C02 + C = 2CO

En même temps, la combustion se continue aux dépens de l'oxygène encore contenu dans les gaz, mais en donnant de l'oxyde de carbone, dès que l'oxygène cesse d'être en excès. La température correspondant à ces réactions est beaucoup moins élevée que la précédente. Plus haut, l'air, de plus en plus dépouillé d'oxygène, renconlre le charbon nouvellement chargé; là se distillent les carbures volatils d'hydrogène, en longs filets gazeux, dans lesquels la disposition, favorable à la combustion, des lampes à double courant d'air fait totalement défaut; la température baisse encore. A la surface supérieure de la couche de charbon, les flammes se brassent d'ordinaire en s'infléchissant, ce qui multiplie les contacts entre l'oxygène restant et les gaz combustibles, oxyde de carbone et hydrogène carboné; en même temps un nouvel afflux d'air

se produit par les trous des portes de foyers ; la combustion reprend une vive intensité, et la flamme un grand éclat.

Si Ton veut suivre ce qui se passe dans la flamme à une certaine distance de la grille, il n'est plus possible de formuler de règle générale, s'appliquant aux divers systèmes de chaudières. Une chambre de combustion assez large, où les flammes se brassent avant d'entrer en contact avec les surfaces refroidissantes, est indispensable pour une bonne combustion. Cette chambre se rencontre sur les chaudières cylindriques à retour de flamme, et cependant l'abondance de la fumée, au moment du chargement, et la formation de la suie dans les tubes prouvent que les hydrogènes carbonés ne sont brûlés que d'une manière imparfaite. Sur les chaudières cylindriques à tubes directs, les conditions sont évidemment moins bonnes. Sur beaucoup de modèles de chaudières tubuleuses, en particulier les Belleville et les Niclausse, la chambre de combustion est réduite à très peu de chose; un excès d'air fourni par un tirage très actif est indispensable. Sur les modèles récents à circulation accélérée, on a beaucoup accru la hauteur du foyer, pour donner à la flamme l'espace nécessaire à son développement.

68. — De la fuinée et de so7i analyse. — Le seul indice que l'on ait en général, sur la manière dont s'opère la combustion, est dans l'aspect de la fumée. Une fumée épaisse indique une combustion incomplète; elle a pour cause ordinaire le refroidissement trop brusque de la flamme, devançant le moment où les hydrogènes carbonés auraient pu brûler. L'analyse des gaz, qui se fait très facilement avec l'appareil de MM. Schlœsing et Orsat, fournit des données plus sûres, pouvant conduire immédiatement à des conclusions pratiques : si l'on trouve dans les gaz de la cheminée 1,5 à i% d'oxyde de carbone, on peut affirmer que la couche de charbon est trop épaisse et que l'intensité de combustion est excessive, au point de vue du rendement, pour le tirage dont on dispose. Si la proportion d'oxygène dépasse 8 %y on peut en conclure que la couche de charbon est trop mince, le tirage trop énergique, ou les rentrées d'air au-dessus de la grille exagérées. Si enfin on se trouve en présence, à la fois d'un excès d'oxyde de carbone et d'oxygène non brûlé, c'est que la chaudière elle-même est défectueuse et ne peut donner aucune marche économique, au degré du tirage employé.

En résumé, on vise à réaliser une intensité déterminée de combustion, en obtenant le meilleur rendement possible, l'intensité et le rendement étant d'ailleurs indépendants. D'autre part, on dispose de deux moyens d'action, l'épaisseur de la couche de combustible et l'intensité du tirage. Le problème est donc toujours théoriquement soluble, avec des chauffeurs exercés.

§ 2. — Transmission de la chaleur & Teau et & la vapeur.

69. — Transmission de la chaleur. Principes généraux sur la conductibilité. — La transmission de la chaleur des gaz de la combustion à l'eau qui se vaporise, se fait à travers les parois de la chaudière et comprend trois phases :

4® Passage de la chaleur, du gaz chaud à la paroi ;

go Traversée dans l'épaisseur de la paroi ;

3** Passage de la paroi à Teau.

