SU

Sur cette différence, 8*^*^642 ont été employées par la détente à donner le travail de 3673 kilogrammètres. Le reste (28,3 — 8,642) = 19,66 a donc été pris par les parois du grand cylindre pendant la détente. La somme totale de chaleur ainsi prise par les parois s'élève donc à

D'après la marche même de notre analyse, on reconnaît

que cette somme énorme, bien loin de s'accumuler peu à peu

dans les parois, est au contraire dépensée à chaque coup de

piston. Elle n'est autre que la valeur du terme R^ exprimant

la quantité de chaleur que prend la vapeur aux parois'pendant

qu'elle se précipite du grand cylindre au condenseur. On a,

en un mot,

et nous n'avons point ici à faire, comme plus haut, des corrections pour ce qui appartient au refroidissement externe. Quand Tenveloppe est pleine d'air, la perte par les parois peut être regardée comme à peu près insensible.

Le lecteur se demandera peut-être pourquoi je ne me suis pas servi de notre équation générale

(M-hfx)c,,log~ = — - —

pour l'analyse de la machine de Woolf, comme je l'ai fait pourcelle des machines à un cylindre. I^a raison en est trèssimple : cette équation suppose implicitement que toute la masse M de vapeur et d'eau se trouve continuellement dans le même état thermique; or cette condition, qui n'est remplie déjà qu'à peu près avec la machine à un cylindre, ne l'est plus du tout avec celle à deux cylindres. Dans le petit cylindre, en effet, où a lieu l'afflux de la vapeur de la chaudière, toute la surface interne du métal se trouve nécessairement à une température relativement très-élevée, que l'enveloppe fonctionne ou non : la vapeur, pendant qu'elle se détend et passe au grand cylindre, doit donc prendre de la chaleur aux parois. Dans le grand cylindre, dont la périphérie interne est nécessairement à une température relativement basse, la vapeur qui afflue restitue au contraire de la chaleur aux parois. Cette raison très-claire et d'autres secondaires que je ne mentionne pas, parce que chacun les aperçoit avec un peu d'attention, font que notre équation ci-dessus ne peut conduire à des résultats coiTects. En y introduisant, pour m, r, T, c, les valeurs respectives convenables, on trouve

fjL = — o»'^,i2i et Q = — 6*^«S4,

ce qui nous apprend que, dans ce genre de machines, les parois enlèvent de la chaleur à la vapeur pendant la détente, au lieu de lui en donner comme il arrive dans la machine à cylindre unique; en ce sens l'équation indique la vérité. Mais le nombre — 6***, 4 est beaucoup trop petit : en l'ajoutant aux

8*^"^,64 que coûte le travail, on trouve — i5*^*\o4 pour l'abaissement que devrait éprouver la valeur de U. Or cet abaissement, comme nous voyons, est en réalité 28*^*^,3.

Je reviendrai sur ce fait dans nos conclusions générales.

Si j'ai réussi à être clair et si le lecteur a bien suivi mon exposition, on voit :

1° Qu'il existe une' différence capitale entre les phénomènes thermiques que présente une machine sans enveloppe, selon qu'elle est à un cylindre ou à deux (système Woolf). Dans la première, les parois cèdent une partie de leur chaleur à la vapeur pendant la détente même, quoique cette partie soit bien plus petite que quand ce cylindre unique est à enveloppe. Dans la seconde, au contraire, les parois enlèvent de la chaleur à la vapeur même pendant la détente, pour la perdre ensuite pendant la condensation.

2° Mais on reconnaît aussi le mode spécifique d'action, je dirai presque le rôle original de l'enveloppe, dans la machine à un cylindre surtout. Avec l'enveloppe, les parois ne cèdent pour ainsi dire ni plus ni moins de chaleur que sans elle, mais elles la cèdent en temps opportun à la vapeur pendant la détente et augmentent ainsi considérablement et gratis le travail rendu, tandis que, sans l'enveloppe, elles la cèdent en pure perte à la vapeur qui se jette au condenseur, ou, pour parler beaucoup plus correctement et pour donner d'un coup toute l'explication du phénomène, elles la cèdent à l'eau qui les recouvre et l'évaporent bien inutilement au moment de l'acte de la condensation.

