CHAPITRE XVIII

GENERALITE» HVK LES !llA€HII\'Ef» A, AIR

— Nous avons, dans les trois chapitres précédents, éliidi le mouvement que prennent les gaz permanents lorsqu'ils sonl abandonnés à eux-mêmes, en dehors de l'intervention de corps étrangers, si l'on fait abstraction du frottement sur les parois fixes. Nous avons maintenant à examiner les appareils qui sont destinés à mettre ces fluides aux prises avec des organes solides, soit pour en recevoir de l'énergie, soit, au contraire, pour leur en communiquer. De là deux groupes de machines fondées sur l'emploi de l'air : les récepteurs et les opérateurs ('). Comme du reste l'énergie est elle-même susceptible de trois formes différentes : force vive, travail ou chaleur, il y aura lieu, dans chacun de ces deux groupes, d'envisager trois catégories distinctes.

En ce qui concerne les récepteurs, ceux qui sont destinés à recueillir la force vive des courants aériens sont nommés moteurs éoliens. Leur étude formera l'objet du chapitre XX. Ceux qui sont actionnés par l'énergie potentielle de l'air en tension constituent les moteurs à air comprimé (chap. XIX). Enfin ceux qui utilisent

(*) Nous avons (ii* 2) distingué dans toute machine trois parties essenlieUes : 1»' récepteur, Topérateur el les Iraiismissions. L'air peut également élro employé jwur jouer ce dernier rôle. Nous avons étudié ci-dossus (n" 303, 506) ce génie d'application.

l'énergie calorifique s'appellent moteurs à air chaud (chap. XXII, XXni, XXIV).

Pour les opérateurs, il y a encore lieu à une nouvelle distinction, qui ne pouvait se présenter à l'égard des récepteurs. Ces derniers ne sauraient en effet remplir leur rôle qu'en appauvrissant l'air moteur de l'énergie dont il est actuellement dépositaire. Avec les opérateurs, au contraire, on peut entreprendre d'agir sur ce fluide dans deux sens opposés, soit en le chargeant d'énergie, soit en la lui retirant. Chacune des trois dernières catégories doit donc être elle-même subdivisée par la pensée en deux classes distinctes. Mais il s'en faut de beaucoup que les six classes d'opérateurs ainsi constituées présentent, au point de vue industriel, une égale importance.

325 — Commençons par faire remarquer que chacune des trois formes de l'énergie comporte un zéro, au-dessous duquel on ne saurait la faire descendre. Seulement, dans les conditions de la réalité, nous nous trouvons, pour chacune d'elles, plus ou moins éloignés de ce point.

En ce qui concerne la force vive, rien de plus aisé que d'atteindre le zéro. La force vive ne peut être négative. Elle est nulle dans les objets en repos (*), et toutes les influences naturelles concourent d'elles-mêmes à y réduire les corps en mouvement.

La pression ne saurait non plus devenir négative. On peut la concevoir nulle dans un espace rigoureusement déblayé de toute matière pondérable, et approcher beaucoup pratiquement de cette limite, dans les milieux excessivement raréfiés qui ont donné lieu aux expressions de vide barométrique^ état radiant, etc.

La température absolue ne peut pas non plus devenir négative, à Imverse de ce qui a lieu pour la température usuelle. Quelque notion que l'on veuille d'ailleurs rattacher, au point de vue abstrait, à ce zéro absolu ( — 273^ de l'échelle usuelle), il est certain que nous resterons toujours pratiquement tellement éloignés de ce

'; Nous parlons ici, bien entendu, de la force vive visible. Si l'on veut rattacher la température à la force vive moléculaire (p. 387, note 1), c'est dans un instant qu'il sera question de ce second élément.

496 THERMOD^mHfQU£.

point, que ces appréciations ne sauraient présenter, au point de vue industriel, aucun intérêt.

326 — Sous la réserve de ces explications relatives à la limite qui nous est imposée pour chacun des trois genres d'énergie, on peut évidemment entreprendre, soit d'augmenter, soit de diminuer la provision actuelle qu'en renferme Tair sous chacune de ces trois formes.

En ce qui concerne la pression, on est aujourd'hui en état d'agir puissamment dans l'un et l'autre sens; principalement pour augmenter cette tension, avec les compresseurs^ mais aussi pour la diminuer, à l'aide des machines pneumatiques (*). Ces deux classes d'appareils feront l'objet du chapitre XIX.

