±0,2 pH, ±0,2 °C pour une température ambiante de 0 °C à 60 °C. Un potentiomètre permet, en l'absence de sonde Pt 100, de régler la compensation en T à 0,1 °C près.
Une sacoche en cuir pour le transporter et le protéger, 2 sondes (pH et Pt 100) ainsi qu'un chargeur de batteries sont livrés en option.
**ALARME DE DÉBIT D. 464**
C'est un détecteur de seuil de débit réglable conçu pour surveiller des circulations de fluides, gaz ou liquides, dont l'arrêt provoquerait des avaries importantes (pompes doseuses, machines-outils, générateurs, fluides dangereux...).
On a cherché à réaliser un appareil de très haute fiabilité dans le temps. Le circuit du fluide est totalement isolé du contact électrique, sans raccord ni joint. Le contact lui-même, acceptant 3 A, est d'une très longue durée de fonctionnement et peut supporter une longue série de déclenchements répétés.
La fiabilité est telle qu'il peut être utilisé comme capteur pour informer un computer sur procédé.
La perte de charge introduite dans la ligne reste faible, le flotteur dégageant progressivement, totalement à fond de course, le passage du fluide surveillé. Le déclenchement est réglable entre 0,4 et 40 l/mn en EAU et entre 0,02 et 48 m³/h en AIR.
Les pressions maximum admissibles sont de 100 bars en laiton ou de 200 bars en acier inox AISI 316. La viscosité maximum admissible est de 3 000 centipoises.
L'appareil existe en deux versions : une version étanche (agrément NEMA IV) et une version antidéflagrante (NEMA VII).
**MD 213 D. 465**
Voici un détecteur portatif spécialisé pour localiser les objets métalliques dissimulés dans le sol ou dans le bois.
Le fonctionnement de cet appareil est basé sur les propriétés électriques et magnétiques des métaux. Le détecteur offre toute garantie de sécurité et n'endommage pas les matériaux contrôlés. Un clou de 80 mm introduit en un endroit quelconque dans une bûche de 305 mm de diamètre donnera un signal distinct dans les écouteurs et sur l’indicateur.
Les objets métalliques amagnétiques peuvent également être détectés.
Le MD 213 est aussi bien utilisé dans la détection de clous ou d’éclats d'obus que dans celle des conduites d'eau, de gaz, de câbles ou de mines enfouies.
Il peut intéresser aussi la recherche archéologique.
Le MD 213 est alimenté par 4 piles de 1,5 V standard et ne consomme que 50 mA. Son poids est de 3 kg seulement.
**MICRO-SONDE ÉMETTRICE D. 466**
La micro-sonde ne mesure que 50 mm de long sur 18 mm de diamètre. Elle peut émettre un signal radio continu pendant 20 heures. Elle est conçue pour être utilisée avec un récepteur qui précise la posi-
ET DES HISTOIRES D’EAU...
LA POMPE À FEUDECHAILLOT
Le problème de l'alimentation en eau, spécialement celui des maisons particulières, s'est posé à maintes reprises à Paris. Ainsi en 1754, on évaluait sans doute avec exagération à 250 pouces fontainiers (5 470 m³) l'eau distribuée dans la capitale en 24 heures, ce qui aurait donné 7 litres d'eau par personne ; mais si l'on retirait la quantité prise par les privilégiés, il ne restait plus qu'à peine 2 litres par habitant.
Au XVIIIᵉ siècle, de nombreuses propositions furent faites à la municipalité parisienne par les hydrauliciens. On imagina plusieurs moyens d’obtenir de l'eau, détourner une rivière ou capter une source, mais utiliser la Seine elle-même présentait le plus d'avantages, notamment financiers, en élevant l'eau par des pompes.