Machine à vapeur d*eaa surchauffée.

Je passe enfin à l'étude de la machine à vapeur d'eau surchauffée. Dans l'examen que nous venons de faire des phé-

Qoo^(^

nomènes thermiques que présente la machine à vapeur ordinaire, je n'ai eu que très-peu à modifier aux conclusions théoriques que j'ai présentées, à plusieurs reprises déjà, il y a près de dix ans; je n'ai fait en quelque sorte que compléter et développer ces conclusions, leur donner le caractère de généralité et d'exactitude qui leur manquait en certains points. Il n'en sera pas de même dans l'exposé des résultats théoriques et expérimentaux que je vais présenter quant à l'analyse des effets de la surchauffe. Quelque frappé que j'aie été, dès l'origine de mes recherches, de l'influence puissante des parois métalliques en contact avec la vapeur sur les résultats d'un moteur, ici cette influence a dépassé ma propre attente.

Dans les deux éditions précédentes de cet Ouvrage et dans les Chapitres concernant les machines à vapeur surchauffée, j'avais admis implicitement que la vapeur, en pénétrant dans le cylindre, n'y abandonnait aux parois qu'une quantité trèspetite de chaleur ; j'avais admis, dans les calculs de la dépense de vapeur et du travail de la détente, qu'on a affaire à une vapeur encore fortement chauffée au-dessus de son point de saturation. En procédant ainsi, j'ai commis une grave erreur. Je dois à la vérité historique de dire comment je suis arrivé à la connaissance de cette erreur.

En comparant la dépense réelle de nos machines par coup de piston avec la dépense théorique obtenue en multipliant le volume offert à la vapeur par la densité de cette vapeur supposée surchauffée, je trouvais toujours le premier nombre très-supérieur au second. Pendant longtemps, j'ai persévéré à croire que ce sxurcroît de dépense dérivait de fuites au piston. Ces fuites me semblaient naturelles et probables, puisqu'on opérait (à ce que je croyais) à une température trèsélevée, capable de détruire ou d'évaporer les graisses

introduites dans le cylindre pour diminuer les frottements et l'usure des pièces. Je laisse à M .Leloutre le mérite tout entier d'avoir combattu cette manière de voir, de m'avoir présenté comme possible et probable l'existence d'une condensation de vapeur se faisant pendant l'admission et simulant une fuite en donnant à la vapeur une densité bien supérieure à celle que lui adjugeait le calcul ; je lui laisse le mérite de m'avoir en quelque sorte forcé à faire de nouvelles . expériences qui, d'une façon ou d'une autre, missent la vérité à jour.

Voici à quel procédé j'ai eu recours pour m'assurer de ce qui se passait réellement.

Les pistons employés aujourd'hui dans les machines à vapeur sont rendus hermétiques à l'aide de ce qu'on appelle des garnitures métalliques. Les dispositions particulières adoptées varient beaucoup ; mais le principe, appliqué plus ou moins bien, c'est que ces garnitures ou segments métalliques plus ou moins grands, plus ou moins épais, plus ou moins hauts, sont constamment poussés contre les parois polies du cylindre, de manière à intercepter autant qu'il est possible le passage du gaz aqueux. Lorsque ces pistons sont bien construits et qu'on opère sur de la vapeur saturée et humide, la quantité de vapeur qu'ils laissent échapper peut être considérée comme insignifiante. C'est là un fait dont, avec raison, comme on conçoit, je m'étais assuré avec soin dès l'origine; et c'est de ce fait que je doutais en ce qui concernait la vapeur surchauffée. Pour constater d'une manière bien positive quelle était l'origine de la différence que je trouvais toujours entre la dépense expérimentale d'une machine à vapeur surchauffée et sa dépense théorique, je fis construire un piston, avec garniture de cordes en chanvre telles qu'on les employait autrefois dans la machine à basse pression (Watt). Je savais qu'un pareil piston ne pouvait avoir aucune durée ; mais j'é-

lais tout aussi sûr que son herméticité serait parfaite dans les trois ou quatre premières heures de sa marche, et ce temps était plus que suffisant, avec les procédés que j'ai décrits ailleurs (tome I, livre I), pour déterminer avec toute la rigueur désirable la dépense en vapeur par coup de piston. Les prévisions de M. Leloutrè furent pleinement confirmées par ce genre d'expériences.

