Tout bon jardinier sait qu’il est important de connaître certaines notions et calculs avant toute installation de système d’arrosage. Une compréhension approfondie de la mécanique des fluides, science qui étudie l’équilibre et le mouvement des fluides, est essentielle pour dimensionner un système d’irrigation qui répond aux besoins en termes de débit et de pression. Ignorer ces principes peut entraîner une installation inefficace, un arrosage inadéquat et une consommation d'énergie excessive.
Les Fondamentaux de l'Irrigation : Débit, Pression et Vitesse Linéaire
Plusieurs paramètres et unités de mesures sont couramment utilisés en irrigation. Les quatre dits essentiels sont : le volume, le débit, la pression et la vitesse linéaire.
Le volume exprime une quantité d’eau, généralement en litres.
Le débit exprime un volume d’eau par unité de temps, par exemple en litre/minute ou en m³/h. Plus le débit est grand, plus on peut irriguer une grande surface, ou encore plus on peut appliquer d’eau rapidement sur une même surface. Il est également vrai que plus le débit est grand, plus des boyaux de grande dimension sont requis pour acheminer l’eau. La connaissance du débit de chaque circuit est importante pour le choix du diamètre de tuyau à utiliser.
La pression hydraulique est une force ramenée à l’unité de surface permettant de faire jaillir l’eau au travers des buses des arroseurs ou des tuyères. Elle exprime une force par unité de surface, par exemple en livres/pouce carré, Bar ou kg/cm². Plus la pression est grande, plus les boyaux doivent être résistants, car une trop grande pression peut les faire éclater. On augmente la pression pour vaincre la friction dans les conduits, les raccords et les buses d’asperseurs, mais aussi pour faire monter l’eau, en haut d’une colline par exemple. La pression est aussi souvent exprimée en hauteur d’un fluide, comme le millimètre de mercure ou le mètre d’eau, ou encore en hauteur de tête ou « head » (ex.: mètre ou pied de tête). Cette manière d'exprimer la pression est issue du fait que la pression mesurée dans une colonne d’eau dépend seulement de la hauteur de cette colonne d’eau. Elle est créée par le poids de l’eau et liée à la hauteur du réservoir de stockage. L’eau contenue dans une colonne exerce à sa base une pression due à son propre poids.
La pression dynamique ou d’utilisation est mesurée lorsque l’eau circule dans les canalisations. On croit souvent à tort que de petits diamètres offrent une meilleure pression. Lorsqu’elle est insuffisante, il faut prévoir un sur-presseur. Lorsqu’elle est excessive, on prévoit un réducteur de pression. Quel que soit le nombre de points d’eau, on considère qu’il faut une pression de sortie d’au moins 2 bar pour un fonctionnement correct, car les pressions ne s’additionnent jamais.
La vitesse linéaire est la vitesse d’une particule qui suit l’eau dans le conduit, par exemple en mètre/seconde. On considère que la vitesse de l'eau dans les tuyaux d'irrigation doit être inférieure à 2 m/s. En irrigation, on recommande généralement de ne pas excéder une vitesse linéaire d’environ 1,5 mètre par seconde pour éviter des pertes de pression excessives et réduire les risques de dommage au système lorsqu’une valve est fermée brusquement.
Pour chacun de ces paramètres, plusieurs unités peuvent être utilisées. Des tableaux de conversion sont souvent disponibles pour faciliter les calculs.
Comprendre la Perte de Charge : Un Enjeu Majeur pour l'Efficacité de l'Arrosage
On appelle perte de charge la réduction de la pression disponible à l’arroseur ou à la tuyère par rapport à celle existante au début du réseau. Lors du transport de l'eau dans les tuyaux et à travers les accessoires comme les raccords, les tés, etc., le frottement de l'eau contre les parois engendre une perte de pression. Ce sont les pertes de charge. C'est la différence de pression entre deux points d'un système. Elle est souvent due à la friction ou à la résistance à l'écoulement des parois des tuyaux, des raccords ou des obstructions telles que les vannes. La chute de pression est un outil de diagnostic qui permet d'identifier les problèmes dans un système de canalisation. Le calcul de la perte de charge est essentiel pour la conception et le maintien de l'intégrité du système, permettant de concevoir des systèmes efficaces et de contrôler le débit, tout en garantissant la sécurité et la longévité des équipements.
