VÎ

792. Détente; sa limite. En prolongeant suffisamment la détente, la courbe 6V [fig. 177) qui indique en chaque point de la course du piston la pression de la vapeur sur ce piston en kilog. par centimètre carré, finit par rencontrer la droite ee\ dont la distance à la droite ad représente la contre-pression P'. S'il n*y avait pas de frottements et autres résistances passives, le poijit ef serait la limite à laquelle on pourrait pousser la détente. Mais comme avant d'arriver au point ef il est un autre point à partir duquel le travail absorbé par les frottements et autres résistances passives est supérieur à celui produit par Texcès de la pression de la vapeur sur la contre-pression , et à partir duquel le travail de la machine est négatif, il convient de ne pas dépasser ce point, ni même de Tatteindre, d^abord parce que la machine ne fonctionne pas toujours à son maximum de pression, et ensuite parce que de trop grandes détentes exigent des volants trop forts.

Dans la pratique, il convient de limiter la détente de manière qu'à la fin de la course du piston Texcès ck de la pression cd de la vapeur dans le cylindre sur la contre-pression kd soit de O'^'jîS à 0^»,50 par centimètre carré ; 0^,25 et quelquefois moins pour les fortes machines, et O'»,50 pour les petites, surtout si le travail est susceptible de varier.

Appelant P^ l'excès cA:, la pression de la vapeur à la fin de la course du piston est F + P^ , et l'on a :

Pour une machine sans condensation, si F = i^fi (789), Pj = 0^,5, et P = 5*^8^, valeur qui correspond sensiblement à la pression effective p = 4^ (789), on a :

^ = Iii+JM ^ 0 34 s^it ^^3 environ.

Pour une machine à condensation dans laquelle F = 0^,15, P, = 0^,25 et P=:5^» la limite de détente est :

«0 0,15 -f 0,25 ^ ^o * ^ 1 X 1 i = -^—5 = 0,08, soit de ;j2 ^ Î3 •

Dans la pratique des machines à condensation, la détente varie de i/10 à 1/15; de plus grandes détentes ne sont pas avantageuses. Du reste, la formule (a) montre que, pour des valeurs déterminées de P' et P^, la détente peut être poussée d'autant plus loin que la pression P est plus grande ; c'est ce que confirment les détentes-limites fournies par cette formule et consignées dans les tableaux des n""* 846 et 860.

On a établi des machines à condensation détendant au 1/20 et même au 1/25; mais on a reconnu que les détentes de 1/10 à 1/15 étaient préférables.

Quand une machine est puissante, il est bon de pouvoir faire varier la détente.

Les machines à deux cylindres, qui sont toujours à condensation,

ne doivent détendre que de 1/10 à 1/12, la détente commençant dans le petit cylindre.

Les locomotives doivent détendre de 1/3 à 1/4.

793. Poids de Tapeur dépensé et poids de combustible brûlé par cheyal et par heure^ quand on fait usage de la détente (790). Supposons la pression effective p = 4^, et par suite la pression absolue P = 5^«,03329.

Si la machine était sans condensation, on ferait F=ii^,2 et — =3;

mais supposons-la à condensation, et par suite faisons F =0^,15 et

— = iî. Un cheval- vapeur étant équivalent à 270 OOO**"* développés par

heure, la formule (a) du n* 791 devient, V désignant ici le volume de vapeur dépensé par cheval et par heure :

27 = Vx 5,03329 ^1 + 2,3026 X 1,07918- ^-^^ X 12^

d'où V = 1««,716.

Si Ton fait P = 6^« au lieu de P = 5^,03329, on obtient V = l-,728 au lieu de l'^%7i5. La différence de ces résultats est trop faible pour que dans la pratique on ne simplifie pas les calculs en négligeant la fraction 0^,03329, surtout si Ton a égard à ce que Terreur tend à augmenter Y, et qu'une légère augmentation de ce volume est plutôt avantageuse que nuisible.

A la pression effective p = 4'^, un mètre cube de vapeur pesant 2^,62 (page 652), le poids de vapeur dépensé par cheval et par heure est :

2,52xl,715=4*«,322.

