CHAPITRE XIII

SYSTÈMES RECENTS AYANT POUR MIT DR MODIFIER I.' EMPLOI DR LA VAPEUR COMME FORCE MOTRICE. — MACHINE A VAPEURS COMBINEES OU MACHINE A ÉTHER.— MACHINE A AIR CHAUD OU MACHINE ERICSSON. - MACHINE A VAPEUR RÉGÉNÉRÉE. — MACHINE A VAPEUR SURCHAUF- FÉE. — THÉORIE MECANIQUE DE LA CHALEUR.

Pour terminer cette notice, nous devons signaler des travaux tout à fait contemporains, qui tendent à opérer une véritable révolution dans le système général des machines à vapeur. L'Exposition universelle de 1862 a fait connaître les résultats de cette tendance de la science actuelle à produire des systèmes de machines fondés sur des principes tout nouveaux, et qui, dans un intervalle plus ou moins éloigné, amèneront peut-être un changement radical dans le mode d'emploi de la vapeur. Nous ne signalerons qu'en peu de mots ces dispositions nouvelles, qui sont aujourd'hui plutôt à l'état d'étude qu'à celui d'exécution.

11 est manifeste qu'une quantité énorme de calorique se perd dans les machines actuelles. Dans les machines à haute pression, la vapeur qui est rejetée dans l'air après avoir produit son effort mécanique, emporte une grande quantité de chaleur, qui, de cette manière, n'est point utilisée. La même perte existe dans les machines à condenseur, par la vapeur qui se liquéfie dans l'eau du condenseur, et cède à cette eau son calorique, lequel est ainsi perdu.

C'est pour remédier à ces pertes considérables de chaleur, et par conséquent, de combustible, que les physiciens et les constructeurs de nos jours ont . imaginé différents systèmes, que l'on peut classer comme il suit :

1° Les machines à vapeurs combinées, c'està-dire celles dans lesquelles le calorique de la vapeur qui est perdue dans les machines actuelles, est employé à volatiliser un liquide, tel que l'éthersulfurique,ou le chloroforme, dont la vapeur, dirigée sous le piston d'un second cylindre, accolé au cylindre principal, vient exercer un effort mécanique, et ajouter ainsi son action à celle de la vapeur d'eau.

Bans la machine à éther, imaginée et construite par M. Du Tremblay, la vapeur à haute pression, en sortant d'un premier cylindre où elle a exercé, avec détente, son action sur le piston, traverse un grand nombre de petits tubes métalliques placés dans une botte de métal, qui renferme une certaine quantité d'éther sulfurique. A l'intérieur de ces tubes, la vapeur d'eau se refroidit, se condense et retourne à la chaudière, qui se trouve ainsi alimentée, à partir de ce moment, avec de l'eau distillée. Cette circonstance, pour le dire en passant, est déjà fort avantageuse, puisqu'elle empêche les incrustations terreuses qui se font à l'intérieur des générateurs alimentés avec de l'eau ordinaire, et qu'elle diminue l'abondance des dépôts de sel qui se font dans les chaudières alimentées avec l'eau de la mer.

Échauffé par la condensation de la vapeur d'eau, l'éther contenu dans les petits tubes métalliques, entre en ébulli lion , et sa vapeu r passe dans un second cylindre, dont elle met en mouvement le piston, à la manière ordinaire. La condensation de la vapeur d'éther s'opère en dirigeant cette vapeur à travers plusieurs petits tubes placés dans une boite métallique, traversée incessamment par un courant d'eau froide. Revenu à l'état liquide, l'éther est ensuite repris par une pompe, qui le ramène au vaporisateur, d'où il doit être de nouveau volatilisé par la chaleur provenant de la condensation de la vapeur d'eau de la machine, et ainsi de suite.

On assure avoir constaté, avec la machine à éther, de M. Du Tremblay, une réduction de SO pour 400 sur le combustible, pour produire le même effet qu'une machine ordinaire à haute pression et à condenseur.

La machine à vapeur d'éther, que l'on désigne quelquefois sous le nom impropre de machine à vapeurs combinées, est sortie du domaine de la théorie, pour entrer dans celui de la pratique. Quatre navires à vapeur, consacrés à un service régulier des transports de Marseille à Alger et Oran, ont été pourvus de machines à vapeur dans le système Du Tremblay. Ces quatre navires appartiennent à la société Armand Touache frères et compagnie. L'un, le Du Tremblay, est de la force de 70 chevaux. Le Kabyle, le Brésil et la France sont de 350 chevaux. — Il existe à Lyon, à la cristallerie de M. Billaz, une machine à vapeur d'éther, de la force de 50 chevaux. En Alsace, M. Stehélin, constructeur à Bittschwiller , a fait usage d'une machine du même genre, de la force de 50 chevaux.— A Black wall, en Angleterre, on a construit un navire du port de 1200 tonneaux, rOrinocco, .dont les machines appartenaient au système à éther. — Enfin la compagnie franco - américaine Gauthier frères, de Lyon, a appliqué le même système au Jacquart, navire de la force de 600 chovuux,

qui a fait, pendant quelque temps, le service du llavre à New- York.