On a ainsi à considérer :

4** Une température des gaz T ;

2° Une température de la surface extérieure de la paroi T^ ;

3* Une température de la surface intérieure de la paroi t^ ;

4** Une température de Teau ou de la vapeur saturée t.

Du reste, on connaît seulement la loi de la transmission à travers le métal, exprimée par la formule :

(1) Q = Cv

Q étant le nombre de calories traversant par seconde Tunité de seclion de 4 mètre carré, le coefficient de conductibilité du métal, 9 la différence de température T, — i, , e répaisseur de la paroi en millimètres.

La valeur de est assez bien connue pour les métaux ; on a :

Fer 16

Cuivre 100

Argent 136

Les coefficients de conductibilité s'expriment souvent en prenant celui de l'argent pour unité.

On possède peu de données sur la conductibilité à travers les dépôts qui peuvent recouvrir les surfaces métalliques ; ces dépôts sont en général très mauvais conducteurs. La transmission entre les gaz et la paroi, puis entre celle-ci et Teau, est régie par des lois inconnues; on sait seulement qu'elle ne se fait pas par conductibilité proprement dite, les fluides conduisant très mal ; elle se fait par convection^ c'est-à-dire par transmission successive à des molécules différentes du fluide, qui se succèdent au contact de la tôle ; elle exige par suite un brassage continu de ce fluide. On sait aussi qu'elle se fait beaucoup mieux entre Teau et la paroi qu'entre les gaz et la paroi, 3.500 fois mieux selon M. Milton

du Lloyd; ce dernier chiffre se justifie en partie seulement, par la différence entre les valeurs des conductibilités estimées à 0,00155 pour l'eau et à 0,000045 pour les gaz, celle de l'argent étant prise pour unité.

De la grande différence entre les transmissibilités à Teau et aux gaz, quelle que soit d'ailleurs leurs valeurs véritables, il résulte que t^ diffère infiniment moins de / que T^ de T, et, comme d'ailleurs T. eit^ diffèrent très peu l'un de l'autre, la température des parois des chaudières, dans les conditions normales, se rapproche de celle de l'eau. Toutes les causes, qui contrarient la transmissibilité à l'eau, font augmenter d'ailleurs t^ et T^ .

Comme la valeur de 6, dans l'équation (1), est inconnue, cette équation ne peut être d'aucun secours, sinon pour calculer 6, lorsque Q est connu.

La seule différence de température que l'on puisse mesurer, au moins approximativement, est :

C'est donc en fonction de seulement que l'on peut déterminer expérimentalement la valeur de Q. M. Blechynden a fait cette étude en Angleterre, avec une petite chaudière en contact, sur une surface constante, avec une flamme de température connue; il mesurait T, ^, et la quantité d'eau vaporisée, qui lui donnait la valeur de Q.

Les expériences, faites avec diverses natures de surface et diverses épaisseurs de métal, ont indiqué très régulièrement la loi :

R étant constant pour une même paroi, quel que soit 0.

La formule (2) étant admise, il est facile de trouver la valeur de K, pour l'ensemble des parois d'une chaudière dont le fonctionnement est connu.

Reprenons la chaudière où chaque kilogramme de charbon produit 7.800 calories réparties sur 20^,5 de gaz à 1.600 degrés qui sortent à 300 degrés en emportant 1.474 calories, et supposons l'eau et la vapeur à 200 degrés. Supposons enfin la combustion égale à 100 kilogrammes par mètre carré de grilles, et la surface de chauffe égale à 40 fois la surface de grilles; le problème se trouve entièrement déterminé.

Pour une quantité Q de chaleur transmise par une surface de 1 mètre carré, il passe, à travers une surface cte, une quantité Qds; l'abaissement d0 qui en résulte pour la température des20"",5 de gaz, en tenant compte de leur chaleur spécifique 0,23, est :

^« - Qds ^Qds ^^ ""20,6X0,28 ""4,716^

Eemplaçant Q par sa valeur K 0", nous avons :

de K ^ 8» " 4,715 *'

équation dans laquelle S est égale à 0'"",4, surface de chauffe, correspondant à la surface de grilles 0™",01 pour 1 kilogramme de charbon brûlé par heure.

