Diamètre du forage pour une pompe solaire : la contrainte dont on ne peut pas s'affranchir à prix d'argent

La réponse courte : le diamètre intérieur de votre forage est la seule donnée de conception que vous ne pouvez pas modifier après coup, et il fixe deux limites qui tirent en sens opposés. Trop serré et la pompe, le câble et la corde ne passeront pas. Trop spacieux et l’eau dérive le long du moteur trop lentement pour le refroidir. Le nombre qui relie les deux est la vitesse dans l’espace annulaire :

v = Q x 353 / (D² - d²), où Q est le débit en m3/h, D est le diamètre intérieur du tubage en mm, d est le diamètre extérieur de la pompe en mm, et v s’exprime en m/s.

Les données publiées par les fabricants de pompes placent le plancher à 0.08 m/s pour un moteur de 4 pouces et à 0.15 m/s pour les moteurs de 6, 8 et 10 pouces. Faites tourner une pompe de 4 pouces dans un tubage de 4 pouces et vous n’avez que 3.5 mm de jeu, ce qui ne laissera pas passer un câble. Faites tourner la même pompe de 4 pouces dans un tubage de 8 pouces et elle doit produire 7.29 m3/h de sa propre eau rien que pour refroidir son propre moteur. Même pompe, même profondeur de trou, deux problèmes complètement différents, et aucun de ces deux chiffres ne figure sur la fiche technique que l’on vous a remise.

Ceci est le complément de notre guide de l’essai de débit de forage, qui traite de la quantité d’eau que votre puits peut fournir. Cet article traite d’une question différente, qui survient plus tôt dans le processus : si la pompe peut physiquement descendre jusqu’en bas, et si elle peut survivre une fois en place.

Deux questions qu’un forage doit résoudre en même temps

Il y a deux questions et ce ne sont pas la même, c’est pourquoi tant de forages se retrouvent avec la mauvaise pompe.

Le piège est que ces deux questions se résolvent par des changements opposés. Ajouter du diamètre facilite la seconde question et ne complique pas la première. Retirer du diamètre resserre l’ajustement et améliore le refroidissement. Il existe une plage de dimensions de tubage où les deux réponses sont oui, et elle est plus étroite que ce que la plupart des gens supposent. Cette plage est tout le sujet de cet article.

Trois diamètres sont sans cesse confondus, aussi vaut-il la peine de fixer le vocabulaire avant l’arithmétique :

Ces 12 mm entre les deux dernières lignes ne sont pas une erreur d’arrondi. C’est trois fois tout le jeu radial qu’une pompe de 4 pouces possède dans un tubage de 4 pouces, et ils sont perdus avant même qu’on installe quoi que ce soit.

La formule de la vitesse dans l’espace annulaire, et comment la vérifier

Un moteur immergé est refroidi par l’eau qui coule le long de sa surface extérieure. L’eau est pompée vers le haut, mais dans l’espace annulaire elle doit d’abord descendre le long du moteur pour atteindre l’aspiration de la pompe, et c’est ce trajet descendant qui emporte la chaleur. Plus l’espace entre le moteur et le tubage est étroit, plus les mêmes litres doivent se déplacer vite.

Les fabricants expriment cela sous forme d’une vitesse plutôt que d’un débit, c’est pourquoi deux puits avec la même pompe et le même débit peuvent avoir des températures de moteur complètement différentes. La forme SI publiée est :

v = Q / (2826 x (Di² - dA²)) avec Q en m3/h et les deux diamètres en mètres.

