EFFET
Utile
de
I kilogramme
de charbon
brûlé.
OCANTITÉ
de charbon
brûlé
par force
de cheval
et par heare.
TE!(SI0!l moyenne
de la Tapear.
OBSEBYATIOTIS.
Newcomen...
Watt à simple effet
Watt à sÎDiple effet
Watt à double effet
Périer . . .
id
Watt et Boulton.
kgm 31000
kK
Résultat moyen deqoatre machines d'épaisemcnt à Aozin.
Pompe de Chaillot.
Pompe dû Gros-Gailloa.
Résultat moyen de hoit machines d'épnisement à Anzin.
On remarquera que, dans toutes les évaluations précédentes, soit de la quantité de' travail utile obtenue par kilogramme de charbon brûlé, soit de la quantité de combustible consommée par force de cheval et par heure, on n'a pas tenu compte du charbon nécessaire pour la mise en train de la ma-
a5o COURS DE MÉGÀMIQUI
chine, dépense qui ne se produit qu'à chaque reprise du travail el n*est pas comprise dans les marchés des constructeurs. D'après l'observation de plusieurs machines en activité, on peut admettre que l'on brûle pour la mise en train :
Des machines à basse pression du système de Watt, 6 kilogrammes par force de cheval ;
Des machines à moyenne pression du système de Woolf, 7 kilogrammes par force de cheval.
Quantité d'ean nécessaire an service des machines à Tapenr.
102. Importance de cette donnée,— Une autre donnée importante, et qui dans quelques localités peut être un motif d'adoption ou de rejet d'un système de machines à vapeur, c'est la quantité d'eau nécessaire à son service, soit pour la formation de la vapeur, soit pour la condensation; comme presque toujours l'alimentation de la chaudière se fait par l'eau du condenseur, on voit qu'il suffît de calculer le volume de l'eau d'injection si la machine est à condensation.
103. Machines à basse pression du système de ïVatt, — En admettant que les machines à basse pression réalisent | de l'effet théorique, la formule de l'effet pratique d'un volume i' de vapeur sera, d'après ce qu'on a vu (93),
o,5o X loooojîJi' Il — — j
Si ce volume v est fourni dans une seconde, et qu'on nomme F le nombre de chevaux de force de la machine, on aura
^ loooopc o,5ox ^
et, en y faisant, comme au n®92,/i= i^^S^gi, p' = o*'«,o72, on trouve que le volume de vapeur à dépenser par seconde et par force de cheval est
De plus, la formule du n"" 78 nous donne, en y faisant
/=io7°,3o et />=i^«,29i,
liC poids de la vapeur à employer par force de cheval et par seconde, dans les machines à basse pression, sera donc
nj=:7rt/ = 0,0123x0,72 = o^So^86 ou 3i^«,89
par force de cheval et par heure, ce qui s'accorde avec le résultat pratique d'une consommation de 5 à 6 kilogrammes de houille par cheval et par heure dans des foyers qui donnent environ 6 kilogrammes de vapeur par kilogramme de charbon.
Le poids d'eau nécessaire à la condensation de cette vapeur nous sera donné par la formule du n" 84, dans laquelle nous ferons
/ = 107^30, /' = 4oS /, = i5*> et © = o^s 00886; on en tire
ET. = ?(55o-^<-0 ^ 2^ 6g ^ ^wg^ 00886 = o^^S 1 1 87 i — ii
par force de cheval et par seconde; ce résultat revient d'ailleurs à une dépense d'eau de
o'»%787 par force de cheval et par heure.
104. application aux machines de Woolf. — En faisant un calcul analogue pour les machines du système de Woolf, construites par Edwards, au moyen des données du n® 95,
p=3^«,6i5, ;?,=:o^»,8o3, /?'=o^«,o72, / = i4os6, /'=4oS
on trouve
i/=z:o"%ooi7i par cheval et par seconde.
La densité de cette vapeur étant
25a COUIS DE MÊCANIQCB
le poids à introduire par seconde et par force de cheval dans
la machine sera
ro = 7:f = o^»,oo3i6
ou
I i^S 38 par force de cheval et par heure.
La quantité d'eau à injecter, pour condenser cette vapeur, sera, en faisant / = i4o",6, V = 4°» ^ = ^5",
CJ, irz 26,02 X 0^«, Oo3 16 = 0*'«, 082
par force de cheval et par seconde, ou
o"%295 par force de cheval et par heure.
