CHAPITRE XIII. — HàCHINBS à VAPEUR. 27I

MACHINES A VAPEUR

Application des propriétés précédentes aux machines à vapeur. — Indicateur de Watt. — Influence du cylindre. — Machines à vapeur saturée. — Chemise de vapeur. — Machines à vapeur surchauffée. — Détermination de l'équivalent mécanique de la chaleur.

Dans les machines à vapeur, le mouvement est produit par la pression qu^exerce alternativement la vapeur sur les deux faces d'un piston mobile dans un cylindre.

Lsijig. 43 représente le cylindre d'une machine à vapeur. Deux ouvertures A et A' donnent passage à la vapeur qui agit sur le piston ; deux autres ouvertures B et B' établissent la communication avec le condenseur. Chacune de ces ouvertures est démasquée ou fermée, en temps utile, par un tiroir qui reçoit le mouvement de la machine.

La machine est supposée à quatre tiroirs : deux tiroirs commandent l'admission de la vapeur, les deux autres tiroirs commandent l'expulsion de la vapeur.

Supposons le piston au bas de sa course : au-dessus du piston la vapeur communique avec le condenseur par Pouverlure B'. L^ouverture A est démasquée; la vapeur arrive de la chaudière à la pression de la chaudière. Lorsque le piston arrive dans une position CD, Fouverture A est fermée; le volume ABCO est le volume d^admission de la vapeur à pleine pression. A partir de ce moment, la vapeur agit par détente. Lorsque le piston est arrivé au haut de sa course, à la fin de la détente, la vapeur occupe Tespace ABEF.

Fig. 43.

A ce moment Touverture B est démasquée; la vapeur qui vient d^agir sur le piston est en communication avec le condenseur. En même temps la vapeur arrive de la chaudière par Touverture A' sur Tautre face du piston, et le même jeu recommence.

La vapeur, pendant Tadmission dans le cylindre, peut arriver à la température de la chaudière, ou bien la vapeur, sortant de la chaudière, peut traverser des tubes à une température plus élevée que la chaudière. Dans le premier cas, la machine fonctionne avec de la vapeur saturée; dans le second cas, la machine fonctionne avec de la vapeur surchauffée.

■àghines à tapeur. 289

de vapeur, qui reste dans le cylindre au commencement de Fadmissiôn de la vapeur; ce poids est insignifiant par rapport au poids de la vapeur condensée, o^s,65oi.

La condensation de la vapeur pendant Tadmissîon s^effectue dans un temps très court; elle se produit sur les parois du cylindre de la même manière que le dépôt de rosée sur un corps froid placé dans une pièce chaude.

Si Ton suppose le cylindre impénétrable à la chaleur, une condensation partielle de la vapeur doit se produire pendant la détente ; dans la machine réelle, au contraire, une vaporisation se produit aux dépens de la chaleur cédée par le cy» lindre.

La chaleur cédée ainsi utilement par le cylindre pour produire la vaporisation pendant la détente est environ les o,4 de la chaleur abandonnée au cylindre par la vapeur pendant Tadmission; les 0,6 environ de cette quantité de chaleur sont amenés en pure perte au condenseur.

Une théorie des machines à vapeur, fondée sur Thypothèse où il n^existe aucun échange de chaleur entre la vapeur et le cylindre de la machine, est donc insuffisante. Il ne faut pas demander à cette théorie l'explication de certaines dispositions, usitées dans les machines, telles que la chemise de vapeur.

Watt, en créant un type de machines que Ton peut considérer encore aujourd'hui comme Tun des plus parfaits, a eu ridée d'entourer le cylindre d'une enveloppe et de faire passer LoL Thermodynamique. ig

la vapeur entre le cylindre et cette enveloppe, avant d^amener la vapeur au cylindre : le cylindre de la machine est alors entouré de vapeur ou d^une chemise de vapeur.

L^étude expérimentale des machines à vapeur peut seule conduire à une appréciation exacte de la disposition adoptée par Watt.

M. Hirn cite un exemple d^autant plus intéressant qu^il a pu comparer deux machines fonctionnant à peu prés entre les mêmes limites et qui ne présentent qu^une seule diiTérence essentielle : une des machines, celle que Ton vient de prendre pour exemple, fonctionne sans enveloppe de vapeur; Tautre machine, dont il va être question maintenant, est pourvue d^une enveloppe de vapeur.

