THÉORIES GÉNÉRIQUES

Très nombreuses et variées sont les. causes qui font qu'un moteur calorique présente en réalité des phénomènes fort différents de ceux qu'annonce sa théorie générique et rend un effet réel toujours inférieur à l'effet disponible.

J'ai indiqué déjà sommairement celles dont jusqu'ici on ne s'était nullement préoccupé dans l'analyse de ces moteurs en général. Nous devons dans ce paragraphe les examiner de plus près, et dans leur ensemble, parce qu'à toutes presque indistinctement, la théorie mécanique vient donner un caractère autre que celui qu'on leur avait reconnu antérieurement.

Ces causes peuvent se résumer en quatre classes principales :

Dans tout moteur, une portion plus ou moins grande du travail total disponible est consonmiée dans l'organisme même de la machine :

l^" Sous forme de travail utile et nécessaire à la marche même

de la oiachjae. Tel est dans une machine à vapeur le travail dépensé pour l'introduction de Teau dans la chaudière, pour Feztraction de Feau injectée au condenseur.

2^ A vaincre ce qu'on nomme les résistances passives, dues principalement, sinon en totalité, au frottement des pièces de l'organisme : tel est, dans une machine à vapeur, le travail consommé par le frottement des pistons, des tourillons, etc.

Une autre portion du travail disponible est perdu.

3* Par suite d'un mauvais emploi du travail potentiel représenté par le Ck)rps intermédiaire sur lequel agit la force. Telles sont, dans une machine à vapeur, les pertes dues aux espaces nuisibles, aux étranglements, etc.

Les deux premières causes de perte concernent tout moteur ; la troisième cause concerne spécialement les moteurs où un fluide élastique se trouve employé. Enfin, dans la machine calorique, il existe :

i^ Une cause perturbatrice dont j'ai longuement parlé dès le début de ce chapitre : elle repose sur l'intervention des parois internes mêmes de l'organisme, agissant comme additeurs ou soustracteurs de chaleur sur le corps intermédiaire.

Nous nous occuperons en tout dernier lieu de la première cause de déchet de travail et de perturbation, et nous commencerons par la seconde cause.

/. Perturbations dues aux résistances passives.

Dans sa théorie générique de la machine à vapeur, M. Pambour a admirablement analysé l'action des frottements, ei au point de vue de la physique de l'époque, en a tenu un compte exact algébriquement,s^inon numériquement. Si j'appuie sur le motalgébriquement, ce n^est point par critique, mais au contraire parce que l'auteur, à mon sens, a fait tout ce qu'il était possible de faire.

Q est clair en effet que l'exactitude numérique absolue est impossible là où la qualité des métaux en contact et la qualité de Fenduit lubrifiant peuvent modifier dé 30 et 40 p^/o la grandeur des efiets. Je n'exagère nullement en disant que, de deux machines à

vapeur de 100 cheyaux, «n tont sembbd)l66, %uf quant i la natoie des méUux qui frotteat les uns sur les autres et de la graisse qui les sépare, Tune pourra consommer 5 ou 6 chevaux de plus que l'autre en frottement, et rendre par suite 5 ou 6 de moins en travail externe. Ces 5 dievaux peuvent, comme je le dis, former les

du travail total consommé en frottement.

En somme, nous n'avons ici à nous occuper des frottenftentsqu'au point de vue de la physique actuelle.

Tout frottement, quel qu'il soit, développe une quantité de caio- Tique sans cesse égale au quotient du travail qu'il coneomme par l'équivalent mécanique de la chaleur.

Tout le travail absorbé par Je frottement dans l'organisme d'un moteur calorique est donc intégralement traduit par de la chaleur développée. Il nous importe d'analyser le rôle et l'emploi de cette chaleur dans les fonctions de la machine. Cette chaleur est i diviser en deux parts : !<> Celle qui se développe dans les pièces frottantes, non en contact avec le corps sur lequel agit le calorique, telles que tourillons de tout genre, axes du balancier, de volant, etc. ;

2^ Celle qui se développe dans les pièces en contact aveccecorps: telles que pistons, tiges de pistons, tiroirs de distribution, etc.

La première partie se communique en dernière analyse à l'air ambiant qui tient les pièces à une certaine température constante : elle est perdue et pour la machine et pour nous. La seconde partie au contraire, se communique au corps intermédiaire, et est: \° ou employé de nouveau dans la machine ; 2^ ou restituée au dehors.

11 est toujours facile, dans chaque cas, de reconnaître cp qui forme ces deux parties de chaleur et de plus de reconnaître ce qui, sur la partie employée de nouveau dans la machine, est utilement employé. Je ne ferai qu'une citation pour éclaircir cette dernière assertion. Dans la machine à air chaud comme dans la machine à vapeur, nous avons une pompe alimentaire ; l'une est employée à fouler l'air froid dans le générateur, l'autre à y fouler le gaz aqueux

liquéfié, Teau. Il est évident que, dans cette denûère, toute la chaleur produite par le frotteffleut et communiquée à Teau d'alimentation se trouve employée utilement , puisqu'elle sert à augmenter déjà la température de cette eau (si peu que ce soit). Il p'en est pas aiaai de la chaleur produite par le frottement dans la première machiae : il suffit d'examiner nos formules générales pour reconnattre que tout éd^uffement de l'air qui a lieu avant l'entrée même du gitoératrar diminue la quantité absolue du travail disponible.

U est inutile de faire remarquer du reste que les quantités de chaleur développées par les frottements,etréemployéesdaDsle moteur, sont généralement très faiUes, et peuvent être négligées expérimentalement. L'une de ces quantités cependant mérite de fixer un instant notre attention : je veux parler de ceQe qui est due au frottement du piston moteur.