Les résultats que nous venons de déduire des form ulessont un peu au-dessous de la consommation réelle des machines, parce que nous n'avons pas tenu compte des fuites accidentelles de vapeur par les soupapes de sûreté, par les joints et les garnitures des tiges et pistons, ni de la condensation par les parois ; mais ils suffisent pour faire voir que, dans certaines localités, la préférence à accorder à un système sur Paolre peut être déterminée par la quantité d'eau nécessaire à l'injection. Il peut même arriver des circonstances où il ne serait possible d'employer ni l'un ni l'autre; c'est ce qui a lieu, par exemple, pour les machines locomotives. «
Moyens d'observation et appareils de sûreté.
105. Observations à faire pour le calcul de la force d'une machine à vapeur.^ Nous terminerons ce que nous avons à dire sur les machines à vapeur par quelques détails relatifs aux moyens d'observation à employer pour les apprécier et aux proportions des appareils destinés à la production de la vapeur.
La première chose qu'il faut connaître pour estimer la force d'une machine à vapeur ou la conduire, c'est la tension sons laquelle elle travaille. Le moyen le plus exact serait d'introduire dans la chaudière un thermomètre bien éprouvé, dont on aurait soin de mettre la boule à l'abri de la compression
irPLIQDtK AUX MiCHINES. a53
exercée par le fluide élastique, ainsi que l'ont Tait MM. Dulong et Arago : cette précaution n'est d'ailleurs indispensable que pour les hautes pressions; mais il est rare qu'on ait la Taculié d'employer le thermomètre, et il faut alors recourir aux instruments dont la machine doit être munie conformément aux ordonnances de police.
106. Du manomètre. — Le principal appareil destiné à mesurer la tension de la vapeur est le manomètre, que l'on construit de plusieurs manières. Le plus simpU et celui que l'on trouve le plus souvent aux machines à basse pression est un tube recourbé [Jig- 64] en communication directe avec la chaudière
Fig. 6;!.
d'un côté et avec l'atmosphère de l'autre, tel que nous l'avons décrit (12, Sect. 1). Du mercure versé dans sa partie inférieure indique par sa dénivellation l'excès de pression de la vapeur sur l'air atmosphérique ; par conséquent, sachant que imètrecube de mercure pèse 13598 kilogrammes, et nommant A la hauteur de la colonne de mercure qui mesure la différence de pression, on aura, pour la pression p sur i centimètre carré,
Lorsque la vapeur doit agir avec une tension considérable, la différence de niveau A serait d'autant de fois o", 76 qu'il y a d'unités dans la force élastique de la vapeur estimée en atmosphères : c'est ce qui fait ordinairement remplacer les manomètres de ce genre par un autre que nous décrirons plus
loin; cependant c
CODES DE ifiCAHIQUB
1 trouve, dans beaucoup d'usines du Htm-
Rhin, une disposition qu'il est bon de connaître.
„, „^ Une cuvette ABC3) en fonle
[fig. 65) est remplie de mercure jusqu'au niveau AB, un tube E en communicalioD avec la chaudière débouche au-dessus de AB et amène b vapeur dans la cuvette.
Un tube barométrique enfer 00, qui descend jusque inprès du fond de la cuvette, permet au mercure de s'élever au-dessus du niveau AB, à une hauteur qui mesure la pression; mais, comme on ne peut pas observer ilireciemeni cette hauteur, on Tail surnagerle métal du tube 00 par un flotteur en Ter G, suspendu à un ûl de Ter qui passe sur une poulie F et est tendu à son extrémité par un indicateur H; celui-ci descend de la même quantité que le llotteurmonle, en pa^ courant une échelle dont les divisions indiquent la pression. L'extrémité du tube 00 débouche dans une cuvette à recouvrement, destinée à contenir le mercure dans le cas où la pression de la vapeur serait accideniellement assez forte pour l'expulser totalement du tube, et une disposition particulière permet ensuite de ramener le métal dans la cuvette. On se sert de ces manomètres pour des mt-
chines, et Ton voit qu'ils n'ont besoin que d'une petite correction relative à l'abaissement du niveau AB, que l'étendue de la cuvette rend d'ailleurs très-faible.