La machine à enveloppe de vapeur dépense par coup de piston un poids d'eau égal à o^^, i2o5. Dans ce poids, l'eau liquide, entraînée à Tétat de poussière, figure pour 0^^,001 Sgy; le poids de la vapeur qui pénètre dans le cylindre est égal à o*^*, 1 18903. La température de la chaudière est i52<*,64.

Diaprés le volume d'admission, le poids de vapeur saturée à la température de i5a^,64, contenue dans le cylindre à la fin de Fadmission, est égal à o^s,o64458.

Il y a donc condensation de vapeur pendant l'admission . Le poids de la vapeur condensée au contact des parois du cylindre est égal à o^, o5444^-

Le rapport du poids de la vapeur ainsi condensée au poids de la vapeur dépensée ou de la vapeur qui pénètre dans le cylindre est égal à o,45.

Le poids de vapeur o*^, o5444^) en se condensant à la température de i52<^,64, abandonne au cylindre une quantité de chaleur égale à 27*^**, 16.

La pression de la vapeur, à la fin de la détente, relevée au moyen de Tindicateur de Watt, correspond à une température de 93**, 07. Le poids de la vapeur saturée présente dans le cy-

■AcaixKS A TAricm. :K)t

liadff^ à U fia de la dê&eiUje, calcule d après le Tolane da crliadre, est èçaï à <^, loaog. Ce poids est sapériear aa poids de Tapeur 0^,06445$, qui se trouTail dans le cjliiidre à la fin «le Fadmission.

D T a donc vaporisation de Veaa pendant la détente. Le poids de Pean Taporisée pendant la détente est égal à 0^,037632.

Le rapport du poids de Teau vaporisée pendant la déienle au poids de Feau liquide contenue dans le cvlindre à la fin de Tadmission est égal à 0,69. Ainsi, plus des f de Teau liquide contenue dans le cylindre a la fin de l'admission se vaporisent pendant la détente.

La quantité de chaleur absorbée pour vaporiser Teau pendant la détente, et empruntée aux parois du cylindre, peut se calculer au moyen des deux méthodes indiquées précédemment.

La moyenne des deux valeurs extrêmes obtenues d'après la première méthode est égale à aa^*, 56.

Le diagramme tracé par Tindicateur de Watt donne, pour la chaleur consommée en travail pendant la détente, 7^*^,93. En tenant compte, en outre, de la variation de la chaleur interne, la seconde méthode de calcul donne le nombre aa<'*^54, qui ne difiere pas du précédent.

Si Ton prend ce nombre aa^^54 pour la chaleur restituée par le cylindre pendant la détente, la différence entre les deux nombres 27*^**, 16 et 22,54, ou 4"*, 62, représente la chaleur portée, en pure perte, au condenseur. Le rapport de la quantité de chaleur ainsi perdue à la chaleur abandonnée par la vapeur pendant l'admission est égal à 0,17.

L'enveloppe de vapeur, dans la machine citée par M. llirn, a donc pour effet de réduire, dans une proportion considé-

rable, la perte au condenseur. La dépense de vapeur est à peu près la même pour deux machines, Tune sans enveloppe de vapeur, Tautre avec enveloppe de vapeur, qui ont toutes deux des dimensions peu différentes, qui fonctionnent toutes deux à peu près entre les mêmes limites de température; mais pour la même dépense de vapeur, le travail produit par la machine avec enveloppe de vapeur est notablement supérieur au travail produit par la machine dépourvue d^enveloppe de vapeur.

Dans ces deux machines, la vapeur est saturée à son arrivée dans le cylindre. On a imaginé de faire passer la vapeur à la sortie de la chaudière dans un appareil dont la température est beaucoup plus élevée : la vapeur se surchauffe avant d'arriver au cylindre.

Si Ton admet que le cylindre soit Impénétrable à la chaleur, la théorie de la machine à vapeur surchauffée est analogue à la théorie de la machine à vapeur saturée. La vapeur surchauffée est admise dans le cylindre à la pression de la chaudière; elle se détend ensuite, se refroidit, atteint la saturation et, à partir de ce moment, elle se comporte comme une vapeur saturée sèche.

En réalité, les phénomènes sont bien différents. M. Leloutre a fait voir, en effet, que la vapeur surchauffée peut éprouver une condensation partielle pendant Tadmission. A la fin de Tadmission, le cylindre renferme à la fois de Peau liquide et de la vapeur saturée.