Développez le dénominateur et vous obtenez la forme de terrain utilisée dans tout cet article, qui prend les millimètres directement et renvoie en m/s :

v = Q x 353 / (D² - d²)

Pour aller dans l’autre sens, de la vitesse requise au débit dont vous avez besoin :

Q = v x (D² - d²) / 353

Les seuils proviennent de données publiées sur les pompes et la construction de puits. Les spécifications AWWA placent la vitesse admissible le long d’un moteur entre 0.5 et 12 pieds par seconde, soit environ 0.15 à 3.7 m/s, et les fabricants de pompes appliquent des planchers plus stricts pour les petits moteurs :

La formule est assez simple pour être acceptée sur parole, mais vous ne devriez pas. Elle reproduit presque exactement un tableau publié par un fabricant, et il vaut la peine de faire cette vérification une fois pour savoir que l’arithmétique derrière votre propre puits est saine. Voici la comparaison, en convertissant les valeurs publiées de gallons par minute à 0.2271 m3/h chacun :

Chaque ligne se situe à moins de 15 %, et cet écart s’explique entièrement par les diamètres nominaux. Les fabricants publient un diamètre extérieur nominal de 4 et 6 pouces ; les vraies extrémités de pompe sont un millimètre ou deux de moins, ce qui est exactement la marge qui apparaît dans ces pourcentages. Ce que ce contrôle croisé vous apporte, c’est la certitude qu’une formule, un diamètre nominal de pompe et votre propre mesure de tubage suffisent à prendre une décision réelle. L’alternative est de le découvrir empiriquement, ce qui coûte un moteur.

Un forage plus large exige plus de débit, pas moins

C’est la partie qui surprend les gens, et c’est la raison pour laquelle une pompe qui a tourné des années dans un puits étroit peut échouer dans un nouveau puits large.

Tout le monde suppose qu’un large trou est un trou généreux. Pour le forage et pour le débit, cela est souvent vrai. Pour le refroidissement du moteur, c’est l’inverse : chaque millimètre de diamètre de tubage en plus ajoute de la surface annulaire, et les mêmes litres d’eau circulent alors plus lentement le long du moteur. L’exigence de refroidissement croît au carré du diamètre, si bien que la pénalité d’un trou généreux grandit plus vite que le trou lui-même.

Prenons une seule pompe de 4 pouces, diamètre extérieur nominal 95 mm, et demandons quel débit elle doit atteindre pour le plancher de 0.08 m/s dans des tubages de tailles différentes :

Relisez le milieu de ce tableau. Une pompe de 4 pouces dans un tubage de 6 pouces a besoin de 3.19 m3/h de sa propre eau pour rester fraîche. La même pompe dans un tubage de 8 pouces a besoin de 7.29 m3/h. La pompe n’a pas changé, le trou si. Et l’exigence plus que double.

C’est pourquoi le fourreau de refroidissement existe, et c’est aussi pourquoi il vaut la peine de vérifier un forage percé généreusement pour une pompe précédente, bien plus grande. Un trou de 12 pouces hérité d’une ancienne installation à arbre prolongé n’est pas un cadeau si vous déposez une pompe immergée de 4 pouces à l’intérieur.

Tournons maintenant le tableau et regardons-le en vitesses, ce qui est la sensation sur le terrain. Voici la vitesse réelle de l’eau le long d’un moteur de 4 pouces aux débits que vous pourriez réellement pomper :

Les cellules en gras sont celles qui comptent pour un moteur de 4 pouces tournant à 6 m3/h, ce qui est un point de fonctionnement très ordinaire. Dans un tubage de 6 pouces, la vitesse se situe exactement au plancher de 0.08 m/s avec une marge confortable. Dans un tubage de 7 pouces, elle est déjà au-dessus, mais de justesse. Dans un tubage de 8 pouces, elle est sous le plancher, et le moteur chauffe à chacun de ces litres. Rien n’a changé du côté de la pompe. Seul le trou.

La règle qui en découle : pour une pompe de 4 pouces, un tubage de 5, 6 ou 7 pouces est la zone idéale. En dessous de 5 pouces, la pompe ne passera pas proprement ; au-delà de 7 pouces, vous comptez soit sur un fort débit, soit sur un fourreau de refroidissement.

Ajustement physique : ce qui doit vraiment descendre dans le trou

Le refroidissement est la moitié subtile du problème. L’ajustement est la moitié qui se déclare, généralement au pire moment, avec une pompe à 30 m de profondeur et un câble à remonter.

