CHAPITRE XIX
DES€RIPTIO!V
337 — Machines pneumatiques. — On appelle compresseurs ou pompes de compression les appareils qui servent à mettre Tair en tension statique. L'énergie dynamique d'un moteur spécial, hydraulique ou à vapeur, est alors employée à créer dans cette masse diair une réserve de travail potentieU que Ton dépensera ensuite quand on le voudra, sur place ou à distance, au lieu de communiquer d'emblée à cet air une quantité égale à' énergie actuelle ou de demiforce vive, comme avec les machines soufflantes, qui viennent de nous occuper dans le chapitre précédent.
A côté de ces compresseurs positifs^ mentionnons les compresseurs négatifs, qui sont destinés à retirer à l'air une partie de sa tension élastique, et que l'on appelle ordinairement machines pneumatiques. On en a construit de très puissantes pour de grandes applications industrielles, telles que le système Clegg du chemin de fer atmosphérique de Saint-Germain, l'extraction parle vide due àZulma Blanchetaux mines d'Épinac, la transmission de la force à domicile par le procédé Boudenoot, fondé sur l'emploi do l'air raréfié, les freins à vide des chemins de fer, etc. (*).
>*) On a annoncé, sous cotte forme, des rendements atteig^nant jusqu'au chiffre de ^7 ^!o* cjui serait sans doute sujet à discussion (page 286, noie 1). Engineering. U avril 1874, p. 295
520 THERMODYNAMIQIIK.
Le principe reste toujours le -même dans ces deux classes d'appareils. 11 s'agit de puiser Tair dans une capaôité d'une tension inférieure, pour le comprimer jusqu'à la pression supérieure d'une seconde enceinte, et le refouler ensuite à l'intérieur de cette dernière. Nous n'aurons par conséquent pas deux théories différentes à formuler à cet égard, et il suffira d'interpréter convenablement, suivant les cas, les notations employées. L'atmosphère terroslic joue en effet alternativement, pour l'un ou l'autre de ces problèmes, le rôle de l'enceinte à moindre ou à plus grande tension. Je n'insisterai donc pas davantage sur ce qui concerne spécialement les machines pneumatiques, et je reprends, pour fixer le langage, le cas des compresseurs proprement dits.
338 — Compresseurs. — On peut ranger les compresseurs en deux grandes catégories, suivant qu'ils sont à piston ou sans piston. Les premiers figurent à peu près seuls aujourd'hui dans la pratique courante. Je me bornerai par suite, en ce qui concerne les autres, à de simples mentions.
Je citerai d'abord le compresseur à choc de Sommeiller, proposé pour le percement du Mont-Cenis, et bientôt abandonné en raison de son faible rendement, qui ne dépassait pas 45 pour 100. Le mode d'action de cet appareil rappelle le bélier hydraulique de Monlgolfier, et surtout les idées émises par M. le marquis de Caligny sur l'emploi des colonnes oscillantes (*).
On y peut rattacher les appareils à simple déplacement, qui ont été employés originairement par le service télégraphique, et pomraienl, dans certains cas, rendre quelques services dans les mines. L'eau sous pression s'y introduit alternativement dans deux cn-
(•) De Caligiiy [Notice tur les machines du Mont-Cenis, in-4», Turin, 1860. — Bulletin de la Société philomathique, 2 mars 1861. — L'Institut, 5 novembre 1865. — Ufritr universelle des mines et de la métallurgie, 1859. — Bulletin de VAcadémie de Bruxelles, 2* série, t, XI). — CoUadon. Comptes rendus de VAcadémie des sciences. t. LXXXII, p. 372. — Noblemaire. Description des béliers de Bardonnèclie. Bulleli» de la Société de l'Industrie minérale de Saint-Étienne, 1'* série. — Cazin. Applicalion de la théorie mécanique de la chaleur au compresseur hydraulique. Les Mondes, 1865 et 186i. — De Saint-Robert. Annales des mines, 1865, t. Hl. — Pernolct. Vair comprimé et ses applications^ p. 528. — Bibliothèque des Merveilles. Galeries souterraines, p. 476. — Sommeiller. lielazione délia Diraione termine alla Direzionc générale délie Strade ferrate dello Stato, Turin, 1865.
ceintes, au sein desquelles elle refoule Tair emprisonné. Le rendement de ces appareils est encore plus faible que le précédent, et reste compris entre 6 et 40 pour iOO (').
