Ballon à vessie

Tentative de compréhension

Le ballon à vessie de 300 litres de notre ligne de surpresseurs est rapidement hors d’usage, probablement à cause de conditions d’utilisation inadaptées dans ce cas peu standard.

Quelques connaissances acquises lors de consultations auprès d’installateurs de surpresseurs ou auprès d’un fabricant de ballon avec ou sans vessie.

1) Faible pression entre 0,5 b à enclenchement et 1,5 b au déclenchement (arrêt surpresseurs).

     La pression de gonflage en air
conseillée est 0,7 b, les fabricants de ballon conseillent 0,2 b en-dessous de
la pression enclenchement, soit 0,3 b pour notre configuration.
Ceci permettant à l’eau d’entrer dans le ballon dès 0,5 b afin d’optimiser le volume d’eau amortisseur.

     De plus, la mise en pression d’air doit se faire ballon vide d’eau, il n’y a pas de vanne de vidange d’eau.

2) Fréquence enclenchement déclenchement élevée, une quarantaine de cycles/heure. Cette fréquence est excessive. Elle engendre une usure du matériel et une surconsommation électrique.
Fréquence enclenchement = Autre problème à résoudre.

• Notion de fatigue mécanique à prendre en compte, ce qui ressemble à de « l’obsolescence programmée ! ?».
  Une vessie supporterait moins de 100 000 cycles selon un fabricant de ballon, même ordre de grandeur pour une enveloppe de ballon sans vessie.En se basant sur une quarantaine de cycles par heure, la vessie serait hors service au bout de 3,5 mois seulement.
  Au passage, cette notion de fatigue à cause de la pression qui évolue entre 0,5 et 1,5 b doit s’appliquer au réseau d’eau potable. Cette onde de surpression est envoyée dans le réseau, l’eau étant incompressible, il y a probablement une onde de dilatation des conduites en PVC pour compenser cette montée en pression.
  
  Pour aller plus loin dans notion de fatigue : https://fr.wikipedia.org/wiki/Fatigue_(matériau).
  Extrait : « La fatigue désigne l'endommagement d'une pièce sous l'effet d'efforts variables : forces appliquées, vibrations, rafales de vent… Alors que la pièce est conçue pour résister à des efforts donnés, l'application et le retrait d'efforts plus faibles peut provoquer sa rupture : si une vis de diamètre 6 mm peut tenir un objet de 1000 kg (*), elle peut en revanche casser si on lui suspend un objet de 100 kg un million de fois de suite. » (*) A considérer comme valeur limite, mais sans détruire la vis.

3)    Notre mode de suivi ne permet pas de constater cette faible durée de vie du ballon. Il faudrait plus de vérifications avec un équipement adapté dont un compresseur d’air sur site et manomètre faible pression. Un manomètre même professionnel 0-12 b ne voit pas 0,3 b.
Pour savoir si la vessie est percée, la solution fiable consiste à vider l’air, s’il sort de l’eau, la vessie est hors d’usage. D’où présence d’un compresseur et manomètre sur place pour favoriser un suivi correct.

4)  Face à ces complications de suivi, un équipement plus rudimentaire serait intéressant, à savoir un ballon sans vessie avec visualisation du niveau d’eau dans le ballon.

Inconvénient du ballon sans vessie, l’air emprisonné est en contact avec l’eau, l’air se dissout dans l’eau, ce qui nécessite de vidanger l’eau du ballon de temps à autres afin de reconstituer le matelas d’air.

Avantage : Consigne simple à expliquer, ne nécessite pas de matériel.

• Dans ce genre de recherches, la plupart du temps, on se retrouve face à des commerciaux, la vente est l’objectif premier. Les informations techniques passent au second plan ou voire présentées de sorte à orienter vers un produit « phare ».
• Il est prudent d’essayer de comprendre ce qu’on nous raconte.
• Ici, concernant les ballons de surpresseurs, il faut faire appel à des réminiscences de cours de physique niveau seconde technique des années 1960.

Théorie 'd'approche' ballon 300 litres sans vessie ou avec vessie
Loi de Mariotte : 'V*P= constante' (à température constante); V = volume en litres ; P = pression absolue en bar (b) (par rapport au vide). Exemple : pression 0,3 b mesurée au manomètre est une pression relative par rapport à la pression atmosphérique = 1 b, la pression absolue correspondante est donc 1,3 b. Règle pour un ballon à vessie : gonflage 0,2 b en dessous de la pression d'enclenchement de 0,5 b dans notre cas est nécessaire pour permettre à l'eau à 0,5 b de pouvoir entrer dans la vessie ce qui assure la fonction tampon amortisseur du ballon lorsque l'eau monte en pression.   Pour mémoire, avec ou sans vessie (élasticité vessie négligée), lorsque la pression de l'eau (eau non compressible) dépasse la pression de gonflage, la pression de l'air emprisonné (air compressible) est égale à celle de l'eau. En conséquence le volume d'air (P*V= constante) évolue à l'inverse de la pression absolue de l'eau.