Prenant Tintégrale entre les deux limites de 8 considérées, 1.400^ et

iOO®, nous avons :

1 J KX0,4 ^ 100 1400 4,715 qui donne :

La quantité de chaleur, qui passe par heure et par mètre carré est donc :

en chaque point de la chaudière.

Dans le foyer, pour © = 1 .400 degrés, on a :

Q = 215.000 calories.

A l'origine des tubes, pour @ = 500 degrés, on a :

Q = 27.500 calories.

A l'extrémité des tubes, pour © = 100 degrés, on a:

Q = 1.100 calories.

A l'aide de ces valeurs de Q, on peut calculer les valeurs de 6, avec la formule (1), en ayant soin de diviser Q par 3.600, pour prendre la seconde comme unité de temps*

On trouve ainsi, dans le foyer, 6 = 40 degrés, en supposant une tôle de 12 millimètres d'épaisseur.

La loi (2) ou (3), en vertu de laquelle, pour une combustion modérée donnant un abaissement de température des gaz à 300 degrés, il n'y aurait guère d'avantage à accroître la surface de chauffe S, au delà de 40 ou 50 G, est d'accord avec les résultats d'expériences déjà anciennes.

M. Geoffroy, en 1860-64, a mesuré la puissance de vaporisation des différentes parties d'une chaudière de locomotive, composée de segments étanches placés bout à bout; la partie tubulaire, en particulier, se composait de quatre segments. A une chauffe modérée, correspondant à la combustion de 100 kilogrammes de charbon par heure et par

mètre carré de surface de grilles, les évaporalions obtenues ont été de 4521^ dans le segment d'entrée et de 58i^,2 seulement dans le segment de sortie des gaz ; le rapport entre ces deux nombres est égal à 8. Or, si nous supposons que la différence de température 6 variait régulièrement de 800 à 100 degrés dans les tubes, elle était en moyenne de 480 degrés dans le premier segment et de 180 degrés dans le dernier ; le rapport entre les deux 8* était ainsi égal à 9. La vérification de la formule (4) paraîtra sans doute suffisante.

Des expériences plus complètes que celles de M. Geoffroy ont été faites depuis lors par la Compagnie P.-L.-M. Les principaux résultats sont indiqués dans une note à la fin du volume.

Pour les chaudières tubuleuses on sait, d'après une expérience de M. Watt, que, dans un modèle à circulation libre, la première rangée de tubes frappée par la flamme peut donner à elle seule 0,60 de la production totale de vapeur.

70. — Influence de Vétat de propreté des parois, — La valeur numérique de K doit être infiniment variable selon les chaudières et surtout selon l'état de propreté des parois.

Dans des expériences faites par M. Blechynden, sur un récipient d'eau à surfaces polies, K a varié de 0,13 à 0,27 selon l'épaisseur de la paroi ; il était en moyenne 0,24 dans la formule appliquée aux unités anglaises, ce qui correspond à 0,19 en prenant les unités françaises. L'ensemble d'une chaudière ordinaire en bon état, foyer épais et tubes minces, ne laisse donc passer que

de la quantité de chaleur, qui traversait les tôles décapées et généralement même rabotées de M. Blechynden. Dès que les tôles sont salies, soit par des dépôts calcaires, soit surtout par des dépôts graisseux, la transmission de la chaleur de la tôle à l'eau subit une diminution considérable, que l'on n'a pas les moyens de mesurer, mais qui s'accuse nettement par l'élévation de température de la tôle.

L'étude de réchauffement des parois, quand l'eau ne peut plus les rafraîchir, et celle des inconvénients qui en résultent surtout au point de vue de la tenue des tubes, a été faite en 1893 par M. Durs ton chief-engineer à l'Amirauté, à la suite de diverses avaries de chaudières jusque là mal expliquées. Voici quelques chiffres fournis par ses expériences.

£n chauffant de l'eau à l'air libre dans une coupelle en tôle de 13 millimètres d'épaisseur, sur un feu dont la température varie de 1.200 à 1.370 degrés, la température de la paroi du fond est de 138 degrés, quand la surface est propre; elle atteint 184 degrés, quand on mêle à l'eau 8 96

d'huile minérale ; elle s'élève au-dessus de 270 degrés, quand on enduil le fond d'une couche graisseuse de 1"™,5 d'épaisseur.

