La trompe hydraulique est une installation utilisant une chute d'eau pour souffler de l'air, en l'aspirant dans un tube par effet Venturi puis en le comprimant, du fait de la hauteur de chute.
Apparue vers le milieu du en Italie, cette installation a été fréquemment utilisée jusqu'à la fin du , principalement dans la production de fer, pour ventiler l'air dans les fours. Devenue indissociable de la forge catalane, son usage disparaît progressivement au début du , en même temps que les bas fourneaux et les procédés d'acier naturel.
En 1878, Joseph Palmer Frizell brevette et expérimente une version modernisée de la trompe, consistant à noyer profondément l'enceinte dans laquelle l'air se sépare de l'eau. Cette modification permet l'obtention d'un air à plus haute pression et améliore significativement le rendement énergétique. Une vingtaine d'années après ce brevet, Charles Havelock Taylor redécouvre l'idée et construit ses premières trompes industrielles selon ce principe. Quelques pompes sont mises en service au début du , avec des puissances atteignant parfois quelques mégawatts.
Progressivement abandonnées pour diverses raisons, les trompes de Frizell-Taylor restent une technologie valable et sont régulièrement étudiées. En effet, elles peuvent valoriser l'énergie hydraulique de faibles hauteurs de chute avec un investissement faible, tout en garantissant un rendement supérieur à 70 %.
Histoire Apparition Des recherches modernes ont identifié des inventions de la fin de l'Antiquité tardive qui préfigurent la trompe. Au est utilisé dans l'Empire sassanide le « soufflet à eau » : un tube de bambou amène de l'eau et de l’air dans une outre. Une des pattes de la peau, en partie basse, évacue l'eau, tandis que l'air sort d'une autre située plus haut. Une version dérivée est évoquée dans le et le écrits par Athanasius Kircher à partir de 1545. Mais si la ressemblance entre ces deux dispositifs est frappante, l'utilisation comme la filiation technique sont bien moins évidentes..
Quoi qu'il en soit, c'est vers le milieu du , dans la moitié nord de l'Italie, que les premières mentions de l'existence de trompes se multiplient. En 1589, Giambattista della Porta l'évoque dans (livre 29, chapitre 6), et précise que cette technologie est utilisée pour alimenter une forge à Nettuno, au sud de Rome..
En 1629, Giovanni Branca publie , dans lequel il illustre le principe de la trompe d'eau utilisée pour apporter du vent au foyer d'une forge ou alimenter un orgue.. En 1630, Jean-Baptiste Baliani décrit l'utilisation de la trompe dans l'Apennin ligure.. C'est à partir de ce moment que le principe de la trompe se diffuse chez les érudits de la Renaissance, et qu'elle commence à être adoptée un peu partout dans le monde.
Diffusion
Les Génois, en diffusant leurs techniques de forge au sein de leur espace politico-économique, assurent la propagation rapide de la trompe. Ils standardisent les procédés, sélectionnent et mélangent les minerais, utilisent des martinets plus lourds et, dès 1620, adoptent la trompe. En Corse, la présence de forges à la génoise, qui peuvent produire chacune environ de fer par jour, est bien établie dès 1631. À la même époque, cette technologie commence à se diffuser en Espagne.
La trompe se généralise dans le secteur pyrénéen dans la deuxième moitié du . Son apparition dans l'Ariège se produit entre 1685 et 1706.. L'invention y connaît son apogée, en devenant indissociable de la forge catalane. Cette spécificité des Pyrénées orientales migre vers l'ouest. Au , la trompe est introduite dans les Pyrénées centrales. Les performances liées à sa technologie conduisent même les Biscayens à faire appel aux Ariégeois pour améliorer leurs installations.
Dans son Mémoire sur les forges catalanes, publié en 1775, pages 89 à 91, M. Tronson du Coudray fait une comparaison des trombes utilisées en Corse et dans le Pays de FoixMémoires Sur Les Forges Catalanes, Comparées Avec Les Forges A Hauts-Fourneaux Par M. du Coudray, capitaine d’ouvriers au corps d’artillerie, correspondant de l’académie royale des sciences Nouvelle édition A Paris, Chez Ruault, libraire rue de la Harpe, 1775 ; https://digital.slub-dresden.de/werkansicht?tx_dlf%5Bid%5D=173490&tx_dlf%5Bpage%5D=103 .
Dans le bassin minier du Harz, la trompe est utilisée pour la première fois en 1732.. Elle y est introduite par l'érudit de Clausthal, Henning Calvör, et y est appelée la , c'est-à-dire la « trompe à eau calvörienne ».. Son usage s'y généralise rapidement..
En Amérique du Nord, l'usage de la trompe apparaît à la fin du . Dans le comté de York, en Caroline du Sud, les hauts fourneaux ERA et ETNA, respectivement mis à feu en 1787 et 1788, sont soufflés par une trompe. Les bas fourneaux, plus fréquents à cette époque, l'utilisent également, que la technologie soit d'origine germanique (stückofen) ou latine (forge catalane). Ainsi dès 1790, des stückofen sont alimentés par des trompes dans le New Jersey. À la Mission San Juan Capistrano, en Californie, des fouilles ont permis de dégager deux fourneaux de section circulaire, alimentés probablement par des trompes, et également datés des années 1790..
Au Brésil, le baron d'Eschwege construit des bas fourneaux de type allemand au début du à Congonhas. Mais l'apparition de la trompe en Amérique latine pourrait être antérieure à cette date.