On a toujours regardé ce frottement comme une cause exclusive de perte de travail. Ceci est tantôt partiellement, tantôt complètement inexact : c'est ce qu'un exemple numérique fera saisir d'un coup.

Nous avons vu dans l'exemple de notre machine Woolf marchant avec ou sans enveloppe à vapair, qu'il sufilt d'ajouter 9*'\5 à la vapeur pendant la détente pour gagner 3351^- de tra^il externe. Supposons que nous ayons deux machines tout^-fait semblables, mais que dans l'une, le frottement des pistons soit nul, tandis que dans l'autre il coûte 3351^* : supposons que ces machines marchent sans leur enveloppe à vapeur, mais que les cylindres soient d'ailleurs préservés de tout refroidissement externe. Dans la seconde, les 3351^"- de travail dépensés en frottement vont produire :

= 7"*- ,76 ; cette chaleur ne pouvant s'échapper extérieu-

rement, se communiquera en totalité à la vapeur interne comme si les cylindres étaient chauffés artificiellement. S'il se produisait 9^'b au lieu de 7'^-76, il est évident que tout le travail que coûte le frottement serait restitué et que nos deoxmachinesnous donneraient rigoureusement le même travail externe, bien que dans Tune le

frottement des pistons coûte 3351^'. Puisqu'il nous manque

9.5 — 7,76 = i'^',74, il estclair qu'en réalité nous auroos une perte

de travail dans la seconde machine ; mais il est tout aussi clair que

cette perte sera fort loin de s'élever à 3351 *■•, comme on l'aurait

admis dans les anciennes méthodes de calcul. Il s'en faut beaucoup

que le frottement du piston moteur d'une machine puisse jamais être

aussi considérable. Mais, en thèse générale, qu'on le suppose fort ou

faible, la perte de travail qu'il entraîne dans une machine à détente

ne peut jamais &tre égale au produit total de la vitesse du piston par

la résistance due au frottement.

IL Pertn/rhations dues aux résistances qu'éprouve le mouvemefit

du Corps intermédiaire.

Dans ujne machine à vapeur à détente fixe, où la vapeur est tenue dans la chaudière au maximum de pression autorisé par le timbre légal, le travail rendu à chaque instant dépend exclusivement de la grandeur de l'ouverture de la valve d'admission au cylindre : lorsque cette valve est totalement ouverte , la machine rend son maximum de travail.

Dans une machine à détente variable et avec les mêmes conditions de pression, la valve est toujours ouverte, et le travail rendu dépend de la durée de la période d'admission.

Mais dans aucun de ces deux systèmes de machines, et lors même que la valve est totalement ouverte , la pression dans le cylindre ne peut être rigoureusement égale à celle de la chaudière. La chute totale de pression varie d'une machine à une autre. Les différences à cet égard sont énormes, puisque, dans un cas, cette chute peut ne pas dépasser le cinquantième de la pression dans la chaudière, tandis que dans l'autre cas, elle s'élève au cinquième, et il est impossible à Ja seule inspection d'une machine de la déterminer à l'avance avec une exactitude tolérable.

La valeur de la chute de pression dépend visiblement de la section et de la forme des conduits de vapeur : en ce sens, jusqu'ici, les constructeurs n'ont rien fait pour la diminuer, si facile que cela soit en général. Elle dépend de la- manière dont se fait l'afflut de la

vapeur : elle est très petite dans la machine Woolf où la vapeur a£Dae au petit cylindre pendant toute la course du piston ; elle est beaucoup plus grande, toutes choses égales, dans une machine à détente et à un cylindre où Tafflut se fait par saccades.

Elle dépend de la température de la vapeur : c'est ce qui fait que dans une machine à un cylindre et à détente, qui travaille avec vapeur surchauffée, elle est beaucoup moindre que dans la même machine marchant avec vapeur saturée : c'est Tune des raisons pour lesquelles la machine, dans le premier cas, donne plus de force que dans Je second cas. Â Tune des machines sur lesquelles j'ai fait mes expériences, la pression étant de 5'*- dans la chaudière, tombait à 4"-, 15 dans le cylindre avec vapeur saturée, et seulement à 4"- ,6 avec vapeur à 25(y>.

La belle théorie générique de M. Pambour tient implicitement compte de ces différences de pression, puisque la force disponible est donnée dans l'équation générale en fonction de la dépense de vapeur, et que celle-ci dépend de la pression réelle dans le cylindre, et non de la pression de la chaudière. Mais si Ton se rapporte à ce que j'ai dit (page 423), on voit qu'ici le point de départ des équations est faux et conduit à des erreurs très notables, puisque la vapeur se surchauffe spontanément par suite de la chute de pression, et prend un volume plus grand et une densité moindre que le supposent les anciennes formules.

Je ferai le mieux sentir tout ce que ce genre de question renferme de délicat, en résolvant, au point de vue de la théorie mécanique, un problème souvent débattu entre les ingénieurs : à savoir si, dans de certaines limites, on a toujours intérêt à faire varier la détente d'une machine pour augmenter ou diminuer le travail, ou si l'on peut se borner à avoir une détente fixe, et à régler ensuite avec la valve d'admission.

Spécifions de suite par un exemple numérique.

Nous avons une machine à détente et à condensation qui^dépense i'- de vapeur sèche et saturée à 5"* , par coup de piston, et qui détend

de 5"" à !'•• ; la pression est sensiblement 5"- dans le cylindre pendant la période d'admission ; nons négligeons, ou plutôt nous supposons nuls, les espaces perdus et la contre-pression après la condensation.

