CHAPITRE IV, §2. — THÉORIE GÉNÉRALE DES CHAUDIÈRES

r® 87. — 1. De la oonbustioB de U houille sur le grille. — 2. Inflaeooe dee CNMidvlla de Hamme et de le clieiiiinée eur le oombnation. — 8. mfluenoe de le ooaduite dee feux sur le combaatioa. — 4. Influence du mode de tirage aur la conUraaClon. — 8. De le tempéreture dena le foyer due à la c»mbaation. — 6. Du BM»yen d'eméliorer le oombnation de le houille par une modifloetion de l'étet phyaiiiae dn oeasbuatible. — 7. 99m moyena d'améliorer le oombnation de le houille per ramélioretion de oelle de aea gea. — 8. Dee moyena d'améliorer le oombnation de 1« bouille par le mode de chergement de le grille.

IIP 57^ I>e la tN^mbustion de la hoaille mar la nprllle.

— Le but industriel de la combustion dans un foyer de chaudière, est le développement de la chaleur destinée à vaporiser Teau. Lorsque

ia machine fonctionne, la dépense de vapeur se fait d'une manière à peu près uniforme, et il devrait par suite en être de même de la production de chaleur développée par la combustion. Par suite, le combustible et Tair devraient arriver dans le foyer en quantités et avec une vitesse constantes, et d'ailleurs en proportion convenable, suivant la nature du combustible.

La combustion suppose une limite inférieure de température, variable pour les différents combustibles, mais déterminée pour chacun d'eux. D'autre part, avec les combustibles naturels, comme la houille, ce n'est jamais le combustible lui-même qui brûle, mais bien les produits de sa décomposition par la chaleur. On a donc toujours aifaire à deux combustions différentes et simultanées : celle des produits volatils qui donnent la flamme, et celle du charbon. Le rapport entre les effets de ces deux actions varie non-seulement pour les différents combustibles, mais aussi pour un même corps avec la température à laquelle s'effectue la décomposition.

Tout système de chauffage doit assurer le développement aussi complet que possible de la chaleur du combustible, en même temps que l'utilisation maximum de la chaleur produite pour l'effet que l'on a en vue : la vaporisation de Teau dans les chaudières. Ces deux conditions sont en principe contradictoires, lorsqu'on veut utiliser la chaleur dans l'enceinte et au moment même où elle est développée. L'absorption de chaleur par la chaudière est nécessairement accompagnée d'un abaissement de température de la combustion et, par suite, d'une diminution de la quantité de calorique développée.

D'autre part, dans nos chaudières marines, l'arrivée du combustible sur la grille ne se fait pas d'une manière continue ; le renouvellement se fait bien par charges égales, autant que possible, mais seulement par intervalles. Le passage de l'air à travers la grille et le combustible est déterminé par le tirage d'une cheminée plus ou moins élevée, dans laquelle se fait quelquefois l'échappement des cylindres. Dans tous les cas, l'énergie de l'appel est à peu près uniforme et la quantité d'air qui traverse le foyer n'est jamais en rapport avec le combutible consommé, par la raison que cette quantité d'air augmente à mesure que la grille se dégarnit, c'est-à-dire précisément au moment où il en faudrait une moins grande quantité. Enfin les cendres et les escarbilles tombent bien dans le cendrier ;

mais le mâchefer reste dans le foyer, d'où il faut l'enlever par Topération longue et pénible du décrassage. Pendant ce travail, de même que pendant le chargement du fourneau, il entre dans le foyer une masse d'air inutile pour la combustion et nuisible à l'utilisation, car outre que cet air emporte de la chaleur, il occasionne un abaissement de la température de la combustion. * Il résulte de ce que nous venons de dire que nos foyers ordinaires de chaudières fonctionnent dans de mauvaises conditions. Nous allons examiner comment on pourrait améliorer ce fonctionnement.

N^ 57, Influence des conduits de flamme et de la cheminée sur la combustion. — La cheminée, destinée en principe à conduire la fumée à l'extérieur, a, en outre, comme fonction essentielle, de déterminer l'appel de l'air nécessaire à la combustion et d'assurer son renouvellement au fur et à mesure qu'il se dépouille de son oxygène.

L'ensemble du foyer, des conduits de flamme et de la cheminée, forme une capacité dans laquelle l'air froid arrive à la partie inférieure en traversant la grille, et sort à la partie supérieure, c'est-à-dire au sommet de la cheminée, à une température plus élevée qu'à son entrée, et en entraînant la partie de combustible avec laquelle il s'est combiné. — La force motrice qui détermine ce passage est la différence des pressions sous la grille et en haut de la cheminée; elle a pour mesure l'excès de poids que présente sur la colonne des gaz chauds, composés des produits de la combustion, une colonne d'air froid de même hauteur. Le travail produit consiste à imprimer une certaine vitesse aux gaz chauds, et à vaincre les résistances opposées au passage de l'air par la grille, et au mouvement des gaz par les frottements dans les conduits et par les changements de direction que ces conduits présentent.

Pour chaque degré d'augmentation de température, l'air se dilate de 1/273* de son volume à zéro degré ou de 1/(273 + t) de son volume à t. Si les gai de la combustion ont une température moyenne de T«, une colonne de ces gaz ayant primitivement une hauteur H"* et mi mètre

carré de base, subira une augmentation de hauteur égale à ^^ .

Cet accroissement de hauteur détermine l'excès de pression de la colonne extérieure sur la colonne intérieure de la cheminée et des conduits de flamme. La vitesse d'écoulement est théoriquement

THÉORIE DES CHAUDIÈRES. — iN* â7, i5

celle que prendrait un corps tombant de cette hauteur et dans le vide ; donc (n» 15, du ff Traité) :

^'=Ky/

Le coefficient K est destiné à tenir compte des pertes de vitesse résultant de la résistance quç l'air éprouve à son passage à travers le combustible et des frottements des gaz dans les conduits. Comme il est presque impossible de déterminer la température moyenne des gaz de la combustion depuis le foyer jusqu'au sommet de la cheminée, il est plus simple de remplacer T par T-f, différence des températures à rentrée et à la sortie de ces gaz, en faisant par ailleurs abstraction de t au dénominateur, et de poser comme approximation suffisante :

y = KyJW-^J-

Dans ces conditions, le coefficient K varie seulement de 0,20 à 0,25 pour une cheminée en tôle. La valeur de K = 0,20, convient surtout aux navires où l'air éprouve une certaine résistance à passer par les panneaux pour arriver à la chaufferie.

Il est important de noter que l'efficacité des parties hautes de la cheminée , surtout lorsque cette dernière est en tôle , diminue à mesure que la hauteur augmente, à cause des refroidissements que subissent les produits de la combustion et du surcroît de frottements qui en résulte. Pour les chaudières marines, on donne généralement pour hauteur à la cheminée au-dessus de la grille :

sur les avisos lO™

sur les bâtiments moyens 14" (Indret.)

sur les grand bâtiments 18">

D'autre part, le rapport de la section de la cheminée à la surface totale des grilles vaut de 0,12 à 0,13 (Audenet).

Ce rapport peut être notablement augmenté sans inconvénients ; ce cas d'augmentation se présente tout naturellement lorsqu'une cheminée desservant à la fois plusieurs chaudières, on n'en met qu'une partie en fonction. L'expérience montre que dans ces conditions, la manière dont s'opère la combustion n'est pas sensiblement altérée.

Chaleur perdue par les cheminées. — Avec nos cheminées

en tôle de 12" à 16™ de hauteur, la température des gaz chauds à la

base de la cheminée est comprise entre 350'' et 400"*. Or 1^* de

houille moyenne exige pratiquement 22*^* d'air pour brûler , soit

23*^* pour poids total des produits de la combustion. En admettant

que la capacité calorifique de ces produits soit en nombre rond le

quart de celle de Teau (n** 74i du G" traité), la chaleur perdue par

350x23 la cheminée vaut j — =2.012 calories, ce qui représente un peu

plus du quart de la puissance calorifique de la houille. — Il y a tout intérêt à réduire cette dépense, d'autant plus qu'à partir d'une certaine limite, le tirage n'est pas sensiblement augmenté par l'élévation de température, les vitesses de l'air étant seulement dans le rapport des racines carrées des difl'érences de température à l'entrée et à la sortie. Or ces rapport^ ont pour valeur :

différences des températures. 100 l50 200 250 300 350 400 rapport des vitesses. . l 1,2^ 1,41 1,58 1,73 1,87 2,00

En abaissant la température de la base de la cheminée, par une augmentation de la surface de ohauffe et une meilleure disposition des courants de flamme, jusqu'à 200*", par exemple, la dépense occasionnée par la cheminée ne serait plus que de 15 p. 100, et l'on utilisermt 10 p. 100 de plus du pouvoh* calorifique du combustible.

Pour qu'un feu soit bien conduit et produise le maximum d'effet utile, il faut que l'épaisseur de la couche de chaibon sur la grille soit réglée en raison de l'énergie du tirage; c'est-à-dire qu'il faut augmenter ou dimmuer la résistance au passage de l'aii' en même temps que la puissance de l'appel augmente ou diminue. Pour réaliser le bénéfice ci-dessus, il faudrait par suite, avec un th*age naturel, brûler le charbon sur une couche plus mince qu'on n'a l'habitude de le faire, et partant, augmenter la surface de grille, ainsi que la section des courants de flamme et celle de la cheminée. 11 ne faut pas perdre de vue, toutefois, qu'avec une combustion lente, la température du foyer est moins élevée, et qu'il existe pour chaque combustible, une limite inférieure de température au-dessous de laquelle la combustion se fait mal.