Ce qui doit descendre dans le tubage n’est pas seulement la pompe. C’est un faisceau :

La conséquence pratique est que le tubage doit dégager la fixation la plus large plus le faisceau de câbles, pas le diamètre catalogue de la pompe. Avec une pompe de 4 pouces dans un tubage de 4 pouces, vous avez 3.5 mm par côté à utiliser, et un câble immergé plat est trois fois plus épais. C’est pourquoi un tubage de 4 pouces et une pompe de 4 pouces forment une combinaison qui existe sur le papier mais pas dans un puits, et c’est pourquoi la même pompe dans un tubage de 5 pouces, avec 16 mm par côté, devient soudain une installation parfaitement normale.

Les recommandations d’installation publiées convergent vers la même réponse depuis des directions différentes :

La dernière ligne vaut la peine d’être intériorisée. Une pompe placée à 0.30 m du fond d’un trou qui se rabat aussi de 20 m en fonctionnement nécessite que son câble, sa corde et son collier de vanne traversent l’intégralité du tubage, pas seulement les quelques mètres du sommet, à chaque descente. L’ajustement en surface n’est pas l’épreuve. L’ajustement à la section la plus serrée, en profondeur, à température, est l’épreuve.

Droit n’est pas la même chose qu’à plomb

L’autre façon dont un forage vainc une pompe est en se courbant. Cela est réglementé, et les règlements sont plus permissifs que ce que la plupart des gens espèrent, ce qui est précisément pourquoi la pompe doit être choisie pour le trou plutôt que le trou supposé parfait.

Deux propriétés différentes sont en jeu. L’aplomb ou la dérive est l’écart du forage par rapport à la verticale vraie. L’alignement est sa rectitude, c’est-à-dire s’il y a des coudes, des pliures ou des courbes. Un puits peut être droit mais penché ; un puits parfaitement à plomb est toujours droit. L’alignement est le plus important des deux, car une section courbée du tubage arrêtera une pompe qu’un simple penchement laisserait passer.

La clause du Wisconsin est la clause pratique. Si vous exigez qu’une pompe passe la profondeur de pose prévue plus 25 %, vous éprouvez le trou à la profondeur où la pompe travaillera réellement, avec une marge, plutôt que de l’éprouver au sommet où tout passe. Tout le reste de ce tableau est une tolérance pour le foreur. Cette clause est une tolérance pour la pompe.

Les défaillances d’alignement sont les défaillances coûteuses, car elles sont invisibles jusqu’à ce que vous descendiez. Une pompe de 4 pouces entrant dans un trou à coude se sent bien pendant les 20 premiers mètres, puis s’arrête simplement. Forcer est la façon d’écraser le câble contre la paroi du tubage et de finir avec un défaut de terre intermittent qui n’apparaît que lorsque la pompe chauffe.

Si un trou n’a jamais été journalisé, il vaut la peine de le vérifier avant d’acheter quoi que ce soit, surtout si le tubage est ancien, le puits profond, ou vous rééquipez le forage de quelqu’un d’autre. Un relevé par caméra de fond de trou, un journal d’aplomb, ou un simple calibre de diamètre connu descendu sur une corde vous diront ce que vous devez savoir pour le prix de quelques heures. Notre guide de gestion du sable dans un système de pompe solaire traite de l’autre chose qui tourne mal en descendant, à savoir l’eau abrasive qui raye la pompe pendant son passage.

Le fourreau de refroidissement : la seule pièce qui résout les deux problèmes

Il existe exactement un composant dans une installation immergée qui facilite à la fois le problème d’ajustement et le problème de refroidissement, et c’est un simple morceau de tuyau.

Un fourreau de refroidissement (flow sleeve en anglais), aussi vendu comme chemise de refroidissement ou inducteur de débit, est un tube qui s’ajuste par-dessus le moteur avec un jeu de quelques millimètres, ouvert aux deux extrémités. Au lieu que l’eau monte lentement dans un large espace annulaire, elle est forcée de descendre dans l’étroit espace entre le fourreau et le moteur, ce qui restaure la vitesse requise sans modifier le tubage, le débit ni la pompe. L’eau doit tout de même venir de quelque part, aussi le fourreau est-il doté d’une courte queue qui la guide depuis le dessus.