Le travail dû à là pleine pression sera :

Le travail dû à la détente sera (Zeuner équation 138): 424.1M,0224 (152,2 - 100) = 22629^—

Soit en tout (18755 -+- 22629) = 41384^-».

Le poids de vapeur restant à la Un de l'expansion, est ici : (ëq. 137)

Le volume est donc :

et tel est aussi le volume du cylindre.

Le rapport de détente en volume est par suite :

Soit maintenant proposé de réduire le travail fourni par la machine, sans modifier la pression dans la chaudière. Nous pouvons procéder de deux manières : i"" ou bien augmenter

ce rapport — ~ — à l'aide d'un mécanisme de détente ; 2® ou le

laisser subsister et fermer la valve d'admission. Employons d'abord le premier moyen, et supposons qu'on réduise la course en pleine pression de telle sorte qu'à la fin la pression, au lieu d'être de 1"\ ne soit que 0'*-,5. La masse de vapeur finale sera :

Le volume relatif de la vapeur à 0"-,5 étant 2,8208, et le volume réel de notre cylindre étant : 1 ,5095, nous avons aussi :

d'où :

« = Hfif = '''■^>-

c'est-à-dire que la dépense sera réduite à 0*-, 59946. Le travail total sera donc :

0,363.5.10333.0,59946 -+- 424.1,0224.0,59946 {152o,2 - Sl^.?) = 10004^— -h 18321^— = 28325^—

au lieu de 41384*-"*, que nous avions d'abord.

Nous voyons que, tandis que 1^* de vapeur donnait d'abord 41384, il donne, en raison de cet accroissement de détente :

-iSô-= 47251^-.

Recourons au second procédé, et fermons la valve de manière à réduire le travail à 28325^"*. Ainsi posé, le problème est très difficile à résoudre rigoureusement avec les formules de la théorie mécanique : il est au contraire facUe à résoudre à peu près, comme on va voir.

Supposons qu'avec la détente de 1 à 4,158 en volume, on ferme la valve d'admission, de manière à réduire aussi la dépense à 0^\59946, et cherchons le travail produit.

Puisque le volume de vapeur 0^- ' ,363 engendré par le piston doit peser 0^* ,59946 au lieu de 1^% il faut que le volume relatif de la vapeur spontanément surchauffée dans le cylindre, devienne:

^ Jq^.^ = 0,60556 ; et en vertu de notre loi il faut que la pression totale tombe de 5- à 5. r^^^=2"'- ,9973. Soit

U,bU55D

3"*- en nombre rond. Le travail dû à la pleine pression sera donc :

Quei sera le travail dû à la détente de 363 à 15069 ou de 1 à 4,158 en vcdume de nos 0^* ,59946 de vapeur surchauffée, et à 3*'-? Comme la surchauffe est trè3 faible jici puisqu'elle est comprise entne 133^ et lb29, nous pouvons, sans trop d'erreur, la supposer nulle, mais

A OfiO

remplacer nos 0^\59946 de vapeur par les =0*- ,6039 que

pèserait la vapeur saturée.

Nos deux équations de condition pour résoudre le problème sont:

m2= ' 0,6039 mîV,=l»»,5069,

En opérant par tâtonnements, on trouve assez vite :

ce qui répond à fe = 85*^ et ;?» = O'** ,57.

Le travail rendu par la détente est donc

Le travail total est donc :

d'où:

pour le travail dû à 1^.

n y aurait donc ainsi un léger avantage dans ce cas particulier à opérer d'après la seconde méthode : je dis dans ce cas particulier ; il est aisé, en effet, de s'assurer que le calcul ne mène pas généralement à cette conséquence, et comme observateur j'ajoute, qu'en raison de l'action des parois, etc.,- l'expérience directe donne presque toujours des résultats opposés, c'est-à-dire, en d'autres termes, qu'il y a toujours un léger avantage à faire varier la détente au lieu

de la valve d'admission.

Tout ce que nous avons dit au siget de la difficulté qui existe de déterminer âj^riori, la chute de pression qui a lieu de la chaudière au cylindre, concerne aussi la différence qui existe toujours entre la pression dans le condenseur, et la contre-pression dans le cylindre. Ce sont là, comme on voit,.des éléments d'incertitude introduits de force dans la théorie générique : le sens dans lequel ils agissent ne peut toutefois pas être douteux ; ils diminuent toujours nécessairement les résultats numériques qu'annonce la théorie générique quant

au travail disponible, et par suite quant à l'effet utile. Le travail potentiel de la vapeur, à la vérité, ne peut être diminué par les frottements, les obstacles de tous genres qui réduisent la vitesse du gaz aqueux depuis le générateur au cylindre : mais l'effet absolu rendu est toujours diminué par là ; et comme une partie des résistances passives reste constante dans le moteur, il s'en suit que l'effet relatif, que le rendement est diminué aussi.

n est facile de reconnaître, d'après ces considérations très simples, qu'en ce sens, les machines à gaz en général sont singulièrement inférieures aux machines à vapeur quelconques à condensation. Les déchets relatifs en pression, sur lesquels je viens d'insister quant à la machine à vapeur, deviennent en effet énormes dans ces moteurs, où le corps intermédiaire reste à l'état gazeux, et le travail n'est obtenu qu'en vertu d'une différence de pression, petite par rapport aux pressions absolues qui agissent sur le piston alimentaire et sur le piston moteur.

ni. Perturbations dues à l'action des parois.