PROJETS ANTÉRIEURS
Pour la première fois en 1626, on projeta, mais ce sera en vain, d'élever l’eau de la Seine à une hauteur de 40 pieds pour obtenir deux fois plus d'eau qu'avec une pompe déjà installée au Pont-Neuf : la pompe hydraulique de la Samaritaine installée sous Henri IV. En 1669, JOLLY substitua au moulin à blé, situé sous le Pont Notre-Dame, quatre corps de pompes aspirantes et foulantes dont une nouvelle roue à aubes qui était destinée à entretenir le mouvement pour permettre d’élever l'eau à 30/40 pouces pour la somme de 20 000 livres. Ce projet avait été accepté d'autant plus facilement que le système était installé au cœur de la ville.
La machine de J. DEMANCE conçue un an plus tard fut plus rentable : huit corps de pompes étaient disposés sous le même pont avec un second moulin. Pour 40 000 livres on pouvait élever 50 pouces d'eau à 15 pieds au-dessus du pont, et 50 pouces de plus avec 30 000 livres.
Mais ces machines firent l'objet de diverses réparations dès 1676. Une autre devait être établie en 1695 sous le Pont de Tournelle, et bientôt détruite, puis une nouvelle dont les pompes devaient être mises en mouvement par un manège entraîné par deux chevaux pour apporter 40 à 50 pouces d’eau à 60 pieds au-dessus de la rivière.
BELIDOR démontra l'imperfection des machines hydrauliques du Pont Notre-Dame en 1737. Il fit remarquer que les roues à aubes faisaient deux tours par minute alors qu'il en aurait fallu trois ; il critiqua la « construction vicieuse » des soupapes, des pistons et de l'ajustement des corps de pompes. Après réparations, on obtint 150 pouces d’eau.
À cette époque, deux étrangers proposèrent pour la première fois une pompe à feu qu'ils installeraient sur la place de l’Estrapade. Mais ce système était trop coûteux et les machines à vapeur encore trop peu connues du public pour que la municipalité donne son accord. Un autre ingénieur se flatta d’obtenir 300 pouces par des pompes à manège, et la ville demanda même un avis à l'Académie des Sciences, mais, pour ne pas grever son budget, se contenta
encore de commander les réparations les plus urgentes.
D'autres projets entrèrent de nouveau en concurrence en 1765 : des pompes à feu à installer à la gare de l'Hôpital ou à la pointe Saint-Louis, et l'utilisation des eaux de l'Yvette. Au sujet de ces deux idées, Lavoisier déclare « qu'une machine à vapeur serait plus économique que l’aqueduc de l'Yvette si elle élève 1 200 pouces d'eau à 60 pieds, mais moins rentable si on lui en demandait davantage. »
LE PROJET DES FRÈRES PERIER
Faute de moyens financiers, la municipalité ne pouvait accepter tous ces projets grandioses, mais l’outillage auquel elle avait recours était bien trop rudimentaire pour donner un résultat satisfaisant. C'est pourquoi deux frères, Augustin et Constantin, n'hésitèrent pas à proposer en 1776 d’installer une pompe à feu à leurs propres frais. Ils formèrent une compagnie d'actionnaires pour réunir les fonds nécessaires et ne sollicitèrent qu’un privilège exclusif d’occupation du sous-sol parisien pour leur pompe pendant une période de quinze ans et l’exonération de certains droits. Constantin Perier, industriel aussi ingénieux qu’actif, avait déjà inventé plusieurs appareils et assurait qu’en échange sa machine apporterait au bout de trois ans 150 pouces d’eau (2 879 m³) par jour. À ce moment, le public commença à entendre parler des pompes actionnées par la vapeur, en Angleterre : celles installées à Londres par J. Watt et Newcomen pour alimenter tous les étages des maisons jouissaient d'une grande faveur.
Une fois l'accord royal et municipal arraché, les Perier achetèrent des terrains sur la colline de Chaillot, en bordure de la route de Versailles qui monte par des terrasses superposées. Le choix de cet emplacement présentait l'inconvénient d’être en aval de Paris ; de plus, à cet endroit débouchait le grand égout des quartiers du nord depuis la Bastille. Mais il se trouvait près du quartier Saint-Honoré où la compagnie pouvait prévoir une riche clientèle pour le placement des actions et les souscriptions à l'abonnement.