Quelques diagrammes de simulation d’où découlent le fonctionnement de ces ballons surpresseurs.

Diagramme N°1

Etat actuel avec consigne de gonflage air à 0,7 b (en présence d’eau emprisonnée à 0,2/0,3 b ! ?).

L’eau emprisonnée dans la vessie serait à prendre en compte. Ce volume emprisonné n’est pas connu et augmente avec le temps, la vessie est percée, l’air passe côté eau, l’air se dissolvant dans l’eau, à chaque cycle baisse de pression 1,5 b à 0,5 b, l’eau ‘gazeuse’ part dans le réseau et est remplacée par l’eau neuve du réservoir. = Inconvénient d'un ballon sans vessie, et, sans disposer des avantages.

Après un certain temps, n’ayant pas de possibilité de vidange d’eau, à laquelle s’ajoute un suivi insuffisant, l’eau va finir par prendre toute la place de l’air, ce sera comme s’il n’y avait pas de ballon.
Conséquences pour les surpresseurs ? (L'avenir le dira. ...)

Diagramme N°2

Avec consigne pression enclenchement « - 0,2 b » des constructeurs de ballon à vessie

Avec le respect de la consigne « -0,2 b » le volume d’eau amortisseur est plus important,
+ 8 litres, ce ne semble pas très préjudiciable dans notre cas.

Diagramme N°3

Exemple plus conventionnel de pression =3 b (Pression de confort pour les usagers)

Dans ce cas enclenchement à 3 b et déclenchement à 4 b.

Dans cet exemple, le ballon de 300 litres ne permet qu’un volume utile d’eau de 57 litres, avantage, l’amplitude gonflement et dégonflement vessie est moindre, presque divisée par 2, donc la vessie est moins sollicitée (moins de fatigue) à ce niveau de pression.

Diagramme N°4

Exemple pour un ballon sans vessie dans notre configuration.

Ici, le discours commercial est approprié : « Avec un ballon sans vessie, le volume utile d’eau est moindre, 80 litres au lieu de 104. » (Voir diagramme N°2.)

Pour la maintenance, voir page 1, paragraphe 4), beaucoup plus aisée sans avoir recours à un compresseur et manomètre basse pression.
Un simple regard sur la visualisation du niveau d'eau suffit lors des relevés hebdomadaires d'index des compteurs d'eau.

Exemple de ballon inox sans vessie et avec niveau d'eau.

Voir si nécessité de prévoir un filtre à air particulier sur le robinet prise d'air ?

On notera qu'en l'état actuel, vessie déchirée, gonflage avec un compresseur de bricolage, (Contenant de l'huile), pour regonfler lorsque la vessie est percée, il n’est pas certain que les conditions sanitaires soient mieux respectées qu’en utilisant l’air ambiant dans le cas d’un ballon sans vessie.

Ne pas oublier la notion de fatigue, (Exemple vis Ø 6 Wikipédia page 1) l’enveloppe est soumise a un effort d’éclatement sur la partie cylindrique à cause de la pression qui évolue de 0,5 à 1,5 b. (1)

(1)  A priori, en unités d’avant 1960/70 connues par tous (anciens ou jeunes), par estimations et en ordre de grandeur, épaisseur de l’enveloppe = 1,65 mm en inox ‘alimentaire’, résistance élastique 20 kg/mm2, d’où pression 6 b max selon le constructeur. 

Autre propriété de cet inox : Rupture (= éclatement) à 60 kg/mm2 environ, soit à une pression de 18 b.

1 mm2 correspond à un fil Ø 1,13 mm, 20 kg n’altèrent pas ses propriétés, à 60 kg = rupture.

Dans notre cas, ce fil de 1 mm2 est soumis à un effort de 1,7 kg à 0,5 b (enclenchement surpresseurs) suivi d’un effort de 5 kg à 1,5 b, soit + 3,3 kg (arrêt surpresseurs).

Ici, il y a lieu de prendre en compte cette notion de fatigue.

Ceci revient à ajouter / retirer une charge 3,3 kg 40 fois par heure à celle de 1,7 kg suspendue en permanence à ce fil de 1 mm2. 3,3 kg = environ 5% de la charge de rupture.

La vis ‘Wikipédia’ lâche à un million de répétitions ajout/retrait de 10% de la charge limite.

Un million de répétitions à raison de 40 répétitions par heure équivaut à 3 ans de durée de vie.

Pour une durée de vie de 10 ans, dans nos conditions actuelles de fonctionnement, pression de 0,5 à 1,5 bar, le fabricant du ballon devrait garantir 3 à 4 millions de cycles.