La Cagniardelle constitue un compresseur à faible tension, dont le mouvement est inverse de celui de la vis d*Archîmède. On connaît en effet le pouvoir dilatant de ce dernier appareil (').
Citons enfin les organes d'entratnement qui fonctionnent par Teau, Tair ou la vapeur. Le premier de ces trois modes constitue la trompe (n** 64, fig. 34). M. Félix de Romilly lui a donné une forme plus simple et plus avantageuse (^). On peut entraîner ainsi un volume d'air variant entre 0,75 et 1,75 fois celui de Teau. J'ai déjà cité également (n° 276, note 2) les résultats obtenus par ce physicien dans ses expériences sur Tcntraînement de Tair par l'air. En ce qui concerne l'impulsion par la vapeur, on peut mentionner les injecteurs Kœrting, Siemens, etc. (*), employés pour les souffleries, la production du vide, l'élévation de l'eau, avec des pressions qui ne dépassent pas O^jôS de mercure.
339 — Les compresseurs à piston, dont le point de départ, ainsi que de nombreux perfectionnements, sont dus à M. Colladon f ),
.*) Brunin. Compresscui* à colonne d'eau. lievtœ universelle des mines et de la mélaUurgie, t. lU, 1878, p. 639. — Albert Fournier. Sur un nouvel appareil hydraulique propre à aspirer et comprimer les gaz. Congrès de V Association scienlifique^ 1884, p. 82. — Pernolet. L'air eomprimé et ses applications, p. 435. — Frizell. Expérimenta on the compression of air by the direct action of watcr. Journal of the Franklin Institute, septembre 1877, septembre 1880.
(*; Delaunay. Cours élémentaire de mécanique, 1851, p. 597. — Bibliothèque des Meneilles. Galeries souterraines, p. 49.
(') Félix de Romilly. Étude sur V entraînement de l'air par un jet d'air ou de vapeur, 1875. — Comptes rendus de l'Académie des sciences, 18 janvier et 12 avril 1875. — Injecteur à air pour entraîner les eaux d't^gout. Bulletin du ministère des Travaux publics, août 1881, p. 155. — Pernolet. L'air comprimé et ses applications, p. 138.
;•) Bulletin de la Société d'Encouragement pour l'industrie nationale, 2* série, t. XX, p. 50. — Pernolet. L'air comprimé et ses applications, p. 139. — Institution of meckanical Engineers, 2 mai 1872.
;*; Pernolet. L'air comprimé et ses applications, Dunod, 1878; ouvra^re fondamental sur cette matière, renfennant (p. 93) une liste de 98 compresseurs divers, dont il présente les descriptions. — Pernolet. Mémoire sur l'application des moyens mécaniques aa creusement des puits et galeries. Bulletin de la Société de l'Industrie minérale de Sainl-Étienne, 2» série, t. Ill, p. 593. — Joseph Costa. Traité élémentaire de Vair romprimé. Baudry, 1888. -r- Cornet. {Ibidetn, l'* série. — Considérations sur la production et l'emploi de l'air cotnprimé. Mons, 1875). — Achard. Transmission
b±2 THERMODYNAMIQUE.
peuvent se classer aujourd'hui d'après le degré d'importance de Tensemble plus ou moins complet des précautions qui ont été prises par divers constructeurs, afin d'empêcher réchauffement de l'air. Ce point de vue prend tous les jours plus d'intérêt, car l'allure de ces appareils tend à devenir de plus en plus rapide, et une élévation de température exagérée risque de paralyser l'action
dos forces à distance. Atnialesdes minet, 7' série, t. VI, p. 131. 301 ; t. VH, p. ii6.