Il fut démontré que les pistons ne perdaient aucune trace de vapeur, et par conséquent que la vapeur à 240 degrés qui se précipite en pleine pression dans le cylindre moteur peut elle-même, dans certaines conditions, subir une condensation partielle. L'importance d'une pareille constatation va ressortir de plus en plus clairement aux yeux du lecteur.

Je descends de suite des généralités aux faits spéciaux et précis.

J'ai déjà indiqué à plusieurs reprises l'espèce de machines sur lesquelles ont porté mes expériences : elles sont à cylindre unique, sans enveloppe à vapeur. La vapeur, au sortir de la chaudière, passe par un appareil de surchauffe, où, sans changer de pression, elle est portée à 80 ou 100 degrés audessus du point de saturation. Les cylindres, munis d'ailleurs d'un manteau isolant, portent quatre lumières : deux pour l'admission, deux pour l'échappement. La puissance considérable de ces moteurs (i3o à 1 5o chevaux) rend tout à la fois plus concluantes et plus intéressantes les expériences qui les concernent.

Parmi les nombreuses expériences que je pourrais analyser ici, je prends de préférence celle que j'ai exécutée tout récemment, avec M. Hallauer, sur la machine dont j'ai déjà parlé. Cette expérience est importante à un triple point de vue : 1® sans rien changer à la détente, à la vitesse, à h pression, etc., nous avons substitué la vapeur surchauffée

à la vapeur saturée ; 2** le travail a été, comme avec la vapeur saturée, mesuré des deux côtés du piston avec un excellent indicateur Watt et avec mon pandynamomètre ; 3** enfin, par une circonstance fortuite et fort heureuse que je n'ai reconnue qu'après coup, la machine s'est trouvée placée presque rigoureusement dans les conditions où elle avait travaillé lors des essais de 1864 exécutés par le Comité de Mécanique de la Société industrielle de Mulhouse (*).

J'ai dit que le travail a été mesuré des deux côtés du piston. Comme, par suite de la construction de la machine, il existait une différence assez notable entre les deux valeurs, je crois devoir indiquer d'une façon précise comment a été prise la moyenne.

A la fin de l'admission, la pression était

Po = 4^883^» au haut du cylindre, P„ = 43o3i au bas du cylindre.

La première, pression répond à 1 44^? 472; la seconde à 145^,452. La moyenne de ces deux nombres est

I44^96, ' et la pression moyenne qui répond à cette température est

La pression à la fin de la détente était

8920^5 au haut du cylindre, 9810 au bas du cylindre.

(*) Recherches expérimentales sur les machines à vapeur, i'« Partie. Rapport de M. Leloutre, inséré dans le Bulletin de la Société industrielle de Mulhouse, sur les expériences faites du i a au 18 septembre 1B64.

Les températures correspondantes sont

95% 938 et 98%548;

leur moyenne est

et la pression correspondante est

Pour ces températures, les valeurs correspondantes de r, APm, p, q^ y sont

i44%96, T„ = 4i7%8^ r, = 5o4^"»,42, 9o -= i46^'S29, APoWo -^ 43*^'\ 782, Po = 46o"',G4, 70-2^27611;

97% 24, T. = 370^09, r, = 538-», 46, (7, r.: 97-S7, AP, a, = 39-\955, Pi = 498'*'j5ï, 7, = o'^^SSoGi, c,n '-= 1,00739.

L'espace total offert à la vapeur à la fin de l'admission était

Wo ~ o'"*^, 1 1 29 au haut du cylindre, W„ ^ o"*'', 1389 au bas du cylindre.

r^ moyenne est

L'espace laissé à la vapeur à la fin de la détente est

W< ~ o'°*^,4857 au haut du cylindre, W, = o"*',4943 au bas du cylindre.