LA MACHINE DE CHAILLOT
Deux machines en fait étaient destinées à se suppléer. Elles devaient monter en 24 heures 48 600 muids d'eau dans quatre réservoirs placés à 110 pieds au-dessus du fleuve et disposés en amphithéâtre. L'eau était acheminée à partir d’un canal de près de 2 m de large, pratiqué sous la route de Versailles, depuis le cours de la Seine jusque dans un bassin creusé au-dessous du niveau des plus basses eaux ; puis elle se clarifiait dans un second bassin, le troisième était destiné à la distribution et le dernier ne devait servir qu’en cas d’accident.
Un tuyau de fonte d'un pied de diamètre longeait le faubourg Saint-Honoré avant de se diviser en grands embranchements sous les boulevards, puis en plus petites conduites jusqu’au faubourg Saint-Antoine (tableau). La Compagnie avait posé 4 700 toises de conduites principales en fer et 12 000 de conduites en bois, créé 78 bouches d’eau pour laver les rues, 15 tuyaux de secours gratuits pour les incendies, et 6 fontaines de distribution (au début du XIXᵉ siècle, il y aura 54 fontaines, 24 concession).
La pompe à feu est inspirée du système de Newcomen. Les pompes aspirantes et refoulantes : « Augustine » et « Constantine », d’après les prénoms des frères Périer, sont mues par la vapeur s’échappant de chaudières construites sur de grands fourneaux.
La figure 1 montre le profil général : coupe du cylindre à vapeur, balancier, régulateur, condenseur et pompe à air. Le cylindre a deux ouvertures qui sont reliées à deux conduits où entre la vapeur. Celle-ci exerce une action égale sur les deux faces opposées du piston. Il y a un jeu alternatif de deux soupapes : la soupape bb reste toujours ouverte pour maintenir une communication entre le haut du cylindre et la chaudière, de sorte que le piston est toujours poussé par la vapeur qui arrive par le point oo. La soupape b’b’ intercepte la vapeur en bas du cylindre. Pour la condensation, un tuyau recourbé plongé dans la bâche BB a une extrémité enfoncée dans le condenseur et l’autre enfoncée dans l’eau de la bâche ; celle-ci est accompagnée d’une soupape de reprise qui reporte dans la chaudière l’eau nécessaire pour compenser les pertes dues à l’évaporation. Le surplus est rejeté à l’extérieur. Pour la mise en mouvement, entre en action une sixième soupape : le « reniflard » ; au moment de l’ébullition, la vapeur fait dilater l’air du cylindre qui s’échappe par cette soupape, laquelle traverse la bâche.
La figure 2 présente une seconde machine comportant des détails différents. On y note une coupe de
TABLE DES ANNONCEURS
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H., 33 ans, Ing. chimie-génie chimique, expérience traitement des eaux, cherche emploi : études, recherche, contrôle dans domaine traitement des eaux, environnement. Écrire à la Revue qui transmettra n° 1923.
Société très introduite DDE, collectivités, EDF, traiteurs d’eau-assainissement, recherche représentations en France dans ces domaines. Écrire à la Revue qui transmettra n° 1827.
Jeune ingénieur chimiste spécialisé en analyse, traitement des eaux résiduaires et potables + D.E.A. : « l’eau et les nuisances », cherche emploi en France correspondant à sa spécialisation. Disponible de suite. D. SATOLA, Rés. Jacquard, Bt, 25, rue de la Vignette, 59800 Lille.
Diplômé Maître ès Sciences et Techniques, Nuisances industrielles et traitement des eaux, Université de Poitiers, étudie toutes propositions d’emploi dans l’environnement et le traitement des eaux en France et à l’étranger. J. PERNEY, Chantegrelet, 86240 Ligugé. Tél. (49) 55.21.90.
Importante société chimique européenne recherche société ayant en France une implantation nationale ou régionale dans le secteur de l’épuration des eaux résiduaires communales (et éventuellement industrielles), pour assurer la distribution (et l’assistance technique) de floculants synthétiques. Écrire à la Revue : n° 1884.