Quand l'isolement de la paroi est le résultat d'une production très abondante de bulles de vapeur, plus mauvaises conductrices encore que la graisse, le résultat est plus prononcé. Dans une chaudière d'essai à tubes directs, marchant au tirage forcé à 76 millimètres de pression d'eau, et brûlant 450 kilogrammes de charbon par heure et par mètre carré de grilles, M. Durston a mesuré la température de la plaque à tubes à l'aide d'alUages fusibles; la température maximum de la flamme était de 1.700 degrés et celle de l'eau de 180 degrés. La température de la plaque a été trouvée de 570 degrés sur la surface extérieure et de 380 degrés au milieu de l'épaisseur. On voit, par ces chiffres, comment la production d'une chambre de vapeur sur la plaque à tubes peut amener un coup de feu.

Quand l'isolement est occasionné à l'extérieur de la paroi par un dépôt de fumée, le résultat devient tout à fait désastreux au point de vue de la transmission de la chaleur à l'eau, parce que l'obstacle ajouté se trouve du côté où la résistance était déjà excessive. Aussi la diminution de puissance des chaudières est-elle assez grande, dès que les dépôts de suie sont abondants, pour avertir de la nécessité de ramoner. L'isolement du côté de la flamme constitue d'ailleurs un préservatif pour la paroi; c'est une cause de pertes de calories, mais non de dangers d'avaries.

71. — Transmission de la chaleur par convection. — La manière dont se transmet la chaleur entre les solides et les fluides, d'après ce qui a été dit, fait dépendre l'efficacité d'une surface de chauffe, de la manière dont se renouvellent les particules de fluide en contact avec elle. Par suite, l'efficacité d'une surface tubulaire est toute différente, selon qu'elle est frappée transversalement ou léchée longitudinalement par le courant gazeux ; dans le premier cas, il y a deux faces avant et arrière en contact, l'une avec le courant d'arrivée, l'autre avec le remous, la première absorbant beaucoup plus de chaleur que l'autre ; dans le second cas, l'absorption de chaleur est plus uniforme, mais l'absorption totale est moindre.

La disposition des chaudières tubuleuses, dans son ensemble, paraît favorable au point de vue de la convection, puisque les flammes se trouvent mieux brassées, surtout quand elles rencontrent des tubes placés en zigzag; l'avantage peut toutefois se trouver dissimulé, à cause des difficultés de bien répartir les gaz chauds dans toute la section de passage entre les tubes.

L'infériorité inhérente à la disposition des tubes-carneaux. dans les

chaudières cylindriques, peut être diminuée de deux manières, soit par remploi des spirales Guébhard, lames métalliques tordues en spirales, qui se placent à Tintérieur des tubes pour dévier le courant et en faire porter successivement tous les filets contre les parois, soit par l'emploi des tubes Serve, qui portent des nervures intérieures allant puiser la chaleur jusqu'au centre du courant gazeux.

Pour favoriser la convection de la chaleur du côté de l'eau, on n'emploie pas, en général, d'autre moyen que l'activité de la circulation ; l'adoption des tubes Serve, comme tubes carneaux, dans les chaudières D'Allest, a cependant pour principal but de développer la surface de contact avec l'eau, en vue d'uniformiser le refroidissement du tube sur toutes ses génératrices. Le dégagement des bulles de vapeur assure du reste le renouvellement des surfaces en contact, pourvu que les bulles soient enlevées par le courant d'eau avec une vitesse suffisante. Le courant d'eau a besoin d'être plus rapide, dans les chaudières tubuleuses, en raison de ce que l'eau s'y présente en moindre volume par rapport à la vapeur dégagée par unité de temps.

L'agitation artificielle de l'eau dans les chaudières cylindriques et en particulier l'emploi des barboteuses sont évidemment favorables à la production de la vapeur.

72. — Surface de chauffe et surface de grilles. — Rapport entre ces surfaces. — La quantité d'eau qui se vaporise, par unité de temps et de surface, sur la paroi intérieure d'une chaudière, varie, comme nous avons vu, d'un point à l'autre de cette paroi.

