OU A AIR CHAUD

607 — Nous avons déjà rencontré, en ce qui concerne Tapplication industrielle de la transformation de la chaleur en travail, deux modes essentiels fondés sur l'emploi des vapeurs saturées ou des gaz permanents; en d'autres termes : la machine à vapeur et la machine à air chaud (*). Il convient d'en effectuer la comparaison» avant d'aborder l'étude des autres machines à feu.

On a vu (n** 505) que la différence est peu tranchée au point de vue du rendement théorique. Ce chiffre ne s'élève guère, pour l'un comme pour l'autre, au-dessus d'un dixième, et il peut tomber audessous. Mais ce résultat final tient à des compensations qui s'effectuent entre les divers facteurs s, Sj, s,, s, qui entrent dans la composition de 9. Or ces derniers présentent, au contraire, de l'un de ces moteurs à l'autre, certaines différences qu'il convient de faire ressortir.

Au point de vue du coefficient économique principal e, le moteur à air présente un avantage décisif. Nous savons en effet (n* 502)

(*) Quant aux moteurs à gaz, à pétrole ou à poussière de charbon (chap. XXV), ils ne constituent h proprement parler que des modes spéciaux d'échaufTement d'une machine à air chaud.

82i THERMODYNAMIQUE.

que Ton a intérêt, sous ce rapport, à élever la température de la source chaude. Or Téquation-typique des gaz parfaits nous montre que, pour ces fluides, la pression croit (à volume constant) proportionnellement à la température absolue, tandis que, avec la vapeur saturée, elle dépend de cette variable d'après une exponentielle à double étage; ce qui lui confère une rapidité d'accroissement énormément plus accusée.

Comme il convient (n" 584), en vue de ménager le mécanisme des moteurs à air chaud, de ne pas élever 8, au delà de 275, c eslà-dire t^ au delà de 2 x275, la pression n'y dépassera jamais deux atmosphères absolues, ou une atmosphère effective. Au contraire, si Ton extrapolait la formule de Regnault (125) jusqu'à une telle température, elle indiquerait une tension de 57 atmosphères absolues, ou 56 effectives. La tendance à la rupture des enveloppes serait donc, à cette limite extrême, 56 fois moindre pour la machine à air chaud que pour le moteur à vapeur. Sans atteindre de pareils écarts, ni même en approcher, on voit que l'excès de tension de ce dernier appareil nécessitera des surépaisseurs, et des poids correspondants.

508 — En ce qui concerne le coefficient économique spécifique 6,, la vapeur présente, au contraire, un avantage marqué, en raison de la facilité qu'elle procure pour réaliser les isothermes du cycle de Carnot; puisque c'est le propre de cet agent, quand la pe^ manence de la pression est assurée par les soupapes de sûreté, de présenter par cela même une température constante.

En revanche Tadiabaticité, qui forme la seconde base essentielle du cycle de Carnot, est beaucoup moins bien assurée qu'avec Tair, attendu que ce dernier, assez mauvais conducteur, est peu propre à transmettre rapidement dans toute sa masse l'impression calorifique des parois, dès qu'une sorte de fourreau gazeux a subi pour son propre compte leur influence. Au contraire, la vapeur saturée est beaucoup plus impressionnable et plus instable. Dès qu'une pellicule de ce fluide a disparu le long du métal par voie de condensation, une seconde couche, identique à la précédente, se retrouve au contact de ce dernier.

MACHINES THERMIQUES DIVERSES. 8^25

La balance entre ces deux effets opposés paraît du reste conduire à un résultat satisfaisant, puisque nous avons reconnu que Ton peut compter pour £,, avec la vapeur, sur une valeur de 90 7o siu moins.

509 — Relativement au coefficient économique thermique e,, Ton peut remarquer que le peu de conductibilité de Tair le rend plus difficile à échauffer, et qu'il expose à de plus grandes pertes de chaleur. Le peu de densité du fluide exige, pour faire intervenir des masses de quelque importance, de plus grands générateurs qu'avec l'eau (*). De là un rayonnement et des pertes par conductibilité plus marquées. Les moteurs à air chaud seront, pour ce motif, contre-indiqués dans les circonstances où l'on dispose d'un emplacement limité, comme dans la marine.

51 0 — A l'égard de £3, qui est d'un ordre purement mécanique, la différence sera peu marquée. On peut faire observer toutefois que les lourdes masses en mouvement occasionnent des frottements qui leur, sont proportionnels, d'où un affaiblissement du rendement plus accusé pour la machine aérothermique.

On avait fondé, dans le principe, beaucoup d'espoir sur cette circonstance que les gaz parfaits ne donnent pas lieu à un travail interne, tandis qu'il en faut fournir pour constituer la vapeur. Mais cet argument s'évanouit devant cette considération que, les appareils fonctionnant dans un cycle fermé, l'énergie interne reprend nécessairement la môme valeur, quelles que soient les vicissitudes par lesquelles elle a pu passer dans l'intervalle.

51 f — Il convient d'ajouter que le rendement, malgré l'importance si grande qu'il présente pour l'industrie, n'est pas la seule considération qui doive entrer en ligne de compte dans le choix d'une machine. Or on peut citer à l'actif de la vapeur d'eau les avantages suivants :

Elle n'est pas oxydante pour le métal autant que l'air, surtout lorsque ce dernier se trouve porté à des températures élevées.

(*) Cette circonstance se concilie parfois assez convenablement avec l'emploi de combustibles encombrants et d'un faible pouvoir calorifique, tels que la tourbe, le bois, la tannée, etc.

Elle adoucit et conserve les garnitures, que Fair chaud tend à dessécher et à durcir.

Elle ménage les graisses, que Tair a pour effet de calciner et de réduire à un résidu charbonneux, capable de déterminer le grippement des surfaces.