La vapeur d'éther, employée comme force motrice, présente pourtant de graves dangers, en raison de son inflammabUité. Cette circonstance nous paraît de nature à empêcher son adoption définitive, surtout dans la navigation maritime. C'est donc avec raison que Ton a proposé de substituer à l'éther, le chloroforme, composé non inflammable, et qui jouit d'une force élastique supérieure encore à celle de l'éther.

M. Lafont, officier de notre marine impériale, a eu le mérite d'employer, dans une machine de ce genre, le chloroforme, que M. Du Tremblay avait d'ailleurs lui-même recommandé pour cet usage. La machine à chloroforme de M. Lafont, d'une force de 20 chevaux, a fonctionné pendant quatre ans, pour les travaux du port de Lorient. A la suite des résultats satisfaisants constatés pendant ce long service, le gouvernement a fait établir, à titre d'essai, un appareil tout semblable à bord du navire le Galilée, de la force de 125 chevaux.

Un mécanicien français, M. Tissot, a modifié les machines à vapeur d ether, en supprimant la vapeur d'eau, et faisant uniquement usage d'éther sulfurique, additionné de 2 pour 100 d'une huile essentielle. Ce mélange parait préférable à l'éther pur, en ce qu'il n'attaque pas, comme le fait l'éther, les pièces métalliques; ce qui finit, à la longue, par occasionner des fuites, toujours dangereuses avec un liquide aussi inflammable que l'éther.

M. Tissot a établi cette machine à vapeur d'éther dans une brasserie de Lyon, où elle a fonctionné, selon lui, avec avantage (1).

Nous sommes fort peu partisan de toute machine de ce genre, dans laquelle on fait usage, non loin d'un foyer, d'un liquide éminemment volatil et éminemment inflam-

(1) Voir notre Annie scientifique et industrielle, 3'anùtc, page 07.

mable. Nous répétons avec le rat de la fable :

Ce bloc éthMté ne me dit rien qui vaille t

11 est arrivé, du reste, qu'un des paquebots pourvus d'une machine d vapeurs combinées , c'est-à-dire à vapeur d'eau et d'éther, s'est embrasé en pleine mer, par suite de l'inflammation de l'éther. Cet accident, qu'il était facile de prévoir, en dit plus que tous les raisonnements du monde.

11 y a mieux à faire, il nous semble, pour éviter les pertes de calorique des machines à vapeur ordinaires, que d'avoir recours à une vapeur inflammable, comme l'éther sulfurique. Nous croyons que les machines à vapeur d'éther, ou à vapeurs combinées, ont fait leur temps.

2» Les machines à air chaud. C'est à celte catégorie qu'appartient la machine Ericsson dont il a été si souvent question depuis 185 2, dans les journaux américains et français.

Dans l'appareil qu'il a construit, M. Ericsson supprime complètement la vapeur d'eau, qu'il remplace par de l'air, alternativement échauffé et refroidi. La dilatation et la contraction successive qu'éprouve une masse d'air, contenue dans un espace limité, par suite de l'addition et de la soustraction du calorique à cette masse d'air, telle est la source de la puissance mécanique qui se trouve mise en jeu dans la machine Ericsson, dont voici les dispositions générales.

Un grand nombre de toiles métalliques, à mailles très-serrées, sont chauffées jusqu'à la température de 250 degrés. Une masse d'air froid traversant rapidement ces toiles métalliques, s'y échauffe instantanément, et se dilate aussitôt. L'impulsion produite par la dilatation de cet air, est mise à profit pour agir sur un piston, lequel joue dans un corps de pompe. Après avoir produit ce premier effet, la même masse d'air repasse à travers les mêmes toiles métalliques. Dans ce retour, le métal reprend à l'air la chaleur qu'il lui avait

1 il

un moment communiquée; de telle manière qu'en sortant de cette partie de l'appareil, l'air est presque aussi froid qu'à son premier départ. C'est la répétition de ces effets de dilatation et de contraction alternatives de l'air échauffé et refroidi qui détermine le jeu de l'appareil moteur.