Types de Pertes de Charge
On distingue principalement deux types de pertes de charge :
- Les pertes de charge linéaires : Elles se produisent dans les tuyaux droits. La chute de pression dans une conduite est due au frottement entre le fluide et la paroi de la conduite. La perte de pression, aussi appelée perte de charge, représente la chute de pression entre deux points dans un conduit, qui est causée par la friction de l’eau sur la paroi du conduit. Cette perte de pression augmente avec la vitesse linéaire du fluide. Plus un conduit est long, plus la perte de pression sera élevée.
- Les pertes de charge locales (ou singulières) : Elles sont liées aux accidents de parcours rencontrés sur le réseau, tels que les différents raccords, les coudes, les tés, les vannes et l'électrovanne. Elles peuvent sembler minimes, mais elles peuvent s'accumuler, en particulier dans les systèmes complexes comportant de nombreux raccords et virages.
Facteurs Influant sur la Perte de Charge
Plusieurs facteurs contribuent aux pertes de charge et sont essentiels à prendre en compte :
- La longueur du tuyau : C'est un élément fixe que l'on ne peut pas modifier une fois l'installation conçue. Les pertes par frottement sont proportionnelles à la longueur du tuyau. Dans les longues canalisations, la chute de pression due au frottement dans le tube droit est beaucoup plus importante que la chute de pression causée par les raccords et les vannes.
- Le diamètre intérieur du tuyau : C'est un facteur crucial. Un tuyau d’arrosage trop étroit explique souvent le manque de pression sur les arroseurs. Un tuyau de jardin standard possède un diamètre de 13 mm. Ce diamètre est idéal si vous souhaitez raccorder un arroseur à un tuyau d’environ 20 mètres. Toutefois, si vous souhaitez irriguer une grande surface et/ou si vous souhaitez connecter simultanément plusieurs arroseurs, vous risquez de rencontrer certains problèmes. Un tuyau d’arrosage de 13 mm développe une importante résistance dans la conduite empêchant à la pompe de développer sa pleine capacité et pression. Des tuyaux de plus grand diamètre réduisent la perte de charge en diminuant la vitesse du fluide et les frottements. La perte de pression varie donc selon le débit et le diamètre du conduit. Par exemple, un débit élevé dans un petit tuyau engendrera une vitesse linéaire élevée et donc une perte de pression élevée. À l'inverse, un faible débit dans un gros tuyau engendrera une faible vitesse linéaire et donc une perte de pression faible.
- La capacité de la pompe (débit d’eau par heure dans le tuyau) : Une puissante capacité de la pompe contribue aux pertes de charge si elle est mal dimensionnée par rapport au reste du système. En effet, si le débit est élevé, alors que le diamètre est trop petit, la vitesse de l'eau est trop importante, et les pertes de charge deviennent problématiques.
- Le dénivelé : Le dénivelé entre le point d’alimentation du réseau et les arroseurs et les tuyères a une incidence sur la pression. 10 mètres de dénivelé au-dessus du point d’alimentation en eau font perdre 1 Bar ou 1 kg/cm².
- Les raccords et accessoires : La perte de charge à travers les raccords est calculée en utilisant la méthode de la longueur équivalente, qui permet de décrire la perte de pression à travers un raccord en fonction de la longueur du tuyau. Par exemple, un raccord coudé standard peut avoir une longueur équivalente à 30 diamètres de tuyau.
