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o . DU*^
iO
Emploi de la détente. — Dans toutc machine à vapeur, on suppose que la vapeur, tirée d'un générateur à une pression déterminée, est successivcmenl introduite des deux cotés d'un cylindre dans lequel se meut un piston poussé alternativement dans un sens et dans Tautre.
Dans cette hypothèse, la vapeur est introduite pendant toute la durée de chaque course du piston, et on admet qu'au moment où une cylindrée de vapeur va commencer son action, la cylindrée précédente disparaît subitement, de manière à n'exercer aucune contre-pression sur le piston.
On s'est demandé si cette manière d*utiliser la vapeur et la
* La colonne des pressions cl la colonne des loinpiTalures sont eitraites du prand tableau de II. ReprnaiiU sur le rapport dos pressions aux températures.
œ>SIDÉHAT10.\S GÉNÊHALES. 57
force dasliquc clail bien rationnelle, el si une cylindrée de vapeur, il 6 alinosplicrps par exemple, n'élait plus bonne, après une course de piston, qu'à «îlre condensée ou jelée dans l'atmosphère. 11 était évident que cette quantité de vapeur, tant que sa pression demeurait supérieure à celle de l'atmosphère, fiait capable de produire encore un certain travail ; il restait à découvrir les moyens d'utiliser cette force cxpansîve.
On a trouvé deux combinaisons, toutes deux satisfaisantes : (ians la première on n'introduit la vapeur à pleine pression que pendant une fraction de la course du piston, la moitié par piemple, et on coupe la communication avec la chaudière; celle vapeur se détend pendant la seconde moîlié de la course du piston, et sa pression linale n'est plus que la moitié de la pression pendant l'introduction. Si l'inlroduction de la vapeur cesse plus tôt, si on coupe la vapeur après l/5i V"*» l/^'J" Jnème de la course du piston, la détente se prolonge et on épuise dans le cylindi-e même la force expansive de la vapeur.
Dans la seconde combinaison, on laisse la vapeur agir à pleine pression pendant toute la durée delà course du piston liaiis le cylindre, mais immédiatement après on l'introduit ii.ins un second cylindre accolé au premier, d'un diamètre plus grand cl dans lequel la vapeur se détend.
Nous verrons, en parlant avec détail des machines fixes, les Icnlatives qui ont été faites pour réaliser simultanément les lieux combinaisons ; on détend dans le premier cylindre et on n'introduit dans le second que de la vapeur déjà dilatée.
A un autre point de vue, l'emploi de la détente dans un seul nrlindre présente un grand avantage ; au moment oii le piston, arrivé à la fin de sa course, va commencrt" sa marche rétro- ^de. la vapeur qui emplit le cylindre ne disparait pas subitement, t'I, quelque rapide que puisse èlre sa mise eu communication avec le condenseur ou avec l'atmospiiére, elle exerce Mir le piston une contre-pression qui sera d'autant plus efficac- que la tension de la vapeur sera élevée. Si la Ifmsion
58 DES MAGUINES A VAPEUR.
a été épuisée dans le cylindre, la contre -pression sera presque nulle.
TniTaU éù * la éétente. — Si p représente la pression de la vapeur par unité de surface,
Sy la surface de la section droite du cylindre,
/, la course du piston, le travail dû à la vapeur pendant la course du piston sera
T=zp8Xl.
Or, « X / représente exactement la capacité du cylindre ou le volume de la vapeur introduite ; en désignant par V ce tolume, l'expression du travail devient :
T = pV.
Dans cette hypothèse, la pression reste constante pendant l'introduction de la vapeur, et le travail pourra être représenté par un rectangle dont la hauteur exprime le volume, et la base la pression.
Si la vapeur cesse d*étre introduite dans le cylindre à un
moment déterminé de la course du piston, on peut calculer
encore le travail dû à la vapeur, au moyen d'une intégration:
p étant la pression par unité de surface au moment de
l'introduction, rf le diamètre du cvlindre,
xrf*
8 sa surface = -V- »
/ la course du piston,
/' la portion de la course pendant laquelle a lieu la détente,
X la dislance de l'origine du piston à un point de la course pendant la détente,
q la pression qui correspond au point X, le travail moteur élémentaire, au point X, sera
sqdX ;
el le Irarail loliil pcmlanl la ilâtentc, s / q.àl-
Or, si l'on applique la loi de Mariolte, on a une valeur de q cil fonction de la pression.