Courants de fHtmine. — Tant qiie là couche de chai-bon sur là

grille est en rapport avec Ténergie du tirage, la section de la flamme qui se dégage de la houille reste dans un rapport déterminé avec la surface de la grille. II faut par suite que la section du foyer au-dessus de Tautel soit dans ce même rapport, afin que la flamme se dégage bien et que la combustion se fasse dans de bonnes conditions. D'ans nos chaudières marines tubulaires, la flamme qui franchît Tautel pénètre dans la boîte à feu oii la combustion se continue, puis elle se divise pour passer dans les tubes, où elle subit nécessairement une certaine contraction ; il faut donc que la section tubulaire soit plus grande que la section au-dessus de l'autel. L'expérience a consacré les rapports suivants : '

r» J î. 1 f 1^6 la section au-dessus de

Rapport à lai ^,^^^^^ =0 13 à 0 19

surface de l De la secliontubullirc mesurée ' ' > (Audenet.)

grille.

à rintérieur des bagues. . . .= 0,15 à 0,16

Le système tubulaire a l'avantage de présenter sous le même volume une plus grande surface de chauffe et, par suite, d'absorber plus rapidement la chaleur dégagée par la combustion. Malheureusement la combustion n'est pas complète au moment où les gaz pénètrent dans les tubes; et comme la température de ces gaz s'abaisse notablement pendant leur pai'cours, il en résulte que la combustion ne peut s'achever et qu'une grande partie du combustible s'échappe par la dieminée. Dans quelques cas, avec des charbons à flamme longue, la combustion reprend dans la boîte à fumée, où elle est même plus active que dans les tubes ; mais la chaleur produite s'échappe presque en entier par là cheminée, et la perte reste la même. — Il y aurait certainement intérêt à parfaire la combustion des gaz avant leur introduction dans les tubes; ceux-ci pourraient alors être faits très-petits et présenter par suite une grande surface de chauffe. Malhem^eusement les conditions de poids et d'encombrement imposées aux machines maiînes, ne permettent pas de donner aux courants de flamme toute la longueur désirable pour assurer une combustion parfaite, et dépouiller suffisamment les gaz de la chaleur qu'ils possèdent*

BT S*?, laAwLéAû^ de la eondulite des tewkjt mtMr la oom-' bustfon. — Les quantités de charbon brûléas dans une chaudière ne dépendent pas seulement des proportions adoptées pour les

diverses parties de cette chaudière, mais aussi de la manière dont le feu est conduit et, en particulier, de l'importance des charges et de l'épaisseur du combustible sur la grille. On peut en effet, suivant que Ton retiendra ou que Ton poussera les feux, brûler dans nos chaudières marines à tirage naturel, depuis 70 jusqu'à 130 kilogrammes de bonne houille par heure et par mètre carré de grille. Les résuhatî:> des expériences excessivement nombreuses faites sur ces cliaudières, en faisant ainsi varier les quantités de combustible brûlées par unité de temps, ont montré que là production de vapeur va constamment en augmentant avec le poids de charbon consommé. Mais il n'en est pas de même de l'utilisation du combustible. .

Les feux sont retenus ou poussés, suivant que la couche de charbon est faible ou forte. Dans le premier cas, on brûle peu de charbon, et il passe une forte proportion d'air qui entraîne en pure perte, dans la cheminée, une partie de la chaleur produite. A mesure qu'on augmente l'épaisseur de la couche, on rend le passage de l'air plus difficile et l'on diminue par suite la quantité d'air inutile. Mais à partir d'une certaine limite, on favorise la formation de l'oxyde de carbone et Ton augmente les chances qu'ont les gaz combustibles d'arriver à la cheminée sans être brûlés; de sorte qu'on fait naître une nouvelle cause de diminution du rendement. Il est évident qu'il existe une épaisseur de la couche de charbon, intermédiaire, pour laquelle la somme des quantités de chaleur perdue, d'une part pour cause d'excédant d'air, et d'autre part pour cause de combustion imparfaite des gaz, doit être un minimum correspondant à un maximum d'utilisation du combustible, c'est-à-dire au maximum de vapeur produite par kilogramme de charbon. Les expériences exécutées à terre, avec toutes facilités données à l'arrivée de l'ah-, ont montré que le rendement atteint sa valeur maximum lorsqu'on brûle de 90 à 100 kilogrammes par mètre carré de grille et par heure. Ce résultat est d'ailleurs obtenu lorsque la quantité d'air qui traverse le foyer est double de celle qui serait théoriquement nécessaire pour brûler le combustible. S'il était possible de réduire cette quantité d'air au strict nécessaire, on bénéficierait de toute la chaleur emportée par 11''* d'air, soit en nombre rond, en supposant toujours à 350^ la température de

350x11 la base de la cheminée, r = 962 calories, soit 13 p. 100 du

pouvoir calorifique du combustible. La réalisation de cette condition entraînerait, par ailleurs, une élévation de la température du fover, et

par suite une augmentation de la production de vapeur rapportée à Tunité de surface de chauffe, ce qui pennettrait de réduire les dimensions et le poids des chaudières.

NT 51, Influenoe du mode de tira§^e sur la oombnstioii.

— Le tirage produit par la cheminée prend le nom de tirage naturel. Mais pour appeler dans les fourneaux Tair nécessaire à la combustion, on emploie encore deux autres procédés dont les modes d'action prennent le nom commun de tirage forcé. Ces procédés sont ou des jets de vapeur ou des moyens mécaniques (n* 87, du C Traité).

Quand on active le tirage, soit au moyen des jets de vapeur lancés dans la cheminée, soit en soufflant ou en aspirant de Tair à travers le combustible par un procédé mécanique quelconque, on arrive à augmenter très-notablement la production de la chaudière. Cela résulte de ce que l'on brûle dans le même espace et dans le même temps, une plus grande quantité de combustible, et que, par suite, la température du foyer et des courants de flamme étant plus élevée, il passe à travers les surfaces de chauffe une plus grande quantité de chaleur par unité de temps. — Il ressort des expériences faites à Indret par M. l'ingénieur Joessel, et citées par M. Audenety que la quantité de vapeur produite par kilogramme de charbon brûlé reste sensiblement la même avec le tirage forcé qu'avec le tirage naturel, si le chargement et la conduite des feux sont convenablement réglés. Dans ces expériences, on a fait varier l'épaisseur de la couche de combustible sur la grille depuis le point où elle se dégarnissait sous la chauffe, jusqu'au point où le fourneau s'engorgeait, les charges étant d'ailleurs égales et faites à intervalles égaux. Or on a trouvé que la consommation qui produit le maximum d'utilisation, qui était de 98 kilog. par mètre carré de grille avec le tirage ordinaire, s'est élevé jusqu'à 156 kilog. lorsqu'on a eu recours à un tirage artificiel suffisamment énergique, et l'on a reconnu en même temps que la production correspondante de vapeur par kilog. de houille restait sensiblement égale à 8"', 36 pour tous les tirages expérimentés.

Ce résultat très-remarquable prouve évidemment que les conditicwis de la combustion ont varié d'un cas à l'autre. La température du foyer et des gaz étant plus élevée lorsque le poids de charbon brûlé est plus grand, la fumée est d'autant plus chaude que le tirage est plus énergique. L'accroissement de dépense qui résulte de cette plus haute température de la fumée, a dû être compensé par une diminu- III. i

tion de la quantité d'air introduit en excès, résultant de l'augmentation de Tépaisseur de la couche de charbon à mesure que le tu:age est plus actif. — En résumé, le tirage forcé a l'avantage d'opérer, dans le même temps et pour un même foyer, la combustion d'une plus grande quantité de houille, et permet de l'effectuer dans de meilleures conditions que le tirage ordinaire, puisqu'il passe dans le fourneau une moins grande quantité d'aii* en excès.

Au point de vue économique, le tu'age forcé est plus coûteux que le tirage naturel, puisque la production de vapeur par kilogramme de charbon étant sensiblement la même dans les deux cas, il y a, avecle tirage forcé, la dépense de vapeur employée à activer le tirage, ou celle qui est dépensée pai* le moteur du ventilateur. Le seul bénéfice qui résulte du tirage forcé, consiste à obtenir d'une même chaudière une production de vapeur plus abondante et, pai* suite, de permettre de faire développer à l'appareil moteur, à mi moment donné, une plus grande puissance.