L'air est plus subtil que la vapeur. On a beaucoup de peine, avec lui, à maintenir les joints étanches. Les soupapes de sûrelé tiennent mal la pression.

liCs périodes d'arrêt de la machine à air chaud introduisent une difficulté spéciale. En raison de la faible masse du fluide stationnaire, qui ne saurait emmagasiner beaucoup de calories, l'appareil se trouve rapidement porté au rouge, à moins que le chauffeur ne fasse tomber le feu, ce qui présente ensuite d'autres inconvénients pour reprendre l'allure. La masse d'eau qui se trouve renfermée dans la chaudière, parfois en quantité considérable, forme à cet égard un régulateur beaucoup plus satisfaisant.

51» — En revanche, l'air se trouve partout, tandis qu'il n'en est pas de même de l'eau ; surtout quand on exige qu'elle soit suffisamment pure.

L'air ne coûte rien; l'eau exigera toujours des aménagements plus ou moins dispendieux.

Sa composition est constante ; tandis que l'eau se charge, en proportions variables, de diverses substances solubles, qui sont de nature, en s'accumulant dans les chaudières, à y constituer des dépôts gênants et redoutables.

Avec la machine à air, les explosions demeurent insignifiantes. Si un générateur vient à se rompre, la pression se détend facilement, et l'appareil se trouve immédiatement désarmé. Avec des chaudières à eau, chaque kilogramme liquide renferme pratiquement de 100 à 200 calories, dont chacune équivaut à 424 kilogrammètres. Or chaque mètre cube de capacité renferme un millier de ces kilogrammes. De là une puissance de destruction formidable, si un accident la fait entrer subitement en jeu {*).

(*) Cette influence se ti*oiive à la vérité très atténuée dans une catégorie spéciale de générateurs qui renferment relativement peu d'eau, et sont désignés dans l'indusîrie

MACHINES THERmQUES DIVERSES. 827

La mise en pression du générateur à air est plus rapide, en raison de son peu de masse.

La mise hors feu, qui laisse perdre par le refroidissement la provision de chaleur accumulée, n'occasionne, avec ce type d'appareils, qu'un déficit beaucoup moindre.

Ces divers avantages sont sérieux. Ils expliquent que les moteurs à air chaud aient eu leur heure d'un engouement qui n'est pas encore arrivé à son terme de l'autre coté de l'Atlantique. Sur notre continent, ces appareils n'ont jamais pris, au contraire, qu'un développement insignifiant, si on le compare à l'énorme expansion qu'a reçue la machine à vapeur. Il convient cependant de faire à cet égard une exception pour la catégorie spéciale des machines à gaz (chap. XXV), auxquelles leurs nombreux avantages (n** 414) ont procuré un grand essor, qui tend à s'affirmer tous les jours davantage.

AËRO-¥APEURS

513 — On a essayé de combiner dans un même moteur l'emploi simultané des deux agents que nous venons d'examiner comparativement, à savoir : la vapeur d'eau et l'air chaud. Ce système est aujourd'hui fort délaissé.

Le point de vue auquel s'étaient placés les inventeurs visait principalement l'adiabaticité. La conductibilité des surfaces métalliques détermine, avec la vapeur saturée, une précipitation sur la paroi. La vapeur se trouvant ainsi supprimée au contact sur une certaine épaisseur, laisse subsister dans cette région une certaine quantité d'air, qui formera une sorte de gaine peu conductrice, propre à préserver dans une certaine mesure la masse générale du fluide.

par répithètc dUncxplodibles. La cliaudiùrc Bellcvillc est l'une des plus connues. Le gi'*nêraleiir Serpollet constitue la dernière expressioji de celle circoiiiîlajicc spéciale, ainsi qu'on le verra dans la cinquième Partie de ce Cours.

8t28 THERMODYNAMIQUE.

Des expériences ont été exécutées dans cette voie par Reynolds('|. Elles ont accusé un retard de la condensation qui s*accroîl avec la proportion de Tair, jusqu'à ce que celle-ci atteigne le chiffre de 30 7o- ^^u delà de ce point, elle cesse d'augmenter. Pratiquement même on ne dépassait pas 10 7o dans les machines en marche industrielle. Une quantité d'air plus considérable entraverait notamment le fonctionnement de l'injecteur Giflard. Dans tous les cas, ce système est exclusif de l'emploi du condenseur, dont il surchargerait d'une manière inadmissible la pompe à air.

514 — Dans Vaéro-vapeur Wm\wp, on injecte de l'air chaud au sein de la chaudière à vapeur à l'aide d'une pompe. Ce fluide commence par circuler à travers les barreaux creux de la grille, afin d'atténuer leur tempéi'ature en les préservant ainsi d'une destruction rapide. En môme temps, il recueille pour lui-même ces calories, qu'il apporte dans la chaudière, en évitant d'y faire tomber la pression par suite du refroidissement.

Dans d'autres types, l'air est refoulé à travers un serpentin installé au milieu de la boite à fumée, de manière à dépouiller autant que possible les gaz brûlés du calorique qu'ils entraînent en pui-e perte dans l'atmosphère. On réalise ainsi une certaine économie de combustible.

Un tube percé de petits trous règne le long de la génératrice inférieure du corps cylindrique, et distribue d'une manière régulière dans la masse liquide cet air chauffé à 500 ou 550 degrés- L'inventeur estime que Tagitation produite par ce dégagement est de nature à empêcher, au moins dans certains cas, l'entartremenl des chaudières, en maintenant les dépots à l'étal sableux.

On lui attribue aussi le pouvoir de faciliter l'ébuUition, et d'empêcher les soubresauts dangereux qui tendent à se produire lorequc l'eau cesse de mouiller certains dépôts, et passe, d'apW'S M. Boii-

(*) Reynold*?. Sociale royale de Londres, mai 1875. — Moutier. Sur la délcnle d'un gai saturé de vapeur. Bulletin de la Société Philomathigtte, 10 janvier, 14 févi'ier 1880. — Ilorgcron. Congrès de Bordeaux de i'Associalion française pour Cavancement drs srienres^ p. *i02. — Funio. Bulletin de la Soriélé des anciens Élèves des Écoles d'arfs et métiers. — Hurjr. Traité des Ohau-lièrcs. — Ilendcrson. Journal of Franklin Instituiez 1873.