- La rugosité de la surface interne de la conduite : Le facteur de frottement de Darcy est principalement déterminé par le type d'écoulement (laminaire ou turbulent) et la rugosité de la surface interne de la conduite.
- Les obstructions et modifications du diamètre de la conduite : Lorsque le fluide traverse un orifice, il change de vitesse et de pression, ce qui entraîne une chute de pression. Les vannes contribuent à la perte de charge tout en contrôlant le débit d'un système. Les filtres contribuent à la perte de charge tout en éliminant les particules indésirables des fluides.
Calculer les Pertes de Charge : Méthodes et Outils
Pour les calculer, les professionnels se réfèrent à des tableaux de calcul appelés abaques. Les manufacturiers de boyaux et de matériel d’irrigation et plusieurs sites web fournissent des tableaux de perte de charge. Dans ces tableaux, on retrouve les valeurs de perte de pression (psi/100 pieds de conduit) ainsi que la vitesse linéaire du fluide (en pied/seconde) pour différents débits (gallon/minute) et pour différentes tailles de conduit. Il faut impérativement les prendre en compte, les calculer et revoir son installation pour les minimiser si elles sont trop importantes.
La perte de charge peut être calculée à l'aide de la formule de Darcy-Weisbach. Le facteur de frottement de Darcy peut être obtenu à l'aide de tableaux de correspondance, de corrélations ou de logiciels à partir de données expérimentales.
Exemple Pratique de Calcul
Déterminons la perte de charge de l'eau dans un tuyau de 100 m de long et de 0,1 m de diamètre. En substituant ces valeurs dans l'équation de Darcy-Weisbach, on pourrait obtenir une perte de charge de 13,5 MPa, ce qui est assez important. Cela nécessiterait des équipements solides et de haute qualité pour résister à la pression et maintenir un fonctionnement efficace. Cela signifie également que la pompe doit générer une pression nettement supérieure à 13,5 MPa pour maintenir le débit d'eau souhaité. Cela nécessite une forte consommation d'énergie et augmente les coûts d'exploitation. Il est donc essentiel de tenir compte de la perte de charge lors de la conception et de l'exploitation du système.
La perte de charge à travers les raccords est calculée en utilisant la méthode de la longueur équivalente. Par exemple, pour un coude de 0,05 m de diamètre, avec une longueur équivalente à 30 diamètres de tuyau, la longueur équivalente est de 30 * 0,05 m = 1,5 m. En considérant une vitesse d'écoulement de 2 m/s et un coefficient de frottement de 0,025, la perte de charge à travers le raccord serait de 1,5 kPa en utilisant la formule de Darcy-Weisbach.
Perte de Charge et Débit
Le coefficient de débit Cv ou Kv et la perte de charge sont inversement liés. Une vanne avec un Cv élevé permet un débit plus important, ce qui entraîne une chute de pression plus faible dans la vanne pour un débit donné. Inversement, une vanne ayant un faible Cv entraînera une chute de pression plus importante pour le même débit. Il est important d'équilibrer ces deux facteurs dans le dimensionnement et la sélection des vannes. Si une vanne est trop petite pour le système, elle aura un faible Cv et pourra provoquer une forte chute de pression, ce qui entraînera une mauvaise performance du système.
Explication du coefficient de débit de la vanne (Cv de la vanne) [Comment déterminer la taille de...
Dimensionnement Optimal du Système d'Arrosage
Pour arroser votre jardin de manière optimale, le système d’arrosage doit disposer d’un débit d’eau suffisant et d’une pression adéquate. Dans le cas contraire, le système d’arrosage ne dispose pas de la puissance prévue et vous ne pouvez pas arroser l’ensemble de votre jardin comme vous le souhaitiez.
Pour dimensionner une section de conduit ou un tuyau d’irrigation (c’est-à-dire pour choisir le bon diamètre selon le besoin), on doit d’abord connaître le débit qui circulera dans ce boyau et la perte de pression qui est tolérée.