— Devillez. Percement du tunnel sous les Alpes et emploi des machines dam In mines de Libge, 1863. — Trascnsler. Travail par l'air comprimé. Hevue unit^erselU det wines et de la mélallurgie, t. XXXIII, p. 414. — llabets. Emploi de l'air comprimé. Ibidem^ 2* série, t. VII, p. 106. — Maréchal. Ibidem, t. IX, 1861, p. 815. — Mativa.Compresseui*s. Ibidem, 2* série, t. III, p. 668. — De Place. Bulletin de la Société de l'Industrie minérale de Saint-Etienne, 2" série, t. II. p. 735. — Baure {ibidem, i** série, t. Y, p. 627. — Annales des mines, 7* série, t. VU, p. 171). — Triger. Musée de lindusirie belge, 1841. — Dictionnaire des arts et manufactures, au mot Air comprimé.
— Gustave Hanarte. Emploi de Vair comprimé, in-8'. Mons, 1879. — Sorel. Compte* rendus de V Académie des sciences, t. XIII, p. 1033. — Compte rendu mensuel des séances de la Société de Vlndustric minérale de Saint-Étienne, janvier 1880, p. 23.
— Agostino Gavellero. Le machine a vapore. *-- Mechelcr Trêves. SuUa perforazionr mecanica, Venezia, 1864. — Taylor. Transactions of Norlh of England Institule of mining and mechanical Enginecrs, t. XXT, p. 73. — Kraft. Notes on compressed air and machinery for utilizing it. Proceedings of thc Institution of civil Engineen, 1884-85. — Jameson. On air compressing apparatus. Rep. of thc Brllish Association, 1803, t. II, p. 173. — Hasslacher. Zeitschrift fur dos Uerg Hiïtten und Salinenweten im Preussischen Slaate, t. XVII, p. 39. Traduction de Pernolct. Annales des minet, 6« série, t. XVII, p. 527. — Yerhandlùngen des Vereines wjr Beforderùag de< Gewerbfleisser, 1879, p. 576.
Compresseur Dubois- François, The Engineer, 28 mai-s 1884, p. 238. — Compresseur Sautter et Lemonnicr [Annales industrielles, 18 juillet 1880. — Hevue industrielle. 1880, planche 9. — Armengaud. Publication industrielle, 2* série, t. VIII, planche 26.
— Scieniific American, 5 mai 1883, p. 275). — Compresseur Triger, Rapport dp M. Devillez, Liège, 1863. — Compresseur CoUadon [Comptes rendus de l'Académie des sciences, t. LXXXII, p. 372. — Bibliothèque des Merveilles. Galeries souterraines, p. 256). — Compresseur Jeanson. Dunod, in-8», 1879. — Compresseur Tonnelier. Annales des mines, 6" série, t. III, p. 281. — Compresseur de Fives-Lille, Portefeuille économique des machines, 3* série, t. XII, p. 82. — Compresseur BrotJierhood. Engineering, 23 novembre 1881, p. 5<i5. — Compresseur Owen, ibidem, 13 mai 1881. p. 484. — Compresseur Kennedy, ibidem, 5 mai 1882, p. 452. — Compresseur Sturgeon, ibidem, 23 octobre 1874, 4 et 18 février 1881. — Compresseur Thwailer, ibidem. 8 janvier 1886, p. 33. — Compresseur Wrigth, Proceedings of the Institution of civil Engineers, 1882-85, n" 1920. — Compresseur Burton, Revue industrielle^ 1883, 1*1. 5.
— Compresseur Allen, American Machinist, 26 mars 1881. — Compresseur Clayton. Engineering Pietés, 24 septembre 1881, p. 383. — Compresseur rotatif Johnston, Revue universelle des mines et de la métallurgie, 1874, t. XXXVI, p. 344. — Compresseur Fish, American Machinist, \9 mars \^i, p. 8. — Compresseur^Humboldl, Engineering, 25 juin 1875. — Compresseur Welch, ibidem, février 1886, p. 175. — Compresseur Schramm, ibidem, 25 novembre 1881, p. 523. — Compresseur Bixitfeld, ibidem, 4 février 1881, p. 114 ; 10 avril 1885, p. 308.
des graisses en provoquant le grippement des surfaces métalliques.
Dans quelques-unes de ces machines, on ne prend à cet égard aucunes mesures spéciales, et Ton se borne à modérer la vitesse de régime, en acceptant Tinconvénienl en question dans ces proportions réduites.