L’économie est déséquilibrée en votre faveur. Un fourreau est un court tronçon de tuyau de la taille supérieure, une paire de chapeaux d’extrémité et quelques heures d’atelier. L’alternative est un moteur qui chauffe pendant deux ou trois saisons puis échoue dans une année que vous n’oublierez pas, ou le re-perçage d’un forage. La recommandation publiée est explicite : là où l’espace annulaire est large, un fourreau ou un inducteur doit être utilisé plutôt que d’être une amélioration facultative.

Deux mises en garde. Un fourreau réduit le jeu effectif entre l’ensemble et le tubage, aussi devez-vous revérifier l’ajustement avec le fourreau en place, pas avec la pompe nue. Et un fourreau ne doit pas bloquer l’aspiration de la pompe : il va par-dessus le moteur, avec l’aspiration au-dessus, pas par-dessus l’aspiration elle-même.

Le piège quand vous rééquipez un forage hérité

Les pires désaccords entre tubage et pompe ne sont presque jamais le résultat d’une nouvelle décision de forage. Ils sont hérités. Le trou de quelqu’un d’autre, percé pour l’équipement de quelqu’un d’autre, il y a vingt ou trente ans.

Quatre schémas expliquent la plupart d’entre eux, et les quatre paraissent généreux sur le papier :

Le schéma de la première ligne est celui à surveiller. Un large trou est une véritable charge pour une petite pompe, et le coût pour le traiter est soit un fourreau de refroidissement, soit un entrepreneur de forage. Un fourreau est de façon spectaculaire moins cher, et sur un puits resté inactif c’est généralement le bon premier geste plutôt qu’une dernière ressource.

À côté de la taille du tubage, deux autres chiffres hérités comptent et ne figurent généralement pas sur le dossier. La température de l’eau là en bas décide de la marge de refroidissement dont vous disposez, car un moteur prévu pour 30 degrés Celsius n’est pas le même moteur à 40 degrés, et les courbes de réduction publiées descendent nettement au-delà de 30 degrés. Et la teneur en sable décide de la vitesse d’usure de tout l’ensemble, les recommandations de construction de puits appelant communément à des puits finis sous 25 mg/L. Les deux sont peu coûteux à tester, et les deux modifient la pompe que vous devriez acheter plutôt que la pompe que vous pouvez installer.

Exemple chiffré : une pompe, cinq tailles de tubage

Prenons un vrai modèle de 4 pouces, 4DSC7.5-80-110-1300 : 1300 W, 110 V, débit maximal 7.5 m3/h, hauteur maximale 80 m, sortie 2 pouces. Plaçons-le dans un puits où il doit produire environ 6 m3/h à environ 47 m de hauteur manométrique totale, ce qui est un point de fonctionnement confortable pour ce modèle plutôt qu’un point audacieux. Puis ne changeons rien d’autre que le tubage.

Sept lignes, une pompe, un débit, une hauteur. La pompe est identique dans chaque ligne. La seule variable est un chiffre décidé par un foreur avant que quiconque n’ait pensé à une pompe, et il décide si cette installation fonctionne silencieusement ou échoue à son troisième été.

Deux détails supplémentaires du même exemple, car ils ne coûtent rien à vérifier maintenant et coûteraient cher plus tard. L’eau est remontée d’un niveau abaissé, si bien que la pompe tourne à 47 m de hauteur manométrique totale chaque fois qu’elle est à 6 m3/h, ce qui signifie que le modèle ci-dessus fonctionne à environ 59 % de sa hauteur maximale et donc bien à l’intérieur de sa courbe plutôt qu’à sa fin. Et le champ de panneaux suit la règle catalogue de 1.3 fois la puissance de la pompe au minimum, si bien que 1300 W exigent au moins 1690 W de champ, la tension à circuit ouvert du string restant sous la limite du régulateur pour la famille 110 V. Le guide de dimensionnement du câble est la chose suivante à vérifier, car le même espace annulaire qui resserre la pompe détermine aussi l’épaisseur de câble que vous pouvez y faire descendre, et la chute de tension sur une pose profonde est ce qui vole silencieusement votre débit.