107. Manomètre ordinaire des machines à vapeur, — Cette disposition n'est pas généralement adoptée, et les constructeurs de machines à vapeur emploient ordinairement l'appareil suivant, fondé sur la loi de Mariotle, relative à la compressibilité des gaz. Une cuvette ahcd {Jig. 66), remplie de
mercure jusqu'à une certaine hauteur afr, est mise en communication avec la chaudière par un tuyau e qui débouche au-dessus de ab. Un tube de verre fg, fermé en g-, plonge dans le mercure jusqu'auprès du fond de la cuvette. Il contient ordinairement de l'air atmosphérique, qui doit être bien purgé d'humidité, et dont la force élastique au moment de la construction doit être égale à la pression o",76 de mercure ou i^>,o33, de sorte que, quand la machine ne travaille pas et que la chaudière est en communication avec l'atmosphère, le mercure se trouve dans le tube au niveau ab; c'est donc là le zéro de l'instrument, et il correspond, comme on
256 COUIS DE MfiGAMIQUB
voit, à une pression égale à celle de i atmosphère. Le tube étant bien calibré, on voit que, quand la vapeur Tera monter le mercure à une hauteur /i, niesurée en mètres, au-dessus du niveau ab que nous supposons constant, sa force élastique sera mesurée par la hauteur A de la colonne de mercure représentant une pression de
augmentée de la force de ressort de l'air contenu dans le tube et qui n'y occupe plus qu'une hauteur h\ Pour mesurer cette dernière tension, il faut observer que les constructeurs ont soin de graduer ces manomètres à une température assex basse, afin que, dans l'usage, l'air, acquérant par l'élévation de température une plus grande force de ressort que celle qu'il possède à lo degrés, tende à diminuer l'élévation du mercure. Il est donc nécessaire, pour apprécier le^ indications de l'iostrument, de tenir compte de la température à laquelle on Tobserve et qui est ordinairement celle des chambres de machines et environ de 4o degrés.
D'après cela, soient
X la tension cherchée de l'air réduit à occuper la hauteur A
dans le tube; p' la pression à laquelle l'instrument a été gradué; /' la température lors de la construction; / la température de la chambre.
On observera d'abord que, le tube étant exactement calibré, les volumes occupes par l'air, lors de la graduation et au moment de l'observation , sont proportionnels aux hauteurs h ■+- A' et A', et que, d'après les lois de Mariette et de Gay- Lussac (75), on aura
^ ' 1-+- o°,oo375/' x^
d'où l'on déduira facilement la tension x de l'air occupant la longueur A' du tube, puis la force de la vapeur dans la chaudière
APPLIQUÉE AUX MAGHIIIBS. 207
Nous avons négligé l'abaissement toujours très-faible du niveau ab; mais on ne doit pas agir de même pour la tension de la vapeur d'eau, qui peut, après la pose de l'appareil, avoir pénétré dans le tube, ce qui arrive assez souvent. Pour en tenir compte, on admettra, si l'on ne peut la mesurer, que la température du tube et de l'eau qu'il contient est celle de la chambre ou 4^ degrés environ, et, comme on sait que là vapeur, à cette température, a une tension de o*'»,o27, on ajoutera cette quantité à la valeur trouvée par x. Enfin, s'il y avait sur le mercure une hauteur appréciable d'eau, il faudrait ajouter le poids de cette colonne d'eau à celui de la colonne h de mercure.
Tous ces détails font sentir la nécessité d'examiner avec soin les manomètres des machines, pour pouvoir apprécier les erreurs dont leurs indications peuvent être entachées.
108. Emploi des soupapes de sâreté, pour la mesure de la tension de la vapeur. — Dans le cas oii le manomètre est tout à fait dérangé, ou si, contrairement aux ordonnances, la machine n'en est pas pourvue, il existe un moyen d'obtenir une valeur approchée de la pression à l'aide des soupapes de pureté. On nomme ainsi deux ouvertures dont chaque chau* dière doit être pourvue, pour laisser échapper la vapeur dès qu'elle a acquis une tension qui excède celle qu'elle doit avoir pour marche ordinaire de la machine. Elle consiste en une tubulure adaptée à la chaudière et recouverte d'une soupape libre nm {Jig, 67), rodée avec soin sur l'orifice; un le-
Fic. 67.
vier aby mobile autour de a, presse par un couteau arrondi c
le milieu de la soupape, et un poids 9, qu'on éloigne à volonté
de Taxe a, sert à régler la tension que la vapeur doit acquérir
avant de s'échapper. AQu d'empêcher que cette pression n'eicède les limites assignées à la machine, les règlements prescrivent de renfermer une des deux soupapes dans une cage fermée, dont le chef de Télablissement doit conserver la clef; Tautre reste à la disposition du chauffeur, et chacune d'elles doit suffire seule pour l'évacuation de la vapeur.