Choisir le Bon Diamètre de Tuyau
La longueur requise pour le tuyau est un élément fixe. Vous ne pouvez pas le modifier. Le diamètre intérieur du tuyau et/ou le choix d’une pompe adéquate jouent un rôle important à cet égard. Si vous possédez déjà une pompe à eau et que vous ne souhaitez pas la remplacer, la seule solution est d’opter pour un tuyau plus large. Il est conseillé d’utiliser dans tous les cas un tuyau de jardin avec un diamètre intérieur minimal de 19 mm pour réduire la résistance du tuyau et pour bénéficier au mieux des performances de la pompe.
Optimiser le Choix de la Pompe
Si vous envisagez d’acheter éventuellement une nouvelle pompe, des outils d’aide à la décision sont disponibles. Vous pouvez y indiquer votre situation et un configurateur calcule automatiquement la pompe appropriée à votre cas. Il est également nécessaire de connaître la profondeur d’aspiration, la longueur du tuyau d’arrosage et la hauteur de refoulement. Le niveau de pompage ne doit pas excéder 5,50 m. La pression nécessaire pour tout le circuit sera toujours de 2 bars.
Conséquences d'un Mauvais Dimensionnement
Un mauvais dimensionnement de l'installation peut avoir plusieurs conséquences :
- Pression insuffisante : La portée de l’arroseur diminue, les buses ne fonctionnent pas à leur pression limite, et la pluviométrie n'est pas celle attendue.
- Pertes d'énergie : Une pompe doit générer une pression nettement supérieure pour maintenir le débit d'eau souhaité, ce qui nécessite une forte consommation d'énergie et augmente les coûts d'exploitation.
- Usure prématurée du matériel : Des débits élevés dans une vanne de grande taille peuvent accélérer l'usure de la vanne.
- Arrosage inefficace : Le système ne couvre pas la surface souhaitée, ce qui peut entraîner un sous-arrosage ou un sur-arrosage.
Considérations Additionnelles pour l'Arrosage
- Tuyaux : Ils sont en PEBD ou PEHD et sont standardisés sauf chez Gardena. La pression de service est généralement de 6,3 bars pour le PEBD et jusqu'à 16 bars pour le PEHD. Les tuyaux pour l'eau potable sont souvent à bandes bleues et peuvent supporter jusqu'à 12,5 bars, voire 16 bars en général.
- Goutteurs : Ils ont des débits de l’ordre de 2,5 l/h par goutteur.
- Électrovannes : Elles sont alimentées en 24V AC avec 2 câbles de même couleur, alimentés en continu le temps de leur fonctionnement. Les électrovannes bistables (câble rouge +) s'ouvrent avec une impulsion et se ferment avec une autre impulsion. Il est important de vérifier leur état de stockage (ON ou OFF).
- Arroseurs : La portée est variable, de l'ordre de 4 m pour certains modèles. La pluviométrie est donnée ou non et dépend des secteurs arrosés. L'espacement des arroseurs est crucial pour un bon recouvrement (60% minimum). La couverture carré est la plus classique pour les sols plats et zones peu ventées. Quel que soit le secteur arrosé, le même temps de fonctionnement assure le même arrosage.
- Programmation et pluviométrie : Il est important de tenir compte de la pluviométrie naturelle (Météo-France) pour ne pas entamer la Réserve Utile (RU) du sol. L'arrosage doit apporter la même quantité d'eau par arrosage, en particulier pendant la période de plus forte sécheresse.
En conclusion, une compréhension approfondie des pertes de charge et des facteurs qui les influencent est fondamentale pour concevoir un système d'arrosage efficace et durable. En choisissant les bons diamètres de tuyaux, en sélectionnant une pompe adéquate et en tenant compte des spécificités de chaque installation, il est possible d'optimiser l'arrosage et de garantir la santé de votre jardin.