MACHINES TUËHMIQUES DIVERSES. 829

ligny, à l'état sphéroïdal, ou quand on évapore des dissolutions salines, telles que l'eau de mer successivement rapprochée par la volatilisation.

On rencontre des éléments analogues dans Vàéro-vapeur simplex de Davey (*).

515 — On peut rattacher au môme ordre d'idées l'emploi de la bouUloUe Mékarskiy dont nous avons parlé ci-dessus (n* 547). En réchauffant l'air par son passage à travers une certaine quantité d'eau maintenue sous pression à une température supérieure à 100 degrés , on imprègne ce fluide d'une certaine quantité de vapeur, qui vient travailler avec lui dans le cylindre; et Ion évite en même temps les inconvénients qui résulteraient de la congélation de la neige et de la glace dans les mécanismes.

La machine à nuage blanc de Marchant {') était encore plus compliquée. L'air s'y trouvait comprimé plusieurs fois de suite, avec refroidissement intermédiaire au milieu d'une masse d'eau, dans le sein de laquelle il se chargeait successivement d'humidité. Il était finalement chauffé à l'aide d'un serpentin avant son admission dans le cylindre moteur.

Les machines à foyer fermé et à vent forcé ont été indiquées originairement par Belou, puis réalisées par Pascal (^), et perfectionnées par M. Dufay, ingénieur de la marine. Le foyer est complètement isolé. II reçoit le combustible à l'aide d'un sas, moyen d'alimentation qui évite (pour le dire en passant) le refroidissement dû à l'ouverture des portes, et au courant d'air qui s'établit momentanément du foyer à la cheminée. Le vent est donné à la fois au-dessus et au-dessous de la grille par un système de tuyères, en consommant pour cet objet une partie de la force motrice. L'eau est fournie par un pulvérisateur au ciel du foyer. Les produits, gaz brûlés et vapeur d'eau, s'engagent ensemble dans le cylindre moteur, en y entraînant malheureusement des cendres et des escarbilles, qui encrassent et rayent les surfaces. L'on s'eflbi'ce d'ar-

l^j Portefeuille économique des machines, 1881. p. ^ii.

(*) licvuc universelle des mines et de la métallurgie, l. XXVlll, p. 4(w.

'^) Génie industriel, janvier 1861, p. 57.

S30 TBEItHODÏNAHIQUE.

réter en roule ces deiiiièi'cs (n" 328) au moyen de chicanes et de gouttières renversées, destinées à barrer le passage aux finei qui montent le long des parois. Le jeu du pulvérisateur est parfois un

Flg. iSO- — Noteur I g» flugon (coupe vi

peu incertain. S'il lance trop d'eau, le feu s'éteint; si ce liquide n'est pas en quantité suffisante, la Icinpci-ature devient eicessiïe, brûle les graisses et fait giipper le piston. La vapeur d'eau se retrouve encore dans la machine à gai à

MÂGUiNES THERMIQUES DIVERSES. 831

Hugon ('), dans le but d'amortir la température excessive de Tinflammation, en soustrayant à la masse les calories nécessaires pour la vaporisation de Teau. Ce liquide est injecté par un pulvérisateur avant la déflagration du mélange (fig. 290). On remarquera qu'il ne s'agit plus dans ces derniers exemples, comme au commencement de ce paragraphe 9 d'une quantité relativement faible d*air noyée dans une masse prépondérante de vapeur. Les termes de la question sont maintenant renverses.

On rencontre une donnée identique dans le moteur Éclipse et dans la machine de Boullon.

HACHIKES A VAPBCB HVBCHAVFFËE

516 — Nous pouvons théoriquement envisager comme un intermédiaire entre la machine à vapeur saturée et le moteur à air chaud, l'emploi de la vapeur surchauffée {*). Ici encore, c'est l'eau

{*) Tresca. Annales du Conservatoire des arts et métiers j 18G6. -»- Résal. Mécanique générale^ t. IV. p. 442. — Hirsch. Rapports de la Commission internationale de VExpogitioH universelle de 1878, groupe VI, classe 54, p. 305. — Sciama. Moteurs industriels^ p. 210. — Ilaton de la Goupillière. Revue des Cours scientifiques^ 18 ma

(') Leloutre. Machine à vapeur surchaufTée de H. Iliro. Bulletin de la Société industrielle de Mulhouse^ 20 août 1865. — Cazin et Hirn. Mémoire sur la détente de la vapeur surchaufTée. Annales de chimie et de physique^ 1867, 4* séné, t. X, p. 340. — Croullebois. Détente de la vapeur surcliaufTée. Comptes rendus de V Académie des sciences, t. LXXXl, p. 502. — Testud de Bcauregard. Application de la vapeur surchaufTée. Cos mos, t. XX, p. 100. — Armengaud. Traité des moteurs à vapeur ^ t. II, p. 458. — Génie industrielj septembre 1862. — SurchaulTe. Dictionnaire des arts et manufactures, — Hirn. Exposition analytique et expérimentale, t. II, p. 118. — Couche. Voie^ matériel roulant et exploitation technique des chemins de fer, t. III, p. 780. — Briot. Théorie mécanique de la chaleur, p. 120. — Combes. Principes de la théorie mécanique de la chaleur, p. 204. — Gallon. Cours de machines, t. I, p. 401. — Mallet. Étude sur les machines marines, p. 27.