Si, conmie je l'ai montré déjà, la détermination numérique de la grandeur de ces perturbations si puissantes est impossible à priori, celle du sens dans lequel elles agissent est au contraire toujours possible, et il suffit à l'observateur d'un peu de sagacité et d'attention pour l'apercevoir.

En ce qui concerne la machine à vapeur, dont nous devons toiyours nous occuper en première ligne puisque c'est le moteur le plus employé et le mieux étudié , nous avons à examiner quatre cas principaux qui peuvent se présenter :

l"sans

[vapeur saturée

2«avec f enveloçpe à vapeur au-

iiarhinp à ) I *^ ""^^ • l tour du cyhudro, mais

nacmne a i / ^ détente et à conden-

[vapeur surchaufféej

4< sans

sation.

1«^ Cas. Les parois dû éylîndre cédant du éalortqne à la! vapeur péàdatnt la détente , il faut que ce calorique soît restitué par ht vapeur dé U chaudière pendant la marche à pleine pression.

Il se fait donc, pendant la première période de la course du piston, une condensation de vapeur coïitre les parois, qui augmente la dépense, et qui fait que, quand on essaie de calculer la densité de la vapeur en divisant la dépense effective par le volume engendré, on trouve toujours un nombre trop grand.

Pendant Texpansion les parois cèdent du calorique ; le travail obtefra est un peu plus fort que celui qu'indique la solution du problème II (Zeuner g 35), mais moindre que celui quMndique la solutloïï du problème I (g 34).

2« Cas. Puisque les parois sont à la température de la vapeur de la chaudière , il ne se fait aucune condensation pendant la période d'afflut. Hais pendant Texpansion ces parois fournissent beaucoltp plus de chaleur à la vapeur que dans le cas précédent : 11 se produit donc une condensation dans Fenveloppe même, mais le travail rendu par la détente est beaucoup plus grand que ne l'indique le problème 11 (g 35), quoique encore moindre que ce que comporte la solution (g 34).

3« Cas. L'enveloppe étant pleine de vapeur surchauffée , la chaleur que cèdent les parois à la vapeur qui se détend dans le cylindre, occasionne un abaissement de température dans la vapeur môme de l'enveloppe, de sorte que quand celle-ci entre dans le cylindre , son volume relatif est moindre qu'au sortir de l'appareil de surchauffe. U résulte de là que la dépense de vapeur, calculée d'après ce dernier volume, est fortement faussée en moins. La détente , au contraire , donne un peu plus de travail que ne le suppose la solution des problèmes que j'ai traités pages 37i à 377.

4« Cas. Ainsi que dans le i*'»' cas , la chaleur cédée par les parois pendant la période de détente est restituée pendant la période d'afflut ; la dépense est piar suite aussi plus grande ^ë ne l'indique le calcul, et le travail doniië par la détente eslt ensuite un peu

supérieur à ce que donne le calcul des problèmes (pag.371à377). Mais la grandeur des erreurs est infiniment moindre que dans le premier cas , puisque la vapeur : 1® reste complètement gazeuse pendant la période d'afflut ; 2^ arrive en quantité moindre, 3^ et prend moins de chaleur pendant sa détente.

11 résulte de l'examen de ces quatre cas que l'enveloppe à vapeur, absolument indispensable pour les machines à vapeur saturée, doit perdre une partie ou la totalité de son utilité dans la machine à vapeur surchauffée. L'ensemble des résultats de cette discussion , tout comme la conclusion finale , sont complètement confirmés par l'expérience, et j'ajouterai en passant que, pour moi, celle-ci avait prononcé bien avant que je n'eusse songé à relier les faits par le raisonnement. L'enveloppe à vapeur peut être supprimée dès qu'on emploie la vapeur surchauffée (et doit l'être par des raisons toutes tirées de la pratique, mais accessoires).

IV. Perturbations dAjm ani tra/vcdl nécessaire qui se dépense da/ns

Vintérieu/r du moteur.

L'introduction de l'eau ou du gaz alimentaire dans le générateur, l'extraction de l'eau de condensation (pour le cas de la machine à vapeur, etc.) occasionnent une dépense nécessaire de travail. Cette dépense entre implicitement dans l'édification de toute théorie générique , et peut s'évaluer rigoureusement, dans sa partie utile et nécessaire : nous n'aurions pas à la mentionner comme élément perturbateur, si le travail nécessairement dépensé n'exigeait pas d'organes spéciaux dans le moteur, et si ceux-ci, à leur tour, ne consommaient un travail secondaire , par suite des résistances passives qui s'y manifestent. Ce travail accessoire perdu , ne peut pas plus être rigoureusement déterminé à priori, que celui que coûtent les frottements des organes principaux de la machine ; mais ce qui est clair, c'est que, toutes choses égales, sa grandeur relative dépend de la grandeur elle-même des organes accessoires.

Cette considération très-simple, en mettant au jour un nouvel

élément d'incertitude des calculs , nous permet encore d'établir un parallèle utile entre les divers moteurs. *

Dans une 'machine à vapeur marchant à 5"-, le volume du corps intermédiaire passe de 1 à 363 : la grandeur de la pompe alimentaire est donc négligeable par rapport à celle du cylindre moteur.

Dans une machine à air ou à gaz, le volume de la pompe motrice n'excède celui de la pompe alimentaire que de la quantité très petite :

le travail consommé par les frottements de cette pompe alimentaire ne peut plus être négligé ici comme pour celle de la pompe k vapeur, et il entre pour une part très notable dans le déchet qu'éprouve l'effet disponible.