Le tirage forcé est indispensable pour les tout petits bâtiments qui ne peuvent pas avoir une hauteur de cheminée suffisante; et en service courant, c'est généi*alement l'évacuation des cylindres qui augmente l'énergie du tirage. La dépense qui en résulte se traduit par une augmentation de la contre-pression sur les pistons moteurs. SiU" les Thomycroft (n** 28 J, bateaux porte-torpiUes à grande vitesse, que l'on a construits dans des conditions de minimum de poids, on emploie le tirage forcé qui résulte de la compression de l'air par un ventilateur, dans la chambre des machines et dans la chaufferie. L'appareil moteur et sa chaudière sont logés dans un compartiment clos, et n'ayant de communication avec l'atmosphère que par le ven- Ulatem* qui refoule de Tair, et par la cheminée, seule issue par laquelle cet air puisse s'échapper après avoir traversé le foyer. Oa est ainsi parvenu à brûler jusqu'à 400 kilog. de charbon Nixon par mètre carré de grille et par heure, avec une pression d'air de 115'", 5 d'eau, correspondant à S*"", 5 de mercure. Ce résultat n'a pu être obtenu avec les briquettes ordinaires d'Anzin divisées en 12 morceaux, et ce n'est que par une fabrication spéciale de ces briquettes, d'un modèle plus petit, que l'on est arrivé à obtenir à peu près le même résultat qu'avec le Nixon. — Tant que le tirage ne dépasse pas 100'^'* d'eau, il passe peu d'escai-billes par la cheminée ; mais, dès qu'il dépasse ce chiffre, une grande pai'tie du combustible est entraînée. Aussi la dépense du charbon s'est élevée à 2^' par heure et par

THÉORIE DES CHAUDIÈRES. — N«» 57, b\

cheval indiqué, bien que la machine soit du système Compound, à haute pression et à grande détente.

Sur les porte-toipilles construits par Claparède, on a pu brûler 300^* de briquettes d'Anzin par mètre caiTé de surface de grille et par heure, la pression de Tair refoulé par le ventilateur ayant varié de 5*" à 12*°" de mercure. En marche, une partie des mâchefers est entraîné par le courant gazeux, à Tétat de gouttelettes liqmdes ; ces gouttelettes s attachent aux bagues des tubes et finissent par obstruer en partie les passages des gaz, ce qui diminue notablement l'activité du tirage. La dépense de charbon s'est élevée à 1"*', 78 -par heure et par cheval indiqué.

Des expériences compai^tives entre le tirage naturel et le tirage artificiel produit par la compression de Tair dans la chambre des machines, ont été faites sur le La Bourdonnais, Ces expériences ont donné les résultats moyens suivants :

DteiORATION.

CharboD brûlé par heure par mètre carré de grille.

Tirage moyen

Rapport des puissauces i avec une chaudière, développées ( avec deux chaudières.

Charbon dépensé par heure î avec une chaudière. el par cheval indiqué { avec deux chaudières.

TlftAGE NATUREL.

TiBAOE ponci.

129^5 12'-,5 d'eau.

On peut conclure de ces résultats que le tirage forcé procm'e une augmention de puissance, résultant d'une plus grande quantité de charbon brûlé par mètre carré de surface de grille et par heure, et que l'utilisation du combustible reste sensiblement la même. — Les analyses faites avec l'appareil Orsal (n* TSJ ont donné comme composition des gaz de la combustion, avec le tirage forcé :

Azote 80,5

Acide carbonique 14,0

Oxyde de carbone 2,3

Oxygène libre 3,2

d'où Ton a déduit que le volume d'air employé à brûler l'« de charbon a été de 9"-'"'^5, soit un poids de l",23x9, 5=11'", 7, au lieu de 22^' que l'on emploie moyennement avec le tirage ordinaire. Il en est résulté une température beaucoup plus élevée pour le fourneau et

les courants de flamme, et finalement une meilleure utilisation du combustible, bien que les gaz aient pu arriver à la base de la clieminée à une température un peu supérieure à 350 degrés.

Enfin, voici les conclusions de M. Joëssel^ ingénieur de la marine, qui a expérimenté les moyens suivants de tirage forcé.

P Les jets de vapeur établis dans la cheminée, — C est à la fois le mode le plus économique et le plus facile à installer. Dans les chaudières réglementaires de la marine, ayant Ik mètres de hauteur de cheminée, et pour lesquelles Paccès d*air aux foyers est facile, il fournirait un supplément de vapeur dès que la charge atteindrait 112 kilogrammes par mètre carré de grille et par heure. A bord des navires ayant une cheminée moins élevée, ou bien dans ceux où Pair arrive difficilement aux foyers, cette limite serait encore plus approchée. Il est vraisemblable qu^il y aurait avantage à s*en servir aux allures habituelles à feux poussés, qui correspondent seulement à une consommation de 90 à 100 kilogrammes par mètre carré de grille et par heure. En portant la dépense à 200 kilogrammes, la puissance initiale de la chaudière est augmentée de 30 pour 100.

2^ Les ventilateurs à palettes soufflant dans les cendriers. — Ce mode de tirage, usité en Amérique, est également susceptible d*une grande énergie; mais dans nos chaudières, il ne donnerait un bénéfice qu'à partir de la charge de 160 kilogrammes par mètre carré de grille et par heure, et ce bénéfice serait beaucoup moindre qu'en employant un jet de vapeur.

3® Les ventilateurs à hélice établis dans la cheminée, — C'est un mode de tirage très-difficile à installer, d'une faible énergie lorsqu'on se renferme, pour la vitesse de rotation des hélices, dans les limites sanctionnées par la pratique, et qui, dans les chaudières réglementaires, donnerait lieu à une perte de vapeur considérable.

40 Les appareils de M, Thierry et de M. Courbebaisse (ji9 62^\ qui doivent être uniquement réservés pour prévenir ou brûler la fumée.

La propriété fumivore que possèdent ces appareils ne leur appartient pas exclusivement; elle est partagée par les autres modes de tirage essayés, surtout par les deux premiers (jet de vapeur dans la cheminée et injection d'air sous la grille).

A l'aide des courbes qui ont été construites dans ces expériences, M. l'ingénieur Joêssel a établi les formules suivantes, la pression effective de la vapeur étant de 130 centimètres de mercure.

Étant donné le poids P kilogrammes de charbon à brûler par heure dans un foyer réglementaire, la dépense Q kilogrammes de vapeur à faire dans le même temps pour le tirage, afin d'obtenir le maximum de vapeur disponible, est donné pour les foyers du type bas, par l'équation :

ce qui donne par mètre carré de grille et par heure ;

Le poids Q|^ de vapeur disponible dans le mènfie temps est donné par Téqualion :

ce qui donne par métro carré de grille et par heure :

çi = 830 + 3,35 (P — 151).

Le diamètre du jet est donné en millimètres par la relation suivante, qui ne convient rigoureusement qu'au cas où la pression effective de la vapeur est de ISO'" de mercure,

Pour obtenir la meilleure combustion, c*est-à-dire le maximum d*eau vaporisée par kilogramme de charbon, il faut dépenser, pour les foyers du type bas :

Oi = 3,59 (P — 133); ou par mètre carré de grille :

L'amélioration de la combustion produite par le tirage forcé, provient, avons-nous dit, de la diminution de la quantité d'air introduit en excès dans le fourneau. La vivacité du courant d'air n'est sans doute pas étrangère à cette amélioration, car elle a pour effet de rapprocher davantage les molécules qui doivent se combiner, et de dégager les surfaces incandescentes des cendres qui pourraient y rester attachées ; mais c'est surtout à la plus grande épaisseur de la couche qu'il faut attribuer l'amélioration de la combustion.

Avec le tirage naturel, la houille est étendue sur la grille en morceaux de forme et de grosseur irrégulières, eux-mêmes irrégulièrement répartis, et présente une couche d'autant moins homogène qu'elle est moins épaisse. Sur certains points , on rencontre des c^iaux étroits et sinueux, à travers lesquels l'air ne peut passer sans que tout son oxygène soit absorbé ; sur d'autres points, on trouve de grandes ouvertures presque directes, qui livrent passage à de laides veines d'air dont les parties centrales ne se combinent pas avec le combustible. Si l'on augmente l'épaisseur de la couche en activant le tirage, les morceaux ajoutés bouchent partiellement les ouvertures trop grandes et l'air y passant moins aisément y est mieux utilisé; mais, par contre, la circulation de l'air devient plus difficile là où la com-

5i THÉORIE DES CHAUDIÈRES. -- N<» 57,

bustion se faisait primitivement bien, et l'oxygène s'y trouvant en quantité insuffisante, l'acide carbonique auquel il a donné naissance se transfoiine en oxyde de carbone. Ainsi l'augmentation de l'épaisseur de la couche améliore la combustion sur certains points, et la rend plus mauvaise sur d'autres.

La difficulté qu'on rencontre à opérer la combustion de la houille dans de bonnes conditions, tient donc surtout à ce que, en raison du défaut d'homogénéité de la couche, la combustion ne peut se faire bien sur un point qu'à la condition de se faire mal sur un autre. L'emploi du tirage forcé conduit nécessairement à donner une plus grande épaisseur à la couche de combustible, et cette plus grande épaisseur a certainement pour effet de faire disparaître, ou tout au moins d'atténuer les inégalités de constitution que la masse de combustible peut présenter d'un point à un autre de la grille. — Il résulte de ces explications qu'une bonne combustion exigeant un dosage convenable des quantités d'air et de combustible mises en présence, il convient poiu* bien efl'ectuer ce dosage, que le combustible présente une homogénéité de constitution chimique et physique aussi grande que possible. Par suite, avec un charbon en morceaux de grosseur convenable, tous bien calibrés et uniformément répartis sur la grille, on devrait obtenir avec le tirage naturel une combustion aussi satisfaisante qu'avec le tirage forcé. Il n'y aurait guère entre les deux systèmes, que cette seule différence, qu'avec le tirage forcé on brûlerait dans le même foyer, une plus grande quantité de houille par unité de temps.

