ETUDE D'UN NOUVEL APPAREIL A EAU CHAUDE
L'appareil de MM. Weibel et Briquet présentait trois inconvénients principaux : il nécessitait l'établissement, à rintérieur de la voiture, d'une longue canalisation remplie d'eau chaude ; il ne chauffait point les pieds des voyageurs ; enfin il consommait trop de combustible.
D'autre part, le chauffage à l'eau chaude offrait de tels avantages comme constance, comme salubrité, comme indépendance du mouvement du véhicule , que nous résolûmes d'étudier les perfectionnements dont ce système est susceptible.
Il nous semblait facile de chauffer les pieds en engageant dans le plancher des boîtes métalliques où l'eau chaude circulerait, et de supprimer la production inutile de vapeur en limitant la combustion par la réduction de la grille et de la hauteur du feu.
Mais , à ce moment, nous ne savions pas si nous obtiendrions une circulation suffisamment active de l'eau dans les chaufferettes en plaçant toute la canalisation en dessous de la face supérieure du plancher de la voiture, et c'était là le résultat essentiel à obtenir.
Pour éclaircir spécialement ce point, nous avons été ainsi conduits à étudier les conditions de fonctionnement des appareils de chauffage à l'eau chaude par circulation continue, puis à faire des expériences de laboratoire pour leur application spéciale aux voitures.
Théorie du chaufTage à Teaa chaude par eirealatloB eanli-
«se •« |Mir thermo-syphoB. — Les appareils de chauffage à Teau chaude par circulation continue, souvent désignés sous le nom de thermo-syphons, consistent en une chaudière sur laquelle vient aboutir une canalisation métallique parcourant les espaces à échauffer. L'appareil étant rempli d'eau, si Ton allume du feu dans la chaudière, le liquide que celle-ci renferme s'échauffe et monte vers la partie supérieure de la canalisation. Mais, vu l'incompressibilité du Hquide, le mouvement ne peut se produire que si les couches inférieures viennent prendre successivement la place de la première couche déplacée, et les choses se passent comme si toute l'eau de la canalisation était pous* sée par un véritable piston. Il s'établit ainsi un courant continu qui a pour effet de ramener constamment à la chau dière, c'est-à-dire à la source de chaleur, le liquide qui a parcouru l'intérieur des tuyaux.
Priaeipè do thermo-syphoB appliqué par la C^mpagale de PEst au ehanflage des woltures. — Le Ihermo-syphon, tel
que nous le jugions applicable au chauffage des voitures à voyageurs, devait être disposé de la manière suivante :
Des caisses métalliques engagées dans le plancher de la voiture et servant de chaufferettes ; — une chaudière suspendue contre l'un des brancards en dessous de la caisse ;. — un tuyau de distribution partant du haut de la chaudière et reliant les extrémités des chaufferettes sur l'un des côtés de la voilure; — un tuyau de retour monté parallèlement au précédent, rattachant les autres extrémités des chaufferettes, puis aboutissant à la partie inférieure de la chaudière.
Dans ces conditions, une hauteur de chute réduite à 0",700 ou 0",800 était-elle suffisante pour déterminer dans l'appareil une circulation correspondante à l'émission de
chaleur nécessaire pour le chauffage de la voiture, et que nous estimions comprise entre 2,000 et 4»000 calories à l'heure?
La canalisation étant établie comme nous venons de Tindiquer, des quantités d*eau sensiblement égales passeraient-elles dans les diverses chaufferettes, ou bien, au contraire, constaterait-on sur celles-ci de notables diCKrences do température?
iVëces«ité de faire deti expérleneeii. — Le Calcul SOUl DO
permet pas de répondre à ces questions, un trop grand nombre de causes variables agissant sur le fonctionnement d'un thermo-syphon (1).
Nous devions donc résoudre le problème expérimentalement, et cela nous conduisit à construire sur des tréteaux un appareil fixe présentant les principales disposir tiens de celui que nous voulions appliquer aux voitures.
DiHposiiion de l'appareil d'e«iMii. — Cinq luyaux en cuivre de G'", 090 de diamètre extérieur et de 2" de longueur furent disposés horizontalement sur des chevalets ; on les plaça parallèlement les uns aux autres et à des intervalles égaux à ceux auxquels seraient établies, dans une voiture dé 3"* classe, les chaufferettes qu'ils figuraient. {Voir le ero-? quis ci-contre.)