Rankinc. Steam engine, iSlù, p. 428. — Fairbairn et Tate. On Ihc law of expansion of superheated steam. Philosophical Transactions, t. CLII, p. 501. — Zeuner (Ucbcr das Verbalten dcr ueberhititcn uud der gemisditcn Wasscrdampfe. Civil Ingénieur, t. \ni, 1867. — Théorie mécanique de la chaleur ^ p. 420. — Journal de la Société des Ingénieurs allemands^ t. XI, p. 1867).

qui sert de véhicule à la chaleur, mais la vapeur, après avoir été formée au moyen d'un générateur ordinaire, vient recevoir un coup de feu dans un serpentin qui se trouve placé à Tintérieur de la boite à fumée (')• à une distance assez grande du liquide pour que, grâce à la vitesse du courant, elle puisse en être considérée comme efiectivement détachée, sans quoi elle resterait forcément' saturée. Dans les machines compound, la séparation est encore plus nette, et Ton surchaufTe la vapeur pendant son trajet du petit au grand cylindre (*).

Le fluide s'éloignant ainsi de la saturation, Ton se place en quelque sorte sur le chemin des propriétés asymptotiques qui caractérisent les gaz parfaits. Ce simple aperçu suffit pour concevoir que quelques-uns des avantages qui ont été signalés ci -dessus (§ 1) comme appartenant aux moteurs à air chaud, puissent èlre réalisés en partie, sans abandonner cependant les qualités accessoires qui sont propres à la vapeur d'eau.

Le bénéfice le plus net consiste en ce que ce fluide, en acquérant, par sa séparation de son liquide, la faculté de se charger de nouvelles calories, se trouve en état, comme l'air de raéro-vapeur(n* 514), de recueillir une partie de la chaleur que les produits de la combustion sont en train d'emporter en pure perte au dehors. On améliore d'autant le coefficient économique calorifique €,.

Le facteur e^ est influencé de son côté, attendu que le cycle eflectif se rapproche mieux des adiabatiques du cycle de Carnot. En effet la vapeur surchauffée, lorsqu'elle se trouve au contact d'une paroi froide, a une certaine étendue de l'échelle thermométrique à parcourir, avec une faible perte de chaleur, avant d'arriver à la saturation, où elle se dépouille d'un seul coup, par sa condensation, de tout le calorique r. Par compensation, à la vérité, les isothermes

(*) On a parfois employé à cet effet une enveloppe de vapeur. Mais l'on ne saurait obtenir ainsi qu'une simple dessiccation de l'humidité entraînée, et non une surchauffe réeUe de l'ensemblet puisque * la température ne peut être qu'inférieure à celle de U chaudière.

(*) U existe encore d'autres moyens de surchauffer la vapeur. On peut, par exemple, avoir recours à la compression, à l'aide d'un travail extérieur; ou à la dilatation sans production de travail externe. Mais le chauffage direct est le seul mode qui soit employé industiMellement dans les machines, bien que certaines circonstances acces^ircs de la distribution se rattachent à l'un ou l'autre des deui modes précédents.

Machines thermiques diverses. 8:5

seront plus difficiles à maintenir que dans la machine à vapeur saturée.

On obtient, enfin, une certaine amélioration du fait de e, puisque la température peut être portée plus haut qu'avec la vapeur, sans exagérer autant la pression.

La surchauffe, en supprimant Thumidité entraînée par la vapeur, et diminuant, ainsi qu'il vient d'être dit, les condensations sur les parois, restreint pour ce double motif la précipitalion d'eau liquide, dont nous avons détaillé ci-dessus les inconvénients au point de vue thermique (n° 499), et qui expose à des coups d'eau capables de faire sauter les fonds du cylindre, si l'on ne manœuvre pas en temps utile les purgeurs.

517 — Au point de vue théorique, les lois de la vapeur sur^ chauffée manquent encore d'une précision suffisante pour nous nous permettre d'y asseoir une doctrine certaine relativement à l'emploi de cet agent (*). On ne peut que procéder d'une manière approximative, en faisant une hypothèse sur la chaleur spécifique à pression constante C de la vapeur surchauffée. Indiquons la marche à suivre à cet égard.

Nous écrirons à cet effet l'équation de Clausius (n" 458), en égalant à zéro l'entropie du cycle fermé que parcourt le kilogramme moteur, depuis sa sortie de la chaudière jusqu'à son retour à ce point de départ pour s'y volatiliser de nouveau.

(') M. Him a formulé une loi, d'après laquelle Ténergie intérieure U d'une vapeur surchaufTée vaille proportionnellement au produit pv, depuis le point de condensation iusqu'à ce qu'elle puisse être assimilée à un gaz parfait. La rigoureuse exactitude de cet énoncé a été révoquée en doute par M. Zcuner, bien qu'il la trouve concordante avec le degré de précision des expériences actuelles {Théorie mécanique, p. 450). Ce dernier auteui* admet que Tadiabatique de la vapeur surchauffée a pour équation :

pt;> = const., {Théorie mécanique^ p. 448). La courbe isotherme serait, d'après lui ;

pv — Cpl = R/.

X. Lcdoux a rattaché par le calcul ces deux équations l'une à l'autre [Annaleê des mmr«, juillet-août 1878, p. 176).

V La volatilisation exige la quantité de chaleur r,, à la température constante l^ du générateur; d'où Tcntropie :

2"* La surchauffe consomme à chaque instant, sous la même pression constante ('), Télément calorifique Ç!dt\ d'où l'entropie élémen-

taire — — > qu'il nous faut intégrer depuis t^ jusqu'à la température

t de la surchauffe :

'' ddt

S"* La détente est supposée adiabatique. Elle n'a donc pas d'entropie.

4** Cette détente, en refroidissant la vapeur, l'a rapprochée progressivement de la saturation, que celle-ci a fini par atteindre. A partir de là se produira la condensation partielle (n® 486) d'une quantité de vapeur 1 — x^, de telle sorte qu'il ne reste plus à la iSn que le poids inconnu de vapeur x^. Cette masse possède encore la chaleur de vaporisation r^x^j qu'elle cède finalement au condenseur pendant le refoulement dans cette enceinte. Si nous en confondons la température avec /,, l'entropie de cette période isotherme sera :

— lïh.

