Pompe à jet

Une pompe à jet déplace un fluide au moyen d'un autre : un jet rapide d'eau, de vapeur ou d'air sort d'une buse et entraîne avec lui le fluide qui l'entoure, sans piston, ni roue, ni clapet. La plus ancienne description connue est celle de la trompe à eau que Giambattista Della Porta vit à Rome souffler des fourneaux, imprimée dans sa Magie naturelle en 1589.

Ce que c’est

Une pompe à jet déplace un fluide grâce à un autre fluide. Un jet rapide d’eau, de vapeur ou d’air sort d’une buse, et le fluide qui l’entoure est happé et emporté avec lui. L’appareil n’a ni piston, ni roue à aubes, ni clapet. Il lui faut seulement une alimentation en fluide moteur, sous pression ou tombant d’une certaine hauteur ; il peut alors monter de l’eau, aspirer de l’air, mélanger deux liquides ou faire entrer de l’eau dans une chaudière.

La même idée porte plusieurs noms. Un éjecteur ou un éducteur, mû par un liquide ou par la vapeur, sert à aspirer ou à mélanger un autre fluide. Un injecteur se sert d’un jet de vapeur pour pousser de l’eau dans la chaudière même qui produit cette vapeur. La trompe à eau de laboratoire, montée sur un robinet, aspire l’air d’un flacon. La trompe des forges, ou soufflet d’eau, utilise une chute d’eau pour aspirer de l’air et souffler un foyer.

Dans une trompe de forge, l’eau d’un canal tombe dans un tuyau vertical percé de trous d’air près de son sommet. L’eau qui tombe entraîne l’air jusque dans une caisse à vent fermée ; l’eau y frappe une pierre et s’écoule par le bas, tandis que l’air se rassemble en haut. Un tuyau mène cet air à la tuyère, l’embouchure par laquelle le vent entre dans le feu de forge. La trompe donnait un vent régulier sans soufflets, et on l’employa dans les forges à fer d’Italie, d’Espagne et d’autres pays méditerranéens jusqu’au XIXe siècle.

Comment ça marche

Un tuyau qui se rétrécit en buse fait accélérer le fluide moteur, et plus sa vitesse augmente, plus sa pression baisse. Le jet sort de la buse dans une chambre munie d’une seconde ouverture, l’orifice d’aspiration. La pression autour du jet y est plus basse que dans le fluide du dehors, si bien que ce fluide afflue vers le jet.

La buse crée un jet rapide, le col lui permet d’entraîner le fluide aspiré et le cône évasé retransforme la vitesse en pression.

Après la buse, le jet et le fluide aspiré entrent ensemble dans un col droit. Le jet rapide ralentit, le fluide lent accélère, jusqu’à ce qu’ils avancent d’un seul courant. Le mélange passe ensuite dans un diffuseur, un cône qui s’évase lentement. À mesure que le courant y ralentit, sa vitesse redevient de la pression, et le mélange ressort à une pression plus élevée que celle du fluide à l’orifice d’aspiration. L’injecteur à vapeur de Giffard fonctionne ainsi : la vapeur se condense dans l’eau froide qu’elle aspire, et le mélange quitte le diffuseur à une pression un peu supérieure à celle de la chaudière, ce qui lui permet d’y entrer.

Dans une trompe, le fluide moteur est l’eau et le fluide aspiré, l’air. En tête du tuyau de chute, l’eau franchit un étranglement, et juste en dessous s’ouvrent des trous d’air donnant sur l’air libre. L’eau qui tombe aspire l’air par ces trous et l’emporte vers le bas en bulles. En bas, le mélange entre dans la caisse à vent et frappe une pierre plate. Les bulles remontent et l’air s’amasse sous le couvercle, tandis que l’eau sort par une ouverture qui reste sous la surface du bassin extérieur, de sorte qu’aucun air ne s’échappe par là. L’air de la caisse repousse l’eau intérieure plus bas que le niveau du dehors. C’est l’écart entre ces deux niveaux qui fixe la pression du vent.

Une pompe de puits moderne utilise elle aussi un éjecteur. Une pompe centrifuge en surface renvoie une partie de son eau vers une buse placée dans le puits ou dans le corps de pompe. Le jet entraîne l’eau du puits, et la pompe envoie le reste de l’eau vers la maison.

Comment faire

En soufflant au ras du sommet de la paille droite, on fait monter l’eau et on la projette en fines gouttes.