Ces tuyaux étaient reliés par leurs extrémités à deux conduites composées do tubes en fer de O'^iOSS de diamètre intérieur et 0";042 de diamètre extérieur.
(1) Au point de vue do Tunalyse, le problème est complètement déterminé ; muis on arrive a des équations et surtout à des intégrations teUement compliquées, qu'il nous a paru impossible d'obtenir par ce moyen aucune formule pratique. La question mériterait, pensons-nous, de tenter Teffort des géomètres.
La conduite qui devait servir de tuyau d^arrivée de Teau chaude communiquait avec la partie supérieure des tuyauxchaufferettes, tandis que les raccords établis entre celles-ci et l'autre conduite formant le retour d'eau aboutissaient à la partie inférieure des tuyaux-chaufferettes.
Une petite chaudière verticale nous servait à chauffer l'eau ; elle portait deux tubulures latérales distantes, d'axe en axe, de 0",330 et placées l'une au-dessus de l'autre, sur la même génératrice. Au moyen de tubes en caoutchouc, la tubulure inférieure communiquait avec le tuyau de retour, tandis que la tubulure supérieure était reliée avec l'un des tuyaux-chaufferetles. L'eau, après avoir traversé ce tuyau, se distribuait par le tube d'arrivée entre les quatre autres semblables.
La chaudière fut placée successivement dans deux positions différentes, par rapport aux chaufferettes. D'abord elle fut montée en face de l'une des chaufferettes extrêmes, puis vis-à-vis de celle du milieu. Dans cette disposition, l'eau, après avoir traversé le tuyau, se divisait en deux courants opposés et qui n'alimentaient plus chacun que deux chaufferettes.
Un vase cylindrique, monté à l'extrémité du tuyau d'arrivée, servait de vase d'expansion, et mettait en communication l'intérieur de l'appareil avec l'atmosphère.
De petites viroles, soudées aux deux extrémités des cinq tuyaux-chaufferettes et sur les tubulures de la chaudière, permettaient de plonger des thermomètres dans le liquide et de suivre ainsi constamment les variations de la température de l'eau dans toutes les parties de l'appareil.
Dans toutes nos expériences, la hauteur de chute fut de CP,610.
En ne tenant pas compte de la chaudière, l'appareil contenait 60 litres d'eau, sa surface de chauffe était de 4"'\700
(dont 2™*,059 de canalisation), et il pesait 141*^,400, poids dans lequel le cuivre entrait pour 51^,755 et le fer pour 89^,645.
L'appareil fut monté dans une vaste salle close dont la température restait sensiblement constante pendant la durée de chaque expérience.
Réraitats des exfiérienees. — L*appareil étant ainsi disposé, nous avons constaté que l'eau qu'il contenait pouvait être maintenue à» une température constante et supérieure de 66** en moyenne à celle de l'air de la pièce.
La faible hauteur de chute de 0",610 suffisait pour déterminer le mouvement de l'eau ; la circulation se faisait même dans la cinquième chaufferette lorsque la chaudière était montée à l'une des extrémités de l'appareil .
Ce thermo-syphon pouvait émettre jusqu'à 3,000 calories par heure.
Chaievr ëniise. — Pour nous rendre compte directement de l'émission de chaleur, nous avons à un certain moment supprimé les deux communications avec la chaudière, en pinçant les tubes en caoutchouc, puis nous avons noté les températures décroissantes marquées par les thermomètres plongés dans le liquide, et le temps écoulé entre chaque observation.
Connaissant le poids de l'eau contenue dans l'appareil et ceux du cuivre et du fer des pièces qui le constituent, nous avons pu calculer le nombre de calories émises par heure pour différentes valeurs de l'excès de la température de l'eau sur celle de la pièce .
C'est d'après cette méthode que nous évaluons à 2,927 calories la quantité de chaleur émise par heure pour un excès de 66*.
WitesM de l'eau. — Dans une expérience qui nous donna précisément cet excès de 66^, i*eau sortait de la chaudière à 89* et y rentrait à 72%
D*après la quantité de chaleur émise, nous concluons qu'en une heure il^^^,^ d'eau devaient passer par la chaudière. Par suite, la vitesse de Teau dans le tuyau de retour était de 0™,0579.