D^autres compresseurs sont immergés dans une bâche d*eau froide incessamment renouvelée, et qui en embrasse toute la surface (fig. 205).
On obtient un résultat plus efficace, avec moins d'encombre-
Fig. 90o. — Compresseur Thwaiter à enveloppe hydraulique (coupe horizontale).
ment, au moyen des doubles enveloppes à circulation réfrigérante. M. Colladon en a étendu la pénétration jusque dans la tige et le corps du piston (fig. 206), complication qui tend du reste aujourd'hui a disparaître.
On fait également pénétrer Teau dans Tintérieur du cylindre. Je citerai d'abord dans cet ordre d'idées le compresseur à piston hydraulique (C\g. 207), à Tintérieur duquel le piston proprement dit, mobile dans un cylindre horizontal, est accompagné, sur ses deux faces, de colonnes d'eau qui se redressent dans deux corps de pompes verticaux munis, à leur sommet, de soupapes d'appel et d'cxhaustion. L'allure doit alors rester lente, sous peine de mettre ce bain liquide dans un état d'agitation inadmissible. Le rendement est de 0,40 a 0,50.
En vue d'activer la marche, on a recours, pour les compresseurs à piston sec (fig. 208 à 212), à l'injection, sous forme de pluie très fine, d'eau pulvérisée ^ dans la proportion de j— à 770^ du
volume aspiré. On a pu atteindre ainsi des rendements de 0,80 et même 0^85.
340 — En ce qui concerne l'importance des dimensions des compresseurs, et celle des résultats obtenus industriellement, on rencontre la plus grande variété, depuis la petite pompe de compression employée par M. Henri Fayol pour Talimentation de ses appareils de sauvetage (*) , jusqu'aux grandes installations qui servent au percement des longs tunnels, ou qui ont été créées par de puis santés Compagnies de mines.
En vue de faciliter les recherches minérales dans les contrées
Fig. 207. — Compresseur à piston hydraulique (coupe verticale).
formées de roches résistantes, MM. Sautter et Lemonnier ont construit un compresseur de montagne portatif (ûg. 213), ainsi qu'un compresseur locomobile monté sur roues (fig. 214).
On a songé à doubler d'une chemise de bronze l'intérieur des cylindres, afin d'en éviter l'oxydation sous l'influence de l'air humide, et de ménager en môme temps les garnitures des pistons. Mais cette précaution paraît embarrassante et inutile.
Pour le piston lui-môme, on peut recommander la garniture GiiTard, qui consiste en un morceau de cuir ou de caoutchouc logé dans une rainure du noyau métallique. On obtient aussi de bons rt'sultats avec Y anti friction, surtout pour remplacer la boite à
i*j I*crnolet. VAir comprimé et ses applications^ p. 98. — De Place. Bulletin de la Société de V Industrie minérale de Saint- Etienne, 2« série, t. II, p. 735. — Baure [ibidem, 1" série, t. V, p. 627. — Annales des mines, 7* série, t. YII, p. 171).
Je citerai également le compi'csscur à niaiii de Weindel [Sricntific American; octobre \^m, p. 360).
es
es
COHPRESSKlinS.
'oi& TIIEKJIODYNAÏIOI'K.
éloupcs ; mais le système Ranisbolloni, ou les garnitures si scg-
roMi'HF.ssfiins,
incnls constituent li> mode le plus usité. le bronze esl cmplové dans leur constiudton.
Les clapets souFlient souvent de la etialcur, el ce type a pour effet
y\g. m. — Comprrssour Inpli' Drollicihouil (vue jicrspciliiej,
il'aupmentcr l'espace niiiRÎblc. On emploie des soupapes en acier uvec siège de bronze. Elles sont maintenues à l'aide d'un ressort, cl parfois rommandées parle mécanisme hii-nii)me, •) moins qu'on
550 THEIIMUDYN'AMIQUE.
no leur donne uno grande h'gèrclé. les liioii-s se soni peu répandus (').