La moyenne est

Il résulte de ces deux données

La machine, tenue à un régime de vitesse, de pression (48460 kilogrammes dans la chaudière), de détente, de surchauffe (ô = 23i**) aussi constant que possible, dépensait, par coup de piston, o*'*,3o65. Il résulte de là ce fait frappant et inattendu, que non-seulement la totalité de vapeur introduite pendant Tadmission n'était plus surchauffée, mais encore qu'il s'en condensait

soit 6 ^ pour 100, puisque le poids de vapeur saturée possible dans le cylindre à la fin de l'admission n'était que o,28656! Il n'y avait ici, en effet, que deux hypothèses à faire : i** ou il s'échappait de la vapeur pendant l'admission entre les parois du cylindre et le piston ; 2** ou la vapeur, bien loin de rester en entier à 23 1 degrés dans le cylindre, y éprouvait une condensation de 0^*^,01994 contre les parois. J'ai dit comment, sous une forme toute expérimentale, je suis parvenu à éliminer la première hypothèse. Celte réfutation, à peine ai-je besoin de le dire, ne prouve pas que tous les pistons soient hermétiques , mais elle montre seulement que ceux des machines sur lesquelles j'ai opéré l'étaient. J'ajoute maintenant que l'hypothèse des fuites au piston se trouve de fait soumise à l'épreuve par l'analyse elle-même à laquelle nous allons soumettre les divers phénomènes observés. C'est ce dont le lecteur va bientôt se convaincre, s'il ne l'est déjà, par l'étude de tous les cas examinés aux paragraphes précédents. Mais,

avant de faire un pas de plus, il convient d'expliquer la nouvelle bizarrçrie apparente qui vient de se présenter à nous.

Une condensation de o*'«, 01994 sur o^«f,3o65, précédée nécessairement d un refroidissement de (23 1 — i44) ou 87 degrés dans le gaz aqueux, condensation qui s'opère en moins A'un quart de seconde que dure l'admission, ne voilà-t-il pas, dira-t-on, un fait insolite, inadmissible !

J'ai déjà montré que, quant à la vapeur saturée, les condensations et les évaporations qui s'opèrent avec la plus grande rapidité dans les cylindres s'expliquent de la façon la plus naturelle à l'aide des principes de Physique élémentaire connus de quiconque s'occupe de vapeur. L'explication à donner maintenant n'est en aucune façon moins naturelle, moins simple. A l'aide de mesures thermométriques directes, je me suis assuré à plusieurs reprises que le couvercle et les parties extrêmes de nos machines à vapeur surchauffée ont toujotœs une température même inférieure à celle qui répond au point de saturation de la vapeur. La vapeur ayant, par exemple, aSo degrés et une pression de 5 atmosphères dans le cylindre au moment de l'admission, les parois et le couvercle ont rarement plus de i45 degrés; c'est-àdire qu'ils ont presque toujours (i52,'i2 — i45), soit 7 degrés de moins que la vapeur saturée à 5 atmosphères. Il se condense donc nécessairement de la vapeur pendant l'admission ; la discussion ne peut porter encore ici que sur la quantité.

Remarquons bien de suite qu'en vertu du principe de Physique que j'ai cité (page 35) il n'est nullement nécessaire, l>our que cette condensation ait lieu, que toute la masse de vapeur introduite (o*'«,3o65) tombe d'abord de 23i à i45 degrés. Il faut et il suffît que les parties du gaz aqueux en con-

tact immédiat avec le métal subissent d'abord cette chute de température, et l'épaisseur de la couche gazeuse à refroidir ainsi avant la condensation ne s'élève peut-être qu'à quelques millimètres, tout le restant de la vapeur admise pouvant avoir et ayant même certainement la température d'admission (23i*^= ô aii cas particulier). En un mot, remarquons que, dans le cylindre et au moment de l'admission^ il peut et il doit ruisseler de Veau le long des parois, tandis que l'espace libre peut au contraire être plein de vapeur à ^Si degrés. Dès ce moment, la condensation de 0,01994 sur o,3o65 perd son caractère bizarre, insolite, pour rentrer dans l'ordre des faits naturels et faciles à comprendre. La condensation pendant l'admission, comme l'évaporation d'une partie de l'eau pendant la détente, a lieu par contact direct, partie par partie, et non par refroidissement ou échauffement de toute la masse présente.