Dans d'autres expériences; la vitesse calculée varia de 0"',045 à 0'»,058.
Constatation expérimentale de la wltesse. — En remplaçant
un des tuyaux en fer de la canalisation par un tube en verre, et en mettant en suspension dans l'eau delà sciure de bois, nous avons pu, par ce procédé, constater expérimentalement que la vitesse des filets variait de 0™,020 à O^'^OGO suivant la distance du filet à la paroi du tube.
Travail dëpensé pour maintenir le liquide en monvement* —
Le travail créé par les frottements et parles changements de vitesse et de direction qu'il faut dépenser pour maintenir le liquide en mouvement est extrénftment faible . Dans nos expériences, il a toujours été inférieur à 0'^",005 par seconde.
DIfUrIbntlon de la ehalenr dans les ehaufferettes. — Comme
nous l'aVSns déjà dit, la circulation de Teau s'est produite dans toutes les chaufferettes. Les températures indiquées par les thermomètres plongés dans les tuyaux de chauffe étaient peu différentes. D'autre part, nous avons pu constater expérimentalement qu'il existe dans l'appareil que nous venons de décrire deux courants distincts : un premier courant principal, partant de la chaudière et y revenant après avoir parcouru la canalisation extérieure, et une série de courants secondaires partant du point de soudure de
chaque tuyau transversal. Les dérivations obtenues par l'interposition des tuyaux transversaux ont donc pour conséquence d'accélérer la rentrée du liquide dans la chaudière et, par suite, d'améUorer le fonctionnement de Tappareil.
Le thermomètre plongé à l'extrémité de la chaufferette où arrivait Teau de la chaudière et celui qui était placé à la sortie de la dernière chaufferette présentaient des écarts moyens do 14%44 quand la chaudière était montée en bout, et de 12% 10 quand elle était montée au miheu de Tappareil.
PMiilUn àe îm ehandlëre par rappmrl «nx eliaafrereUes. — De
ce qui précède, nous devons conclure qu'il y a intérêt, au point de vue de la répartition de la chaleur dans les voitures, à monter la chaudière vers le milieu de Tappareil, surtout s'il s'agit de voitures de 2* et de 3* classe.
C'est après avoir procédé à ces expériences préparatoires que nous avons étudié et appliqué l'appareil que nous allons décrire. •
APPAREIL A CIRCULATION D'EAU CHAUDE AVEC CHAUFFERETTES, TYPE EST, 1873.
Les résultats de nos expériences nous décidèrent à monter sur une voilure de 3* classe un thermo-syphou formé de chaufferettes encastrées dans le plancher et alimentées par une canalisation entièrement établie au niveau du plancher.
Pour hâter la construction, nous prîmes la voiture sur laquelle était appliqué l'appareil n** 2 de MM. Weibel et Briquet; on utiHsa la chaudière sans en changer la position de montage, et aucune modification ne fut apportée à la
trémie de chargement du combustible, ni à la grille, ni à la cheminée.
CanaiiMiiM. — Notre thermo-syphon était disposé comme suit:
La conduite de départ pénètre dans la voiture presqu*au dessus de la chaudière et se prolonge le long du panneau de fond jusqu'à Tangle de la voiture, en se maintenant à (r,50 au-dessus du plancher. La conduite se contourne alors pour suivre le côté longitudinal de la voiture, le long du brancard de caisse, en restant encastrée dans le plancher. L'entaille ainsi produite est recouverte, à l'endroit des passages, par une tôle mince vissée sur le plancher.
Des tubulures, se terminant par des joints à brides, sont rapportées sur la conduite de départ dans l'axe de chaque compartiment et se raccordent avec les chaufferettes.
Le retour d'eau se fait par une conduite placée longitudinalement le long» du brancard du châssis à (r,180 en dessous du plancher et du côté opposé au tuyau de départ.
Cette conduite porte des raccords verticaux se reliant à chaque chaufferette et aboutit à la. partie inférieure de la chaudière ; elle est placée horizontalement, ce qui facilite le travail d'installation, — puisque alors tous les raccords sont de même longueur, — sans ralentir cependant la circulation de l'eau.