On voit représentée (fig. 7J5) la première machine à air chaud que M. Ericsson ait construite, et qui a fonctionné dans plusieurs ateliers.

Plg. 7S. — Machine à air chaud d"Éric«$on.

A est un large piston rempli, à l'intérieur, d'argile et de poudre de charbon, matières peu conductrices de la chaleur. Ce piston parcourt à frottement le cylindre B, lequel est en libre communication avec l'air extérieur grâce aux ouvertures a, a. C est un second piston plus petit, rattaché au premier par les tiges de fer d, d. Ce second piston se meut dans le cylindre D , lequel communique , comme^ le premier, avec l'atmosphère par les ouvertures a, a. Le piston C, au moyen de

la tige E, s'articule avec le balancier de la machine, qui n'est pas représenté sur lafigure. F est un vaste réservoir d'air comprimé. Le cylindre D communique d'une part avec l'atmosphère par la soupape c, qui s'ouvre de haut en bas, et d'autre part, avec le réservoir F, par la soupape e, qui s'ouvre de basen haut. G est un assemblage de toiles métalliques serrées les unes contre les autres. L'air comprimé dans le réservoir F se rend dans le cylindre B, grâce à un large tube de communication, en passant au travers de ces toiles métalliques.

Quand la soupape b est fermée, et la soupape f ouverte, l'air contenu dans le cylindre B peut s'échapper dans l'atmosphère en traversant les toiles métalliques G, l'ouverture de la soupape f et le tuyau de dégagement g.

H est le foyer, placé sous le cylindre B. La flamme qui s'en échappe, circule dans un espace vide ménagé autour de la partie inférieure de ce cylindre, avant de se rendre dans la cheminée.

Expliquons maintenant la marche de l'air chaud et la manière dont se produit l'effet moteur.

La soupape b étant ouverte, et la soupape f fermée, l'air comprimé du réservoir F se rend dans le cylindre B, en traversant l'assemblage G de toiles métalliques, que la proximité du foyer maintient à une haute température. Il s'échauffe d'abord en traversant ces toiles métalliques, mais il s'échauffe surtout à l'intérieur du cylindre B, qui reçoit l'action du foyer. Par la dilatation de l'air, le piston A s'élève dans le cylindre BC, faisant monter en même temps que lui le piston C. L'air tenu au-dessus du second piston C, et qui s'y est précédemment introduit par la soupape c, est comprimé, et, soulevant la soupape e, passe dans le réservoir F. Ce réservoir F

perd donc d'un côte une portion de l'air qu'il renfermait, et d'un autre côté en gagne une quantité égale, ce qui entretient à son intérieur une pression constante.

Lorsque les deux pistons À et C se sont ainsi élevés jusqu'à l'extrémité de leur course, la soupape b se ferme et la soupape f s'ouvre . L'air contenu au-dessous du piston A, peut donc s'échapper dans l'atmosphère, en traversant les toiles métalliques G, en sens opposé à celui dans lequel il les avait traversées précédemment. Alors les pistons A, C, redescendent, en vertu de leur propre poids, ou par l'action d'un contre-poids disposé dans ce but. En même temps la soupape e se ferme et la soupape c s'ouvre, de sorte que le haut du cylindre D se remplit d'air atmosphérique venant par cette dernière soupape. Lorsque les pistons A et C sont arrivés au bas de leur course, la soupape / se ferme, la soupape b s'ouvre, et le jeu de la machine recommence comme précédemment.

Cette machine est donc à simple effet. La force élastique de l'air ne sert qu'à pousser les pistons et la tige E de bas en haut ; elle ne contribue en aucune manière à les faire redescendre. Les pistons remontent par leur propre poids, comme dans l'ancienne machine de Newcomen ou dans la machine à vapeur à simple effet. Seulement, comme on dispose deux machines de ce genre, pour agir alternativement aux deux extrémités d'un même balancier, l'effet produit est le même que si l'on employait une machine à double effet agissant sur un seul balancier.

Voilà la première machine à air chaud que M. Ericsson ait construite. Elle ne réalisa pas l'économie de combustible qu'on en attendait. En outre les toiles métalliques destinées à reprendre à l'air sortant une partie de la chaleur qu'il renferme, ne donnèrent pas les résultats qu'on avait espérés. Aussi, M. Ericsson a-t-il supprimé ces toiles métalliques dans ses nouvelles machines à air chaud.

On a installé, de 1855 à 1860, sur des

navires américains, quelques machines Ericsson; mais leur usage n'ayant pas répondu à l'attente générale, la marine américaine n'a pas tardé à les abandonner.

