La vie en boucles

Dimensionner un airlift en aquaponie

Dès qu’il s’agit d’installer un airlift dans une installation aquaponique, se posent de nombreuses questions. Comment dimensionner un airlift : Quel diamètre de tuyau? Quelle profondeur d’injection d’air? Quel débit d’air? Quel débit d’eau en fonction du relèvement choisi? Il est possible de répondre à ces questions par une batterie de tests ou par utilisation d’un simulateur de débit.

Les caractéristiques d’un airlift

On distingue sur un airlift:
– la profondeur d’injection de l’air, notée H
– la hauteur de relèvement de l’eau, notée L
– le diamètre intérieur du tuyau, noté D
– la rugosité relative du tuyau (hauteur des micro-aspérités rapportée au diamètre du tuyau), notée e
– le débit d’air en m3 par heure, noté Qg
– le débit d’eau en m3 par heure, noté Ql

Les éléments pour dimensionner un airlift
Les éléments pour dimensionner un airlift

Les différents usages de l’airlift

La fonction « aération » utilise un airlift installé au plus profond des bassins, avec de très petites bulles et un rejet de l’eau au ras du miroir d’eau. Les échanges O2, CO2, thermiques sont d’autant plus importants que les bulles sont petites et injectées en profondeur. L’airlift assure un brassage de l’eau en remettant en surface, l’eau du fond ses bassins. Le débit de cet airlift est important car le relevage est égal à 0. Il crée donc des vaguelettes en surface qui contribuent également à améliorer les transferts entre air et eau. Enfin ceci permet aux truites de nager dans le courant généré.

La fonction « écumage » permet d’extraire les particules fines qui sont trop petites pour être retenues par les filtres. Une sortie en T et une coupelle de récupération constituent le dispositif de collecte et évacuation des mousses chargées de colloïdes.

La fonction « pompe » permet de faire circuler l’eau dans l’installation aquaponique, soit à plat (Voir installation de Sébastien Ladrange à la Réunion, dont le fonctionnement est exploré dans cet autre article sur « l’airlift pousseur »), soit avec un relevage plus ou moins important. Le débit dépend du régime de bullage et des relations entre le diamètre, le relevage, la profondeur d’injection, le diamètre du tuyau et la quantité d’air injectée.

La technique pour les mesures de débit d’eau

Un récipient gradué (seau de 10 litres ou pichet d’un litre selon les débits) recueille l’eau sortant de l’airlift pendant un temps chronométré. Le résultat est ensuite transformé en litres par heure. La technique est simple pour mesurer les performances d’un airlift élévateur. Il faut procéder avec précaution pour un airlift dont la sortie est réglée au ras du miroir d’eau.

Mesure du débit d’un airlift

La technique pour la mesure des débits d’air

Un sac de congélateur de 3 ou 6 litres est fixé sur un entonnoir souple en caoutchouc ou un élément amovible de canalisation (le volume du sac est vérifié par un remplissage avec de l’eau). Puis le sac complètement vidé d’air recueille l’air diffusé par la pompe à air en condition réelle d’injection. Au final, le temps nécessaire pour remplir le sac de 3 ou 6 litres permet de calculer le débit horaire de l’injection d’air.

Dimensionner un airlift grâce aux tests

Un achat de quelques tuyaux de différents diamètres et une pompe à air à débit variable offrent la possibilité de tester les débits d’eau dans de multiples configurations. Les 4 variables combinées sont les suivantes:
– Diamètre des tuyaux en mm : 12, 17, 22, 27, 35, 45
– Longueur de l’airlift : 104, 98, 92, 87, 82, 77, 72, 67, 62, 57, 52, 47, 42, 37, 32
– Hauteur entre point d’injection de l’air et surface en cm : 78, 57,37,32
– Débit d’air injecté : 1028, 650, 240, 120, 60
Ce qui fait au total, selon les combinaisons possibles, plus de 600 mesures!