DISPOSITIONS GÉNÉRALES Â INTRODUIRE DANS LA CONSTRUCTION BE LA MACHINE A VAPEUR EN PARTICULIER POUR L'AMENER A SON RENDEMENT MAXIMUM. RENDEMENT RÉEL QUE l'ON PEUT OBTENIR DANS LES MEILLEURES CONDITIONS, ET PARALLÈLE AVEC LE REN- DEMENT PROBABLE d'autres MACHINES CALORIQUES.

.Dans la bonne construction de la machine à vapeur faite au point de vue de l'économie de combustible, exclusivement, et non de telle ou telle convenance locale et souvent obligatoire , nous avons deux choses très distinctes à considérer : 1<> la production de la vapeur; 2^ l'emploi de la vapeur une fois produite. Il est clair que, dans ce livre , nous n'avons à examiner la question que sous le second rapport exclusivement. Les considérations développées dans le paragraphe précédent nous permettent de le faire avec le plus grand fruit, et d'ailleurs avec la plus grande convenance, c'est-à-dire sans critiquer, comme cela serait très facile, ce qui a été fait jusqu'ici.

Théoriquement , avons-nous vu , la machine à vapeur ne peut Utiliser qu'une partie toujours relativement petite, mais plus ou moins petite, de la quantité totale de calorique qui s'y trouve en action, et

la plas grande partie ne peut que traverser le moteur en pure perte, pour nous, comme puissance dynamique disponible. De plus, il est clair qu'en réalité le résultat donné par la théorie générique ne peut jamais être atteint.

Nous devons donc chercher k mettre la machine dans des conditions telles : 1<> que l'effet disponible soit un maximum; 29 et que Feffet réel obtenu sur cette partie disponible soit aussi un maximum.

Le premier but est atteint, et de la façon la plus marquante, par la substitution de la vapeur surchauffée à la vapeur saturée : la théorie générique nous prouve que, toutes choses égales, l'effet dis* ponible est de 20 p. ^/o j)lus grand avec l'une de ces vapeurs qu'avec l'autre dans une machine à détente et à condensation.

Tout l'ensemble des raisonnements présentés dans les développements I, II, III et IV du paragraphe 7, nous montre d'ailleurs qu'en pratique ce résultat doit être dépassé singulièrement. Occuponsnous donc d'atteindre le second but. Nous devons pour cela :

l^ Eviter toute dépense directe de vapeur qui ne produit point du travail. En d'autres termes, diminuer le plus possible ce qu'on appelle les espaces perdus, ou la liberté du cylindre;

.2** Faire en sorte que la différence de pression entre la chaudière et le cylindre pendant l'afGlut de vapeur, entre le cylindre et le condenseur pendantl'évacuation de la vapeur, soit le plus faible possible. Cette différence est naturellement beaucoup moindre avec la vapeur surchauffée qu'avec la vapeur saturée , mais elle existe toujours^ et nous ne pouvons que la diminuer;

3<> Faire que la vapeur se trouve partout en Qpntact avec des pièces dont la température diffère le moins possible de la sienne.

Les deux premières prescriptions conviennent à toute machine à vapeur : la dernière, générale aussi, est, on le conçoit, beaucoup plus importante avec la vapeur suchauffée qu'avec la vapeur saturée. Cette triple prescription peut être remplie de la façon la plus simple, et sans compliquer d'une manière appréciable l'organisme de la machine, à l'aidç de quatre tiroirs, dont deux pour l'entrée de vapeur

et deux pour la sortie : les deux premiers s'ouvraot alteniativemënt

lorsque le piston est à Tun ou à Tautre bout du cylindre, mais se fermant. plus ou moins tôt selon la détente inécessaire; les deux j

seconds s'ouvrant alternativement aussi lorsque le piston recule, mais restant ouverts le plus longtemps possible. Il est facile de voir dans cette disposition : 1° que les espaces perdus sont réduits le plus possible ; 2^ que la vapeur arrivant d'abord par des conduits aussi spacieux qu'on veut, entre directement sans choc, etc., dans le cylindre ; 3° que la vapeur s'échappe de même directement dans les tubes spacieux qui la mènent au condenseur ; 4® que la vapeur qui entre et celle qui sort n'ont rien dé conmiun, et se trouvent en contact avec des orifices ayant la môme température qu'elles : en un mot. la vapeur, souvent à moins de 80% qui doit se condenser, ne va pas lécher des conduites portées & 250* par celle qui arrive.

Si je ne m'étais interdit toute critique, il me serait facile de montrer l'immense différence utile qui existe entre cette disposition et celle qu'on emploie en général. Il me sera permis de dire cependant que les espaces nuisibles, qui s'élèvent fort souvent à 0,1 du volume total, sont ici réduits à 0,01, et que les coudes à angle vif, dans des canaux de vapeur rétrécis de l'entrée et de la sortie, scait nuls ici, au lieu de s'élever, comme il arrive quelquefois , à 6 ou 8.

Autant il est déplacé dans un ouvrage scientifique comme celui-ci d'entrer dans des détails par trop techniques, autant il est au con- • traire utUe d'y indiquer sommairement tout ce qui affirme les données d'une théorie d'une part et du simple raisonnement d'autre part. Je vais donc donner, en peu de mots, les résultats que j'ai obtenus d'une part dans plusieurs applications faites de la vapeur surchauflée, et d'autre part dans deux applications des dispositions indiquées ci-dessus.