Le travail avant la détente élanl sp (/—/'), le travail total
- 2,005 X log. j-l-p\
Dans celle expression de la valeur du travail, le fadeur »p|i — C) est unélémcnt en quelque sorle constant, proportionnel 3U poids de la vapeur introduite h pleine pression ; le second
tant plus grand que ledénoniinaleur ( — /' sera plus petit et que f se rapprochera de /; or, si /' se rapproclio de /, c'est que la pi-riiHle d'introduction de la vapeur diminue et que la détente s'clTeclue pendant une plus grande longueur de la course du piston.
On trouve dans le Guide du mécanicien le calcul des différentes valeurs de iog. j ûquitinii'oduitesdansla valeurdcT,
iloiinenl le Iravail qui correspond h l'introduction dans le cylindre de quantités de vapeur successivement di'îcroissantes et montrent Taugmentalion de travail uniquement due à la dé-
mte.
DES MACHINES A YAPEUK.
Valeurs de j,
1 +2.303 Xlog.j-^
îl
En représentant graphiquement les valeurs du travail avec ou sans détente, on a dans le premier cas un rectangle, dans le second cas un rectangle suivi d'une figure curviligne, dans laquelle les ordonnées représentent les pressions et les abscisses les volumes ; les ordonnées et les abcisses ayant entre elles la relation exprimée par la loi de Mariolte.
^3. — Capacité des gaz et des Tapeurs pour la chaleur.
chaiear spétsiaqae. — L'uuité dc chalcur OU calorie est la quantité de chalcur suftisante pour élever 1 kilogramme d'eau de la température de 0** à la température de 1" centigrade.
Entre tous les points de Téchelle Ihermométrique, on admet que la quantité de chalcur nécessaire pour élever la tempéra-
COP(SIDÉRATIO^S (lÉNÊBALER. 61
lurL* de 1° est conslanle : les ilifférencps conslatécs par M. Ite- ;:nauU peuvcnl èlre négligées dans la pratique.
Les (linerents corps n'exigent pas la même quantité de chaleur pour passer de 0 à 1° ; la quantité de ctiateui' nécessaire îi cliacun de ces corps est désignée sous le nom de capacité pour la chaleur ou de rkaleur spécifique.
La chaleur spécifique de l'eau étant prise pour
unité 1,00
c>-llc de la fonle est 0,15
- du fer 0,12'
— du cuivre 0,09
La chaleur spécifique des gaz est diflicile à constater, d'abord pirc^ qu'il faut opérer sur des masses considérables, el ensuite fute que Taugmcnlation de température peut, ainsi que nous l'nuns dit dans le chapitre précédent, se produire dans des CMidilions très-di(Térentes:
La pression restant la même, le volume varie avec la tempéra lure ;
Le %oIunie étant constant, la force élastique ou la pression larie aussi avec la température.
M.Rcgnault a Tait des expériences très-nombreuses pour rechercher les variations de la chaleur spécifique des gaz â pression constante. U a formulé ces deux lois ;
1° La capacité calorifique des gaz par rapport a l'eau ne varie pas sensiblement avec la température;
'2' La capacité calorifique des gaz par rapport à l'eau n'est que Irés-peu modifiée quand la pression varie de 1 à 10 atmo> sphères.
Les eipérieaces de H. RegnauU ont porté sur des températures de — 10 à -f- 225", avec des pressions de 1 à 10 atmosphères, n a trouvé que la capacité de l'air pour la chaleur était ".■it de celle de l'eau, c'est-à-dire qu'une musse d'air absorbe, 'ir que sa température s'élève de 1", moins du quart de la
quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1* le même poids d'eau.
La chaleur spécifique à volume constant est plus faible que la chaleur à pression constante :
On a trouvé pour l'air (/ = 0,1686.