IV 57, De la températare dans le foyer dae & la oombnstloii. — La température de la combustion sur la grille est en pratique essentiellement variable. Cette température augmente progressivement pendant l'allumage, jusqu'à ce que le foyer soit en pleine activité. A partir de ce moment, la température de la combustion sur la grille diminue et augmente alternativement avec l'épaisseur de combustible, et les périodes de charge du fourneau. — Au moment où l'on vient de mettre une nouvelle quantité de charbon frais sur la grille, la température est minimum, à cause du refroidissement qu'occasionne la présence de ce charbon frais et l'ouverture de la porte du fourneau. La chaleur augmente ensuite peu à peu à mesure que ce charbon s'allume, et la température est maximum quand le foyer est en pleine activité. Mais la couche de charbon diminuant par suite de la com-

THÉORnS DES CHAUDIÈRES. — N" bl, 55

bustion, Vm en excès passe en plus grande quantité, et la température diminue jusqu'à ce qu'on effectue une nouvelle chaîne du fourneau, opération qui amène cette température à sa valeur minimum. La température des gaz qui circulent dans le fourneau et dans les courants de flamme, suit les mêmes variations que la température de la combustion sur la grille, puisqu'elle résulte principalement de cette dernière. Mais ces gaz sont loin d'avoir une température uniforme dans toute leur masse. Les parties en contact avec les surfaces de chauffe sont incomparablement moins chaudes que celles qui se trouvent au centre des veines gazeuzes, et cela, à cause de la faible valeur du pouvoir de conductibilité des gaz. — Enfin, la température moyenne des produits de la combustion diminue depuis le fourneau jusqu'à la cheminée.

Il est dificile d'apprécier la température qui existe en divers points de la hauteur d'un foyer ; mais les difl^érences que nous venons de signaler sont certainement considérables. Une lame de fer de la largeur d'un crochet et d'un centimètre d'épaisseur, introduite dans le foyer par le dessous de la grille, et buttant sur le ciel du fourneau, est fondue en très-peu de temps à la partie qui correspond à l'épaisseur de la couche du combustible et sur une hauteur un peu supérieure à cette couche; tandis qu'elle est encore intacte et présente à peine quelques traces d'oxydation dans la partie qui touche le ciel du foyer; elle est encore dans ce dernier état à la hauteur de la grille. Les traces de brûlure ne s'étendent d'ailleurs pas très-haut dans le fourneau. Il résulte de ces faits, qu'il n'y a pas à craindre de fâcheux effets de l'augmentation de la température de la combustion, et que les tôles du foyer, les plus directement exposées au feu, ne courent le risque d'être brûlées que si un corps mauvais conducteur les sépare de l'eau. Dans l'état actuel de la construction des chaudières, le ciel du foyer est assez éloigné du point où la température est maximum ; les flancs seuls, qui sont en contact immédiat avec le charbon, sont exposés à des brûlures. Si l'on réussit, par une disposition quelconque, à augmenter notablement la température de la combustion, il deviendra nécessaire d'isoler les flancs du foyer du charbon, par l'interposition d'une rangée de briques réfractaires.

Si l'on ne peut connaître la température de la combustion en un point donné du fourneau ou des courants de flamme, on peut déterminer, d'une manière suflisante pour la pratique, la valeur moyenne de la température du fourneau et de la boîte à feu, constituant la

r,6 THÉORIE DES CHAUDIÈRES. — N" 57^

surface de chauffe directe, ainsi que la température moyenne des gaz dans les tubes et dans la boîte à fumée.

Avec les chaudières tubulaires à retour de flamme, à moyenne pression, du type de la marine, 1*« de houille, dont le pouvoir calorifique moyen est de 7.500 calories, vaporise à 130^ un poids de 8^* d^eau prise k 40®, et exige en pratique 22^« d'air pour être brûlé.

La quantité de chaleur transmise à Teau vaut les

(606,5+ 0,305 X 130 — 40)8 ^ ^, 75ÔÔ = ^'^^

du pouvoir calorifique du combustible.

Les produits de la combustion d^un poids total de 23^, ont une capacité calorifique égale à 0"',25 en nombre rond ; or, Texpérience prouve que la température à la base de la cheminée, est d'environ 3bO^. En admettant que celle de Tair soit de 15®, les produits de la combustion emportent les

du pouvoir calorifique du combustible.

La quantité de chaleur perdue par le rayonnement ou emporté par le combustible non brûlé et les escarbilles qui tombent dans le cendrier, vaut par suite 1 — (0,64 + 0,26) = 0,10 du pouvoir calorifique du combustible.

Soient :

S"** la sarface de chauffe directe, comprenant le foyer et la boîte à feu.

«"" la surface de grille.

pM le poids de charbon brûlé par mètre carré de grille et par heure.

Tf la température moyenne du foarneau et de la boite à feu.

To la température de la vapeur.

t la température de Tair.

K| le coefficient de conductibilité de la surface de chauffe directe.

On a évidemment ;

7500 P X 0,90 X s = K,S (T, — T^) + 0,25 X 23 (T, — t) Ps.

D'où Ton tire :

7500 P X 0,90 + K, - To 4- 0,25 X 23P« K,|-fO,25x23P

Or, d'après ce qui est dit au n' 58|, la valeur de Kj est de 100 calories; d'autre part, dans nos chaudières tubulaires, le rapport - = 5; par suite le produit

S K, - qui représentera le pouvoir de conductibilité de la surface de chauffe di-

recte, rapportée au mètre carré de grille, vaut 500"*. — Pour le cas où To= 130», t = 15®, et où P = 90*« chiffre qui a été trouvé par expérience comme donnant le meiUeur rendement, il vient :

Comme nous l'avons dit, cette température n*est pas uniforme : elle est plus élevée dans le foyer que dans la boîte à feu ; or, dans le fourneau lui-même, elle va en diminuant, de la couche de charbon au ciel du foyer. La tôle est par suite à une température bien inférieure au chiffre que nous venons de déterminer.

Pour la surface tubulaire dont le pouvoir de conductibilité pratique est, diaprés M. Audenei, de 23"* seulement, on admet que la température des gaz de la combustion décroît en progression géométrique lorsque la distance à la boîte à feu croît en progression arithmétique. Supposons que la longueur des tubes, qui est de 2 mètres, soit partagée en 20 parties égales, et soit T|=670<*, la température initiale d'introduction du gaz, et 360<* la température à la sortie, celle du sommet de la boîte à fumée étant de 350<^ ; on pourra écrire la progression :

d'où Ton déduit :

La somme des termes de la progression commençant à ^Tt et finissant à ç*»T„ vaut:

9«oT,~gT,^ 360^650 q — 1 0,96943 — 1

Par suite, la température moyenne dans les tubes vaut :

= 500* en nombre rond.

Mais il est certain que cette température moyenne est inférieure au chiffre ci-dessus, car si la température moyenne des foyers et de la boîte à feu est de 670^, la température d'introduction des gaz dans les tubes est beaucoup plus fadble.

N« 57^ Du moyen d'amélioper la CMimbiistioii de la lioaUIe par une modification de l'état physique du €M»m«

bnstible. — La difficulté que présente la combustion de la houille, provient surtout de ce que le combustible est à Tétat solide tandis que l'oxygène avec lequel il doit se combiner est à Tétat gazeux, et que le mélange des deux est très-difficile à effectuer. Il en résulte, comme nous l'avons déjà dit, l'introduction nécessaire dans le foyer, d'une grande quantité d'air en excès. Ce mélange s'opérerait , au contraire avec facilité si le charbon était préalablement réduit à l'état gazeux. De là, l'idée d'opérer cette transformation dans un appareil spécial et d'amener les gaz ainsi produits, en même temps que Tair nécessaire, dans le foyer où il s'agit de développer la chaleur.

Dans Tappareil Bau/wpé, la houille est renfermée dans un vase clos, entouré d'eau, et où l'air arrive chassé par un ventilateur, en quantité juste suffisante pour former de Toxyde de carbone. Cet oxyde de carbone, mêlé à Thydrogène carboné qui se dégage par suite de Télévation de la température, vient ensuite brûler dans le fourneau. Ce système, qui a été expérimenté en 1855, produirait certainement une économie; mais il est d'une application fort difficile, k cause de son encombrement et de la détérioration rapide du vase clos, qui devrait d'ailleurs faire partie de la chaudière, afin de ne pas perdre la chaleur résultant de la formation de l'oxyde de carbone.

Dans un ordre d'idées analogues, on a proposé d'établir deux foyers conjugués : dans le premier, la' charge des grilles serait très-forte, afin qu'il y ait formation d'oxyde de carbone ; dans le second, dont la grille serait modérément chargée, cet oxyde de carbone serait brûlé, grâce à la température de ce foyer et à l'excédant d'air qu'il laisserait passer. Ce moyen n'est pas plus pratique que le premier, car outre l'encombrement, rien n'est moins certain que la combustion complète dans le second foyer, de tout l'oxyde de carbone formé dans le premier.