L'équivalent mécanique d'une unité de chaleur étant 425^°" (n*" 784), la diaîeur qui équivaut à un cheval-vapeur en une heure est :

270000 X T^ X 637 unités.

Cette chaleur étant sensiblement égale à celle contenue dans un kilog. de vapeur (490), la chaleur utilisée dans le cylindre, pour le cas qui

nous occupe, n'est que de 7-7^9 soit de 20 à 25 p. 100 de la chaleur

dépensée. Le reste est emporté par la vapeur et absorbé par l'eau de condensation.

Un kilôg. de houille produisant 6 kilog. de vapeur, on en brûle

-2— = 0*^,72 par cheval et par heure, au lieu de 1/6 de kilog. environ

qu'on brûlerait s'il n'y avait pas de pertes et qu'il fût possible d'utiliser en travail toute la chaleur contenue dans la vapeur qui passe dans le cylindre.

794. Causes de rénorme différence de quantité de chaleur fournie par le fofer à la chaudière et de celle que la vapeur transforme en travail

au moyen de la machine (793). En outre de la chaleur qu'emporte la vapeur en quittant le cylindre, cette différence provient des six causes suivantes :

i". Eau entraînée par la Yapenr.

2*. Refroidissement extérieur de la Tapeur depuis sa sortie de la chaudière jusqu'à sa

sortie du cylindre.

3*. Fuites de Tapeur.

4*. Action refroidissante des tiges du piston et du tiroir. 5*. Espaces nuisibles.

6*. Condensation contre les parois intérieures du cylindre.

Avant de passer ces causes en revue, disons que pour les machines dont le cylindre est à enveloppe de vapeur bien entretenue, la perte due à leur ensemble varie des 0,15 aux 0,30 de la dépense de vapeur dans le cylindre, dépense calculée comme nous Pavons fait au numéro précédent ; de sorte que pour tenir compte de cette perte il faut multiplier cette dépense par 1,15 pour les fortes machines, et par 1,30 pour les faibles.

Lorsque le cylindre est sans enveloppe de vapeur, ces facteurs deviennent 1^30 pour les plus fortes machines sans condensation, et 1,50 pour les machines les plus faibles à condensation.

795. 1" perte. Veau entraînée par la vapeur s'élève à 20 ou 25 p. 100, sans descendre au-dessous de 5 à 6 p. 100 (744).

Cette eau sortant de la chaudière à 150* environ et y rentrant à 30% cela constitue à peu près une perte absolue de 150 — 30 unités de chaleur par kilog. d'eau si la machine est sans détente, puisque alors cette eau quitte le cylindre presque à la même température de 150', après n'avoir par conséquent cédé qu'une quantité bien faible de chaleur à la vapeur. Si la machine est à détente, Teau cède de la chaleur à la vapeur qui se refroidit en se détendant, et par suite elle en emporte moins dans Fatmosphère ou dans le condenseur.

Quand la machine est à condensation, Teau entraînée par la vapeur, pour être refroidie, exige une certaine quantité d'eau froide qui s'ajoute à celle exigée par la condensation de la vapeur; d'où il résulte un excès de travail et par suite encore un surcroît de dépense en calories.

La vapeur étant toujours prise par secousses, il en résulte dans la chaudière une ébullition tumultueuse qui est cause de l'énorme quantité d'eau entraînée par la vapeur. On atténue cet effet en augmentant le réservoir de vapeur, non seulement par son volume, mais aussi en y maintenant, à l'aide du robinet ou de la valve, un excès de pression de 1/4 à 1/2 atmosphère. Certains constructeurs porteraient même cet excès à 2 ou 3 atmosphères. On a ainsi une réserve de chaleur qui empêche la chaudière de s'épuiser trop brusquement, et toute la vapeur d'un même coup de piston est fournie par ce réservoir.

De cette manière, non seulement la quantité d'eau entraînée est diminuée, mais celle qui l'est encore se vaporise en partie dans laconduite, par suite de la diminution de pression et de température que le mélange de vapeur et d'eau y subit.

On ne doit jamais ouvrir brusquement le robinet de prise de vapeur

PRESSION ET TRAVAIL DE LA VAPEUR. PERTES DE CBALECR. i025

d'une chaudière, car Teau serait soulevée et entraînée en partie dans le tuyau, et de plus la machine pourrait être mise en marche trop précipitamment.