Pour mesurer approximativement, à l'aide de cet appareil, la pression dans la chaudière, on fera avancer ou reculer le poids q jusqu'à ce que la soupape soit sur le point de se soulever, ce qu'on reconnaîtra k de légères fuites de vapeur; on soulèvera un peu le levier à la main, pour détruire l'adhérence que les surfaces ont pu contracter par un contact plus ou moins long; puis, si la soupape est encore à très-peu près en équilibre, on mesurera la distance / de la verticale au point c, et celle L du poids q à l'axe a. Cela fait, appelant
o la surface intérieure de la soupape pressée par la vapeur; p la pression cherchée; p le rayon du tourillon de l'axe a;
f le rapport du frottement à la pression pour l'axe et ses coussinets;
et en comprenant dans q le poids du levier lui-même rapporta à la distance L de l'axe a, il est facile de voir qu'on aura pour l'équilibre la relation
opi---qL-{-f{op — q]p, d'où l'on tirera
. 9iL- f p)
11 importe, dans ces observations, de ne pas dépasser le point où la vapeur tend à s'échapper et à soulever la soupape, parce que, si le fluide sortait, il agirait sur une surface plus grande que celle de l'orifice, et il se passerait, en outre, des phénomènes capables d'induire en erreur sur les résultats. On voit d'ailleurs que ce moyen ne doit être employé qu'à défaut d'un autre plus exact.
109. Détermination de la tension de la détente et de celle qui a lieu dans le condenseur. — Quant aux pressions pieXp^,
apfuqubb lux MicainEG. 359
la première se déduira du rapport du volume de vapeur à la pression p Introduit dans la machine à celui que celte même vapeur occupe après la délente, et la seconde de l'observation de la température de l'eau de condensation, au moyen de la Table de MM. Dulong et Arago ( 79), ce qui n'est pas trèsexact; mais, comme cette pression est toujours assez faible, l'erreur que l'on commettra ne peut pas exercer une grande influence.
Dei chavdièreB.
110. Utilité des rè^es pratiques.— On a vu précédemment que les perles de chaleur des foyers étaient considérables, et que l'on pouvait leur attribuer la perte de la moitié de l'efTet théorique dû à la combustion d'un kilogramme de charbon, même dans les meilleures constructions; il est donc très-important de connaître les règles pratiques déduites de l'expérience, relativement à la formation de la vapeur.
111. Chaudières de Walt. — On emploie dans les machines à vapeur deux sortes de chaudières ; les plus anciennes, qui s'adaptent aux machines à. basse pression, sont celles construites par Watt, et qu'on nomme chaudières en chariot
Fîff. ce.
ifig. 68), à cause de leur forme cylindrique concave sur les -cfttés ei au fond. La flamme produite par le combustible, que
a6o COUBS DE MËCJIMQUE
l'on place à la grille AB, chaufTe d'abord le dessous en circulant dans un conduit horizontal ou carneau C;au bout de la chaudière elle est déviée par une petite cloison en briques, dirigée dans un carneau latéral D; elle passe en avant de la chaudière, chauffe l'autre cdté en parcourant le carneau V et se rend à la cheminée.