Pour la température, c'est l'inverse qui a lieu. L'industrie es! surtout armée en vue de la diminuer dans les machines frigorifiques, très répandues en raison de la pauvreté relative des moyens que la chimie met à notre disposition pour réaliser un froid intense. Mais le rôle de la mécanique est, au contraire, des plus effacés pour élever cette température à l'aide des machines calorifiques; attendu que le domaine de la chimie fournit les moyens les plus simples de se procurer de la chaleur à l'aide d'un foyer de combustion. Ces deux classes d'opérateurs seront envisagées dans le chapitre XXXI.

Quant à la force vive, il s'attache, pour la métallurgie, la venlilation des mines ou des édifices, etc., une utilité de premier ordre aux moyens de la communiquer à des masses d'air stagnantes, à l'aide des machines soufflantes. Mais lorsqu'il s'agit, au contraire, de retirer artificiellement la force vive de l'air qui s'en trouve animé, le problème ne se pose pour ainsi dire pas, au point de vue de l'utilité industrielle envisagée en grand. Cependant les moyem d'atténuation des mouvements de Vair sont loin d'être sans intérêt, et je commencerai, par quelques considérations sur ce sujet, le présent chapitre consacré principalement aux machines souiflantes.

(*) On a établi, pour l'extraction pneumatique des mines d'Épinac (Saône-et-I»ire , une machine pneumatique de miUc chevaux nominaux. Haton de la Goupillière, Cow^ d'Exploitation des mines, t. Il, p. 188.

n*¥ENS D'ABIORTIK LES nOUVBnENTS BE L'AIK

3«T — Les moyens que l'on met en œuvre pour atténuer les mouvements de l'air sont tous d'ordre statique. On n'emploie pas dans ce but de machine en mouvement, bien qu'il fût assurément aisé d'en concevoir. La dépense qu'elle occasionnerait peut en effet, puisqu'il ne s'agit que de créer des résistances, être évitée à l'aido d'installations fixes très simples.

Le problème de la suppression des courants d'air se pose parfois pour cel unique motif, qu'ils sont gênants dans les habitations ('). Je citerai à ce point de vue l'emploi des double» fenêtres, moyen très rationnel, beaucoup plus employé autrefois qu'aujourd'Jiui avec des murailles épaisses, et encore extrêmement répandu dans les pays froids. En Iractionnant ainsi en deux !a chute de pression du dehors au dedans(*), on amortit beaucoup la fuite d'air qui se produit à travers les interstices. En effet, les diverses formules de l'écoulement des gaz, telles que celles de Navier ou de Weissbach (33 et 34), dépendent du rapport des pressions dans des conditions qui font tendre la vitesse vers zéro, lorsque ce rapport se rapproche lui-même de l'unité. Dès lors chacune des vitesses qui s'établiront à travers les passages successifs de l'extérieur au sas compris entre les deux fenêtres, puis de ce sas au dedans, se trouvera notablement diminuée. 11 en sera par conséquent de même de l'entrée définitive de l'air dans l'appartement.

Cette remarque acquiert une grande importance en ce qui concerne le type des machines compound, dans lesquelles on a employé pour le fonctionnement du fluide moteur deux, trois, quatre et jusqu'à cinq cylindres successifs de plus en plus grands,

' Ou dangereux dans les mines pour les hommes en [ruispiration, et la sortie des llituiiies borï du tamis des lampes de sùrelé. 11 est alors Décessaire de s'atladier à proportionner au lolumc d'air exigé pour la ventilation, la section des galeries alTeclées 9 sa circulalion (Haton de la Goupillièrc, Court itExploilatioH det minet, I. II, p. 395).

t'j Soit sous l'inOuence du tirage des cbeminée», dans lequel le foyer agit comme moteor, soit par l'action du vent.

498 THERMODYNAMfQUE.

afin de mieux utiliser la détente progressive de la vapeur. L'allénuation des fuites qui tendent à s'établir autour des pistons, sous riniluence de la diflerence des pressions qui régnent d*une face à l'autre, sera d'autant plus accusée que la chute totale de tension qui s'étend du générateur à l'échappement, se trouvera plus fractionnée. Or, pour qu'une particule fluide soit définitivement perdue pour le fonctionnement moteur^ il faut qu'elle ait successivement traversé tous les jeux. On voit donc combien Teffet nuisible des fuites sera diminué avec ce dispositif.