Indépendamment des causes déjà indiquées, cette grande différence provient en partie du rayonnement de la chaleur, qui n'est pas très grand de la part des flammes, mais qui le devient de la part d'un combustible solide tel que le coke, et qui peut ainsi atteindre une Valeur notable dans le foyer, quand on a été quelque temps sans charger. A ce point de vue, on divise la surface de chauffe en deux parties ; il y a la surface de chauffe directe et la surface de chauffe indirecte, la première étant celle qui regarde la grille. Une division analogue, mais moins précise, employée pour les chaudières cylindriques, est celle de la surface de chauffe directe comprenant foyers et boite à feu, par opposition à la surface de chauffe tubulaire ; il n'y a plus ici qu'une différence dans les températures.

La convection, variable d'un point à l'autre, soit du côté de l'eau, soit du côté des flammes, exerce une grande influence ; les ciels de foyer au-dessus des autels sont soumis, de ce chef, à un échauffement particulièrement intense, à cause de la rapidité du mouvement des gaz.

Enfin et surtout, Tefficacité de la surface de chauffe diminue rapidement à mesure qu*on s'éloigne du foyer; elle diminue tellement qu'au delà d*une certaine limite l'addition d'une nouvelle surface de chauffe n'ajoute rien à la puissance de vaporisation, comme l'a montré l'expérience de M. Geoffroy citée plus haut.

On admet en général que, pour les chaudières destinées à marcher au tirage naturel, la surface de chauffe doit être égale à 3S fois la surface de grilles ; dans cette surface, les tubes entrent pour les quatre cinquièmes. Cette proportion convient bien pour les combustions de 60 à 110 kilogrammes ; on peut même aller jusqu'à 160 kilogrammes et vaporiser encore 8^,8 d'eau par kilogramme de charbon, si la propreté de la chaudière est suffisante.

On peut admettre qu'étant données la surface de chauffe S et la surface de grilles G, l'activité de la combustion qui correspond à une bonne utilisation est fixée par la formule empirique :

en faisant

ce qui donne, pour

7T = 35, C =:: 159 kilogrammes.

Au tirage forcé, pour brûler 200 à 250 kilogrammes de charbon par mètre carré de grilles, il faut donner à la surface de chauffe une valeur de 4S à 50 fois la surface de grilles ; on ne gagne pas d'ailleurs à dépasser cette proportion, même si l'activité du tirage forcé continue à s'élever.

En somme, l'étendue de la surface de chauffe est impropre à définir ce qu'une chaudière peut vaporiser d'eau, aussi bien que l'étendue de la surface de grilles à définir ce qu'elle peut brûler de charbon. Gomme d'ailleurs la quantité d'eau vaporisée par kilogramme de charbon est toujours à peu près connue, la surface de grilles est infiniment plus propre que la surface de chauffe, à exprimer la puissance des chaudières, la nature du tirage étant d'ailleurs indiquée. . Les diverses conditions auxquelles doit satisfaire la chaudière se contrarient souvent entre elles ; c'est ainsi que pour avoir une grande surface de chauffe, il faut augmenter le nombre des tubes et diminuer leur diamètre, tandis qu'au point de vue du service, il est préférable de les faire assez gros, pour éviter les obstructions ou faciliter le ramonage.

On a généralement donné 7 centimètres de diamètre extérieur aux tubes des chaudières tubulaires ; il y a bénéfice, pour le rendement, à descendre à 8 centimètres; même avec 5 centimètres, la formjalion des nids de pie est peu à craindre, si les chaudières sont bien construites et les joints de tubes bien étanches.

Sur les légendes des plans, on donne toujours à la fois la surface de grilles et la surface de chauffe. Pour la mesure de la surface de grilles, il ne se rencontre pas de difficulté. Pour le calcul de la surface de chauffe, ofi exclut certaines parois : la surface des cendriers, dans les chaudières cylindriques, et la demi-surface, tournée vers le dehors, des écrans de tubes jointifs disposés pour protéger Tenveloppe, dans certaines chaudières tubuleuses. Il est indispensable que les règles à cet égard soient les mêmes dans toutes les salles de dessin, pour que les résultats des calculs soient comparables entr'eux.