La capacité à pression constante étant c = 0,2377, le rapport
des deux Qst -7 = 1 »4î1 .
La théorie mécanique nous a donné l'explication de cette difTérence.
Enfin, pour les chaleurs spécifiques des principales vapeurs, H. Rcgnault a donné les chifTres suivants :
Vapeur d'eau 0,475
Alcool 0,451
Éther 0,481
Chloroforme 0,156
Essence de térébenthine • 0,506
chaiemr lateate. — Nous ne reproduisons pas ici les théories qui ont été présentées par les physiciens sur la chaleur latente; nous rappelons que Ton désigne sous ce nom la chaleur qui n'est pas accusée par nos instruments, et qui se produit ou disparait dans les passages de l'état solide à l'état liquide, de l'état liquide à Tétat gazeux, et inversement :
Passaije de Véiat solide à Ntat liquide :
Un mélange de 1 kilog. d'eau à 75'' et de 1 kilog. de glace à 0^, donnant 2 kilog. d'eau ù 0*", 1 kilogramme de glace exige pour se fondre 75 calories qui sont absorbées à l'état de chaleur latente.
Passage de l'état liquide à létal gazeux :
La détermination de la quantité de calories nécessaires pour faire passer 1 kilog. d'eau à 0* à l'état de vapeur saturée, sous diverses pressions, a donné lieu ù de nombreuses expériences et à de nombreuses hy|>othéses.
œ>SI Ht' RATIONS GÉNÉRALES. «3
Watt a admis que celle quaiililû de calories élail coiislante et
i-p'ale à 637 calories, quelle que fût la pression : L:=637"'.
Suuthern a pensé que la quanlilé de chaleur nécessaire pour obli'nir la vaporisation èlait constante et égale à 537 calories, itiuis qu'il fullail, pour avoir le nombre lotal de calories, ajouter i h"! autant d'unilèa que le thermomètre indiquait de degrés. .Vinsi, L désignant le nombre total de calories,
«na: à 100% 1 = 537+ 100 = 637
àl20M = 537 + 120 = 657.
Jl 100*, la concordance entre la loi de Watt et la loi de Southern (stiKirraitc. Tour 1^0", la loi de Southern indique Gbl, tandis qac la loi de Walt donnerait constamment 657.
M. Itegnaull a repris ces espériences et a indiqué une loi qui les riisurac Irés-exaclemenl :
T ètanl la température.
A lO'O, on retrouve 637 comme l'avaient indiqué les deux mires physiciens ; au-dessus de 100° et pour les pressions jusigu'it 'ih atmosphères, les valeurs de L vont en croissant, mais Ittaucuup moins rapidement que ne l'avait admis Southern.
bans la formule précédente, la quantité constante 606"', 5 semble représenter la chaleur latente proprement dite, c'eslà-dire la quantité de chaleur nécessaire pour vaporiser 1 kilog. dVau à 0' : et le coelTicicnt 0,305, la capacité calorifique de la upeur d'eau à l'état de saturation.
La (|uanlité de chaleur contenue dans 1 kilog. de vapeur ^turéc est loin de croître comme la pression.
A 100° et sous 1 atmosphère, elle est de 657"'' ;
A 22V et sous 25 atmosphères, elle n'est que de 675"'.
La quantité de chaleur que la vapeur d'eau alisoibc pour s'éleser de i° centigrade est donc liés-iaible.
(kolrar dr lu vapeur aurcbauf ft^e . — M. Ilegliault a égatcnieni
recherché comment la vapeur surchaurfée, c'est-à-dire la vapeur saturée isolée de Teau, se comportait lorsqu'on élevait sa température, et il a indique, comme valeur de la quantité de calories qui existent dans 1 kilogramme de vapeur surchauffée, la formule suivante,
T étant la température de saturation,
T' la température finale :
Les deux premiers termes sont ceux de la formule qui exprime la quantité de chaleur contenue dans la vapeur non encore surchauffée.