La tension usitée dans les applications est très varialile. On peiit distinguer les compresseurs à basss jtression {lorsque celle-ci itsIc inférieure à 2 kilogrammes par ccnliMiétro carré), à moyenne pres-
sion (entre 2 et 4 kilograminos), à haute pression (lie i ù 8). à pression excessive au delà. La Compagnie du gaz portatiT emploie (les tensions de 11 atmosplièi-es ('). Les locomotives du Saiiii-Gothard étaient alimentées par M. Colladon avec de l'air comprimé à 1 4 kilogrammes. Les appareils plongeurs Roiui»ayrol atteignent 40 kilo- Ci Compresseur)! n lirnir Dc'oi-, Rurckarjt et Wciss, Coi'uai.
(') Dés 18iK, lavlor ciiipluyail dii p"ï coiiijirimii ii M alnmsplii'res ^nmnas. TraiU de chimie apiiliquie aiij- nrU, I, I, p. Cti").
grammes de pression par centimèli-c cnrré. M. Mékarski emploie, pour les tramways de Nantes, de l'air à 30 almosplièrcs. 11 vient de construire dans son usine de Doulon, pour le service des torpilles, lies compresseurs et des réservoirs de 120 atmosplicrcs, dont il a môme pu pousser l'épreuve jusqu'à 150 atmosphères, sans avoir di' pertes par les fonds rivés.
fig- ïll. — Corn pi PS" pur Im-oiiioliilc Satrllrr nt L^moiinicr (vue pcrs|x;cliie).
En ce qui concerne In vitesse, on esl arrivé au chiffre de 60 tours de l'arbre par minute. Celle du piston ne doit pas dépasser l^.ôO par seconde, cl surtout 2 mètres, si le système est à action directe. Il convient de la tenir au-dessous de O^.liO dans le compresseur à piston hydraulique. Celte eireonslanee oblige alors a employer nn moteur très lent, ou un train d'engrenages, et des dimensions très voluminoust^'s.
341 — L'ail' saturé d'humidité est reçu dans des réservoirs où il s'égoulte l'). Des purgeurs permetlctit d'évacuer périodiquement
Uo^l
TllKliM(3l)YiNAMiyijlv
ït
l'eau déposée, que la force élastique expulse éneigiquoment au dehors. Ces réservoirs servent en même temps de régulateui*s de pœssion, et doivent présenter un volume au moins égal au tiers ou à la moitié de celui que les moteurs dépenseront par heure. Ils sont munis d'un trou d'homme avec mdoclave (') pour permettre le nettoyage, d'un manomètre et d'une soupape de sûreté (*).
Ces réservoirs cylindriques sont ordinairement couchés horizonlalemcnt afln de présenter plus de stabilité (fig. 215). On peut aussi les redresser verticalement, quand Téconomie de remplacement le réclame.
THÉOBIE
34Z — Les compresseurs sont ordinairement menés plus rondement que les machines soufflantes. Nous substituerons donc à
l'hypothèse de la compression isotherme, que nous avons adoptée pour ces dernières (n° 555), celle du mode adiabatique. Je me bornerai du reste à raisonner pour un kilogramme d'air ; la transformation pratique de la formule qui lui correspond, pour en déduire la force en chevaux de la machine, restant absolument la même que ci-dessus.
L'opération se compose encore de deux parties : 1" la compression de l'air dans le cylindre; 2° son refouleitient dans le réservoir. Le travail nécessaire pour cette seconde portion conserve l'expression générale (n° 353) :
ou, d'après l'équation typique (10) :
I*' Tous c«'s détails trouvoronl leur description dans la partie de cv. Cuui's consacrée am machines ù vai)our et aux générateurs.
* L'emploi de ces soupapes est rendu très difticile par la flltration de rair (Michel I/*vy. Rapport à la Commission centrale des machines à vapeur sur les récipients dejj'az M)us pression. Annales des mince, 8* série, t. X, p. 205;.
Le travail de compression adiabatiquea de son côté pour valeur (22):
Ec{t, — Q, L'ensemble sera donc :
(R -h Ec) {t, — U\
ou, d'après l'équation paramétrique (14) :
kcE(t, — 0»
et enfm :
Si Ton substitue à R la valeur (il) qui correspond à Tair almosphérique, il vient, tout calcul fait :
Il reste donc à connaître /,.