796. 2« perte, due au refroidissement extérieur (794). On rend à peu près nul le refroidissement extérieur des tuyaux et du cylindre en les encourant de corps mauvais conducteurs de la chaleur. Gomme, de plus, si d'un côté le frottement de la vapeur contre les parois des conduites diminue la pression, de Tautre il développe de la chaleur qui réchauffe la vapeur et en augmente la pression, il en résulte qu'au besoin une machine à vapeur peut être placée assez loin de la chaudière, à 400 ou 500 mètres dans certains cas. Un robinet fixé sous le fond d'un petit réservoir dans lequel se rend Teau entraînée qui se dépose et celle qui provient de la condensation dans le circuit, sert à faire évacuer cette eau. Au besoin l'enveloppe du cylindre peut suppléer à ce petit réservoir.

Souvent aussi on entoure le cylindre de corps mauvais conducteurs, tels que du charbon pilé, du coton, etc., qu'on maintient par une enveloppe en douves de bois, d'acajou ordinairement, pour que les taches d'huile n'altèrent pas sa couleur.

Les pertes dues au refroidissement extérieur peuvent être réduites à 1 ou 2 p. 100 seulement.

On a eu longtemps Tidée de faire passer la vapeur sortant du cylindre dans une enveloppe en fonte entourant ce cylindre. Mais, surtout pour des machines à condensation, il se forme dans l'enveloppe des courants et des condensations qui refroidissent bien plus le cylindre que s'il était exposé à l'air. On doit faire circuler la vapeur dans l'enveloppe avant son entrée dans le cylindre, et non à sa sortie.

797. 3' perte, due aux fuites de vapeur (794). Il est impossible d'éviter toutes fuites de vapeur ; mais aujourd'hui elles sont faibles, à cause de la bonne construction et du bon entretien des machines. Les appareils de distribution sont bien dressés; les stufifing-box des tiges du piston et des tiroirs sont bien faits, et il en est de même de la garniture du piston. Si à la mise en train quelques petites fissures laissent passer de la vapeur, les fuites diminuent avec la température, et elles cessent quand les pièces sont convenablement échauffées par la vapeur à 5 ou 6 atmosphères, à cause de l'action répulsive de la chaleur.

Si les fissures dépassent la limite de Faction répulsive de la chaleur, il faut les boucher, car les fuites deviennent considérables.

797 bis. 4« perte, due aux tiges du piston et des tiroirs (794). Ces tiges, par leur mouvement de va-et-vient, après s'être refroidies dans l'atmosphère, viennent successivement s'échauffer dans la vapeur en en condensant une partie. Si la vitesse est petite, cette condensation est encore appréciable; mais si la vitesse est grande, les tiges s'échauffent par leur frottement dans les stufiing-box, et la condensation est à peu près négligeable.

798. 5* perte, due aux espaces nuisibles (794). On laisse toujours un espace libre de quelques millimètres entre les extrémités de la course du piston et les fonds du cylindre. Gela est indispensable pour éviter

les chocs qui pourraient provenir d'un léger jeu on de la dilatation de quelques pièces, ou de Tincompressibilité de Feau entraînée par la vapeur. Pour les machines bien établies sur plaques de fondation, disposées pour qu'il n'y ait pas trop d'eau entraînée ou condensée, et dont les pistons ne portent ni boulons ni clavettes pouvant se desserrer^ l'espace libre a chaque extrémité de la course peut être réduit à 5 ou 6 millimètres.

Au commencement de chaque course du piston, l'un de ces espace» libres et le conduit qui établit sa communication avec le tiroir se remplissent de vapeur à pleine pression, et si la machine est sans détente, cette vapeur va dans l'atmosphère ou dans le condenseur à la fin de la course du piston, sans avoir produit aucun effet utile. Si la machine est à détente, la vapeur qui remplit ces espaces nuisibles se joint à celle qui se trouve dans la partie utile du cylindre pour agir par détente sur le piston, et elle produit ainsi un certain effet utile, mais qui n'est qu'un effet de détente et non de pleine pression.