Deux pailles et un verre d’eau suffisent pour faire une pompe à jet du type pulvérisateur. Remplissez un verre d’eau propre presque à ras bord et posez-le sur un plateau ou au-dessus d’un évier. Coupez une paille en deux avec des ciseaux. Plantez un morceau droit dans l’eau, de façon que son extrémité supérieure dépasse un peu de la surface. Tenez l’autre paille à l’horizontale, son bout contre le sommet du morceau droit et à angle droit avec lui, de sorte que son ouverture souffle en travers de l’ouverture de la paille droite.

Soufflez fort et régulièrement dans la paille horizontale. L’air doit passer au-dessus de la paille droite, et non entrer dedans. L’eau monte dans la paille droite et en sort par le haut en un nuage de fines gouttelettes emportées par votre souffle. L’air rapide abaisse la pression au-dessus de la paille droite, l’air qui presse sur l’eau du verre la pousse vers le haut, et le jet d’air la brise en gouttes. Si rien ne se passe, enfoncez davantage la paille droite pour qu’elle dépasse moins de l’eau, et rapprochez les deux bouts.

Sécurité : n’utilisez que de l’eau propre, jamais un autre liquide, travaillez au-dessus d’un plateau ou d’un évier et essuyez l’eau renversée pour que personne ne glisse. Soufflez dans les pailles, n’aspirez jamais. N’appliquez jamais une paille, une trompe à eau ou tout autre appareil d’aspiration sur une partie du corps. Les éjecteurs industriels et les injecteurs à vapeur travaillent avec de fortes pressions, de la vapeur et parfois des produits chimiques : seul un personnel formé doit s’en occuper.

Histoire et évolution

En 1589, le savant napolitain Giambattista Della Porta publia à Naples l’édition augmentée, en vingt livres, de sa Magie naturelle. Son livre sur l’air explique comment l’air peut tenir lieu de soufflets : de l’eau versée par un entonnoir dans une petite chambre close en chasse l’air par un trou avec assez de force pour souffler des fourneaux à laiton et à fer. Il écrit l’avoir vu à Rome. Les historiens de la métallurgie y voient la plus ancienne description connue de la trompe. L’appareil se répandit dans les forges d’Italie, d’Espagne et d’autres pays méditerranéens ; les forges catalanes en étaient réputées, et le français lui donna le nom de trompe, que les auteurs anglais reprirent.

À la fin du XVIIIe siècle, la trompe reçut une théorie. En 1797, le physicien italien Giovanni Battista Venturi publia ses expériences sur la façon dont un fluide en mouvement entraîne le fluide qui le borde, et l’Encyclopaedia Britannica de 1801 lui attribua la première explication exacte du soufflet d’eau.

L’ingénieur français Henri Giffard, qui avait construit une machine à vapeur légère pour mouvoir le dirigeable à bord duquel il vola en 1852 (voir dirigeable), cherchait à alimenter une chaudière en eau par un moyen plus léger que les pompes à vapeur de son temps. En 1858, il fit breveter son injecteur, dans lequel un jet de vapeur de la chaudière pousse de l’eau dans cette même chaudière. L’appareil n’avait aucune pièce mobile, et les chemins de fer l’adoptèrent pour alimenter les chaudières de leurs locomotives.

Une trompe à eau en verre montée sur un robinet aspire l’air d’une fiole, et l’air du dehors pousse le liquide à travers le filtre.

En 1865, Hermann Sprengel, chimiste établi à Londres, décrivit une pompe à air dans laquelle un mince filet de mercure qui tombe emporte l’air d’un récipient en petites poches entre les gouttes. En 1868, Robert Bunsen publia un dispositif de filtration réunissant une fiole à paroi épaisse, une pompe à eau en verre construite sur le principe de Sprengel, un manomètre et un flacon de garde. On prit l’habitude de l’appeler pompe de Bunsen, nom que Sprengel contesta dans une lettre à Nature en 1881. La trompe à eau en verre montée sur un robinet devint un équipement courant des laboratoires pour filtrer. Les pompes à jet gagnèrent ensuite tous les usages où l’on disposait d’un fluide moteur et où les pièces mobiles étaient une gêne : des éjecteurs montent l’eau des puits avec une pompe centrifuge en surface, et des éducteurs mélangent et déplacent des liquides partout où l’on dispose d’eau sous pression.