Après la transformation de la houille en gaz, et dans le même ordre d'idées, on a essayé sa réduction en poussier, ce qui a pour résultat de faciliter le mélange de l'air avec le combustible, celui-ci présentant une plus grande surface. Cette idée qui parait déjà ancienne, a été appliquée par M. Crampton,

Dans une expérience faite sur une chaudière marine, les barreaux de grille étant enlevés, le fourneau était partagé, sur sa longueur, en deux chambres que séparait un autel en briques réfractaires. La première chambre, qui est le lieu de la combustion, était tapissée de briques réfractaires; la seconde formait avec la boîte à feu la surface de chauffe directe. Le charbon pulvérisé et l'air nécessaire à sa combustion, étaient à la température de 200^ à S 10* au moment de leur introduction dans le foyer. Le charbon en poussière était mis dans un entonnoir placé contre la boîte à fumée, et se déversait lentement par la partie inférieure, où un courant d'air amené par un ventilateur, le projetait dans le fourneau. La combustion a été obtenue sans fumée; la flamme n'a jamais atteint la partie supérieure de la boîte à feu. On n'a pas à se préoccuper de la charge, mais seulement de l'enlèvement des scories, qui restent dans la chambre de combustion à l'état fluide, et d'où on les extrait de temps à autres

par un orifice pratiqué à la partie inférieure du fourneau. La production de valeur a été trouvée de 10*« à 11*« par kilogramme de charbon brûlé. Ce résultat accuse une combustion presque complète, et ce système de chauffage serait par suite trè&-économique; malheureusement son application est impossible sur les bâtiments, car on ne peut pas enmagasiner des quantités considérables de houille en poussière, et Ton ne saurait songer à installer k bord des appareils de broyage pour suffire aux besoins d'un service actif.

Sans arriver jusqu'à réduire le charbon en poussière, on obtiendrait certîdnement des bénéfices notables si le charbon était en petits morceaux tous de même grosseur, et d'une forme favorable à l'arrimage, en même temps qu'ils présenteraient une grande surface extérieure. On a déjà obtenu une amélioration sensible par la fabrication des briquettes. Cette industrie, qui a pris naissance quand on a songé à utiliser les menus, se trouve actuellement très-développée ; le combustible naturel est transformé en briquettes sur le carreau même de la mine, après des lavages et des triages qui en améliorent la qualité.

Au point de vue pratique, c'est par l'amélioration de la qualité des briquettes et par la réduction de leiire dimensions, que l'on pourra arriver à brûler commodément le combustible sur les grilles, et dans les meilleures conditions. Si l'on arrivait à produire, dans la fabrication courante, de petites briquettes cylindriques ou rectangulaires ne pesant pas plus de 0^*, 300, ces briquettes pourraient être jetées telles quelles siu* les grilles, où elles formeraient une couche plus régulière que les morceaux que l'on obtient en brisant les briquettes actuelles, et l'on éviterait ainsi la poussière dont la plus grande partie tombe dans les cendriers ou bien est entraînée dans les courants de flamme.

IV^ 57, Des moyens d'améliorer la combastion de la bouille par ramélioration de celle de ses s^^z. — En pratique, tous les gaz du charbon ne sont pas brûlés, malgré l'introduction dans le fourneau d'une quantité d'air en excès. Gela tient à la présence de l'azote, ainsi que de la vapeur d'eau et de l'acide carbonique déjà formés ; ces gaz inertes isolent l'oxygène des parties combustibles, oxyde de carbone et hydrogène, et comme, en outre, l'ensemble est animé de vitesses parallèles de 8 à 10 mètres par seconde, il n'est pas étonnant qu'une grande partie des gaz combustibles atteigne la cheminée sans être brûlée. A ces causes, s'ajoute le refroidissement produit par l'ouverture du fourneau pendant le temps de la cliarge, et précisément au moment où il y a surabondance d'hydrogène carboné.

On réaliserait une économie notable si Ton parvenait, sans altérer par ailleurs les conditions de marche du foyer, à brûler complètement les gaz combustibles. Plusieurs essais dans ce sens ont été tentés.

En première ligne, il faut citer Pintroduction continue de l'air dans le fo^'^er et dans la boîte à feu. La première introduction d'air se fait par la porte du fourneau, qui à cet effet, est percée d'un grand nombre de trous; la seconde se fait par des trous ou des vides ménagés derrière Tautel. L'air qui arrive parla porte du fourneau a une direction presque parallèle à celle des gaz que le tirage incline sur la couche de combustible, et cet air ne peut être considéré que comme apportant un complément d'oxygène, mais qui par ailleurs, ne se trouve pas dans de meilleures conditions que celui qui a traversé la grille. L'air qui arrive derrière l'autel, en glissant pour ainsi dire le long des tôles de la boîte à feu, est à peu près dans les mêmes conditions ; et s'il apporte quelque auiélioration à la combustion des gaz, ce ne peut être qu'à la faveur des remous que détermine sa plus grande vitesse, puisqu'il n'a pas eu la grille à traverser. A ce point de vue, les orifices d'introduction de l'air par l'arrière de Tautel, ne devraient pas être dirigés verticalement, mais bien obliquement, en travers du courant gazeux, de façon à rompre le parallélisme de marche des produits de la combustion qui sortent du foyer.

En second lieu, on a essayé d'opérer le mélange de l'oxygène et du gaz combustible, dans le foyer lui-môme, ou à l'entrée de la boîte à feu. Pour obtenir ce mélange, on a eu recours à l'action mécanique empruntée à la vapeur de la chaudière, lancée en jets disposés de diverses manières au-dessus du combustible. C'est le principe des fumivores Thierry et Turck (n" 62^). L'expérience a démontré que l'on pourrait arriver par ce procédé, à faire diparaître la fumée ou à la diminuer notablement, ce qui indique que la combustion est en effet plus complète. Mais on n'a obtenu aucun avantage économique, la quantité do vapeur dépensée, absorbant et quelquefois au-delà, le bénéfice résultant d'une meilleure combustion.

Pour remédier à la surabondance d'hydrogène carboné qui suit le chargement du fourneau, M. Pndeaux a proposé d'introduire pendant quelques instants après ce chargement, un supplément d'air. Les dispositions mécaniques du système consistent surtout dans l'emploi d'une porte à persiennes. Les jours de ces persiennes s'ouvrent au moment du chargement et se ferment ensuite graduellement avec une vitesse que Ton peut régler à volonté. Ce système peut être efficace quelques instants après le chargement terminé, quand la température du fourneau s'est déjà relevée ; mais il est certainement nuisible s'il fonctionne aussitôt la porte du fourneau refermée, car l'air qui s'introduit retarde le moment où la température sera assez élevée pour que les gaz puissent brûler -, c'est, pendant quelques instants, la continuation de l'ouverture de la porte du fourneau. Ce système exige d'ailleurs un mécanisme plus ou moins délicat, à l'emploi duquel les chaudières marines se prêtent peu.

W 573 Des moyens d'amélioper la combustion de la houille par le mode de cliarfl^ement de la §^rille* — Le

THÉORIE DES CHAUDIÈRES. — N» bl, 6 1

mode actuel de chai^ement de nos foyers ordinaires présente les inconvénients suivants ;

1** Nécessité d'introduire les charges d'intervalles en intervalles, d'où résulte que la grille est tantôt trop chargée et l'air fait défaut, tantôt dégarnie, et l'air est en excès d'une trop grande quantité. Dans le premier cas, le combustible est mal brûlé, dans le second l'air en excès occasionne un refroidissement.

2^ Difficulté d'obtenir que le combustible soit étendu en couche régulière et homogène, surtout avec les grilles qui atteignent jusqu'à 2 mètres de longueur. De l'irrégularité de la couche de charbon sur la grille et surtout de son manque d'homogénéité, résultent un manque d'air sur les points fortement chargés et où le charbon est menu, et un excès d'air sur ceux qui ne sont pas assez chargés et où le charbon est gros. Si l'on emploie le rouable pour égaliser la couche de charbon, le fourneau reste ouvert pendant plus longtemps, et il en résulte l'inconvénient ci-après.

3® Nécessité d'ouvrir les portes pour le chargement, pour opérer le décrassage, pour égaliser le combustible, pour décoller les mâchefers ou briser les morceaux de combustible qui se collent. Il en résulte l'introduction dans le fourneau de grandes masses d'air froid, et par suite un abaissement général de la température du foyer et des courants de flamme.

Les inventions ayant pour objet de remédier aux inconvénients ci-dessus sont très nombreuseâ ; mais, en marine, on n'a guère essayé que les grilles 7at7fer. Le système est constitué par de petits barreaux articulés, réunis de manière à former une chaîne sans fin que supportent deux rouleaux. Un mécanisme empruntant son mouvement à la machine ou à un moteur auxiliaire, le fait avancer vers Tautol ; le charbon est brisé en petits morceaux et versé sur cette grille par une trémie. L'épaisseur de la couche est déterminée parle degré d'ouverture de la porte, qui se meut à cet effet dans une coulisse verticale, et la vitesse de la grille est réglée de telle sorte que le charbon soit consommé, lorsque le mouvement de translation a amené près de Tautel le point de la grille sur lequel il est tombé. Les cendres et les escarbilles sont tout naturellement déversés dans le cendrier par le renversement de la grille.