La machine Ericsson a eu plus de succès dans les ateliers des manufactures, surtout pour ceux de la petite fabrication. Plusieurs de ces machines ont fonctionné , ou fonctionnent aujourd'hui, dans de petites manufactures d'Amérique, d'Angleterre et d'Allemagne; mais on n'en a vu aucune en France jusqu'à ce jour.

Des constructeurs anglais, M. James Napier et MM. Tawcett et Preston, les fabriquent d'une manière courante. On les a simplifiées et agencées dans leurs organes de transmission d'une manière nouvelle et ingénieuse ; de sorte qu'elles peuvent rendre de bons services dans les petites usines, surtout dans celles qui n'ont pas besoin de force motrice d'une manière continue, ou qui sont établies dans des conditions telles que l'installation d'une machine à vapeur avec des . chaudières, y serait impossible ou très-difficile.

La suppression de la chaudière et l'impossibilité absolue de toute explosion, rendent la machine Ericsson intéressante à plus d'un titre. Malheureusement, ses organes sont trop nombreux et trop délicats. Son entretien doit donc exiger des soins assidus et dispendieux.

A côté de la machine Ericsson vient se placer la machine à air chaud de M. Franchot, dont l'inventeur n'a encore exécuté aucun modèle de grande dimension, mais dont il a poursuivi l'idée pendant un très-grand nombre d'années, avec autant de persévérance que de talent.

Depuis l'année 1840, en effet, M. Franchot avait indiqué le parti avantageux que l'on peut retirer des toiles métalliques, pour la construction de machines motrices à air chaud.

Voici quelles sont les dispositions principales de la machine à air chaud de M. Fran-

chot, qui constitue une excellente expression pratique des moyens par lesquels on peut appliquer au travail mécanique les gaz ou les vapeurs alternativement échauffés ou refroidis.

Cette machine se compose de quatre cylindres dont le has est chauffé par un foyer, et la partie supérieure maintenue à une température peu élevée. Les deux capacités, chaude et froide, sont séparées par un piston, qui joue en même temps le rôle de déplaceur. Les quatre cylindres forment une série circulaire, dans laquelle le bas de chacun est en communication permanente avec le haut du suivant, au moyen d'un canal qui renferme des toiles ou lames métalliques présentant une très-grande surface. Le système entier se compose donc de quatre masses d'air isolées par les pistons déplaceurs. Chacune de ces masses d'air va et vient entre les capacités chaude et froide, qui communiquent entre elles. Dans ces passages, l'air abandonne et reprend alternativement de la chaleur aux toiles métalliques, dont il touche la surface étendue, et dont la température décroît graduellement d'un bout du canal à l'autre.

Ces variations alternatives de température, qui provoquent nécessairement des contractions et des dilatations dans le volume de l'air emprisonné, donnent lieu à un travail moteur continu, lequel est transmis à un arbre tournant, parles tiges des pistons déplaceurs, par des bielles et des manivelles convenablement disposées. La puissance de cette machine, pour des dimensions d'ailleurs égales, est susceptible de varier, si l'on fait usage d'un air plus ou moins comprimé.

Une machine à air chaud, construite et très patiemment perfectionnée, par M. Pascal de Lyon, et que l'on connaît sous le nom de machine Pascal, a donné d'excellents résultats économiques, à côté d'énormes embarras pratiques.

A l'Exposition universelle de Londres, en 4862, ou remarqua une machine à air chaud

de II. Wilcox, dans laquelle le régénérateur à toiles métalliques d' Ericsson était remplacé par une sériede canaux, formés pardes feuilles de tôle ondulée; et une autre machine, de M. La u bercau, exposée par M. Schwartzkopf, de Berlin, laquelle offrait aussi une construction particulière.

Nous représentons ici (fig. 76), mais seulement afin de donner une idée générale de la forme et de la disposition d'une maehine à air chaud, un modèle, qui a fonctionné à litre d'essai, daus un atelier de Paris. A est le fourneau, B le cylindre, daus lequel l'air extérieur vient s'échauffer par le rayonnement du foyer ; B, le petit cylindre dans lequel l'air échauffé s'introduit, et qui, par l'effet de soupapes convenablement placées, met en action la tige D du pistou, et par suite le volant E, et l'arbre de la machine.

Fig. "6. — Modèle de machine 4 air chaud.

Uestasscz difficile de prévoir l'avenir qui est réservé aux machines à air chaud. Il y a, en effet, dans l'emploi, comme moteur, d'un gaz échaulïé, substitué à l'action de la vapeur d'eau, divers inconvénients spéciaux,

MERVEILLES DE LA SCIENCE

différentes difficultés pratiques, que nous allons énumérer.