Les conduites sont en cuivre rougede(r,029de diamètre intérieur et de 0",033 de diamètre extérieur pour le départ, de (r,088 et (r,042 pour le retour. Le cuivre rouge a été employé sur la voilure d'essai pour faciliter et hâter la construction ; mais la canalisation d'un appareil définitif devrait, à notre avis, être composée de tubes en fer.
Chaufferettes. — Les chaufferettes sont en fonte , ea
f()rm6 de boites rectangulaires, ouvertes aux deux extrémités, et sont fermées par des couvercles à joints plats.
Le couvercle placé du côté de l'arrivée d*eau reçoit sur sa face extérieure oblique le joint à bride du tuyau de (distribution. Ce tuyau aboutit à la partie supérieure de là chaufferette.
La sortie de Teau se fait à l'autre extrémité de la chaufferette par un tuyau débouchant à la partie inférieure et se raccordant avec la conduite de retour.
Le dessus de la chaufferette est strié à 0",008 de profondeur afin qu'on ne puisse glisser sur sa surface.
Son épaisseur totale est de 0",013 du côté de l'arrivée d'eau et se trouve portée à 0",018 du côté opposé.
Cette disposition a été adoptée pour éviter que Tair ne séjourne dans l'appareil lors de son remplissage.
Les chaufferettes affleurent le niveau du plancher et présentent chacune une surface de rayonnement de (r,200 de largeur sur 2*,185, soit (r*,437.
■•nuige des eii«iifreretie«. — Les extrémités des lames du plancher, aboutissant contre chaque chaufferette, sont soutenues par deux traverses en chêne de (T, 085 sur 0",080 fixées aux brancards de cette caisse.
Contre le dessous de ces traverses est cloué un plancher de 0^,025 d'épaisseur qui constitue ainsi une boite dans laquelle est placée la chaufferette.
Cette boite est fermée à ses extrémités par des traverses placées de telle sorte que les joints des tuyaux de raccord restent accessibles.
Pour éviter les pertes de chaleur par les faces latérales et inférieure, on a rempli de sciure de bois le vide existant entre la boite et la chaufferette.
Quatre oreilles venues do fonte aux extrémités de&chauf-
ferettes servent à les fixer par des vis sur les traverses en chêne.
¥Me d^cxpansUn. — La disposition vicieuso du vase d'expansion de Tappareil Briquet sur le toit de la voiture nous a conduits à placer celui de notre appareil cqntre un des panneaux des bouts de la voiture, en baissant considérablement son niveau, ce qui devenait possible aprè& avoir ramené le point le plus haut des conduites à (r,050 audessus du plancher.
Dans la crainte qu'une certaine quantité d*air ne restât emprisonné dans les chaufferettes, nous avons placé un vase d'expansion à chaque extrémité de la voiture, en les faisant communiquer tous deux avec la conduite de départ qui est plus élevée que celle de retour.
Les vases d'expansion ont la forme de prismes rectangulaires ; ils sont en tôle et montés sur une embase en fonte qui reçoit le joint de raccord avec les conduites. Leur hauteur, par rapport au niveau de remplissage, est assez grande pour que les mouvements brusques des voitures ne puissent projeter de l'eau en dehors.
FUUenrs. — Des flotteurs mobiles sont placés à Tintérieur des vases ; les tiges qu'ils portent indiquent le niveau de Teau dans l'appareil.
€:»B4aite de renpiiwiage. — Un entonnoir, muni d'un robinet de fermeture et placé contre l'un des vases d'expansion, sert au remplissage de l'appareil par un tuyau aboutissant près de la tubulure inférieure de la chaudière, point le plus bas de l'appareil.
DUaUtUn de la eesdnlle de départ d'ean» — L'eau , arri-
THERMO-SYPHOX. 293
vant dans le tuyau de départ à une température qui peut atteindre 100'', déterminait une dilatation notable des parties métalliques ; d'un autre côté, la conduite^ formant une ligne droite d'un bout à l'autre de la voiture, ne pouvait céder sur aucun point, et, par suite de son allongement, agissait obliquement sur les joints de raccord avec les chaufferettes, les décollait et déterminait des fuites qui s'arrêtaient toujours lorsqu'on laissait refroidir l'eau.
Il s'agissait donc simplement de rendre la conduite flexible, et nous y sommes parvenus en la cintrant, entre les chaufferettes, en forme de boucles horizontales.