Avec ce système, il n'y a plus à ouvrir la porte du fourneau ni à effectuer l'opération de décrassage *, mais, outre la complication de mécanisme, il existe un grand inconvénient : le charbon brûle à mesure qu'il avance, de sorte que l'épaisseur de la couche diminue depuis l'entrée du fourneau jusqu'à l'autel, le fond de la grille est toujours insuffisamment garni, et il passe une quantité notable d'air en excès *, si pour éviter cet inconvénient on augmente l'ouverture de la porte du fourneau, la grille s'engorge et l'air fait alors défaut. —

62 THÉORIE DES CHAUDIÈRES. — iN» 57^

Bien que le système Tailfer ait donné de bons' résultats dans quelques essais, son emploi ne s'est pas généralisé pour la marine.

Considérée à une autre point de vue, la combustion de la houille se ferait dans de meilleures conditions si te combustible frais pouvait être placé au-dessous de la couche incandescente du coke qui reste sur la grille au moment du chargement, au lieu d*ètre au-dessus comme dans nos foyers ordinaires. On aurait en effet, plus de chance pour brûler d^une façon complète les gaz du charbon, et surtout la quantité notable qui se dégage lors du chargement. Des essais dans cet ordre d^idées ont été tentés. On a proposé de» foyers à flamme renversée, disposés de façon que le chargement se fasse par la partie supérieure de la grille. Le foyer étant en dessous, n*a besoin d'être ouvert que pour retirer les escarbilles, c'est le système proposé par Hellmann ; il est complété par Fadjonction d^une grille inférieure sur laquelle les escarbilles achèvent de se brûler, et qui reçoit Tair d'un petit cendrier. Mais ce système n'est applicable qu'aux grilles de peu d'étendue,et aux foyers construits en maçonnerie, et par suite extérieurs aux chaudières.

Cuiler et AmoU ont proposé de modifier le foyer ordinaire, par l'adjonction d'une vis d'Archimède emboîtée dans un tube prolongeant inférieurement une grille courbe. Cette vis animée d'un mouvement de rotation, prend le charbon dans une caisse placée dans le cendrier, et l'élève dans le foyer ou elle Tétend sur la grille. On ne remonte la couche que de temps à autre, au moyen d'un mécanisme à engrenage manœuvré à la main. Ce système, comme le précédant, n'est applicable qu'aux grilles de peu d'étendue, et surtout aux foyers construits en maçonnerie.

Pour les chaudières marines, les appareils mécaniques de chargement, quels qu'ils soient, donneront toujours des résultats médiocres, parce que la régularité de marche et la stabilité font complètement défaut à bord. Il faut chercher à améliorer la combustion par de meilleures proportions de la grille facilitant les opérations du déchargement et du décrassage. A ce point de vue, il conviendrait d'avoir des grilles larges et de peu de longueur, avec des portes de foyer fractionnées, le cendrier étant lui-même partagé en compartiments par des cloisons longitudinales. Malheureusement, les conditions de solidité des chaudières actuelles à haute pression, et surtout le peu de place qui leur est réservée à bord, ne permettent pas de modifier d'une manière notable les proportions actuelles des fourneaux. On est, par suite, obligé de conserver le mode actuel de conduite des feux. Mais on doit chercher à l'améliorer par un lavage et un triage plus complets du charbon destiné à fabriquer les briquettes, et par la confection de briquettes de dimensions telles que le charbon puisse être mis tel quel sur le grille, sans qu'il soit besoin de le briser. On pourrait alors essayer d'effectuer le chargement au moyen d'une large pelle à

deux manches que Ton introduirait rapidement dans le fourneau, et que l*on viderait par un mouvement brusque de retrait. L'opération étant fsdte en plusieurs reprises pour garnir toute la longueur de la griUe, la porte du fourneau pourrait être tenue fermée pendant le temps employé à mettre le charbon sur la pelle. Mais ce dernier moyen ne serait encore praticable que si l'on pouvait diminuer la longueur de la grille, car le chargement du fond sera toujours très-difficile.

M* 8S. — I . Goadnctlbililé das parois das chavdièraa : InHnaBoa da la natnra a( da i'épaiaaaw dv métal. — 2. Rflla al raadamaat da la avrCaoa da ohavITa : distlactioa «lire laa dlfféranlas partlas da calla aiirllM»; mayana d'obtenir la maillaar randamaat. ~ 8. Chambra àaan; maiUavraa dlspooitiona à adopter. — 4. Gbambra il vapaor al orlBoa daa hiyavx da vapavr | malllanraa diapooitiona à adopter. — S.Époi— «r dv métal dasobandièras aova te rapport da lavr réatetanoa. — •. Co»* dllioiia d'établlfloamant des cbaadièraa an point da vue daa axploolons. — 7. Rédiapoaltiotts laa plna avanlaf aoaaa à adoptar pour laa ohavdièraa.

BT 68^ Conductibilité des parois des ehandières i influence de la nature et de l^épaisseur du métal. — Le

rendement d'une chaudière dépend de sa conductibilité, c'est-à-dire de la facilité plus ou moins grande avec laquelle ses parois reçoivent la chdeur et la transmettent à Teau ou à la vapeur. Cette transmission est un phénomène complexe ; il faut d'abord que la chaleur passe du foyer à la face externe des parois, puis que cette chaleur traverse les parois, et enfin qu'elle soit communiquée de la face interne à l'eau ou à la vapeur. Il en résulte que la quantité de chaleur transmise à l'eau ou à la vapeur dépend en réalité de trois coefficients distincts :

!• D'un coefficient ^|, qui représente la quantité de chaleur transmise à la paroi soit par rayonnement, soit par le contact direct des gaz chauds.

â* D'un coefficient /c^, qui représente le pouvoir de conductibilité de la paroi.

3* D'un coefficient k^^ qui représente le pouvoir de conductibilité, ou plus exactement le pouvoir absorbant de Teau ou de la vapeur.

Soit :

K le coefficient de conductibilité de Tensemble des surfaces de chauffé;

T| la température moyenne du foyer et des gaz de la combustion.

To la température de la vapeur.

tf t' les températures des faces externe et interne des parois.

Les quantités de chaleur qui passent de la source de calorique aux faces intérieures du foyer, à travers les tôles, et de ces dernières à Peau ou à la vapeur, sont forcément égales entre elles ; et Ton a pour mesure de la quantité do chaleur passée par mètre carré de surface et dans T unité de temps :

d'où:

k, (t. - 1) ^*. ^( - t'"j=k, (< -To)= K (t, - To) ;

Et d*après un principe connu des proportions :

d'où Ton tire :

Il résuite d'expériences faites à Indret, et citées par M. Audenety que le coefficient K peut être évalué à 100 calories par heure et par mètre carré de la surface de chauffe directe qui, outre le contact des gaz chauds, est soumise au rayonnement énergique du combustible incandescent, et seulement à 23 calories par heure et par mètre carré de la surface tubulaire qui n'est chauffée que par le contact des gaz. Ce dernier chiffre ne convient qu'aux chaudières qui, comme celles de la marine, ont une surface de chauffe directe égale à 5 fois la surface de grille (n^ 58^), et une section tubulaire égale à 0,15 de cette surface de grille.

Les résultats ci-dessus, trouvés par expérience, sont très-faibles comparativement au coefficient de conductibilité des parois de la chaudière. Le coefficient de conductibilité du fer est de 28.800 calories ; c'est-à-dire que cette quantité de chaleur passe dans une heure à travers une surface de un mètre carré ayant un millimètre d'épaisseur, et pour une différence de température des faces égales à 1**. Pour une tôle de 12"*", qui est l'épaisseur ordinaire des foyers, on a pour la^ surface de chauffe directe :

/cj=— TT- = 2.400 calories.

Le coefficient &, est donc beaucoup plus giand que celui qui représente la conductibilité absolue de la chaudière ; il en résulte que les

coefficients inconnus k^ et k, doivent être très-faibles, dnsi, de A;, = 2&00 et de K = 100, on déduit :

jJ-=0,000*, et 1 + 1=0,0096;

d'où :

De la grande infériorité de j- par rapport à 77 -H r- » ^ résulte que

les variations que Ton pourrait faire subir à r- ne se feront sentir

que trës-faiblement sur le coefficient K. En construisant les chaudières avec un métal dont le coefficient fc, serait double de celui du fer, on aurait :

et par suite :

i-^l-hT-=0,0098;

d'où Ton déduirait K.]= 102, au lieu de 100 qui est sa valeur pour le cas du fer. On ne gagnerait donc que 2 p. 100 sur la valeur de K, en employant un métal deux fois meilleur conducteur. C'est d'ailleurs ce que confirme Texpérience : deux chaudières, Tune en fer et Tautre en cuivre, donnent en pratique les mêmes résultats, bien que la conductibilité du cuivre soit environ deux fois et demie plus grande que celle du fer.