Abandon
La trompe est une alternative économique aux soufflets. Mais elle exige une hauteur de chute d'eau minimale de et consomme bien plus d'eau que le soufflet : son mauvais rendement s'est toujours imposé comme une évidence. Pour autant, Orry et Bernage de Saint-Maurice en vantent les intérêts dans les années 1730, assurant que l’air soufflé en continu et sans secousses par la trompe permet d’obtenir un fer plus doux que celui obtenu avec des soufflets.
En 1797, Giovanni Battista Venturi applique magistralement sa découverte de l'effet qui porte son nom à l'étude d'une trompe. Dans le siècle suivant, la trompe est scientifiquement étudiée. Les métallurgistes qui recensent et comparent les meilleures technologies disponibles, comme Gruner ou Percy, établissent ses caractéristiques et l'analysent scientifiquement.. Mais à cette date la trompe est déjà considérée comme obsolète. L'humidité excessive du vent sert à justifier son abandon à partir de la fin du . Un autre motif d'abandon réside aussi dans la généralisation du haut fourneau au coke et du puddlage, procédés qui ne peuvent pas être alimentés par des trompesUn haut fourneau nécessite un air à forte pression, capable de traverser la charge : seuls les soufflets, et plus tard les pistons, sont capables d'atteindre une pression suffisante. Quant au puddlage, il exige que le four soit en dépression, afin que les fumées soient en permanence aspirées le long de la voûte du four à réverbère et n'entrent pas en contact avec le métal.. Ainsi, en 1814, un rapport constate la disparition de toutes les trompes dans la vallée de Rives, excepté un tronc de . Les soufflets, plus puissants, plus flexibles et d'un meilleur rendement, les remplacent..
S'il est encore cité, l'usage de la trompe ne survit que dans quelques contextes précis mais en voie de marginalisation, essentiellement la forge catalane. Si celle-ci surclasse alors la plupart des méthodes historiques de production d'acier, elle amorce vers 1850 un déclin inexorable.. Puis, à partir de 1880, le procédé Thomas commence à se répandre. Il consacre le gigantisme dans la sidérurgie et tous les procédés historiques exploités par de nombreux petits centres métallurgiques ruraux disparaissent. La trompe, qui ne peut pas concurrencer la puissance des machines à vapeur, vient alors de disparaître en même temps que la forge catalane..
Réinvention par Joseph Frizell et Charles Taylor
En 1878, Joseph Palmer Frizell brevette une trompe capable de produire un air à forte pression.. La séparation de l'air et de l'eau se fait au fond d'un profond siphon inversé, afin d'obtenir un air à la pression hydrostatique générée par la hauteur manométrique totale. Il optimise aussi soigneusement la prise d'air, qu'il aménage au sommet d'un siphon, là où la pression de l'eau est inférieure à la pression atmosphérique, en gardant à l’esprit que les bulles ont une vitesse relative de montée d’environ , tandis que l’eau descend sur la conduite à une vitesse de . Le rendement énergétique espéré de cette installation est de 80 %..
Une vingtaine d'années après ce brevet, Charles Havelock Taylor redécouvre indépendamment l'idée. Il construit ses premières trompes suivant ce principe. La prise d'air consiste en une multitude de petits tubes et les débits peuvent être abaissés à un tiers de la valeur maximale sans que les performances soient significativement pénalisées. Si elle a peut-être eu un meilleur rendement, cette aspiration coexiste avec celle de Frizell, les deux principes étant continuellement améliorés, notamment pour faciliter la conduite de l'installation et réguler la consommation d'eau en fonction de la production d'air. Le rendement des trompes progresse avec ces innovations, qui sont souvent l’occasion d’un nouveau brevet. Par ailleurs, Taylor optimise la décharge de la trompe dans la caisse, pour limiter la perte d'énergie liée à l'impact de l'eau.
Les performances supérieures de ces compresseurs ne peuvent pas être attribuées à l’augmentation des flux d’air par rapport à l’eau, dont le rapport air/eau est généralement inférieur à l'unité. L'augmentation de la pression favorise d'ailleurs une importante dissolution de l'air dans l'eau (20 % pour celle des .), l'oxygène étant plus soluble que l'azote. La diminution des frottements, avec un plus grand diamètre et une grande longueur de la trompe, ainsi que des vitesses maîtrisées, ont une influence faible sur le rendement. En réalité, c'est la récupération de l'énergie potentielle de l'eau dans la caisse, qui est à la même pression que l'air, qui représente l'enjeu principal de l'amélioration des performances. Dans le cas des compresseurs de Taylor, cette énergie sert à remonter le bras de sortie du siphon. Le rendement maximum, qui plafonne à 15 % avec les meilleures trompes classiques., peut théoriquement dépasser 80 % avec les trompes de Frizell-Taylor..
Enfin, ces compresseurs présentent quelques intérêts pratiques. Même si le transport de l'air comprimé nécessite la pose de tuyauteries coûteuses, l'air est un vecteur d'énergie pratique, qui peut être transporté sans perte sensible. Il est aussi adapté à l'alimentation de machines lourdes. De plus, contrairement aux trompes traditionnelles, la hauteur de la colonne d'eau est distincte de la hauteur de chute : il est ainsi possible d'obtenir de hautes pressions avec des chutes de faible dénivelé..
Sur la période de 33 ans qui suit la mise en service de la première trompe de Taylor en 1896 à l’usine de textile de Magog au Canada, au moins 18 trompes sont mises en service, avec des pressions allant de Le barg, ou « bar gauge », précise que la pression 0 correspond à la pression atmosphérique. Pour plus de détails, voir l'article bar (unité). des débits de et des puissances de ..
Inventions dérivées