Lorsque la machine est sans condensation, en faisant, k l'aide d'un recouvrement donné au tiroir, fermer l'échappement avant que le piston n'arrive à la fin de sa course, on peut comprimer la vapeur du coup précédent dans l'espace nuisible, de manière k l'y amener sensiblement à la pression de la vapeur qui va arriver de la chaudière, et annuler à peu près la perte de vapeur due aux espaces nuisibles.

799. G"* perte, due à la condensation intérieure contre les parois da cylindre, les bases du piston et les conduits établissant la communication entre le tiroir et les extrémités du cylindre (8SI4). Sous ce rapport, on distingue les machines à cylindre sans enveloppe, et celles à cylindre à enveloppe de vapeur réchauffant tout le pourtour et souvent même les fonds du cylindre.

A ]a mise en train, le cylindre, le piston et les conduits étant froids, il se condense de la vapeur sur leurs parois en contact jusqu'à ce que ces parois aient acquis sur une certaine épaisseur la température de la vapeur agissante. Quand le piston change de direction, la température tombe de 152** si la vapeur est à 5 atmosphères, à 30, 40 ou 60% qui est la température du condenseur, et l'eau qui recouvre les parois s'évapore jusqu'à ce qu'elles soient aussi refroidies à la température du condenseur. A chaque coup suivant du piston , tout se reproduit comme pour le premier, si ce n'est que les parois ont acquis la température du condenseur au lieu d'avoir celle de l'atmosphère.

De cette condensation de vapeur qui réchauffe les parois, et de la vaporisation de l'eau condensée qui les refroidit (cela à chaque coup de piston), il résulte une perte énorme de vapeur, qui atteint jusqu'à 40 p. 100 pour les petites machines à condensation, et qui est encore de 10 p. 100 pour les grandes.

Dans les machines sans condensation, tout se passe comme dans celles à condensation ; mais comme la température ne descend à chaque coup de piston qu'il 100*, ce qui correspond à la pression atmosphé-

rique, il en résulte une condensation moins grande, et par suite une perte relativement moindre.

Gomme à chaque coup de piston il se condense O^s^OS de vapeur par mètre carré de surface pour un excès moyen de 70" de la température dans le cylindre sur celle de Tatmosphère ou du condenseur, admettant que la perte soit proportionnelle à Texcès 6 de température, la perte totale pour une heure sera :

S surface intérieure de chacun des deux conduits allant du tiroir aux extrémités du

cylindre ; d diamètre du cylindre ; / course du piston (824) ; d' diamètre de la tige ; N nombre de tours du volant par minute.

La quantité entre parenthèses exprime la surface refroidissante qui se trouve en contact avec la vapeur pour chaque coup simple du piston.

En entourant le cylindre proprement dit d'un deuxième cylindre, et faisant circuler la vapeur dans Tintervalle qui les sépare avant de la faire agir sur le piston, on parvient à supprimer à peu près la perte précédente.

Un peu avant la mise en marche, on fait circuler dans l'enveloppe de la vapeur venant de la chaudière, de manière à amener le cylindre à la température de la vapeur. Alors, celle-ci pénétrant dans le cylindre, elle ne se condense plus sur les parois, et il n'y a plus de refroidissement provenant de la vaporisation de Teau condensée. Pour les coups suivants, conraie la vapeur de l'enveloppe maintient le cylindre à la température de la vapeur agissante, les condensations et par suite les pertes intérieures sont supprimées.

Supposant que l'enveloppe entoure entièrement le cylindre, le pistou n^en continue pas moins à avoir constamment une base en contact avec la vapeur agissante et l'autre avec la vapeur qui va au condenseur ou dans l'atmosphère, et comme le piston n'est réchauffé qu'imparfaitement sur sa face latérale à travers le cylindre, la vapeur continue, quoique en moindre quantité, à se condenser sur sa base. Il en est de même des conduits de vapeur qui ne sont pas entourés de toutes parts au moyen de la vapeur de l'enveloppe. La tige du piston continue aussi à condenser de la vapeur.

Appliquée à ces trois causes, la formule précédente devient, «' étant la portion de conduit non en contact avec l'enveloppe :

P=0,024(y + 2^ + 4i)2Nx60.