On peut encore citer, dans cet ordre d'idées, l'organe ingénieux qui est connu sous le nom de piston Deleuil. Il est sans garniture, et ne touche pas la paroi du cylindre. Il s'en trouve séparé par une gaine d'air ('), que l'on cherche naturellement à réduire au strict minimum, mais dont l'existence suffit cependant pour supprimer tout frottement, en améliorant d'autant le rendement de la ma* chine. Seulement, pour empêcher qu'il ne s'établisse, dans ces conditions, une fuite intense, au lieu de dresser le pourtour du piston d'après une surface complètement cylindrique, on refouillc dans celle-ci, suivant un certain nombre de ses sections droites, des gorges en forme de demi-tore. Elles constituent autant de chambres dans lesquelles, en raison de cet épanouissement, proportionnellement considérable, de l'aire offerte perpendiculairement à l'axe pour le passage du courant, la vitesse de ce dernier diminue conformément à l'équation de continuité (35) . L'air y devient ainsi presque stagnant, en reprenant des pressions plus ou moins stables, d'après une échelle décroissante. On a donc, comme dans les cas préci^ dents, réussi à fractionner la chute totale de pression qui règne d'une face à l'autre ; et la même conséquence se reproduit pour amortir la fuite résultante (').

828 — Dans certains cas, on a intérêt à dépouiller l'air de sa

(*) Ou de vapeur, dans les machines fondées sur l'emploi de ce fluide.

f*) Ajoutons encore que l'on contribue & augmenter la difficulté de la iiltration. en effectuant le gi*aissage à l'aide d'une sorte d'émulsion qui encombre tout l'espace, et crée pour l'air une nouvelle résistance.

Remarquons d'aiUeurs que le piston possède une vitesse propre, qui réduit d'autant la vitesse relative, la seule dont dépende finalement la production effective des fuites.

MACBIHES SOUFFLANTES. 499

force vive, afin d'arrêter au passage les poussières qu'il entraîne avec lui ; soit que celles-ci doivent être considérées comme nuisibles pour l'usage auquel est destiné ce nuîde('), soit que ces poussières méritent d'être recueillies pour elles-mfimesC). Oa peut employer à cet égard divers moyens.

Je citerai en premier lieu les chicanes (fig. 195) qui, en contrariant sans cesse le sens de l'écoulement, dans lequel elles déterminent une série de coudes,

arrivent à créer une résistance

(n*78) qui amortit d'autant la

force vive du fluide. En même

temps, on développe par là

des forces centrifuges qui ,

agissant proportionnellement pig. ,gg, chicanes.

à la masse , précipitent dans

les angles les corpuscules solides, les heurtent, et arrêtent ainsi

leur mouvement.

les rampants sont de longs couloirs, dans lesquels la force vive s'use par le frottement, qui est (n* 58) proportionnel à leur longueur ('). Les poussières s'y déposent peu à peu.

Je citerai dans le même ordre d'idées la subdivision de la geclion en un grand nombre de pertuis distincts, qui créera une grande résistance; le frottement étant également {n' 38) proportionnel au périmètre total de la section transversale du courant. C'est le cas des toiles métalliques que l'on superpose au nombre de deux et même de trois dans certaines lampes de sâreté destinées aux mines grisouteuses ('), afin de prévenir la sortie de la flamme hors du tamis sous l'action d'un courant d'air.

V élargissement de la section est un moyen puissant pour abattre

I '{ CoDunc c'est le cas de l'ilr cbaud des foyers termes Duray, qui est appelé à traiiiller dans le cylindre [n°515), où il est imporiimi qu'il n'apporte pas avec lui des cemireset des escarbilles.

1*) Telles que les fumées des mètaiu éminemment volatils qui s'oiydont en roule radaiies du linc): ou de ceux qui, bien que plus Aies, présentent, connue l'argent, une valeur exceptionnelle.

','1 En raéme temps ils donnent au refroidissement le temps de s'eflectuer et de lirovnquer la condensation des fumées.

'J Uatou de la GoupilliÉre. Court d'Exploitation det miit», t. II, p. 520, 5!9, 530.

la force vive d'une veine fluide, et l'on peut l'utiliser à deux points de vue distincts.

S'il s'agit encore d'arrêter des corps en suspension, on sait(') que la force capable de les entraîner est proportionnelle au carré de la vitesse. Celle-ci, de son côté, d'après l'équation de continuité (35), varie en raison inverse de la section, c'est-à-dire du carré des dimensions. La force d'impulsion se trouve donc diminuée en raison inverse de la quatrième puissance des diamètres d'écoulement. Un évasement au double, par exemple, rend 16 fois moindre la tendance à l'entraînement (*).