Analysons maintenant les phénomènes thermiques comme nous l'avons fait précédemment.

Reprenons notre équation générale

(M+^K.og^=(;-),-(¥X.

dans laquelle jx est la valeur de la quantité d'eau que représente calorifiquement le métal des parois pour un abaissement de température T© 5= T, . Cette équation est ici parfaitement valable, puisque nous savons déjà que la vapeur s'est partiellement condensée dans le cylindre pendant l'admission. Que nous ayons dans le cylindre un poids de vapeur saturée /Wo et un poids d'eau (M — /Wq), ou un poids un peu plus faible x de vapeur surchauffée et un poids un peu plus fort (M — a?) d'eau, rien absolument n'est changé à la question.

A l'aide des valeurs que nous avons indiquées pour q, r, 7,

p, Cn, notre équation générale devient

(M + ^) 1,00739 log|il^

d*où Ton tire

M-+- jx = o''fc',38i:i6i2,

et, conime M —. o,3o65, il reste

jx = o''^, 0747624.

Si nous multiplions cette valeur par la différence {ço — Çt) ou (146,29 — 97>7)> nous trouvons

pour la quantité de chaleur cédée par les parois à la vapeur à ciiaque coup de piston.

Soumettons cette valeur au contrôle de Texpérience. Suivant nos désignations habituelles, nous avons

Q :r.AF^±(U, -Uo)

et

Pour ces deux dernières sommes, nous avons

Uo = o,3o65. 146,29 -f- 0,28656.460,64 = i'j6^\»i, u, = 0,3065.97,7 H- 0,2698.498,51 == 164, 44-

La somme U diminue donc pendant la détente, et la chaleur fournie par les parois ajoutée à cette diminution est employée, par suite, à produire le travail de la détente F^. Il vient, en un mot,

AFa = 3,633 -r- 176,81 - i64,44 = i6««Soo3.

La valeur F^ donnée par les diagrammes était 7020 kilogrammètres; celle de AFj était donc y-^ = 16, 5. La différence n'est que de 3 pour 100.

Une telle approximation est des plus importantes. Je dois, en effet, appeler l'attention du lecteur sur les deux méthodes suivies pour obtenir les valeurs de AF^. Dans l'une d'elles, la valeur de F^ et, par suite, de AF^ est donnée directement par la mesure de la surface des diagrammes répondant à la détente. Dans l'autre, nous déterminons jx, puis Q ==m(^o--yO> puis enfin Q -- (U< — U^) = AF, à l'aide des valeurs calculées pour TWo, /'o? Po> 9oj To et /w,, Ti, p,, y,, T,, en partant <iig^ deux ordonnées extrêmes des diagrammes représentant les valeurs des pressions initiale et finale Pq et P| . Il est clair maintenant que, s'il existait des fuites de vapeur notables au piston, il serait de toute impossibilité que la valeur de AF^, calculée de fait avec deux seules ordonnées du diagramme, fût presque la même que celle qu'on trouve avec la surface des diagrammes, c'est-à-dire avec la moyenne de toutes les coordonnées. Dans ces considérations très-simples, le lecteur peut tout au moins entrevoir qu'il doit exister un moyen de calculer les fuites, si elles existent, en partant des valeurs de F</ obtenues par deux voies aussi différentes. 11 trouvera ce moyen développé analytiquement dans une Note que j'ai remise à M. Leloutre pour être ajoutée à son beau Mémoire. Ici il serait hors de place de m'arrêter sur une question presque technique, quelque intéressante qu'elle soit en ellemême.

J'ai dit que la dépense réelle de notre machine était de 0*^^,3065 par coup de piston, tandis que le poids de vapeur présent à la fin de l'admission était seulement de o^^, 28656. La température initiale de la vapeur étant 23 1 degrés, la

quantité de chaleur donnée aux parois par la condensation des (o,3o65 — o, 28656) ou o''^, 01994 s'élevait à

Q = 0^^,01994^0 -h c(îà3i — i44**> 96)0,3065, soit

Q=o''«,oi994.5o4,42 4-o''«,3o65.o,47o5.86%o4=:22^«',47.