En outre de la perte due à ce que l'enveloppe ne supprime pas entièrement la condensation intérieure de la vapeur, il en nait une l^ère due à ce que la vapeur de l'enveloppe, qui a même toujours une près-

TROISIËHE PARTIE.

ieure à celle du cylindre, réchauffe un peu la vapeur qui sort idre.

e machine à détente, si le cylindre est sans enveloppe, avant il se condense de la vapeur contre les parois en contact la machine était sans détente. Hais comme pendant la détente inulion de pression, ahiiissenient de température, et par suite nt de chaleur, il en résulte, quoique la vapeur puisse encore ser contre les nouvelles parois découvertes, qu'une partie de ensée se vaporise, et que celle qui reste condensée est moinuc la perle de chaleur. De plus, l'eau qui se vaporise, qu'elle de la condensation ou en partie des 5 & 2S p. 100 de l'eau par la vapeur, empêche la pression de descendre aussi rapiindant la détente. Il paraîtrait m£me que la courbe pratique 171, qui se conrond en 6' avec la courbe b'e' tracée d'après la iolte, indique constamment des pressions plus grandes que ère, et que l'excès de pression ou l'écartement des courbes avec le degré de détente.

e cylindre de la machine à détente est à enveloppe, d'abord il lense pas de vapeur dans le cylindre; ensuite l'enveloppe la vapeur pendant la détente, vaporise un peu de l'eau enr la vapeur, et par suite empêche la pression de diminuer lenient. La courbe pratique h'g de détente indique des prèsgrandes que la courbe //e" tracée d'après la loi de Mariette mais moindres, paralt-il, que la courbe 6/ donnée parle mdre sans enveloppe. Ainsi le réchauffement de la vapeur . délente augmenterait moins la pression que la vaporisation ie de l'eau condensée contre les parois du cylindre. la vapeur se condense en général contre la base du piston et issi contre lune des bases du cylindre, l'enveloppe n'enlous souvent le cylindre que latéralement, la courbe h'g s'éearitant plus de celle h'é que le rapport du diamètre du piston s est plus grand, et si ce rapport est faible, h'g se confond (Ut avec fi'e".

a figure tl7,la puissance d'une même machine à détente serait le quand il n'y a pas d'enveloppe que quand il y en une, et, les cas, plus grande que ne l'indique la loi de Mariotle, t excès ne peut jamais être bien grand, que de plus il est Je, on calcule les dimensions des machines d'après la forile de la loi de Mariotte. On obtient ainsi des machines donjtit excès de force, ce qui est pratiquomeDl plutôt avantageux le.

sous le rapport de la dépense de vapeur, l'avantage de l'enît moindre pour les machines à détente que pour celles sans cause de la plus faible quantité de vapeur condensée, cet l'en est pas moins très important, due à la condensation intérieure dans les machines sans est restée longtemps inaperçue, et Watt n'a mSme employé

les enveloppes que dans le but de réchautfer la vapeur dans le cylindre, ce qui est le moindre des avantages.

Dans des expériences faites sur une faible machine à condensation, on a trouvé une économie de 40 p. 100 à employer une enveloppe, et celte économie varie ordinairement de 20 à 30 p. 100. La chaleur dégagée par le frottement du piston peut compenser en partie les pertes, et occasionner des erreurs dans Tappréciation de ces pertes.

Au commencement de la marche d'une machine sans enveloppe, il peut s'accumuler assez d'eau dans le cylindre pour causer des chocs et même des ruptures quand le piston arrive aux extrémités de sa course. On évite ces inconvénients par une mise en train très lente. Avec les machines à enveloppe on n'a pas besoin de prendre cette précaution, et cela est très avantageux dans un grand nombre de cas, comme, par exemple, dans les forges, où il est important de pouvoir faire la mise en train très rapidement. Sous ce point de vue, il est opportun de faire usage d'enveloppes dans les locomotives.

La perte de vapeur dans l'enveloppe est très faible. Pour les machines sans détente, elle n'est due qu'à un faible rayonnement extérieur de l'enveloppe, et dans les machines à détente elle est due en outre au rayonnement du cylindre sur la vapeur pendant la détente.