73. — Pertes par rayonnement. Feutrage. — Les chaudières reçoivent toujours une enveloppe isolante, destinée à diminuer les pertes de chaleur par rayonnement et par conductibilité. Les pertes ont le triple inconvénient de diminuer le rendement en vapeur par kilogramme de charbon consommé, d'être une gène pour le personnel des chauffeurs, enfin de créer un danger d'incendie pour les matières combustibles voisines de la cheminée.

Dans les chaudières tubulaires, les conduits de flamme sont entièrement entourés de lames d'eau ; la surface extérieure de la chaudière proprement dite ne peut donc pas dépasser une température assez basse, qui approche de 200 degrés, aux pressions actuelles, et qui serait de !211 degrés seulement pour une pression de 20 kilogrammes. Ces conditions favorables donnent toute sécurité contre Tincendie et permettent assez facilement d'obtenir l'isolement nécessaire au point de vue du rendement.

Pendant une longue période, c'est-à-dire aussi longtemps que les pressions sont restées inférieures à 6 kilogrammes, et les températures inférieures à 160 degrés, on a recouvert les chaudières d'une couche de feutre animal enveloppée de toile, présentant une épaisseur totale de 3 centimètres, et un poids de 4 kilogrammes par mètre carré. L'isolement dû à ce feutrage a été déterminé, au cours d'expériences comparatives très soignées faites à Toulon en 1889, par M. Brocard ingénieur de la marine. Un réservoir de 2"",184 de surface extérieure, rempli de vapeur à 12 kilogrammes de pression et feutré selon les règles, a donné une condensation de 54 kilogrammes de vapeur en 10 heures; la température ambiante extérieure étant de 27 degrés.

La condensation de 1 kilogramme de vapeur, à 12 kilogrammes de pression, abandonnant 176,6 calories on déduit des chiffres précédents que la perte par rayonrfement était de 900 calories par heure et par mètre carré de surface. Une chaudière à trois foyers comme celle du Jean-Barl présente 61"* de surface feutrée, savoir : iV^\^ sur l'enveloppe, 43 mètres carrés sur le fond, 3"*,8 sur la façade ; la perte totale de chaleur est donc de 84.900 calories à l'heure, équivalant à une consommation de charbon de 6 kilogrammes, soit à 1 % environ de la chaleur totale produite sur les foyers dans une chauffe un peu active. Ce résultat indique un isolement convenable, qu*il n'y a guère à chercher à dépasser; on réduirait cependant la perte en doublant l'épaisseur du feutre, ainsi que nous le verrons tout à l'heure.

Le feutre a l'inconvénient de n'être pas incombustible ; il paraît présenter des traces d'altération aux températures de 200 degrés auxquelles on arrive, et il brûle avec flamme vers 680 degrés. Il en est résulté des accidents gênants et même de véritables incendies dans les enveloppes, qui ont pris feu, tantôt au contact des outils de chauffe ou des escarbilles et du mâchefer, tantôt au contact de la flamme des lampes et des bougies. De là, nécessité reconnue d'employer des revêtements de nature minérale, amiante et coton siliceux. Les expériences de M. Brocard ont eu pour but principal de rechercher la valeur comparative de ces divers isolants.

Le réservoir, de 2"*,184 de surface extérieure, dont il a été question, se composait de deux parties, savoir les fonds, de 0™*,40 qui, dans l'expérience déjà citée devaient condenser

M X 5-kgi = 10 kilogrammes

de vapeur, et la partie cylindrique de 1"",784, qui devait condenser 44 kilogrammes. Le feutrage des fonds restant le même, on a remplacé celui de l'enveloppe cylindrique par six feutrages de nature différente, et on a mesuré, dans chaque cas, la quantité d'eau totale condensée pendant 10 heures.

En supposant que, dans toutes les expériences, la quantité d'eau condensée par les fonds ait été de 10 kilogrammes, et en retranchant ces 10 kilogrammes de la condensation totale, on a, pour représenter la valeur comparative de tous les isolants essayés, le tableau suivant, sur lequel est porté le poids du mètre carré de chacun de ces isolants :