L'élargissement s'emploie également dans le but, purement économique, de récupérer la force vive qui a été engendrée à prix d'argent dans un moteur. Je citerai comme exemple la cheminée du ventilateur Guibal {^). On donne issue à l'air, hors du boisseau du ventilateur, à travers une trompe évasée. La section allant en croissant, la vitesse diminue, et dès lors, d'après le théorème de Bernouilli (n** 26), la pression va en augmentant. Comme d'ailleurs elle aboutit finalement, quoi qu'on fasse, à la tension barométrique, il s'ensuit que l'on a ainsi allégé la pression qui s'exerce directement sur les palettes de la roue, ce qui permettra de leur communiquer un même mouvement à l'aide d'un moteur moins énergique que sans l'emploi de cet appendice.

Il convient encore d'indiquer, parmi les moyens de retirer à un courant la force vive qui l'anime au sortir d'un corps tournant, Vemploi rationnel des aubes courbes. Nous avons vu ci-dessus (n** 201) comment, en disposant théoriquement le dernier élément de l'aube directrice dans une direction diamétralement opposée à celle de la vitesse d'entraînement, c'est-à-dire perpendiculairement au rayon, et déterminant en outre, d'après le choix de l'allure de régime, l'égalité entre cette vitesse d'entraînement et la vitesse

(*) Haton de la Goupinièrc. Traité des mécanismes, p. 438.

(-) C'est ainsi également, pour le cas des liquides, que l'on termine le labyrinthe des ateliers de préparation mécanique des minerais par de grands bassins de dépôt. L'énorme disproportion ainsi déterminée subitement dans la section du courant a pour effet de rendre la vitesse absolument insensible. Son carré devient un nombre d'une petitesse exti*êmc, et les troubles les plus Ans anivent à se déposer.

(') MatOQ de la Goupillière. Cours d* Exploitation des mine^, t. H, p. 459.

HACHINES S0L'FFL.U4TES.

relative, on arrive à annuler rigoureusement la vitesse absi par suite la force vive abandonnée avec le fluide. S'il es d'ajouter que ce principe remarquable a rencontré pour I raison de la faible densité de ce fluide ('), des obstacles s| qui ont fait renoncer à son emploi dans ce cas particulier, conserve pas moins toute sa valeur pour les turbines à méritait d'être rappelé dans l'ordre d'idées actuel.

MACHINES SOUFFLANTES. — »E8CKirTlttni

3X9 — Les appareils destinés à mettre l'air en mou appartiennent à deux classes bien distinctes, suivant qu'c demande de communiquer une faible vitesse à d'énormes gazeuses, ou, au contraire, d'imprimer une assez grande 1 à des volumes plus restreints. Ce dernier cas est celui de tallurgie, pour laquelle la pression reste, la plupart du comprise entre 15 et 25 centimètres de mercure. Le prei rencontre principalement dans l'aérage souterrain, avi dépressions de 5 à IS centimètres d'eau.

Je me suis occupé ailleurs (') des ventilateurs de mines, distingue en volumogènes et déprimogènes. Avec les prem genre d'action exercée directement a pour effet d'ébranler gé quement, par le mouvement des parois, des volumes d'aii dans des compartiments distincts. Ce jeu n'influence la press par contre-coup. Les seconds, au contraii-c, en déterminanl k>ment une dépression par un brassage rapide de la massf point, y provoquent, comme conséquence, un afflux d'air.

La première classe se subdivise en machines à piston et 1 leurs tournants, dont les types sont très nombreux. La s nous présente les appareils à force centrifuge et les ventila action oblique. De ces quatre catégories, la métallurgie n't

l'I Kilon de It Goupillière. Ccun ttEiploilation da minet. I. II. p. 45* 'J Utlon de la *;oupiUiére. Court d'Exploitation de> mine; t. Il, p. 4Î(

guère que les machines à piston et le ventilateur à force centrifuge. Comme j'ai du reste déjà étudié ce dernier en détail (*), je me bornerai à envisager ici les machines à piston (*).