CoadcDMiioD. — La détermination de la quantité d'eau à injecter pour condenser 1 kilogramme de vapeuîr est un problème dont la solution se présente constamment dans rétablissement des machines ; la loi dite des mélanges et la formule de M. Regnault donnent une solution facile. Soient :
Q le poids de vapeur h condenser,
T sa température,
Q' le poids de Teau de condensation,
T' sa température,
T" la température que doit prendre le mélange, on aura, égalant la quantité de chaleur du mélange à la somme des quantités de chaleur de la vapeur et de l'eau :
(Q -+- Q') r = Q (000,5 + 0,305 T) + QT ;
et, si Q' est l'inconnue :
^ rrtf rrt
Si on suppose T=z= 150% T" = 30% T'=z=10%
y^Q (606.5 H-^45,75-50)^3^^^^..^gQ
11 faut donc, pour condenser un poids de vapeur à 150* et par suite à 4'*'", 70, un volume d'eau à 10** pesant 7A fois plus.
C0\MtiÉHAT10.NS CÉSÉIULKS. 1(5
Cette quantité est ransidw-able, et dans beaucoup de cas il i^t impossible de se la procurer. Nous verrons que pour les in;icliines .i vapeur employées dans les travaux publies qui n'ont par conséquent qu'une installation provisoire, il faut le plus moment renoncer â condenser la vapeur, ou au moins recourir à d'oulrcs moyens que l'emploi de leau dans les locomotives. l'ans les locomobiles, on ne songe pas à condenser lu vapeur à bj sortie des cylindres, e( on en perd la majeure partie dans l'atinosplièrc. Dans les grandes machines fixes et dans les machines de bateau, au contraire, la condensation par l'eau est OTployée d'une manière générale; nous verrons que l'usage iii-5 raux de condensation présente certains dangers qu'il importe Je combattre.
C«w*rrtatloii dr I« rhalrur rcrncilllc p«r l'can de condensa- ••^ — La Tormuio précéileiile montre la quantité de clialeur ilftorbéc par l'eau de condensation ; on a naturellement cherché àuliliser cette chaleur, en reprenant, pour l'alimentation de la l'Iimidiêre, l'eau dans laquelle s'est elTcctuée cette condensalii>'i La chaleur opère ainsi une espi'ce de circuit continu de la ilNiudicre au condenseur et du condenseur à la chaudière, n\3\< en subissant une double perte due au passage de l'eau 'i'i'tjat liquide à l'étal gazeux dans In chaudière et au passage ili'Imapeur de l'étal gâteux à l'état liquide dans le condenseur. La conservation de la chaleur produite est un des problèmes lt> plus iin;!ortants qui se présentent dans l'industrie, et nous 1.1 UTrons plusieurs fois reparaître.
i, 1 — Nniivpmr'lit iL^gaiel di>! i,l|icm-s ciatis les .«-g^iies lies iita.liiiies.
riaMn. — Soient :
V la \ileise de la vapeur qui s'écoule, indiquée en métrés et mesurée par secondes ;
Pj la pression de la vapeur, mesurée en kilogrammes par mètre carre dans le vase contenant la vapeur au moment où commence Técoulemenl ;
}/, la pression en kilogrammes par mètre carré du milieu dans lequel s'écoule la vapeur ;
dj sa densité.
La vitesse d'écoulement est donnée par la formule :
L'application de cette formule donne des vitesses considérables. En supposant une cliaudière contenant de la vapeur à 7 atmosphères et un robinet débouchant dans l'atmosphère, la vitesse d'écoulement serait de 561 mètres par seconde. De tels chiffres indiquent l'influence des fuites dans les chaudières; la moindre fuite dans un appareil se traduit par des augmentations de dépense très-sensibles dans le combustible.
Les deux tableaux ci-après donnent les vitesses d'écoulement de la vapeur sous diverses pressions : le premier tableau suppose récoulement de la vapeur dans l'atmosphère sous des pressions variant, par quart d'atmosphère, de cinq h une atmosphère ; il correspond aux fuites proprement dites : le second tableau donne les vitesses d'écoulement pour la vapeur passant d'un milieu à un autre ; il correspond aux mouvements de la vapeur dans les organes d'une machine.
CCWSIDÉRATIONS CK.NËRALES.
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