MACMINES A TAPiri. 1193

Il ne faat pas songer à établir a priori une théorie de la machine à vapeur d^eau surchauffée. L'étude expérimentale de cette machine est nécessaire pour renseigner sur ce point important : est-il avantageux de surchauffer la vapeur?

M. Him cite l'exemple suivant, d'une machine à vapeur surchauffée :

La machine dépense par coup de piston un poids d'eau égal à o^,3o65. La vapeur est produite dans la chaudière à la température de i44*>96; elle passe dans Fappareil de surchauffe, maintenu à la température de 281*, et de là elle se rend à la chaudière.

Le poids de la vapeur saturée à la température de la chau* diére qui occuperait le volume d*admission serait égal s\ o^s, 28606. Si la vapeur restait surchauffée pendant l'admission, le poids de la vapeur surchauffée, admise dans le cylindre, serait inférieur à o^s, 28606.

Il V a condensation de la vapeur surchauffée pendant l'admission. Le poids de la vapeur condensée au contact des parois du cylindre est la différence entre la dépense par coup de piston, o'^8,3o6o, et le poids de la vapeur saturée contenue dans le volume d^admîssîon oi^s, 28656. Cette différence est

égale à 0^,01994.

Le rapport du poids de la vapeur ainsi condensée au poids de la vapeur surchauffée, dépensée par coup de piston, est égal à o, o65.

La chaleur cédée au cylindre pendant Tadmission se compose de deux parties : la chaleur cédée par la vapeur surchauffée en passant de 281® à la température de i44^}96, et la chaleur cédée par la vapeur saturée en se condensant dans le cylindre, pendant Fadmission, à la température de la chaudière. En prenant pour chaleur spécifique de la vapeur d^eau,

394 CHAPITRE Xlir.

comme approximation, le nombre o, ^So5i trouvé par Regnault pour la chaleur spécifique de la vapeur d^eau, à peu près entre les mêmes limites de température, mais sous la pression de Tatmosphère, on trouve que la chaleur cédée au cylindre pendant l'admission de la vapeur est égale à 22^', 78.

La pression, à la fin de la détente, relevée au moyen de rindicateur de Watt, correspond à une température de 97**, 34« Le poids de la vapeur saturée présente dans le cylindre à la fin de la détente est égal à o^, 2698. Ce poids est inférieur au poids de vapeur saturée o'^*, 28656 contenue dans le cylindre à la fin de l'admission.

Il y a condensation de vapeur dans la détente. Le poids de Teau condensée pendant la détente est la différence des deux poids o*^, 28656 et o''«,2693 ou 0^^,01726.

Le rapport de ce poids de vapeur condensée au poids de vapeur présente dans le cylindre à la fin de Tadmission est égal à 0,06. Les 0,06 seulement de la vapeur contenue dans le cylindre se condensent par la détente.

Les parois du cylindre ont fourni de la chaleur pendant la détente.

La moyenne des deux valeurs extrêmes, calculée d'après la première méthode, est égale à 3<^*',5.

Le diagramme tracé par Tindicateur de Watt donne, pour la chaleur consommée en travail pendant la détente, 16^', 5. En y ajoutant la variation de la chaleur interne, la seconde méthode donne pour la chaleur cédée par le cylindre pendant la détente le nombre 4**S ï3.

Si Ton prend le nombre 3, 5 pour la chaleur restituée par le cylindre pendant la détente, la perte au condenseur est égaie à i9<^*,23. Si Ton prend le nombre 4; i3 pour la chaleur restituée par le cylindre pendant la détente, la perte au condenseur est égale à i8"S6.

MAGBI9BS ▲ TAriCB. I9»

On Toiu iTaprés cefa, combica ks phésoménes obsenrês dans une machine à Tapeor sarchanffée difierent des phénomènes que Ton poorrait préToir. en supposant le crlindre impénétrable à la chaleur.

Si Ton Tent résoudre la question relatiTe aux arantages de la surchauffe^ il laut« comme Ta fait M. Him, comparer les résultats obtenus arec la machine à vapeur surchauffée aux résultats obtenus arec la même machine fonctionnant arec de la vapeur saturée.