112. Chaudières de ff^oolf. — Woolf a imaginé, pour la production de la vapeur dans ses machines, un appareil généralement employé, quand on veut obtenir de la vapeur à plusieurs atmosphères de tension. La chaudière principale ( fig-^) est un cylindre circulaire horizontal, ordinairemenl
Fie- Cn-
en fonte; deux autres cylindres d'un plus petit diamètre appelés bouilleurs, souvent en fonte, mais plus généralement aujourd'hui en tôle de fer et mieux encore en t&le de cuivre, sont placés immédiatement au-dessus du foyer et communiquent avec Ir chaudière par des tubulures. La flamme circule sous les bouilleurs et la chaudière par un carneau C| passe ensuite dans le carneau D, cbauiTe le devant de la chaudière, puis se rend par le carneau D* dans la cheminée. On a proposé et l'on emploie pour les machines locomoii*es
des chaudières dont le foyer est placé dans un tuyau, qui se trouve au milieu de Teau. On espérait par cette disposition éviter les pertes de chaleur, et Ton s'en promettait de grands avantages qui n*ont pas été réalisés. Il est facile de s'en rendre compte, en observant que la houille ou tout autre combustible exige, pour bien brûler, une haute température, qu'un foyer placé au milieu d'une masse d'eau ne peut jamais atteindre.
Enfîn on se sert aussi, dans les machines à haute pression, de chaudières principalement formées d'un système de petits tubes de fer ou de canons de fusils qui traversent le foyer en différents sens; cette disposition a pour principal avantage de diminuer la masse de l'eau sur laquelle on opère et de permettre ainsi de réduire le volume et le poids du foyer et de tout ce qui en dépend.
On conçoit facilement qu'il est indispensable que le niveau de l'eau, dans l'un ou l'autre de ces appareils, soit toujours au-dessus des carneaux où circule la flamme.
Les chaudières portent à leur sommet :
1° Une ouverture ovale, ordinairement fermée par une plaque en fonte et qu'on nomme le trou d'homme : c'est par là qu'on s'introduit dans Tintérieur pour les nettoyer;
31® Deux soupapes de sûreté;
3" Un appareil composé d'un flotteur qui surnage l'eau de la chaudière et indique, par l'élévation d'une tige à laquelle il est suspendu, la hauteur du niveau de l'eau ;
4" Des tuyaux pour l'admission de l'eau d'alimentatiï^n et l'échappement de la vapeur;
5<* Enfin quelquefois des plaques fusibles.
Nous n'entrerons dans aucun détail sur ces différents appareils, et nous nous bornerons à indiquer succinctement les proportions des diverses parties de la chaudière et du fourneau, telles qu'on les a déduites de l'observation et d'une longue pratique.
113. Proportions des chaudières. — Pour éviter des variations trop sensibles dans la température et la tension de la vapeur dans la chaudière, par suite de l'admission dans lama-
chine, on admei que le volume qu'elle y occupe doil être 12 ou i5 fois celui de la vapeur dépensée à chaque coup de piston. De plus, dans les machines de Watt, la capacité totale de la chaudière est égale à trois fois l'espace laissé libre pour la vapeur, de sorte que l'eau en occupe les deux tiers» et que par conséquent le volume d'eau contenu dans ces chaudières est égal à 24 ou 3o fois le volume de la vapeur consommée à chaque oscillation.
Dans les chaudières à bouilleurs, le grand cylindre ne doit être qu'à moitié plein ; sa capacité totale est donc 24 ^ ^^ fois le volume de vapeur dépensé à chaque course de piston. Quant aux bouilleurs. Ils ont ordinairement o*",25 à o'^^So de diamètre.
D'après une ordonnance du 25 mai 1828 ( * ) sur les épreuves à faire subir aux chaudières des machines à haute pression, on doit établir entre l'épaisseur e du métal des chaudières en tôle de fer ou de cuivre, exprimée en millimètres, le diamètre intérieur d exprimé en centimètres, le nombre d'atmo* sphères n qui indique la plus forte pression à laquelle la chaudière doive être exposée, la relation
e ::- o,oi8ûf(n — i) -I- 3,
d'où l'on déduira l'une quelconque des quantités e, d ou it, quand les deux autres sont données; mais on observera que» pour que le métal transmette bien la chaleur et ne se brûle pas, ^1 convient de ne jamais faire e plus grand que i4 millimètres, ce qui obligera à ne pas donner aux chaudières à haute pression un diamètre trop grand, dont la limite supérieure sera fournie par la formule ci-dessus en y faisant ^ « = i4""'" et donnant à n la valeur qui conviendra à la tension que l'on veut employer.
Le tableau suivant est calculé d'après celte formule :
(*) Jnnales des Mines, année 1838.
Table des épaisseurs à donner aux chaudières en tdle pour les machines à vapeur.
DIAMÈTRE dCi
chaadières