Adapter la gamme Trista au tubage que vous possédez déjà

Notre catalogue est organisé par diamètre du corps, ce qui signifie que le nom de la série vous dit déjà la taille de tubage dont vous avez besoin. C’est délibérément la première chose à regarder, avant la puissance, avant la hauteur et avant le prix :

Une note sur les gammes 6DSC et 8DSC : le diamètre du corps fixe le tubage, et le tubage ne s’adapte pas gentiment. Une pompe de 6 pouces nécessite un tubage de 8 pouces. Si votre forage fait 6 pouces, la plus grande immergée qui s’ajuste confortablement est un modèle de 4 pouces, et c’est pourquoi les gammes 4/6DSC et 4DSC portent une si grande part de la plage de débit entre 3.5 et 30 m3/h. Quiconque possède un trou de 6 pouces et veut 40 m3/h a un problème de forage, pas un problème de pompe.

Une forte illustration de l’importance de la taille du tubage à l’extrémité à fort débit vient d’une courbe mesurée que nous publions pour 4/6DSC30-19-72-1100, l’un des modèles dotés d’une vraie courbe d’essai à modèle unique plutôt qu’une courbe de série partagée :

À son extrémité de conception, cette pompe déplace plus de 30 m3/h, ce qui suffit à garder un moteur de 4 pouces frais même dans un tubage de 12 pouces. À l’extrémité opposée de la même courbe, elle déplace un demi-mètre cube à l’heure, ce qui ne suffit pas à refroidir ce moteur dans quoi que ce soit de plus large qu’un trou de 5 pouces. Le modèle est le même. Le point de fonctionnement a bougé. C’est pourquoi le calcul de refroidissement doit être fait à votre vrai point de service, pas au débit maximal de la pompe.

Une fois que le tubage a décidé du diamètre du corps, choisir à l’intérieur de cette série est un exercice de dimensionnement ordinaire et le guide de dimensionnement et le calcul de la hauteur manométrique totale vous y guident. Si la hauteur dont vous avez besoin est anormalement grande pour le diamètre de corps auquel vous êtes contraint, le guide pour les puits profonds à haute hauteur traite de ce compromis précis, et si le trou est trop petit pour toute immergée, la réponse honnête peut être une pompe de surface ou un dispositif d’aspiration plutôt qu’une pompe plus grosse, ce que expose la comparaison des pompes immergées et de surface.

Que mesurer avant d’acheter quoi que ce soit

Tout ce qui précède se résume en une courte liste de mesures et un calcul. Faites-les dans cet ordre, car les premières modifient les suivantes.

Deux habitudes rendent tout cela peu coûteux. Mesurez et notez le diamètre intérieur du tubage avant de présélectionner une pompe, pas après l’arrivée de la pompe. Et lorsqu’un forage est hérité, surexploité ou âgé de plus de dix ans, dépensez pour un relevé de fond de trou avant de dépenser pour le matériel. Un passage de caméra et un journal d’aplomb coûtent une fraction d’un moteur, et ils répondent à la question qu’une fiche technique ne peut pas : la pompe que vous voulez atteindra-t-elle réellement l’eau.

Si vous préférez confier l’arithmétique, envoyez-moi la taille du tubage, la profondeur de pose, la hauteur et le débit dont vous avez besoin, et je reviendrai avec le diamètre de corps qui convient, la vitesse à votre point de service, si vous avez besoin d’un fourreau, et un modèle de la gamme qui correspond.

Vous n’êtes pas sûr que votre forage acceptera la pompe que vous voulez ? Saisissez votre diamètre intérieur de tubage, votre profondeur de pose, votre débit et votre hauteur manométrique totale dans l’outil de dimensionnement et il vérifiera la vitesse dans l’espace annulaire pour vous, ou écrivez-moi sur WhatsApp avec votre diamètre intérieur de tubage, la profondeur du puits, le niveau d’eau statique, le débit nécessaire et la hauteur manométrique totale, et je vous dirai quel diamètre de corps convient, si le moteur restera frais et quel modèle commander.