L'augmentation de la production de vapeur dans un temps donné doit par suite être recherchée en dehors de la nature du métal, et même de son épaisseur. En pratique. Ton peut considérer les deux faces. Tune externe et Tautre interne, de la pai'oi comme étant à la même température, pourvu que le métal ne soit pas isolé de Teau par une couche de calcaire de plus de 1 millhnètre d'épaisseur, et Ton doit chercher à rendre plus facile le passage de la chaleur du foyer aux parois, et des parois à Teau et à la vapeur. Or les liquides et les gaz sont mauvais conducteurs, et ne s'échauffent que par circulation ; et à ce point de vue, le seul moyen à employer pour augmenter la conductibilité des chaudières consiste à trouver des dispositions qui m. &

66 THEORIE DES CHAUDIÈRES. — N' !i8,

facilitent le renouvellement de Teâu qui vient au contact des Burfaees de chauffe. Tous les essais tentés dans ce sens n'ont pas donné, jusqu'à présent, des résultats d'une supériorité marquée sur ceux que l'on obtient avec les chaudières tubulaires construites et proportionnées, quant aux espaces réservés à l'eau, comme le sont ordinairement celles de la marine.

Il est évident que, sans augmenter la valeur du coefficient de conductibilité, on accroîtra la quantité de chaleur transmise par unité de surface et dans l'unité de temps, en élevant la température T^ de la source de chaleur. C'est ce qui a lieu lorsque le tirage est activé (n° 57^) soit par un jet de vapeur ou d'air dans la cheminée, soit par l'injection d'air sous la grille. On peut ainsi accroître dans de ti'èsgrandes proportions {n° 57^) la quantité de vapeur obtenue dans un temps donné. Mais ce moyen impose aux parois du foyer une augmentation de fatigue dont il faut tenir compte dans la construction, en proscrivant d'une manière absolue les coutures rivetées qui comportent une double épaisseur de tôle, et en construisant les foyers comme dans les chaudières cylindriques (n** 59J.

1W° 58, Rôle et rendement de 1a sMrfkee de dtauffe. Distinction entre les différentes parties de eette surfiMse j moyens d'obtenir le meilleur rendement. — La surface de chauffe ne joue en quelque sorte qu'un rôle indirect : elle n'a qu'à transmettre par heure la quantité de chaleur nécessaire à la production du poids déterminé de vapeur que la chaudière est appelée à fournir dans ce temps. Or la surface de chauffe ne reçoit pas la chaleur de la même manière sur. toute son étendue. H y a bien partout contact des gaz chauds formant les produits de la cojmbustion ; mais les ciels et les côtés des foyers, ainsi que les parois de la boîte à feu forment des parties soumises en outre au rayonnement direct, soit du combustible incandescent sur la grille, soit de la flanmie ; ces surfaces se désignent sous le nom de surface de chauffe directe. Pour les tubes et la botte à fumée,, que l'on désigne sous le nom de surface de chauffe indirecte, ce rayonnement est presque toujours très-faible, car la flamme se développe très-peu dans ces parties des conduits.

Le point où le rayonnement est le plus intense est le foyer ; les quantités de chaleur rayonnées qui sont absorbées par unité de surface, sont inversement proportionnelles à la distance des surfaces

THÉORIE DES CBAUMÈRES. — N» 58, 67

considérées au combustible ; mais avec les foyers intérieurs, la quantité de chaleur rayonnante reçue par le foyer peut être considérée comme proportionnelle à l'étendue de la grille.

Dans la boite à feu, le rayonnement est déjà moins intense; la partie inférieure du fond reçoit encore un peu de la chaleur rayonnée par le foyer ; mais tout le reste de la surface ne reçoit que le rayonnement de la flamme.

Les quantités de chaleur rayonnante reçues par mètre carré de la surface de chauffe diminuent à mesure que Ton s'éloigne du foyer, et il doit en être de même du rendement, c'est-à-dire de la quantité de chaleur que cette même surface transmet à Teau. — Sur un même point du parcours des produits de la combustion, le rendement varie suivant la position des surfaces que Ton considère. Ainsi, dans le foyer lui-même, le rendement du ciel du foyer est plus élevé que celui des cAtés, parce que le ciel est exposé à un rayonnement plus direct. — Dans la boite à feu, la plaque du fond et la plaque de tête ont un rendement plus élevé que les côtés. — Dans le faisceau tubulatre, les tubes du haut sont plus échauifés que ceux du bas, que traverse de préférence la fumée en raison de sa plus grande densité relative. Enfin, dans un même tube, la partie haute a im rendement plus élevé que les côtés, et ceux-ci ont un rendement plus élevé que le bas.

Au point de vue de l'absorption du calorique rayonnant, les grands foyers à ciel plat sont les plus avantageux; mais cette forme est inadmissible pour les hautes pressions, et la forme cylindrique convient seule. L'étendue de la surface de chauffe directe, par rapport à la surface de grille, est à peu près indifférente, du moins dans des limites assez larges. Ainsi, d'après les expériences faites à Indret et citées par M. Audenet^ on a obtenu avec une chaudière 4^^,77 et avec une seconde 4'',80 de vapeur par kilogranune de chaibon brûlé, les surfaces de chauffe étant directes dans les deux cas, et valant 5 fois la surCace de grille dans le premier appareil, et 10 fois cette mêm^ surface dans le second. Il n'est question ici que de la surface exposée directement au rayonnement du foyer ; et l'on voit que le coefficient de conductibiUté piatique de cette surface est deux fois plus grand dans le premier cas que dans le second, et qu'on ne peut avoir de terme de comparaison sérieux qu'en prenant ce pouvoir de conductibilité par rapport à la siuface de grille au lieu de le prendre par rapport à la surface de chauffe. — Du résultat de ces expériences,

H. Audenet a conclu que le coefficient de conductibilité de la surface de chauffe directe exposée au rayonnement du foyer, est de 500 calories par heure et par mètre carré de grille.

Si pour une valeur donnée de la surface de grille, l'étendue de la surface de chauffe directe a peu d'importance, il n'en est pas de même du volume libre au-dessus de la grille et du volume de la boite à feu. Il faudrait en effet, pour la meilleure utilisation du charbon, que la combustion des gaz fût complète avant leur introduction dans les tubes ; or cette combustion n'est jamais achevée dans le fourneau, même en donnant de très-grandes dimensions à la chambre au-dessus de la grille, et c'est dans la boîte à feu qu'elle doit se terminer. Malheureusement il n'en est jamais ainsi en pratique, et une bonne partie des gaz combustibles passe dans les tubes avant d'être brûlée.

Les tubes à fumée d'un petit diamètre, comme ceux des chaudières, ont l'avantage de présenter, sous le même encombrement total, une surface de chauffe plus grande; mais ils n'absorbent pas autant de chaleur que pouiraient le faire supposer leur étendue totale et la valeur élevée du pouvoir de conductibilité de leur métal. Les gaz qui pénètrent dans les tubes cheminent en filets parallèles jusqu'à la sortie ; les portions de ces gaz en contact avec les tubes se refroidissent bien ; mais comme elles forment toujours la partie extérieure de la veine gazeuse, elles constituent une gaîne mauvaise conductrice pour la chaleur des gaz qui sont dans l'axe des tubes ; et finalement la masse totale arrive à la cheminée sans s'être dépouillée d'une quantité suffisante de chaleur. C'est ce qui explique la valeur si faible du coefficient de conductibilité de la surface de chauffe indirecte, qui, d'après M. Audenet^ n'est que de 23 calories par heure et par mètre carré de cette surface.

M. Graham a fait des expériences, en Angleterre^ avec trois chaudières cylindriques à bouilleurs placées l'une sur le foyer et représentant la surface de chauffe directe, les deux autres à la suite et représentant les surfaces de chauffe indirecte à diverses distances du foyer. On a ainsi trouvé que les pouvoirs vaporisateurs de ces chaudières, par mètre carré de surface de chauffe et par heure, étaient :

Nombres proportionnels.

Pour la première *74'v,50 100

Pour la seconde 25'«,85 35

Pour la troisième il^«,92 VC

THEORIE DES GHADNERES. ~ N<> 58, «9

On voit (XMnbien la décroissance est rapide et quel intérêt il y a à augmenter la surface de chauffe directe, et par suite l'étendue de la grille, puisque, en fin de compte, la quantité de chaleur transmise à cette surface de chauffe est proportionnelle à cette étendue.

Inlliieiiee de la surfkoe de la n^rille sur la prcidaction 4ie wiqieur. — Voici le résumé des expériences faites par M. Joëssel à Indretj sur la chaudière d'essai avec tirage activé par un jet de vapeur.

Les charges pai* mètre carré qui ont donné la plus grande utilisation ont été :

Avec la grille entière 172''«.

Avec la grille réduite à moitié 125''«.

Avec la grille réduite au tiers 100''«.

Ces nombres indiquent la puissance normale de la chaudière dans les trois cas (la surface de chauffe restant la même).

Ces résultats ont été formulés géométriquement comme suit: ^naugmentant ou en diminuant rétendue de la grille, sans toucher à la surface de chauffe^ aux sections de passage de Vair et de la fumée j la puissance de la chaudière augmente ou diminue proportionnellement à la racine carrée de la surface de grille.

Inflaenoe de la surface de ehaufTe. — Avec la même chaudière, la grille réduite au tiers, on a disposé dans les tubes à feu et à fumée des écrans transversaux, de manière à obliger les gaz à faire un double retour à travers les tubes, ce qui doublait la longueur de leur parcours total dans la chaudière. Comme précédemment, le tirage étant activé par le même jet de vapeur, on a constaté une augmentation notable de Tutilisation du combustible, mais une diminution bien plus grande de la puissance de la chaudière.