On ne peut communiquer à l'air chaud une pression considérable nécessaire pour produire un grand effet mécanique, sans porter cet air à une température extrêmementélevée. Or, à ces températures, aucune pièce métallique ne peut longtemps résister. Les surfaces métalliques s'oxydent et se détériorent ; aucun frottement n'est plus possible à ces degrés extrêmes de température. Les tiroirs qui servent à l'introduction et à la distribution de l'air chaud, se déforment; les garnitures se brûlent ; les segments du piston se soudent; les huiles qui lubréfient les rouages, distillent ou se décomposent. En un mot, ces températures élevées font une guerre incessante à tout organe mécanique.

La vapeur d'eau employée dans les machines ordinaires (qu'on le remarque bien, car c'est là un de ses plus précieux avantages) n'exerce aucune action destructive de ce genre sur les organes des machines. Sa température n'atteint jamais plus de I50àt70°, dans les machines où elle agit avec les plus énergiques pressions. Bien plus, dans toutes les machines à vapeur, quelle que soit la tension de l'agent moteur, l'eau qui est entraînée avec la vapeur, à l'état globulaire ou par simple projection, vient sans cesse lubrifier les surfaces métalliques. Elle émulsionne les huiles qui graissent les rouages, et ne fait qu'adoucir leur jeu. En même temps, elle les refroidit constamment, par son évaporation, et laisse aux garnitures toute leur élasticité.

Le défaut que nous venons de signaler est fondamental, et sera toujours l'obstacle le plus sérieux, irrémédiable peut-être, au développement des machincsà air chaud, quelles que soient leurs dispositions secondaires.

Voici maintenant des difficultés d'un autre ordre.

L'air, étant mauvais conducteur de la chaleur, est très-hut à s'échauffer, et très-lent à se refroidir, une fois chaud. Il est presque

I impossible de l'échauffer à travers les parois d'un récipient, et le meilleur parti à prendre, c'est de le chauffer, non à travers les parois d'un récipient, comme dans la machine Ericsson, mais en le faisant passer directement sur le combustible en ignition, ainsi qu'on le fait dans la machine Pascal de Lyon.

Mais, en raison de sa mauvaise conductibilité, l'air, une fois chaud, se refroidit lentement. La condensation nécessaire pour produire l'effet moteur, se fait donc avec lenteur et difficulté. Delànatt ce que l'on a appelé Y équilibre de température, c'est-à-dire qu'après un certain temps de fonctionnement, les régénérateurs, les toiles métalliques, le cylindre régénérateur, et tous les autres organos qu'on tenterait d'introduire comme intermédiaires, tout arrive à la même température. Par suite, la pression étant égale à la contrepression, le piston moteur s'arrête.

Disons enfin, que l'air chaud ne pourrait servir avec efficacité comme moteur dans les machines qui doivent alternativement s'arrêter et se mettre en action. Les machines à air chaud sont très-longues à mettre en train. Il faudrait, pour ainsi dire, pouvoir installer à côté d'une machine à air chaud, un moteur à eau, d'une puissance capable de mettre en mouvement par lui-même, la pompe à air de la machine à air chaud.

Ces considérations montrent qu'il existe des difficultés bien graves dans l'emploi de l'air chaud comme moteur. Nous ne voulons pas nier, assurément, que ce problème, si important au point de vue de l'économie et de la sécurité, soit jamais réalisé ; nous avons seulement voulu mettre en relief les difficultés essentielles de la question, au double point de vue théorique et pratique.

3* Les machines à vapeur régénérée. — Au lieu d'échauffer et de refroidir alternativement une même masse d'air, on peut, abordant le problème par un autre moyen, réchauffer la vapeur qui sort du cylindre après avoir exercé son action sur le piston, et la

Fig. 77. — Modèle d'une machine à nir

renvoyer ensuite dans ce même cylindre. Au lieu de laisser perdre la vapeur dans l'air ou dans lu condenseur, on peut lui restituer, au moyen d'un foyer, lachaleurqu'elle aperdue, de manière à la ramener à la tension qu'elle possédait lorsqu'elle opérait dans le cylindre le refoulement du piston.

La force élastique de la vapeur d'eau croit rapidement avec la température; de telle sorte que lorsqu'elle est portée audessus de 100 degrés, elle n'a plus besoin que d'un petit nombre de degrés de chaleur pour acquérir une tension très-considérable. On réaliserait donc une grande économie si l'on pouvait conserver toujours dans une machine, la même vapeur, en lui restituant le calorique qu'elle a perdu après chaque coup de piston, c'est-à-dire en la rendant propre à recommencer continuellement le