Alors la dilatation s'est faite sans difficulté et sans fatigue; les joints ont toujours bien résisté depuis ce moment.
Snrfaee de eiiaafre. — Les faces supérieures des cinq chaufferettes présentent une surface de â'^SlSô ; la surface de la conduite d'arrivée est de O^^jSôO; la surface de chauffe totale de l'appareil dans l'intérieur de la voilure est donc de 3"', 135.
c^apacité ée r«ppareii. -> La capacité de l'appareil est d'environ 120 litres.
Rëflvltats des expérlenees faites avee nue weltare spéelale, ne eentenant pas de weyagears. — Effet «tlle. ^ Lorsque la
voiture munie de cet appareil était complètement fermée et ne contenait pas de voyageurs, sa température moyenne intérieure s'est élevée ,à 12^5 au-dessus de celle de Tair extérieur.
La répartition de la chaleur a été très-satisfaisante.
Les thermomètres placés près du plancher marquaient S^'jS de plus que ceux fixés sous le pavillon.
Le point le plus froid de la voiture se trouvait toujours
près du pavillon, contre le panneau du bout opposé à la xhaudière, tandis que la ; plus forte chaleur se produisait près du plancher du compartiment touchant à la chaudière.
L'écart entre ces deux points a été de 8* à 9*.
Dans le sens latéral, la température était uniforme près du pavillon; mais à O^'yâO du plancher l'air du côté de la conduite de départ était plus chaud de 1%7.
Tempéralnres a« contact des ehàafferettes. — La moyenne
de toutes les expériences nous donna au contact des chaufferettes une température de bT.
Nous considérons ce résultat comme très-satisfaisant,
, cette température ne pouvant guère être dépassée sans devenir gênante pour les voyageurs.
La. température des chaufferettes fut assez régulière, l'écart moyen sur une même chaufferette étant de 5® et ne
^dépassant jamçiis 10®.
. La . différence entre le point le plus chaud et le point le plus froid de toutes les chaufferettes.de la voiture examinées au même moment fut ordinairement de 11* à 12* et
:ne dépassa pas 17®.
La température constatée sur la chaufferette du compartiment voisin de la chaudière n'était que très-peu supérieure
. à celles qu'indiquaient les thermomètres posés sur les chaufferettes des deux compartiments suivants; la chaufferette du quatrième compartiment donnait en moyenne une température de 5* plus basse que les précédentes, et celle du compai*timent extrême, fournissant les résultats les moins favorables, présentait avec la chaufferette de l'autre extrémité dé la voiture un écart qui fut en moyenne
.de 14*.
Inflacnee da seiifl. ée la narehe. — Malgré la position de
la cheminée au milieu du panneau de fond, le courant d'air qui se produit entre les voitures a une influence sensible sur le tirage du foyer et, par suite, sur le rendement calorifique ; mais, lorsque la cheminée se trouve à l'avant, la consommation de combustible est inférieure d'environ 0''*,200 par heure à celle que l'on observe dans le sens inverse de la marche, et la moyenne des températures données au contact des chaufferettes s'abaisse d'environ 15*.
lafluenee ée Tcaverlare éen portières. — L'ouverture des
portières de tout un côté de la voiture pendant quinze minutes a fait descendre de 5* la température intérieure. La température primitive a été de nouveau obtenue une demiheure après la fermeture.
Inflaence des chargeneiiis. — Nous n*avons pu Constater que les chargements du foyer eussent une influence quelconque sur la marche de l'appareil, le refroidissement amené par le combustible neuf ne se traduisant pas par des abaissements de température assez sensibles pour être appréciés.
Temps ■éeessalre •■ ehauffage des ¥oilares. — Ce n'est
qu'une heure el demie après l'allumage que l'on obtient 45** sur les chaufferettes et, dans la voiture, une température de 7" degrés supérieure à celle de l'air extérieur.
Bësainé des expërienees. — Nous avons résumé, dans le tableau suivant (pages 296-297), toutes les expériences que nous avons faites sur cet appareil pendant les deux hivers 1873-1874 et 1874-1875.
Expérienees en narehe des 90 el 97 février 1875. —
Nous reproduisons ci-^après toutes les constatations faites
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