MACHINES A FEU

Après avoir parlé des vapeurs, de leur formation , de leur mélange avec les gaz, nous allons chercher à faire une application de ce que nous avons dit, et parler des machines à feu, en nous bornant simplement à faire connaître le principe physique sur lequel ces machines sont fondées. Car autrement il faudrait consacrer plusieurs séances à cet objet dont les détails appartiennent plutôt à la mécanique qu’à un cours de physique.

Etant donné un volume de vapeur formée sous la pression ordinaire de l’atmosphère, si cette vapeur vient à se condenser complètement, ce qui peut arriver par un abaissement suffisant de température , il se forme un vide que nous pouvons supposer absolu, si le froid est suffisant, et alors l’air qui pressait de toutes parts l’espace qui était occupé par la vapeur, avec une force égale à 76 centimètres, ou, si c’est de feau qui entoure cet espace , en recevant elle-même sa pression de l’atmosphère, l’air ou l’eau pénètre dans l’espace vide pour le remplir, avec une force qui serait égale au poids

d’une colonne de mercure qui aurait pour hauteur 76 centimètres, ou d’une colonne d’eau qui aurait pour hauteur 10 mètres, 336.

Pour tous former une idée bien simple de la chose, il faut concevoir, fig. 3 , un espace dans lequel se trouve la vapeur, par exemple, un décimètre cube, communiquant par le moyen d’un tube fort étroit avec de l’eau qui se trouve en bas à une profondeur de iom 536. Nous supposons le tube très étroit, pour pouvoir faire abstraction de la quantité de vapeur qui pourrait s’y loger. Si maintenant nous supposons que cette vapeur se condense complètement, qu’il y ait un vide parfait, l’air extérieur va forcer l’eau à monter dans l’espace qui était occupé parla vapeur: en d’autres termes, nous aurons élevé à la hauteur de 10 mètres, 356 un volume d’eau égal au volume de la vapeur. Telle est l’expression simple de la puissance de la vapeur. Si nous avons une vapeur qui ait une force élastique double, elle élèvera un volume pareil d’eau à une hauteur double. Si la force élastique est triple , quadruple, etc., elle élèvera un pareil volume d’eau à une hauteur triple, quadruple, etc., ainsi de suite : de manière qu’en général un volume de vapeur sous une pression déterminée va, par sâ condensation, déterminer l’élévation d’un égal volume d’eau à autant de fois iom 336 que la vapeur supportera d’atmosphères.

Il s’agit de voir maintenant comment on peut tirer parti de cette force de la vapeur pour faire mouvoir une machine. Pour cela, on a recours à un appareil simple qui consiste dans un cylindre, fig. 4, fermé par les deux extrémités et dans lequel glisse un piston qui s’applique parfaitement contre les parois du cylindre. Une tige est fixée au piston, de manière que quand le piston monte ou descend la tige monte ou descend également, et détermine l’ascension ou la descente d’un balancier. Supposons maintenant que l’on fasse arriver de la vapeur dans ce cylindre, et pour cela on conçoit une chaudière qui puisse fournir de la vapeur assez abondante pour que la tension de cette vapeur ne change pas. Le cylindre communique avec la chaudière par sa partie supérieure et par sa partie inférieure. Si les deux communications sont ouvertes à la fois , le piston sera en équilibre, parce qu’il y aura de la vapeur en dessus et en dessous du piston ; mais si nous supposons que l’on intercepte la communication inférieure, et que par un moyen quelconque on condense la vapeur au-dessous du piston, il se produira un vide. Alors le piston, dans la partie supérieure, étant pressé par la vapeur dont la pression

est mesurée par une colonne d’eau qui aurait pour base la base du piston et pour hauteur iom, 556, ce piston descendra, poussé par cette force, et il arrivera jusqu’en bas, entraînant avec lui le balancier.

Supposons à présent qu’on ferme la communication supérieure, qu’on condense la vapeur au- dessus du piston, et qu’on ouvre le robinet inférieur pour faire arriver la vapeur. Alors la pression se trouve détruite dans la partie supérieure au moyen du vide qui s’est opéré par la condensation de la vapeur; au contraire, la vapeur qui s’insinue sous le piston le presse avec une force égale à une colonne d’eau de 10 mètres 556 ; par conséquent, le piston doit remonter. En ouvrant ainsialternativement le robinet inférieur et le robinet supérieur, et en condensant la vapeur tantôt en dessus, tantôt en dessous du piston, nous aurons un mouvement alternatif du piston, mouvement qui se communiquera au balancier, et nous fournira par conséquent une force motrice que nous pourrons appliquer à produire tel ou tel résultat. Telle est l’idée simple que nous pouvons nous former de l’action de la vapeur dans un cylindre, et partant dans ce qu’on appelle des machines à feu.

Il s’agit de bien comprendre maintenant comment s’opère la condensation de la vapeur, et comment en un mot on peut faire marcher la machine, sans autre secours que celui qui serait nécessaire pour entretenir le foyer.