5*" Une compression adiabatique refoule le liquide dans la chaudière. L'entropie est nulle.

6** Le corps se réchauffe alors de /, à Z^, en consommant graduellement des quantités de chaleur (/p., à des températures croissantes i ; d'où l'entropie :

'}) En supposant une libre cuimnunicalloii avec la chaudière.

MACniNES TAERMIQUES DIVERSES. 835

L'équation de Clausius devient donc, en réunissant ces différents termes :

Elle nous fournit x^, teneur en vapeur à la fin de la détente, qui était restée inconnue :

518 — Évaluons actuellement la quantité de chaleur qui a été convertie en travail.

Le kilogramme moteur a d'abord reçu, sous la forme liquide, le calorique \i.^ — pi, pour le porter de la température /, à /,. En second lieu, il lui a fallu r, pour se volatiliser. Puis on lui a communiqué,

pendant la surchauffe, le total / C'dt.

De cet ensemble, la quantité r,x, est seule parvenue au condenseur. La chaleur utilisée dans la machine est donc :

iJ^i — t*ï + »'i — ''i^î + f C'dt,

ou, en remplaçant r^x^ par sa valeur :

Si maintenant nous nous reportons à l'expression (141) qui a été trouvée pour la chaleur utilisée à l'aide de la vapeur saturée sèche :

d[jL T

on l'econnatt, en prenant la différence, que l'excédent d'effet

85G THERMODYI^ANIQIE.

utile réalisé dans le cas actuel se résume dans l'expression ;

L'avantage proportionnel serait marqué par le quotient de ces deux dernières fonctions.

519 — Ainsi que nous l'avons annoncé, nous ne pouvons achever le calcul, en l'absence de connaissances certaines, qu'en faisant sur C l'hypothèse qui paraîtra la plus plausible.

Considérons simplement ce coefficient comme constant et égal à 0,48 (*). Dans ces conditions, la dernière intégrale devient :

(tii) o^^s(e—t, — t,LÇj

Si, pour prendre un exemple, on suppose un condenseur à 40 degrés, une chaudière à 5 atmosphères, ou 152 degrés, et une surchaurt'e à 300 degrés (*) du thermomètre usuel, nous devrons faire :

L'expression (144), multipliée par E, représente pour Tunilé de poids :

Comme on a d'ailleurs :

îxi — lA, = 112, r^ = 499,

la fonction (143), multipliée par E, a pour valeur :

62328'vn.

(') La moyenne des nombi*es fournis par les expériences de RegnauU est 0,4805i. (*) En pratique, il est diflicilc de dépasser 220 degrés, sous peine de brûler les ga^ nitiires, en déterminant le grippement des pistons et des tiroirs.

MâGHIiNES thermiques diverses. 837

Le rapport de ces deux nombres est 0,16. La surchauffe, dans ces conditions moyennes, donnerait donc théoriquement un bénéfice d'un sixième environ (*).

HACHINES A ACIBE CARBONIQUE

5SO — Acide carbonique. — Nous avons actuellement épuisé toute la série des applications thermiques de Tair et de Teau. Mais rimagination des inventeurs ne s*en est pas tenue à ces deux fluides, et s'est encore donné carrière sur un assez grand nombre d'autres corps, en vue de les utiliser comme véhicules de la chaleur.

Si nous revenons au type de la machine à vapeur saturée pure et simple, nous pourrons citer l'emploi sous cette forme de Vacide carbonique liquéfié (*). Lorsque, entre les mains de Thilorier, ce gaz cessa d'être incoercible, Brunel conçut l'idée de le substituer à l'eau comme agent des machines motrices, afin d'utiliser son énorme tension de vapeur (').

En 1855, Ghilliano et Cristin (*) reprirent cette idée dans les con-

(') Ou remarquera qu'il ne s'agit ici que d'un simple exemple numérique, évalué à un point de vue abstrait, auquel la pratique viendra mêler des correctifs de diverses sortes Il ne faut donc pas trop s'étonner de l'extrême divergence des vues qui ont été émises sur ce sujet. Tandis que Brioi{Thé&rie mécanique de la chaleur, p, 123) regarde l'emploi de la vapeur surchauffée f comme l'un des perfectionnements les plus importants qui c aient été apportés à la machine k vapeur » ; H. Pochet {Nouvelle mécanique industrielle, p. 144] estime que c à aucun point de vue la surchauffe ne procure d'avantage. Elle c crée au contraire des inconvénients réels qui se traduisent par une perte de rendec ment. Aussi ne parait-elle appelée à aucune espèce de succès pratique. » H. Moutier [La thermodynamique et Met principaleê applications, p. 293) apprécie de la manière suivante l'état actuel de la question : c II ne faut pas songer à établir a ,pHori une c théorie de la machine à vapeur d'eau surchauffée. L'étude expérimentale de cette € machine est nécessaire pour renseigner sur ce point important : Est-il avantageux de « surchauffer la vapeur ? >

{*) Clausius a fourai les données numériques relatives à ce gaz dans un article inséré au recueil La Lumière électrique, t. XYIl, p. 241.

(3) Brunel. Vlnduêtriel, 1827. — Laboulaye. Dictionnaire des arts et manufactures.

(*) Armengaud. Traité des moteurs, t. II, p. 457. — De ({raHlgliy. Us Moteurs anciens et modernes, p. 274.

dilions suivantes (fig. 291). Un canon épais en fer foi^é et embouti renferme le liquide. Le cylindre-moteur est chauffé au bain-marie à la température de 90 degrés. Le retour du piston refoule le gai dans un condenseur de surface, qui est formé d'un serpentin cmironné d'eau froide. Une pompe y reprend le liquide, et le refoule

Fig. !<ll. — Holeiir Ghilliano cl Cri-iliQ a acidp carbouique (coup? vcrtlialc|.

dans le résenoir, où il termine le cycle de son évolution. Les épaisseurs et la qualité du métal doivent être à toute épreuve, car les pressions sont formidables. Lorsque le bain-marie atteint une température de 100 degrés, la tension est de 158 kilogrammes par centimètre carré.