330 — Ces appareils (^) sont, la plupart du temps, à traction dû reciCy et constituent alors le type tandem. Le piston à air et le piston

à vapeur sont montés Tun et l'autre sur une même tige, qui forme l'axe commun des deux cylindres du moteur et du ventilateur. Cet ensemble est parfois disposé verticalement (fig. 196 et 197), en vue d'économiser l'emplacement, d'éviter Tovalisation des cylindres, et d'obtenir un guidage plus facile du mouvement des clapets. En revanche, on s'expose ainsi à l'inconvénient résultant du poids des pistons et des tiges, qui influence inégalement les deux courses. On y a parfois remédié en donnant aux deux moitiés des tiroirs de distribution de la vapeur motrice des l'écoute) Haton de la Goupilliëre. Cours d'Exploitation des mines^ t. II« p. 456. (*J 0. Deny. Traité théorique et pratique des machines soufflantes^ 1887. — Jordaii. Cours de métallurgiey planches XXXI à XXXVI. — Percy. Traité complet de métallurgie Traduction de Petitgand etRonna, p. 109. — Gjers. Vertical blowing Engines. Cleveland Institution of Engineers^ octobre 1879. — Kohn. Iron and Steel. — Portefeuille de John CockeriU. — Vie Hûttenwesens-Maschinen fortschritte in der Consiruclion iind Anwendùng derselben seit dem Jahre 1876, von Julius Ritter von Uaucr. Geblâse. Supplément 1887.

(') Type Riedler, horiziJntal. Engineering, i^ et 15 août 1884, p. 105 et 152. — TîP»? Weimer, vertical. American Machiniste -2 octobre 1880, p. 7. — Type Gallo^i'ay, vertical. The Engineer, 11 mai 1883, p. 362. — Type Stevart, à balancier. The Engincer, l**" janvier 1883, p. 23. — Type des ateliers de la Meuse, compound. The Engineer, 8 janvier 1886, p. 25. — Types divere. Engineering, 12 mars, 29 octobre, 13 novembre 1875; 14 septembre 1877 ; 12 juîUet, 20 septembre 1878 ; 29 août 1870.

Fig 196. — Cylindre soufflant vertical (coupe verticale).

91. — Machine soufllante de Saint-Nazaire, type tandem^ par Galloway, à Manchester.

(Coupe verticale.)

004 TUERHODVNiMIHJlTE.

vrements inégaux. Avec ce dispositif, les cylindres sont ordinairement de forme trapue et rapprochée de la projection can-ée.

Mais on emploie plus souvent, en vue d'obtenir une plus grande stabilité, tout en facilitant la surveillance et l'accès des diverses

— r.ylindrc sauFllaal boriionlal fcoupc verticale).

parties, le type horizontal (iig. 198 et 199) avec des cylindres plus allongés. Pour soulager les garnitures à l'aide desquelles la tige

Fig. 199. — Hachine soudlante hariionUle, Ijpe landtai (Conpe TCrlicale).

traverse les fonds des cylindres, on soutient cette dcmici'e dans l'intervalle de l'un à l'autre, au moyen d'un large patin glissant dans un bain d'huile.

Un second dispositif constitue les machines à balancier (fig. 2(M)). Les tiges des deux pistons sont alors reliées, à l'aide de bielles ou

S06 THERMOD^TfAKlQUG.

sensible aux approches des points morts, afin d'amortir l'action du piston sur le lluide en fin de coui-se. C'est toujours, enelîel, dans ces i-égions que se manifeste le plus directement réchauffement des parois. La longue détente des moteurs à vapeur employés pour la commande de ces machines contribue ■É encore à ce ralentissement. Pour obs tenir, malgré cette circonstance, la ^ régularité du vent, on a soin de I croiser tes points morts de deui i3 machines souillantes semblables cou- ~ pices sur le même arbre. Cette assok ciation est bien justifiée; cependant I on ne doit pas méconnaître qu'en I principe il vaut mieux employer un V ou deux gros corps de pompe qu'un 3 plus grand nombre de cylindres s moindi-es ; car les fuites, la dépense ■" des garnitures, le graissage, aug- I mentent en raison du périmètre, et 8 leur influence proportionnelle irait I ainsi en croissant. On ne craint pas M d'atteindre au besoin des diamètres l de 5 mètres.

* Ces difîérents modelés présentent ^ l'inconvénient suivant. Comme il convient, autant que possible, d'agir sur l'air avec une certaine lenteur, afin d'éviter les grandes variations de température, on se voit obligé, pour obtenir un débit de quelque importance, au moyen d'un nooabre limité de coups de piston par minute, d'avoir un cylindre soufflant volumineux. Le cylindre à vapeur battant

MACHINES S

le même nombre de coups, devra