La première chose à faire est de condenser la vapeur : c’est à quoi l’on parvient facilement. Vous concevez qu’on pourrait, au moyen d’une ouverture pratiquée dans le cylindre et fermée par un robinet, faire arriver à volonté de l’eau froide dans l’intérieur du cylindre. Cette eau froide en contact avec la vapeur, la condenserait brusquement et le vide serait produit au degré de tension déterminé par la température à laquelle l’eau se trouve. C’est en effet ce qu’on a fait dans le commencement de la machiue à feu, qui ne s’est perfectionnée que peu à peu. Mais voilà ce qui arrivait : en jetant de l’eau froide dans le cylindre pour condenser la vapeur, on refroidissait en même temps le cylindre qui était en fonte et présentait une masse considérable, de sorte qu’il en résultait une très grande perle de combustibles. Pour éviter cet inconvénient, on opère la condensation loin du cylindre. Cette condensation hors du cylindre constitue le grand perfectionnement apporté par Watt dans les machines à feu. Remarquons encore ici une application du principe dont nous avons déjà eu occasion de parler plusieurs fois, que lorsqu’un es-

pace est exposé à deux températures différentes, la tension de la vapeur est toujours celle qui est déterminée par la plus basse température : de sorte que si le cylindre rempli de vapeur communique par un tube avec un autre espace quelconque placé à distance et où il y a de l’eau froide, la vapeur arrive dans cet espace, s’y condense, et le vide a lieu dans le cylindre; on évite ainsi cet inconvénient de refroidir les parois du cylindre par l’injection de l’eau froide.

Quelle sera la quantité d’eau qui sera nécessaire pour déterminer la condensation de la vapeur? Cette quantité est variable , elle dépend de la température de l’eau qu’on emploie. Dans l’hiver, par exemple, on peut avoir de l’eau à la glace, et vous concevez alors qu’il en faudra moins pour abaisser la température de la vapeur que lorsque la température de l’eau sera à 18 ou 20 °, qui est la température moyenne de l’eau pendant l’été.

Vous vous rappelez que l’eau pour se réduire en vapeur absorbe une quantité de calorique latent qui est égale à 591 °, et que la vapeur qui a absorbé 53i°peut, en se réduisant en liquide , donner de l’eau à 100 0 ; et, par conséquent, pour fournir de l’eau à zéro, il faudra que la vapeur abandonne 63 1°. D’après cela , il est facile de trouver quelle est la quantité d’eau qu’il faut injecter pour condenser un volume donné de vapeur. Si nous représentons , par exemple par /;, le poids de la vapeur, cette vapeur contiendra une quantité de chaleur que nous exprimerons par p (63 1°) ; c’est là la chaleur qu’il faut détruire en la portant dans une masse d’eau qui soit à une température beaucoup plus basse.

On se propose ordinairement dans la condensation d’avoir cette condensation à tel degré. On dit , par exemple , je veux que l’eau de condensation soit à 3o 0 , qu’elle soit à 4o °, à 5o °. En général , il faut prendre cette condensation à la température la plus basse possible, parce qu’alors on atténue de plus en plus la force élastique de la vapeur. Mais à tout cela il y a une limite , ce sera, par exemple , 3o°. Ainsi , nous voulons que l’eau de condensation , c’est-à-dire , l’eau froide mêlée avec la vapeur ait une température de 3o°. Nous demandons dans cette hypothèse quelle est la quantité d’eau froide qu’il faudra injecter. Représentant par T la température du mélange et par t la température de l’eau froide, nous aurions :

D’où on tire pour la valeur de x , qui tité d’eau à injecter

représente la quan-

C'est-à-dire que, si nous voulions condenser la vapeur avec de l’eau froide qui est supposée à zéro, de manière que la température du mélange soit à 3o°, il faudra prendre une quantité d’eau qui soit 20, o3 fois plus grande que la quantité de vapeur.

Si nous supposons qu’au lieu de prendre de l’eau à zéro,, nous prenions de l’eau à i5°, nous trouverons que la quantité d’eau froide à prendre serait :

=pX— r

C’est-à-dire que, si nous prenons de l’eau à i5° pour réfroidir la vapeur, il faudra prendre une quantité d’eau 4i?o6 fois plus considérable que la quantité de vapeur qu’il s’agit de condenser.

Nous allons donner quelques détails sur la machine à feu , fig. 5, et vous indiquer comment le mouvement général est reçu et transmis.

Au sortir de la chaudière , la vapeur est conduite entre deux, cylindres, CC , C Cf , qui ont même axe, et tels, par conséquent que CC enveloppe CC. Par le mécanisme d’un tiroir T qui peut monter et descendre, et par les ouvertures u , t/,. la vapeur passe alternativement au-dessus et au-dessous du piston P , qu’elle contraint tour à tour de descendre et de monter; ce piston est invariablement fixé à une tige verticale £, laquelle transmet son mouvement, au moyen d’un parallélogramme LMNO , à un levier LL , qui se meut dans un plan vertical , autour d’un axe horizontal X. Le levier monte et descend avec le piston P . Sa branche L' fait alternativement monter et descendre une bièle inflexible F, qui fait tourner la manivelle G autour d’un axe horizontal Y. Le même axe Y porte un volant VV , qui sert à transmettre le mouvement avec régularité. Enfin l’axe Y transmet l’action de la machine à vapeur à ce qu’on appelle P arbre de couche*.