Le prix de revient assez élevé du liquide importerait peu au fond dans la circonstance actuelle ('), car c'est toujours la même quantité qui fonctionne, et il y a lieu tout au plus de réparer de temps en temps les pertes. Mais l'idée fondamentale qui avait conseille son emploi manquait de justesse. La pression gigantesque qui

(') Co prix s'est du its(c beaucoup abaissé dans ces derniers temps (ItuiUlîa rfr I* Sociélé d'eaeouregcmeat pour Viiidutlrie nationale, ÏT février 1885). Je noleni i(i. 1 ce propos, que l'on a iiislallé, sur un point de dégagement naturel de ce gai. dias U vulli'e du llliiii, une fabric.ition d'acide carbouiquc liquide, en vue de diverses appli' calions, cl nntaininenl pour celle!: (|iLi intéressent tes brasseries.

lIACniNES TRERVIQUES DIVERSES. 839

avait évidemmenl séduil l'inventeur présente peu d'avantages, en même temps qu'elle expose aux plus grands dangers. Nous savons en efTel que le coefficient t qui règle le rendement ne dépend que de l'écart des températures extrêmes, lesquelles sont précisément très rapprochées dans ce programme. Ce n'est d'ailleurs assurément

Fie. ïfS' — Holcur Hirquii ï aciilc carbonique (vue pri^pcc(ivp).

pas d'après des considérations accessoires, de nature à influencer les autres facteurs £,, s,, s, du rendement, que l'on pourrait, dans des conditions aussi défavorables, espérer racheter celte inrériorilé fondamentale. On n'aperçoit a priori qu'un seul avantage : le volume extrêmement réduit du i-écepleur, pour une puissance déterminée.

M. Marquis (') a néanmoins insisté de nouveau sur cette idée. Son moteur rotatif (fig. 292) est contenu dans un petit cylindre placé au sommet du dôme qui constitue la chaudière, et au pied duquel se trouve le condenseur renfermant le serpentin.

Un essai plus récent parait avoir eu lieu sur les tramways de Chicago ('). Le chargement ne demande que seize minutes pour fournir à un service de six heures, sans bruit, sifflement, fumée, vapeur, flammèches ni escarbilles répandues sur la voie publique, circonstances impossibles à éviter avec les tramways à vapeur.

M. Mékarski a également présenté un projet analogue en 1881 {%

Bftl — Alcool, éther^ gaz ammoniac. — En dehors de Tacidc carbonique, on a essayé divers liquides volatils ou gaz liquéfiés.

Cartwright en \ 191, et plus récemment MM. Tissot (*), Beghin (*), le docteur Herr, ont proposé des machines à vapeur d'alcool ou d'éther, espérant retirer des propriétés de ces corps certains avantages spéciaux. On a également essayé le gaz ammoniac, liquéfie par la pression en dehors de la présence de l'eau (•).

D'une manière générale, on peut rappeler à cet égard le théorème de Carnot, d'après lequel la nature du corps véhicule de la chaleur reste sans influence sur le rendement, sous tout aulre rapport que celui des températures qu'il peut permettre d'atteindre pratiquement. Tel est précisément le côté saillant de la substitution de l'air à l'eau (n® 507), et le principal objectif à ne pas perdre de vue dans la voie en question, qui parait du reste devoir être peu féconde; les propriétés des corps les plus répandus étant déjà très complètement connues.

&Z1t — Vapeur de pétrole. — Ajoutons cependant que la va-

(*) De GrafGgny. Les Moteurs anciens et modei-nes, p. 277.

(*) Moniteur industriel, 10 juin 1886, p. 181. — Courrier de Londres, 1886.

(3) Congrès de Blois de l'Association française pour l'avancement des sciences, p. 155.

{*) Tissot. Mémoire sur une nouvelle macliine à vapeur d'éther. Comptes rendus de l'Académie des sciences, t. XLV, p. 525.

(') Degliin. Machine propi*e à tirer avants^eusenient parti de la force expansÎTe de la vapeur d ether sulfurique. Ibidem, t. LH, p. 1025.

(^) U ne faut pas confondre ces moteurs avec ceux qui feront l'objet du paragraphe C, et qui reposent sur l'emploi d'une solution aqueuse d'ammoniaque.

MACHINES THERMIQUES DIVERSES. 841

peur de pétrole a paru se recommander par une circonstance spéciale : l'excellente lubrifaction qu'elle entretient dans les organes. En outre, la faiblesse de sa chaleur spécifique permet d'effectuer sa condensation à l'aide de surfaces refroidissantes inférieures à celles que réclame la vapeur d'eau.

M. Yarrow de Londres a construit un moteur à vapeur de pétrole (*) qui diffère essentiellement des moteurs à pétrole exa* minés ci -dessus (n"" 428). Cet hydrocarbure ne figure dans les précédentes machines qu*à titre de combustible incessamment renouvelé, et destiné à échauffer l'air, qui forme alors le véritable véhicule dilatable de chaleur. Ici, au contraire, l'essence de pétrole sert elle-même de véhicule pour le calorique ; et une quantité déterminée de ce fluide, toujours la même, se trouve enfermée dans l'appareil, où elle accomplit son cycle de transformations.

L'essence employée a pour densité 0,72. Pour plus de simplicité, l'on se sert en môme temps de pétrole comme combustible, à bord de l'embarcation sur laquelle a été installé ce moteur. Il marche à 5 kilogrammes de pression, avec une consommation de 2 litres par cheval et par heure. En estimant le prix de l'essence à 0 fr. 10 le litre, le cheval-heure ressortirait à 0 fr. 20, c'est-à-dire beaucoup plus cher qu'avec la houille et les conditions ordinaires. Ce n'est donc pas au point de vue de l'économie, mais seulement d'après certains avantages accessoires que pourrait se i^commander ce récepteur.