Je crois devoir faire remarquer expressément ici que tous les nombres que je donne, quant à la force des machines, à leur rendement, etc., etc., se rapportent à un travail mesuré directement au frein, et non pas du tout à un travail calculé théoriquement, comme cela se fait très souvent dans des ouvrages de mécanique appliquée.

l® Le premier emploi qne f ai fait de la vapeur surchauffée a concerné la machine Woolf dont j'ai parlé plusieurs fois déjà. Cette machine marchait depuis plus de quinze ans avec vapeur saturée à 3"- ,75 dans Tenveloppe, et donnait environ &!•*• de 75^-*de maximum de travail: elle consommait dans ces conditions 12^ ,25 de vapeur par heure et par cheval, ou ce qui est la m^me chose en d'autre termes, !*• de vapeur donnait 22041 ^•"' de travail.

Voici les diverses expériences qui ont été faites, lorsque la vapeur surchauffée a été substituée à la vapeur saturée :

1« La vapeur surchauffée à 220» ou 230» et à 3--,75 remplissait l'enveloppe, et passait au petit cylindre comme avec la vapeur ordinaire.

2ù La vapeur saturée de la chaudière passait dans l'enveloppe, allait de là dans l'appareil de surchauffe, puis revenait à la botte de distribution du petit cylindre.

3» L'enveloppe était pleine d'air et la vapeur surchauffée allait directement à la boîte du petit cylindre.

4» Le petit cylindre a été supprimé, et la vapeur arrivait directement de l'appareil de surchauffe à la boite du grand cylindre.

Ce sont de fait, comme on voit, des applications essayées sur quatre machines différentes. Je n'ai pas besoin de dire que les résultats obtenus n'ont point été rigoureusement identiques dans les quatre cas ; toutefois, la différence ne mérite point d'être consignée ici, et je me borne à dire que la dépense de vapeur s'est abaissée par suite de la surchauffe à environ 10^* par heure et par cheval, ce qui fait 27O00^*"', de travail pour 1^'.

îù La seconde application a été faite à une machine, à un cylindre sans enveloppe à vapeur, à détente variable et à condensation avec 1 tiroir de distribution précédé d'une boite à détente. Cette machine marchait aussi depuis longtemps avec vapeur saturée et donnait environ lOO*** de force avec 4"- ,75 dans la chaudière, et une détente de 1 à 4. Dans ces conditions, la consommation de vapeur était de 14'- ,75 par heure etpax cheval : ce qui fait 18305*^-*' de travail par 1^ de vapeur.

L'emploi de la vapeur à 250<> toutes conditious identiques d'ailleurs, a porté la force de la machine à 1 30'^- et a abaissé la consommation de vapeur à 10' par heure et par cheval : soit 27000*— de vapeur par 1^.

Cette machine, d'abord très mauvaise, a été mise, comme on voit, au niveau de la première.

3^ Le double cylindre de la machine Woolf a été remplacé par un seul cylindre sans enveloppe à vapeur, mais à quatre tiroirs d'après le principe exposé plus haut. Ce cylindre a 0*',6 de diamètre comme celui de la machine précédente, mais la course du piston est de 1"",7 au lieu de 1"',8. La vitesse des deux machines est i % près la même.

Avec de la vapeur à 250<> et à 4"* ,5 dans la chaudière, avec détente et pression dans le condenseur tout-à-fail identique à celle de la machine à 1 tiroir, la machine à 4 tiroirs donne 144*^* au lieu de 130'*- , et la dépense de vapeur y est réduite à 8*- .53 par heure et par cheval, soit 31690*—, par 1*% de vapeur. Cette machine en réalité n'eût dû donner que :

130 ^' -iii-. JL^ = 1 16«*- 1,8 4,75

au lieu de 130, si l'on part de son infériorité par rapport à l'autre quant à la course du piston, et quant à la pression dans la chaudière. Sa supériorité très considérable sur l'autre machine est due exclusivement à l'emploi des 4 tiroirs puisque, à part cela, les deux machines sont en tous points presque semblables. Par cette raison, en effet, la liberté du cylindre est de 0,01 au lieu de 0,09 ; la chute de pression de la chaudière au cylindre pendant l'ai&ut de vapeur y est de 0"-,4 au lieu de 0'*-,9; l'évacuation de la vapeur y est instantanée au lieu d'y être lente : ce sont là des faits dont je me suis assuré directement.

4<' La nouvelle machine à grande vitesse dont je parle (pag. 85) a été construite strictement d'après les principes indiqués plus haut ; elle est à 4 tiroirs, détente vafiable, condensation ; le piston

a 0",5 de diamètre et Qrj de course, avec 93' par minute,vapeur à 250» et à 3'** ,75 dans la chaudière et détente de i à 4, elle donne 90 chevaux et ne consomme guère que 8^,2 de vapeur par heure et par cheval, ce qui fait environ 33000^" par 1^ de vapeur.

Arrêtons- nous à ces derniers résultats et calculons, d'après la théorie générique, le travail total disponible que représente 1 ^ de vapeur à 3'',75, à 250>, détendue de 1 et 4 après avoir travaillé à 3-,75.

La température de la vapeur relative étant:

to = 250o-f.l,1388.i42Mog. -fr^ = 291^

la pression, en atmosphères, de cette vapeur est :

no = (0,27632 -h 0,0072368. 29 1^)* = 76",7. Le travail potentiel est par suite :

pot;o= 1 0333 TïoVo= 10333 ^0.00132.76,7 -+-

432.30,456 , 273 -h 291 V .aqqq 0/917 10333 '^g' m > = 10333.2,4247,

et le volume de notre vapeur à 3'*, 75 et à 250<> est :

Vi = 375 == °'^*^^^-

Le travail rendu pendant le période d'alflut est ainsi :

Le travail dû à la détente de 3^,75 à 0-',9 est d'environ 20769^-. Le travail total disponible serait donc 45823^— , s'il était possible de construire une machine sans espace nuisible, sans chute de pression en aucun point, et condensant jusqu'au vide parfait. En réalité, notre machine donne 33000^—- par 1 ^ de vapeur : son rendement est donc :

-11-= 0.71 ou «p..

par rapport à une machine idéale.