343 — Nous avons vu que l'une des questions les plus sérieuses que soulève, dans la pratique^ l'opération de la mise en tension de l'air est précisément celle de réchauffement occasionné par une compression trop brusque. On connaît, à cet égard, l'expérience caractéristique désignée sous le nom de briquet à air.
Pour déterminer cette élévation de température dans les conditions actuelles, nous avons la relation (25) :
tt = ^P ' ,
en appelant p le rapport dos pressions. Si, par exemple, on admet comme température ambiante ô, = 20, d'où /, = 295, on obtiendra, pour les diverses valeurs du degré de compression p, Ic^ températures t^ et 0, qui sont renfermées dans les trois prcmièroij colonnes du tableau suivant (*).
(*) Pcrnolct. L'Air comprimé cl ses applications ^ p. 45.
Ces résultats montrent, par exemple, qu'une compression brusque à 6 ou 7 atmosphères suffit pour développer la température de la fusion de l'étain, 228^ Pour 12 ou 15 atmosphères, on atteint celle du plomb, 555°.
344 — On conçoit d'après cela que Ton trouvera un certain avantage à fractionner l'opération dans des cylindres distincts (*). Si, en effet, on élève progressivement la pression dans chacun d'eux, en laissant chaque fois le refroidissement ramener la température au point de départ, celui-ci restant toujours le même dans chaque opération avec un moindre rapport effectif de pressions, l'élévation de température sera naturellement inférieure à celle qui correspond à une compression unique.
Envisageons, parexemple, le système de deux cylindres successi''s. Dans le premier, la pression est portée de p^ à p', et la température s'élève de t^ à t. A l'aide de moyens convenables de refroidissement, on la fait retomber à t^, sans modifier la pression. L'opération
(',) Nallard Étude sur les machines à air compriuié. Bulletin de la Société de Vinduttrie minérale de Saint- Etienne^ V' série, \. XU, p. 015.
qui s'exécute dans le second cylindre devra donc porler la tension de p' à p^, en nnhne temps que la température s'élèvera de /, à f. Avec ces notations, on aura respectivement pour chacune des expériences (25) :
On en lire, en multipliant membre à membre :
tr = p f" //.
Ainsi le produit des températures absolues auxquelles conduit chacune des deux opérations^ reste constant et indépendant de la pression arbitraire qui a servi de relai.
Le moyen d'abaisser le plus possible la plus haute de ces deux températures finales consiste d'après cela à les égaler entre elles, ce qui donne :
A— 1 t — t — tiP — f,p
La quatrième colonne du tableau précédent présente ce résultat sous forme de température usuelle 0'. Sa comparaison avec les nombi*cs inscrits dans la seconde colonne permet d'apprécier l'avantage, très caractérisé sous ce rapport, de cette manière do procéder. Les conditions précédentes donnent évidemnient, pour t' = t" :
Pi P d'où l'on déduit la pression de relai :
p' = \fJhPi = Pi Vp-
La pression intermédiaire la plus avantageuse est donc la moyenne géométrique entre les tensions extrêmes proposées. . 11 est facile de constater que ce mode correspond au minimum de travail total. Ce dernier a en effet pour valeur (42) :
COMPRESSEURS. ;,."j7
c'est-à-dire :
Or la somme /' H- T alleinl son minimum pour t' = (", puisque le produit /' t" reste invariable.
Nous pouvons même exprimer analyliquement l'avantage ainsi réalisé sur le mode ordinaire. Ce minimum devient en effet :
IU,(p -'^ l).
Or le travail nécessaire 'pour ropéralion unique qui ferait passer directement de />! à p^ a pour expression :
R^ V-- M =^:-^-rI^MP ' - 1).
fc — 1 ""» \t^ ') " k — 1
d'où, en prenant le rapport x de ces deux valeurs :
résultat évidemment inférieur à l'unité.
La cinquième colonne du tableau ci-dessus présente la gradation des valeui's de a;. On voit qu'elle esl peu rapide, dès que l'on a dépassé les premières valeurs du degré de compression. Aussi ce moyen s'est-il peu répandu dans la pratique, et le rafraîchissement parleau froide fournit une solution pratique plus satisfaisante pour prévenir les élévations excessives de température.