Sur ces 22*^^,47? 3^S633 étaient, comme on a vu, données à la vapeur pendant la détente, a -^ autres calories étaient perdues par les parois externes ; il reste donc 16*^**, 3 pour ce que les parois cèdent à la vapeur ou, pour parler plus correctement, à l'eau qui les recouvre au moment de la condensation. En d'autres termes, on a

L'analyse précédente fait ressortir avec la plus grande clarté, et à un premier point de vue déjà, quel est le mode d'action de la surchauffe et d'où dérive l'économie considérable de vapeur (et de combustible) à laquelle elle conduit, comme nous verrons. On voit que la cause la plus désastreuse de perte de chaleur dans la machine à vapeur, c'est l'évaporation instantanée de l'eau qui reste le long des parois des cylindres à la fin de la détente et au moment où se fait l'échappement au condenseur. Pour éviter la présence si funeste de cette eau, il ne suffit pas du tout de fournir simplement aux cylindres de la vapeur sèche, mais saturée, puisque, pendant l'admission, il se fait nécessairement dans le cylindre une condensation énergique qui répare les pertes de chaleur qu'éprouvent les parois pendant la détente. Dans l'exemple cité de la machine Woolf marchant sans enveloppe, nous avions une déperdition énorme au condenseur, bien que la vapeur de la chaudière n'amenât en définitive qu'une quantité d'eau en poussière fort modérée. L'enveloppe évite cette perte au condenseur en forçant l'eau If. 5

présente à s'évaporer pendant la détente. La surchauffe agit d'une façon différente et plus efficace encore : elle amène au cylindre un excès de chaleur qui subvient aux frais de la détente et qui prévient ainsi la condensation d'une quantité trop considérable de vapeur pendant l'admission.

Comparons, en effet, la machine marchant avec surchauffe avec la même machine marchant sans surchauffe. Ramenonsles pour cela à une même somme de travail externe total. Sans surchauffe, ce travail s'élevait à looSo kilogrammètres.

Le sacrifice de chaleur fait en pure perte au condenseur s'élevait à 39«"S 4-

Lorsque, dans des conditions de pression presque semblables, et dans des conditions rigoureusement semblables sous tous les autres rapports, la machine marchait avec surchauffe, le travail externe s'élevait à 1 1 i4i kilogrammètres. A égalité de travail, on aurait donc eu pour R<. approximativement

La perte au condenseur est donc

ou de 62 pour 100 moindre avec surchauffe qu'avec vapeur saturée.

Ramenons R^ à la chaleiu* totale disponible dans les deux cas.

Sans surchauffe, la dépense de vapeur et d'eau entraînée était de 0,3732 à 46022 kilogrammes de pression, soit à 148 degrés dans la chaudière. La dépense en chaleur était donc (puisque la vapeur entraînait 0,01 d'eau)

A part toutes les autres pertes de chaleur, celle que produisait Kc s'élevait ainsi à

soit à 16,3 pour 100.

Avec vapeur surchauffée, la dépense de chaleur était

o,3o65(6o6,5-4-o,3o5.i48)4-o,47o5(33i~i48) = 2ii"',7.

La perte relative ne s'élevait donc qu'à

soit 8 pour 100.

J'ai dit que nous voyons déjà à un point de vue le mode d'action de la surchauffe : c'est peut-être le plus original, mais ce n'est pas le seul, puisque, dans un cas, nous produisions ioo5o kilogrammètres avec 2^ij32j soit 4ï^^>64 par calorie, et, dans l'autre, 1 1 i4i avec une dépense de 21 1*^*^,7 seulement, soit 5 2''^'", 6a par calorie, et qu'ainsi nous avions

en réalité un avantage de ^^ 5 ""g ^ ^^ P^'^s de 21 pour

100. Je reviendrai sur cette question plus loin; mais il convient de résumer d'abord les conclusions qui découlent de tout Tensemble de ce Chapitre.