Nos équations relatives à la machine à gaz chaud nous montrent ^ qu'on dispose d'un moyen très simple pour réduire les dimensions de ce genre de moteur: moyen auquel jusqu'ici,à ma connaissance, on n'a pas eu recours, et sans lequel ces dimensions sont colossales

pour des forces, même très modérées. En effet, en faisant n, la pression dans le condenseur suffisamment grande, nous pouyons à volonté diminuer le volume du cylindre alimentaire et du moteur, et diminuer ainsi par contre^coup les perlas de travail dues aux résistances passives, etc. Mais, quoiqu'on fasse, ces pertes seront toujours relativement beaucoup plus considérables que dans une machine à v^eur, de sorte que, quoique le rendement calorifiquje théorique de la machine à air chaud soit un peu supérieur à fxim de la machine à vapeur, il est plus que probable que le rendement, léel et pratique, restera inférieur à celui d'une machine à vapeur su> chauffée , mise dans les bonnes conditions que prescrit le plus simple raisonnement.

Il est aujourd'hui possible de produire 7S5 à 8* de vapeur à 250*» avec l^de houille de bonne qualité (de Ronchamp, par exraiple]; il

s'ensuit que la machine à vapeur peut être amenée aisément à ne con-

8 2 sommer que -~r- = 1N09 soit l"*,! par heure et par cheval: ré-

sultat que j'ai en effet obtenu avec les deux pompes à 4 tiroirs, et cela, non d'après des expériences de peu de durée au frein, mais sur des semaines entières de travail industriel.

S'il m'est permis d'émettre ici une opinion personneEe sur les progrès avenir dès moteurs caloriques fixes, je pense qu'on les réalisera beaucoup plutôt en cherchant à substituer à l'eau un autre liquide peu coûteux exigeant, pour bouillir à une pression donnée, une température {dus élevée , qu'à l'aîde de l'emploi du gaz, sur lequel on a fondé tant d'espoir et qui a fait tant de bruit dès le début dans le monde industriel et scientifique.

UTlLmÊ DES DONNIÉES DE LA THÉORIE MÉGANIQUE DE LA CHALEUB

DANS l'Étude expérimentale des machines caloriques.

J'ai dit (pag. 100) qu'une détermination exacte de l'équivalent mécanique de la chsdeur n'est pas possible à l'aide d'expériences f^tes sur la machine à vapeur, mais qu'au contraire la connaissance

de cet équivalent, jointe aux autres djonuées de la théorie, serait émioemment utile à l'analyse des effets de ce genre de moteur. C'est ce que nous allons voir à Tinstant, et d'après un seul exemple, en prenant même nos connaisances dans l'état où elles sont aujourd'hui.

Nous avons vu que nous avons à distinguer deux genres de rendement dans un moteur calorique : 1® le rendement pratique ou utile qui n'est autre chose que le rapport du travail produit extérieurement au travail disponible; 2^ le rendement calorifique, qui est le rapport du calorique que peut consommer théoriqueigent un moteur à celui qui s'y consomme réellement.

Le frein nous donne, par exemple, 72 chevaux pour le travail donné par un moteur ; la théorie générique donne 100 chevaux pour le travail total disponible : le rendement est de 72 p «>/o.

L'expérienee nous montre, d'un autre côté, qu'il se consomme dans un moteur 16 p ®/o de la chaleur totale en action; la théorie générique nous dit qu'il doit s'y consommer 18 p <>/o de cette chaleur

totale : le rendement cabriflque est donc .q =89p.®io.

io

Désignons par e le travail réellement rendu , et par E le travail total

disponible ; par Q la quantité théorique de calorique consommée, et

par q la quantité réelle consommée.

On a toujours

c'est-à-dire que le travail disponible est toujours égal au produit de l'équivalent mécanique par la chaleur consommable théoriquement. 11 est facile, au contraire, de voir qu'on n'a jamais :

et la différence expérimentale trouvée entre s g et e nous permet de sonder en quelque sorte la valeur des différents phénomènes internes qui nous coûtent du travail dans le moteur.

. En effet, nous avons vu que le déchet éprouvé sur le travail âisponible est complexe : une partie est due à des chutes de pression, etc. ,

i des frottements des pièces en contact avec le corps qui nous donne le travail ; une antre partie est due à des frottements de pièces hors du contact de ce corps, à des dépenses de travail nécessaires.

Tout le travail perdu par les premières causes , nous est restitué sous forme de chaleur.

Tout le travail perdu par les secondes causes occasionne, au contraire, un déchet réel de calorique : ce déchet s'ajoute à celui que représente le travail réellement rendu à Fintérieur. Mais il uous est aisé maintenant de l'isoler. En effet, soit ace déchet; nous avons

évidemment: •

^fî — c=a et par conséquent :

pour le déchet dû aux premières causes.

Ainsi à l'aide : 1® du calcul théorique de l'effet total disponible; 29 du calcul du travail nécessaire perdu ; 3<> de l'expérieK^ce calorimétrique longuement décrite (page 90) ; A^ enfin de l'expérience au frein, nous pouvons nous rendre compte du travail que nous perdons par l'une ou l'autre des causes analysées ci-dessus. C'est ce qu'un exemple numérique va faire ressortir immédiatement.