Lorsque la machine fonctionne avec de la vapeur d*eau sa* lurécy la perte au condenseur s^élève a o, i63 environ de la chaleur dépensée; le travail effectué par la machine est de 4 1 ^^ . G4 par calorie dépensée.

Lorsque la même machine fonctionne avec surchauffe de la vapeur, la perte au condenseur est seulement 0,077 de la chaleur dépensée; le travail effectué par la machine est de 5a^c,62 par calorie dépensée.

Les exemples précédents, empruntés à M. Hîrn, montrent la nécessité d^une étude expérimentale des machines à vapeur.

On s'expose à des erreurs considérables en supposant le cylindre des machines impénétrable à la chaleur. Il est nécessaire de tenir compte, non seulement de la nature des parois du cylindre, du refroidissement produit par la communication établie entre le cylindre et le condenseur, mais encore il faut faire entrer en ligne de compte les imperfections inlié-

rentes aux machines : les fuites, les étranglements, les espaces nuisibles.

Si Tétude des machines à vapeur doit être ramenée à la méthode expérimentale, on peut regarder la Thermodynamique comme une partie de la science bien inutile dans Tétude des moteurs à vapeur. C'est une critique souvent répétée depuis quelques années : il convient de Texaminer.

Que m'importe la théorie des machines à vapeur? La machine de mon usine dépense tant de charbon par cheval et par heure : elle me coûte tant, en frais d'achat et d'entretien. Le reste m'est bien indifférent.

Il n'y a rien à répondre à ce langage : c'est celui 'd'un homme qui mange avec appétit, qui digère facilement, qui a le sommeil régulier. Il lui est bien indifférent de savoir comment s'accomplissent les phénomènes de la nutrition, de la respiration, de la circulation du sang. S'il survient cependant une légère diminution de l'appétit, un léger trouble dans le sommeil, le médecin est vite appelé.

Les machines aussi ont leurs troubles; elles ont des vices de constitution et des écarts de régime. L'ingénieur, appelé à leur donner ses soins, a un intérêt d'autant plus grand à rechercher l'origine des défauts, qu'il peut espérer de les faire disparaître en créant un type plus parfait.

Les méthodes calorimétriques ont permis de mesurer la quantité de chaleur dégagée dans la combustion d'un poids déterminé de charbon, et d'apprécier la valeur des différentes qualités de houille.

La notion de l'équivalent mécanique de la chaleur a appris qu'une calorie, dépensée pour produire du travail, peut développer un travail de /\25 kilogrammètres. Le résultat fourni nar les machines parut alors bien maigre : dans la machine à vapeur surchauffée, que Ton vient de citer, une calorie dépensée fournit un travail inférieur à 53 kilogrammètres, c'est-

»-dîre CBrÎTOB o. 1 li «if- ce que s<"ml>l&ît promeure là râleur de Féqnivilest ^»«*caiûque de li ciijJeur.

Lie Ùtèorèw^c de CarDc«C a iotrc^duit one conception pluf juste des e£els des siftcLines. Si la machine fonctionne entr>^ i3o et loo derrrs cenlîrradef, par e\emj»le, le coefficient êooBooaiqoe maximum est ^ral à la dîtf^rence de ces tempè> ratnres extrêmes di^ixre par la tem|:»rrature ab>i»lue qui correspond à I io degrés centigrades ou 4 ^^- Le coefhcienl économique niMximam est cral à o, 1 18. En multipliant ce nombre par 42^, le pixtduit ^. 1 5 représente le nombre maximum de kilogrammêtres que peut fournir une machine fonctionnant entre liio et 100 desrês centigrades. Avec une telle machine, quel que soit Tarent, quel que soit le mode d'emploi de cet agent, le théorème de Camot, inflexible, apprend que Ton ne peut espérer plus de 3o*^^, i J-

Une machine, qui fournirait dans ces conditions un travail de 3o^^^,i5, serait parfaite; s'il n>st pas possible d'obtenir exactement cette valeur limite, il est désirable de pouvoir s^en approcher. C*est alors que Tétude expérimentale de chaque type de machine en particulier peut apporter des éléments utiles dans la question.

LediagrammerelevéàrindicateurdeWaltfournit un élément précieux dans Tétude expérimentale des machines. Mais comment tirer parti de ces indications sans avoir recours aux données et aux théories de la Physique générale?