MAGHIIVEM h. VAPEURS COHBIlVEEfl»

51i8 — En restant encore sur le terrain des vapeurs saturées, il nous reste à parler des machines à vapeurs combinées ('). On peut

(<) La Nature, 21 juillet 1888, p. 113. — Chronique induêtrieile, 1«' et 29 juillet 1888. — Génie civil, t. XIII, p. 175, 217. — The Ettgineer, 25 mai 1888. — Mémoire» de la Société deê Ingénieur» civiU, mai 1888, p. 680; août 1888, p. 548.

(*) Stapfer (Utilisation des vapeurs auti*es que la vapeur d'eau. Bulletin de la Société eeienlifique et industrielle de Marseille, 1880, p. 187. — Amiral PAris. Traité de l'hélice propulëive» — Publication industrielle d'Armengaud, t. V. — Les Mondes, t. LV,

se figxirer un tel appareil comme constituant une série de moteurs que la chaleur parcourt successivement, en passant de Tun dans Tautre. Le condenseur de chacune d*elles constitue le générateur de la suivante; et le liquide refroidissant pour la précédente» devient, pour celle qui lui succède, le véhicule de la chaleur qu'il vient de soustraire à sa conjuguée. Il va sans dire que ces liquides successifs (si, pour mieux mettre le principe en évidence, nous concevons un nombre quelconque de moteurs, lequel en réalité s'est toujours réduit à deux) doivent être de plus en plus volatils. De cette manière, lorsque la température de la première substance s*est abaissée au point que sa tension de vapeur vient à défaillir complètement, et n'est plus capable d'exercer un effort de quelque importance sur un piston, on fait passer la chaleur dans un autre corps qui, pour cette même gamme de températures, possède en propre une pression beaucoup plus nette, et souvent même considérable.

Le premier terme d'un tel accouplement est toujours la vapeur d'eau. DuTrembley, initiateur de ce principe, utilisa comme second liquide, à diverses époques, l'éther sulfurique ('), ou le chlorure de carbone; M. Lafond, le chloroforme (*); M. Frot, l'esprit de bois (^); Bl. EUis, le sulfure de carbone (*). On a également proposé l'emploi de l'alcool, du chlorure de méthyle, de l'acide sulfureux liquide.

p. 671. — Revue industrielle, 1881, p. 281). — Babrock. Remplacement de la vapeur d'eau comme force motrice. Bulletin de la Société des ingénieurs civils, janvier 1887, p. 154. — Rankine. Manuel de la machine à vapeur. Traduction de M. Gustave Richard, p. 470. — Ha ton de la GoupiUiëi*e. Revue des travaux scientifiques, L II, p. 596.

(') Sur le navire qui portait son nom, en 1840. Une machine fixe de ce gpenre a é^« lement fonctionné à la cristallerie de la Guillotière, à Lyon.

Paul- Vincent du Trembley [Manuel du constructeur de machines à vapeurs eombinées ou machines binaires, Lyon, 1850. — Machines à vapeur combinées. Annales des mines, 5* série, t. IV, p. 203, 281). — Rapport de Geoi^s Rennie, 1852. — Rapport lithographie de E. Gouin sur l'essai du navire le Brésil, 1855. — James Janneson. Mémoire à l'Institution des ingénieurs civils de Londres, février 1859.

('} Sur le navire le Galilée. — Du Trembley. Application du chloroforme aux machines binaires. Annales des mines, 5* série, t. IV, p. 219.

(') Bulletin de r Association scientifique de France, mai*s 1870, p. 170.

(*) Sonnet. Dictionnaire de mathématiques pures et appliqiiées, p. 736. ^- Boca. Congrès de Blois de l* Association française pour l'avancement des sciences, 1884, p. 155. — Rankine. Manuel de la machine à vapeur, note de M. G. Richard, p. 683. — Machine Robert Lake. — Machine Félix Roland.

MACHINES THERMIQUES DIVERSES. S43

Les corps très volatils présentent malheureusement en général le défaut de rinilammabilité» redoutable surtout à la mer, nécessitant l'emploi des lampes de sûreté dans les soutes des machines^ et exposant à des explosions si des fuites de vapeur arrivent sur le feu nu des foyers. Leur grande subtilité détermine en effet, à travers les joints, des fuites dangereuses et des pertes anti-économiques. Leur toxicité est nuisible aux mécaniciens. Plusieurs cas d*asphyxie ont été signalés; et il devenait alors nécessaire, pour parvenir jusqu'aux victimes et les retirer de ce milieu délétère, de se munir des appareils de mines destinés à ménager l'accès des milieux irrespirables ('). Quelques-unes de ces substances attaquent les garnitures, comme le chloroforme. En réalité, ce type de machines peut être considéré comme complètement abandonné.

M. Zeuner a dressé (*) un tableau instructif des diverses températurcs qui correspondent, pour quelques-uns de ces liquides, à une échelle graduée de pression. Il y a joint, à titre de comparaison, quelques substances étrangères à la question actuelle. On peut présenter ce tableau de la manière suivante, en le transposant d'après Tordre même de volatilité des corps qui le composent :

(*) llaton de la Goupillière. Cowê d'Exploitation des mitiM, t. II, p. 577.

(') Zeuner. Théorie mécanique de la chaleur. Traduction Arntlial et Gazin, p. 247. — Gàult et Xaury. The Efficiency of fluid in vapor cngincs. Fofi Noslrand's Engineering Magazine, novembre 1884, p. 415.

Tableau.

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MACHINES THERMIQUES DIVERSES. 845

524 — Il est facile de reconnaître qu'en théorie le principe des cascades de chaleur d'un corps à un autre ne peut rien donner de plus que l'emploi direct d'une substance unique, si les températures extrêmes restent les mêmes (').