Ainsi, par rapport au cas de la. grille réduite au tiers, mais sans écrans dans les courants de flamme,

rutilisation est devenue "0^== ^>^^>

0,uD

lapuiseance est devenue ô^^^?^*

Cette augmentation d'utilisation et cette diminution de puissance résultent évidemment de la plus faible vitesse de translation des gaz, résultant de la plus grande longueur des courants de flamme.

N^ 58, Chambre A ean $ meilleures dftspoiitioiuii A mOoffêmap.

— La chambre à eau, c'est-à-dire la partie de la chaudière qui renferme l'eau à vaporiser, doit être considérée au point de vue de sa contenance et au point de vue de sa disposition.

Le volume de la chambre à eau doit être tel que toute la surface de chauffe étant couverte, le niveau s'élève d'une certaine quantité audessus des parties les plus hautes de cette surface de chauffe. Cela est nécessaire afin que la moindre dénivellation accidentelle n'expose pas à rougir les tôles et à les brûler. D'autre part, le volume total de l'eaii doit être tel, par rapport à la quantité de vapeur à fournir, que le renouvellement de cette eau ne se fasse pas trop rapidement ; on prévient de cette façon les alternatives d'abaissement et d'élévation de température, d'où résulterait une vaporisation très-irrégulière, voire même des ébuUitions et des projections d'eau.

Au point de vue de sa disposition, la chambre à eau doit présenter une surface de niveau aussi grande que possible afin de diminuer, pour un même poids de vapeur à fournir, la vitesse d'émersion de cette vapeur, et par suite les chances d'entraînement d'eau. D'autre part, les lames d'eau doivent être disposées pour que le renouvellement du liquide en contact avec les surfaces de chauffe se fasse avec facilité, et qu'il en soit de même du dégagement de la vapeur; on évite ainsi la formation des chambres de vapeur, et par suite la brûlure des tôles.

Rapporté au mètre carré de grille, le poids des chaudières marines réglementaires du type haut est de 5.000'* en nombre rond, tant pour les chaudières à moyenne presvsion que pour les chaudières cylindriques à haute pression. Le poids d'eau y vaut 2.000'* dans les premières chaudières et s'élève à 2.400'« dans les secondes; tandis que dans les chaudières à tube d'eau système Belleville, le poids de la chaudière étant de 4.200'*, celui de l'eau s'élève seulement à 250'* par mètre carré de grille.

A raison de 90'* de charbon brûlé par heure et par mètre carré de grille et avec une production de vapeur de 8'* par kilogramme de charbon, la dépense totale d'eau par heure est de 90 X 8 = 720'i. Il en résulte que dans les chaudières à moyenne pression l'eau est

renouvelée toutes les -=^ = 2** 46"*, et toutes les =^ = 3^ 20™

dans les chaudières cylindriques. Pour les chaudières Béltevilte^ le

i-enouvellement de l'eau est effectué toutes les ,=H;r =0^21".

TBÉORIË DES CHAUDIÈRES. — N» 58, 71

Les chambres à eau volumineuses ont Tavantage de servir de volant, pour modérer les variations de pression qui résultent forcément des irrégularités de la chauffe, parce que la température de Teau augmente ou diminue en même temps que la prassion de la vapeur. Dans le premier cas, Teau absorbe de la chaleur en même temps que la pression s^élëve ; dans le second cas, cette eau restitue de la chaleur à mesure que la pression diminue, et le calorique devenu libre fonne de la vapeur. Dans les deux cas, la masse d'eau est un modérateur des variations de la pression. Les grandes chambres à eau permettent en outre de fonctionner pendant un certain temps sans alimentation, et sans courir le risque de découvrir les surfaces de chauffe. Par contre, elles ont rinconvénient de rendre les chaudières plus encombrantes et plus lourdes, et d'exiger beaucoup plus de temps pom* la mise en pression.

Avec les chambres d'eau réduites, on obtient plus rapidement la pression lors de Tallumage, et les chaudières sont moins encombrantes et moins lourdes ; mais les variations de température et par suite de pression sont beaucoup plus fréquentes et besMicoup plus accentuées ; enfin ralimentation doit être continue, sous peine de découvrir les surfaces de chauffe. — Un grand volume donné au réservoir de vapeur ne corrigerait pas les variations de pression résultant d'un faible volume d'eau : car la différence des quantités de chaleur absorbées par !*• de vapeur pour une différence de pression atteignant même une atmosphère, n'est pas considérable ; elle ne vaut en effet que les 0,505 de la différence des températures qui correspondent aux pressions que l'on considère (n* 7,).

A ces divei*s points de vue, le poids d'eau des chaudières à tubes d'eau système Belleville est certainement un peu faible; aussi ce poids a-t-il été récemment augmenté par l'adjonction d'un résefvoir cylindrique qui l'a plus que doublé ; mais, d'un autre côté, le poids de 2.000^* d'eau par mètre carré de grille des chaudières tubulaires es! certainement élevé, et il y aurait tout intérêt à le réduire. Toutefois cette diminution est subordonnée à certaines conditions de conseiTation et même de sécurité. Ainsi, avec nos chaudières ordinaires, il est nécessaire de pouvoir fonctionner un certain temps sans alimenter ; il faut donc que le niveau puisse baisser pendant ce temps sans découvrir les surfaces de chauffe les plus élevées. Si l'on ike à un quart d'heure, au maximum, le temps de ce fonctionnement sans alimentation, le pokls de l'eau disparue, par mètre carré de grille, aura pour

n THÉORIE DES CHAUDIËRES. — N» 58,

Q|ig -^ QQ

valeur = 180"^ ; et en tenant compte de la bande possible,

on reconnaît qu'à bord il ne faut pas moins de 250^» d'eau par mètre carré de grille au-dessus des surfaces à prot^er.

D'un autre côté, il faut que les lames d'eau soient assez larges nonseulement pour faciliter le renouvellement de l'eau, mais surtout pour que Ton puisse effectuer les nettoyages.

Dans les chaudières tubulaires ordinaires, la surface de chauffe' totale est d'environ 30 fois la surface de grille, et 1/6* de cette valeur constitue la surface de chauffe directe : on ne peut guère compter avoir moins de 500»'« d'eau pour recouvrir toute cette surface, ce qui donne 1 décimètre d'épaisseur autour de la surface de chauffe directe et 1 centimètre autour de la surface de chauffe tubulaire. Le chiffre de 500 + 250=750^ d'eau par mètre carré de grille est, par suite, un minimum correspondant aux chaudières tubulaires ordinaires. Avec ce volume, l'eau des chaudières serait renouvelée toutes les heures, et ce volume serait suffisant pour éviter de grandes oscillations de pression, surtout avec des feux bien conduits. Il résulterait d'une pareille réduction de la chambre à eau une diminution de 1.200^s par mètre carré de grille, et une diminution correspondante du volume total de la chaudière ; soit, en fin de compte, une diminution d'environ 20 p. 100 sur le poids total.

Avec les chaudières à tubes renfermant l'eau, conmie les chaudières Belleville, le poids d'eau peut être moins élevé, parce qu'il y a dans chaque tube ou dans .chaque série de tubes entraînement d'eau par la vapeur sur des surfaces de chauffe situées bien au-dessus du point qu^accuse le niveau. Toute la question consiste d'abord à bien r^ler l'alimentation pour qu'elle se fasse d'une manière uniforme, et d'autre part dans la répartition régulière de cette eau entre tous les tubes.

N" 58^ Chambre à, vapeur et orllloe do tayan de vapeur ; meiUeares dispositions à, adopter. — La chambre à vapeur a pour but de réduire à de faibles valeurs les variations de pression qui résultent de l'introduction intermittente dans les cylindres. La capacité de la chambre à vapeur n'est limitée que par les restrictions d'encombrement et de poids imposées à la chaudière. En principe, plus la chambre à vapeur est grande comparativement au volume de vapeur à dépenser par heiu*e, plus elle est avantageuse. Avec une chambre à vapeur réduite, les différences de pression correspondant au conunen-

THÉORIE DBS CHAUDIÈRES. — N« 58, 75

cernent et à la fin de TintrodactioD dans les cylindres, peuvent être assez sensibles pour déterminer des ébullitions et même des projections d'eau. Rapporté au mètre carré de grille, le volume total du réservoir de vapeur est de 1"»*=»'*, 70 pour les chaudières à moyenne pression type haut, de l"-*"*», 51 pour celles du type bas, et de l"*"**, 65 pour les chaudières cylindriques à haute pression, type haut. Ce volume est un peu faible pour les chaudières du type bas qui desservent des machines à allure rapide, car il s'y produit des entrahiements d'eau toutes les fois qu'il faut pousser les feux un peu activement. En admettant une production de 8*' de vapeur par kilogramme de combustible, et en brûlant 90'« de charbon. par mètre carré de grille et par heure, les chaudières fonctionnant à 3*' de pression absolue fournissent par heure (table I du tome premier) :

Û"—S5874 X 8 X 90= (i22""S928 de vapeur.

Les chaudières fonctionnant à 5'* fournissent par heure :