La machine à 4 tiroirs et à 27* par minnte, marche avec 5*** dans la chaudière, surchauffe à 245<>, détente de 1 à 6; elle donne 113*^ soit 8475*-'"-" ; il s'y consomme 24-** par seconde; la dépense en vapeur est de 0*' ,23548 par seconde. On demande : 1<» quel est le rendement utile; 2<> quel est le rendement calorifique; 3» quel est le travail consommé nécessairement par le moteur ; 4<» quel est le travail perdu par suite du frottement des pièces hors du contact de la vapeur ; 5® quel est le travail perdu par suite des chutes de pression, et du frottement des pièces en contact avec la vapeur ?

En faisant le calcul du travail total disponible, d'après la méthode

que nous avons déjà plusieurs fois appliquée précédemment, nous

trouvons 116i6^-"-" : le travail réel donné au frein étant 8475*—".

il s'ensuit que le rendement utile est :

= 0,729 soit 73 p. o/o.

IfL IKwpe alimentaire iotroduisant 0- M)00235ii8.saii^ ^IW' <M pression : le travail nécessaire coosonunô par eUe est :

. La pompe pneumatique extrayant 0** ',00611 sons (0.75 -* 0,1) X 10333 de pression : le travail nécessaire coûsMimé par «Ue eM :

Une pompe, qui fournissait Teau froide au copde.Dseur, élevant à

5** de hauteur environ 10'* d'eau par seconde : le travail consommé

par elle est : 0,01 .5000*- = 50*—".

On a

pour la totalité du travail nécessaire dépensé dans le moteur : on voit combien ce nombre est petit par rapport au travail total en action.

Le travail total disponible étant 11616*** , il devrait se consommer:

Jl|^-26--.89. .

En réalité il n'y a que 24**^* de consommé dans la madiitie ;

sont donc restituées, et nous représentent 1248*—" de travail : c'est ce qui se perd pour nous par syite des étranglements ft d^ frottements qu'éprouve la vapeur de la chaudière au cylindre, et du cylindre au condenseur, et par suite du f|t)ltement du piston motçur et de ceux des trois autres petites pompes indiquées. U travail consommé, en pure perte pour nous, par les autres frottements ^e la machine, est par suite :

,A p^e ai-je besoin de dire que je n'Uwifrte en mw^ &a^ 4ur rraactitodeabaQlae de ce» nombses, et que je ne les /loope-flne «WMoe de psonières apprwimalions. M^ pris t0 qu'^ ^> ç$i .«zwkpte est Wen propre, ce »e aow^, .4 mmrvr l'ifflwafie progfi» qa^ntrpduifait dans l'^de des mtmn caloFiqvas, «ne «4^

d'expériences faites dans le sens que je viens d'indiquer, mais avec des procédés encore plus précis que ceux dont je disposais.

Si nous jetons un regard sommaire et rapide sur tous les faits et sur toutes les considérations que nous avons vus passer sous nos yeux dans cette sixième partie, le lecteur aura lieu d'être frappé avec moi des immenses services que la théorie mécanique a rendus à l'étude des moteurs caloriques en général.

En tout premier lieu, elle a dissipé jusqu'aux dernières illusions, non seulement quant à la possibilité d'un rendement indéfiniment grand que rien ne condamnait dans l'ancienne physique, mais même quant à celle d'un rendement de 100 p. <>/o, l'équivalent z étant pris pour unité. Nous avons reconnu en effet qu'une machine à gaz parfaite, et irréalisable, ne rend que 50 p. ^/o, dans les conditions de températures idéalement tolérables où nous l'avons fait fonctionner : et de fait nous ne sommes plus en droit d'appeler une perte les 50 p. <^/o de chaleur qu'il est absohmient nécessaire de transporter, simplement du foyer au condenseur, pour qu'une machine calorique puisse marcher entre 0^ et 273''. En ce sens, au lieu de dire qu'une machine à vapeur, qu'une machine & gaz réalisables ne rendent que 18 p. <»/o, que 26 p. <>/o, il serait plus correct de dire 36 p. «/o et 52 p. <>/o, puisque 50 p. ^lo de la chaleur en activité doivent être théoriquement sacrifiés dans les meilleures conditions possibles.

En second lieu, la théorie mécanique, par sa seconde proposition fondamentale même (g 10) (page 153), nous a appris qu'il est désormais inutile de chercher si tel ou tel liquide substitué à l'eau, si tel ou tel gaz substitué à l'air, ne nous conduira point à un rendement bien supérieur k celui de la machine à vapeur (Pea/a, de la machine à air. Le rendement étant exclusivement déterminé par les limites de températures entre lesquelles le corps intermédiaire travaille, il est inutile de s'occuper de la nature de celui-ci, autrement qu'en vertu de considérations tout-à-fait accessoires. Ces dernières toutefois ont une importance très grande au point de vue pratique. Si bien construite que puisse être une machine quelconque, une large

part de perte de travail est toiigours à y faire en raison des frottements des pièces : et ceux-ci, en thèse générale, sont d'autant plus grands que le volume et la masse de la machine sont plus grands eux-mêmes. Nous devons donc dans l'art de la construction, tout comme dans le choix du corps intermédiaire sur le quel agit la chaleur, chercher à diminuer le plus possible la grandeur des masses mouvantes, pour un travail déterminé à obtenir. Et ici encore la tbéorie mécanique, convenablement employée, est un guide des plus sûrs, pour l'étude future de nouveaux moteurs.