Supposons en effet que l'on opère avec une première vapeur enti*c les températures t^ et t\ Le coefficient économique maximum e aura pour valeur (n"" 457) :

Ce que l'on recueille dans le condenseur de surface est donc la

t' fraction non utilisée y de la chaleur fournie.

Dans le cycle de la seconde substance, qui opère entre les tem-

t' — t pératures t' et f,, on utilise de même la fraction — p— * de la chaleur qui s'y trouve employée. Mais celle-ci n'est plus que la quantité disponible r- On obtiendra donc dans le second moteur :

et par conséquent, pour l'ensemble des deux appareils :

quantité identique à celle que l'on eût retirée d'emblée à l'aide d'un cycle de Carnot unique, fonctionnant directement enti^ les températures t^ et t^.

Comme d'ailleurs toute complication surabondante amène tou-

(') C'est absolument comme si, dans le domaine de l'hydraulique, on fractionnait en deux parties une hauteur de chute déterminée, pour les attribuer respectivement à deux récepteurs distincts, dont le second serait alimenté avec l'eau abandonnée par le moteur supérieur. L'elTet utile ne serait nullement modifié en tliéoric par cette subdivision •

846 THERMODYNilMIQUE.

jours un supplément de résistances passives et de pertes de travail, on peut s*attendre a priori à voir décliner e,, si e est resté le môme; c'est-à-dire, en définitive, à une infériorité réelle.

525 — Cependant les observations ont constamment accusé un certain bénéfice, bien que peu considérable. On peut rapporter cette circonstance à deux motifs distincts.

D'une part, la condition essenlielle à laquelle reste subordonné le calcul précédent a pu être écartée. Au lieu que le fonctionnement du nouvel appareil doive rester confiné entre les mêmes températures que celui d'une machine à vapeur d'eau, tout au contraire le second liquide est toujours choisi de façon à permettre d'utiliser efGcacement une échelle de températures plus basses; ce qui est la seconde manière d'augmenter e (n"^ 384), quand on ne peut plus élever davantage t^.

11 est facile d'apprécier la valeur numérique de cette amélioration. Si t' désigne, comme ci-dessus, la température à laquelle on est forcé par les propriétés du premier liquide de l'abandonner, on n'aurait pu réaliser dans un moteur simple que le coefficient économique :

Avec les machines à vapeurs combinées, on a obtenu, ainsi que nous venons de le voir :

tj — t.

Le rapport de ces rendements mesure l'avantage de ce dernier système :

Il nous montre que l'on gagne proportionnellement :

MACHINES THERMIQUES DIVERSES. 847

Supposons, par exemple, remploi de Télher sulfurique, qui bout à la température 6'= 38. Un condenseur ordinaire, supposé maintenu à 40 degrés, suffira donc pour volatiliser Téther dans ces conditions. Imaginons en même temps une machine marine d'assez basse pression : 2,6 atmosphères. La température correspondante de la vapeur d'eau est 0^ = 129. On pourra facilement réaliser la condensation de Téther avec de leau froide à 20 degrés. On aura par suite, en reportant celle valeur de 6, et celles des autres températures dans Texpression du bénéfice proportionnel :

soit un cinquième environ.

526 — En second lieu. Ton retire un nouvel avantage en ce qui concerne le coefficient économique spécifique e,, pour ce motif que le cycle réel se trouve plus rapproché d'un cycle de Carnot, ou mieux d'une succession de cycles de Carnot, qu'avec les machines à un seul liquide. On réalise en effet une meilleure adiabaticité à l'aide d'une succession de cylindres analogue au type connu sous le nom de machine compound. Tandis que l'ensemble utilise une chute de température de /, à f,, chacun des cylindres n'en met à profit pour son propre compte qu'une fraction. Les surfaces métalliques subissent donc des alternatives thermiques moins étendues, en se mettant successivement en communication avec l'admission et l'échappement. Or ce sont ces écarts qui déterminent les liquéfactions, si nuisibles au point de vue du rendement; et le défaut d'adiabaticité grandit avec leur importance.

527 — On doit encore noter une propiîété des macliines à vapeur combinées, qui peut avoir sa valeur lorsque l'emplacement se trouve mesuré avec parcimonie, comme c'est le cas de la marine par exemple. Elles présentent, à égalité de puissance, des cylindres sensiblement plus courts que les moteurs à vapeur d'eau et à cylindre unique.

Supposons en effet que ce dernier permette de réaliser le cycle représenté sur la figure 293 par le profil ABCD, dans lequel DC mesure le volume total de la vapeur à la fin de la détente, égal à

celui du cylindre, de telle sorte que l'on puisse considérer les abscisses comme proportionnelles aux longueurs des corps do pompe, supposés tous de même section.

Une fois arrivé en E, à l'extrémité d'un cylindre DE beaucoup plus court que DC, Ton trouve la pression EF trop alTaiblie pour pouvoir pousser plus loin la détente. On liquéfie donc la vapeur d'eau sur la paroi d'un condenseur de surface, à travci*s la paroi duquel la chaleur passe dans l'éther. La pression se relève subitement de EF en'EG; et une évolution analogue GHIE se reproduit dans un cylindre de longueur El moindre, non seulement que DC, mais même que EC.

En effet, puisque nous effectuons la comparaison des deux machines à égalité de puissance, il est nécessaire que l'aire GHIE soit équivalente à la partie FCE qui vient d'être supprimée dans le cycle ABCD. Il faut donc pour cela que la ligne III traverse en un point J la courbe de détente BC, de telle sorte qu'il y ait équivalence entre les aires GIIIF et JCI. On voit par là que les nouveaux cylindres DE et El, même mis l'un au bout de l'autre, n'atteindraient pas la longueur du cylindre unique DC.

— Machines à huUe. — La notion de l'échange de chaleur entre des substances successives a encore fourni le point de départ