Le système que nous venons de décrire change par consé quent un mouvement rectiligne de haut en bas et de bas en haut, tel que celui du piston P\ en un mouvement circulaire et continu, tel que celui du volant VV et de l’arbre de couche mû par l’axe Y.

Nous allons maintenant expliquer comment la vapeur passe tantôt en dessus et tantôt en dessous du piston, et comment, tandis que la vapeur s’accumule d’un côté du piston, la vapeur précédemment accumulée du côté opposé est soustraite par l’effet de la condensation.

CC est un cylindre droit vertical dans lequel joue le piston P'; un cylindre extérieur C'C'9 ayant même axe que le cylindre CC , lui sert d’enveloppe ; c’est entre ces deux cylindres que la vapeur arrive de la chaudière.

On voit en T ce qu’on appelle le tiroir : c’est un demi-cylindre vertical et creux, qui joue dans un emboîtement de même forme. Entre le tiroir et le cylindre extérieur ou enveloppe C'C') est un vide par lequel s’effectue un passage alternatif de vapeur, que nous allons expliquer.

Dans la figure 5 et la figure 6, le tiroir est monté le plus haut possible; dans la figure 7, il est descendu le plus bas possible. Yoici quel est le jeu de la vapeur pour ces deux positions.

Dans la position fig. 5 et 6, où le tiroir est le plus haut possible , la vapeur que fournit la chaudière passe de S entre le tiroir T et le cylindre C'9 pour gagner le haut du cylindre CC parle conduit u; elle tend à faire descendre le piston. Dans cette position du tiroir, le bas du cylindre est en communication, par les ouvertures v et avec le tuyau v"9 fig. 5, qui mène au réfrigérant ou condenseur. Alors la vapeur introduite sous le piston se condense, et le piston descend.

Quand le piston arrive au bas de sa course, le tiroir remonte et prend la position qu’indique la fig. 7 ; la vapeur qui vient de la chaudière, et passe pars, descend en v sous le piston qu’elle tend à faire remonter. Au contraire, la vapeur accumulée sur le piston descend par a et le milieu T du tiroir jusqu’en D", pour se rendre par v' dans le condenseur. Alors le piston remonte.

La fig. 5 nous fait connaître la manière dont la soupape s est plus ou moins ouverte.

Il faut dire , à présent, de quelle manière on fait alternativement monter et descendre le tiroir T. On place un excentrique E, fig. 5, sur l’axe Y du volant ; un collier métallique, dans lequel peut tourner cet excentrique, est fixé au triangle MNM. Le sommet N de ce triangle est boulonné avec un levier coudé N PQ. P représente un axe fixe autour duquel ce levier tourne quand l’excentrique tourne avec le volant. L’excentrique fait tour à tour avancer et reculer le triangle M/VM, ce qui donne un petit mouvement de va-et-

vient au levier coudé N PQ, et, par conséquent, fait alternativement monter et descendre l’extrémité <7, laquelle agit pour élever et pour abaisser la tige verticale FF , fixée à l’extrémité inférieure du tiroir T, fig. 6 et 7. Lorsque le volant fait un tour complet, le piston fait une course complète de montée et de descente ; le tiroir fait également une course de montée et de descente; et, quand une fois le mouvement a commencé, il doit continuer avec régularité»

Passons à la partie du mécanisme relative à la condensation de la vapeur. On remarque un levier horizontal /, fig. 5, dont l’extrémité fait alternativement monter et descendre une tige verticale C, pour ouvrir et fermer le passage e à l’eau qui se projette dans le condenseur. Ce mouvement alternatif est, comme celui du tiroir, réglé par le levier coudé N PQ. La pompe p sert pour extraire l’eau qui vient d’être employée dans le condenseur. Cette pompe est mise en mouvement par la partie ON du parallélogramme LM N O ; par conséquent, les deux pistons, P' et p, montent et descendent en même temps.

L’eau réfrigérante, après avoir absorbé la vapeur, puis être retombée de K en K ' , est élevée par une première pompe p et par une seconde p .

La fig. 5 présente une modification qui mérite d’être remarquée ; c’est un conduit ff', dans lequel passent l’air et l’eau réfrigérante, aspirés par la pompe p. L’air, en soulevant le clapet f'9 se dégage librement; l’eau réfrigérante, purgée de cet air, tombe dans le réservoir r, d’où elle est refoulée dons la chaudière au moyen de la pompe p' p'.

Une troisième pompe p' p" sert pour aspirer de l’eau fraîche et remplir un réservoir R , qui fournit en e l’eau destinée au réfrigérant.

IMPRIMERIE DE E. DDVERGER ,

JOIE DF. VERNEU1L , N. 4.

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