Les recherches de Regnault sur la vaporisation des liquides ont fourni des Tables des tensions de vapeur et des Tables de chaleur de vaporisation aux diflférentes températures. Lorsque Ton connaît Téquivalent mécanique de la chaleur, le théorème de Carnot, appliqué par M. Clausius à la vaporisation, permet de calculer, au moyen de ces données, la chaleur externe de vaporisation et la chaleur interne de vaporisation de Teau aux di%'erses températures.

La théorie de M. Clausîus, en introduisant la notion de la chaleur spécifique des vapeurs saturées, peut seule rendre compte des transformations complexes qu^éprouve, à la suite de la détente, une vapeur saturée sèche ou une vapeur saturée en contact avec son liquide.

Si Von néglige tout échange de chaleur entre la vapeur et les parois du cylindre d^une machine, la théorie de la machine à vapeur s^achève sans difficulté. L^expérience montre, au contraire, que le problème est beaucoup plus complexe : la solution exige à la fois le concours de Texpérience et de la théorie.

C^est cette alliance nécessaire de Texpérience et de la théorie qui constitue Part de Tingénieur. L'étude des machines à vapeur, si elle devait se faire en dehors de robservation, échapperait à la loi commune.

Le théorème du travail et des forces vives, qui joue un rôle si important dans les théories de la Mécanique pure, a pris une large place dans le calcul des effets des machines : il ne faut pas moins tenir compte du frottement et des résistances passives, en général, dans la Mécanique appliquée. La Thermodynamique a un rôle analogue dans Tétude des moteurs à vapeur.

Des expériences faites sur les machines à vapeur ont conduit M. Hirn à une détermination de Téquivalent mécanique de la chaleur.

Ce genre de déterminations offre d^autant plus dUntérêt que

MACHINES A VAPEUR. 209

la mesure s^effectue dans des conditions très diiTérentes de celles que les physiciens cherchent à réaliser, en général, clans le laboratoire. Il ne s^agit plus d^un appareil spécial, imaginé et construit en vue d'une recherche particulière : c'est à une machine industrielle, destinée uniquement à produire du travail, que Ton demande une relation entre le travail effectué et la chaleur dépensée.

Le principe de la méthode employée par M. Hirn pour déterminer Téquivalent mécanique de la chaleur, au moyen d^une machine à vapeur, est très simple. La quantité de chaleur consommée par le travail qu^effectue la machine est égal à Fexcès de la chaleur dépensée pour échauffer Teau sur la chaleur abandonnée au condenseur.

Le travail effectué par la machine est enregistré par l'indicateur de Watt; il s^agit de mesurer, d'une part, la quantité de chaleur absorbée par Teau, prise au condenseur et passant finalement à Tétat de vapeur, et, d^autre part, la quantité de chaleur abandonnée au condenseur.

On évalue la dépense de la machine par chaque coup de piston, soit en mesurant Teau d'alimentation fournie à la chaudière, soit en faisant la différence entre le poids d'eau qui s'échappe du condenseur et le poids d^eau froide qui arrive au condenseur.

L'eau, prise à la température du condenseur, est amenée dans la chaudière et se vaporise ; la vapeur est ensuite surchauffée. La quantité de chaleur absorbée dans chacune de ces trois opérations est facile à évaluer. La somme des trois quantités de chaleur est la chaleur dépensée.

On mesure le poids d'eau froide amenée au condenseur et sa température : on mesure la température de l'eau à la sortie du condenseur. Ces données font connaître la quantité de chaleur abandonnée au condenseur.

Pour obtenir des résultats exacts, il faut tenir compte, en

3i)0 CHAPITRE XIII. — MACHINES A VAPEUR.

outre, de l'eau entraînée à l'étal de poussière par la vapeur, de la chaleur dégagée par le frottement du piston et du rayonnement du cylindre de la machine.

D'après les expériences de M. Hirn sur les machines à vapeur, l'équivalent mécanique de la chaleur est compris entre 420 et 432. La valeur de l'équivalent mécanique de la chaleur, déduit ainsi d'une opération effectuée en grand par une machine, est très voisine des valeurs indiquées précédemment» au moyen de méthodes diverses.

Si la Science a pu fournir à l'industrie quelques données utiles, l'Industrie, de son côté, aux mains d'ingénieurs habiles et amis du progrès, peut rendre à la Science de réels services.

FUSION. 3oi