Pour calculer un airlift, une batterie de test avec 6 diamètres de tuyaux différents
Pour calculer un airlift, une batterie de test avec 6 diamètres de tuyaux différents

Pour calculer un airlift, utiliser les résultats des tests sous forme de graphiques

Les résultats sont ensuite transformés en graphiques, lesquels permettent une lecture directe du résultat recherché. Suivent quelques exemples:
Pour décoder les légendes:
Axxx = xxx litres/heure de débit d’air au point d’injection
Hxx = Hauteur de relevage de xx cm
Dxx = Diamètre du tuyau de xx mm
ixx = profondeur d’injection de l’air sous le niveau de l’eau de -xx cm

Airlift élévateur dans un aquarium de 70 litres et 30 cm de profondeur

Un mini airlift de 37 cm de long, diamètre intérieur 12mm , avec 30 cm immergés et une élévation de 7 cm (% immersion 81%), avec un débit d’air de 60 litres par heure, fournit un débit d’eau de 70 litres par heure (débit eau/ débit air 117 %).

Les tests pour calculer un airlift adapté au  module pédagogique
Les tests pour calculer un airlift adapté au module pédagogique

Airlift élévateur dans un bassin de 500 litres et 80 cm de profondeur

Un airlift de 95 cm de long, diamètre intérieur 35 mm, avec 78 cm immergés et une élévation de 17cm (% immersion 82%), avec un débit d’air de 750 litres par heure, fournit un débit d’eau de 800 litres par heure (débit eau/ débit air 107 %).

Dimensionner un airlift avec le modèle de Stenning et Martin (1968) modifié par Kassab et al. (2009)

De très nombreux modèles permettent de simuler le fonctionnement d’un airlift. (pages 17 à 23 du document). Le modèle de Stenning et Martin (1968) modifié par Kassab et al. (2009) est un bon compromis entre qualité de la prédiction et facilité de mise en oeuvre du calcul à une échelle domestique.

Dimensionner un airlift par des tests ou des simulations : comparaison de quelques résultats.
Dimensionner un airlift par des tests ou des simulations : comparaison de quelques résultats.

Accès au calculateur

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    Outil Excel pour dimensionner un airlift
    Outil Excel pour dimensionner un airlift

    Analyse des écarts entre mesure et simulation.

    L’analyse des écarts entre les données mesurées et les données simulées permet souvent d’améliorer le fonctionnement de l’airlift. Ainsi, il faut tout d’abord écarter les simulations réalisées avec des débits d’air très faibles ou au contraire excessivement élevés. Puis on négligera les écarts inférieurs à 20%, car situés dans la marge d’erreur des mesures et des simulations. Mais au delà de 20% d’écart, il faudra s’intéresser à l’admission de l’eau en bas de l’airlift et aux conduites d’eau rajoutées à la sortie.

    A titre d’exemple, l’airlift du TA-500 ne délivrait que 50% du débit simulé. Or l’acheminement de l’eau vers les filtres comprenait, un T , un coude à 90° , 60 cm de tuyaux à plat et une vanne à guillotine. Ces pertes de charges supprimées, le débit mesuré est similaire au débit simulé. D’autre part, l’activation de la zone de modulation de la température se fait par électrovanne sur le circuit de l’air et non plus sur sur le circuit de l’eau, moyennant le rajout d’un second airlift. Chaque airlift fonctionne ainsi à son optimum.

    Les airlifts modifiés de Glenn Martinez

    Glenn Martinez a apporté des modifications à la configuration du circuit de l’eau sur un airlift, ajoutant entre autres, un clapet anti-retour. Ceci lui permet de créer des airlifts avec une capacité de relevage exceptionnelle. Bien évidemment, ces airlifts sont hors champ du calculateur proposé.

    3 Comments

    1. Nicolas Levasseur

      Super article pour justement ceux qui s’intéressent un peu à la théorie et aiment comprendre comment les choses fonctionnent. Merci pour toutes ces explications très claires.

      • jcgoudeau

        Ravi que cela réponde à une attente.Merci.

    2. Rephael Boccara

      Ca reste trop therique
      pas de renseignement sur conbien de courant cela fait et les effets des changement d air eau sur
      d oxigene

      Pas de comparaison entre un systeme avec et sans airlift .
      Combien ca aide au netoyage des particiles fines
      Merci quand meme pour ce travail

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