CHAPITRE X

89. Divers modes de condensation. — La condensation réduit la pression de la vapeur à l'échappement des machines. Elle était indispensable dans les premiers appareils, où tout le travail résultait de l'abaissement de la pression audessous de la pression atmosphérique, sous laquelle était produite la vapeur. On a commencé par refroidir la vapeur, qu'on voulait condenser, dans le cylindre même où elle travaillait, d'abord par arrosage de l'extérieur du cylindre, puis par injection d'eau à l'intérieur. Mais on a reconnu que la condensation dans un récipient séparé du cylindre, où la vapeur s'écoule au moment voulu, produisait le même abaissement de pression. On évite ainsi un refroidissement exagéré des parois du cylindre moteur*. Le condenseur séparé fonctionne par injection, ou mélange, quand on y liquéfie la vapeur au contact direct de l'eau froide, tandis que le condenseur à surface est extérieurement rafraîchi par l'eau.

Le condenseur à surface est plus coûteux que le condenseur par mélange : on l'emploie lorsque l'eau disponible ne convient pas pour l'alimentation des chaudières, principalement sur mer ou au bord de la mer : il donne en effet de l'eau distillée qui sert indéfiniment, sauf une certaine perte. En

* Il faut remarquer que le condenseur séparé n'évite pas complètement le refroidissement des parois des cylindres, comme le prouve l'action défavorable de ces parois, exposée au § 32 ; mais le refroidissement est moindre qu'avec l'envoi d'eau dans le cylindre, qui d'ailleurs n'était possiblo que grâce à la lenteur de la marche.

outre, il faut la débarrasser le mieux possible des matières grasses qui viennent du cylindre et qui sont nuisibles dans les chaudières.

Dans les grandes installations de machines, on n*hésite guère à installer la condensation, qui réduit la dépense de combustible. Pour les petits moteurs, Tavantage est moins évident. Par exemple une machine demi-fixe, sans condensation, développera 40 chevaux, en brûlant en marche normale 2 kg de houille par cheval-heure. L'installation d'un condenseur, en supposant qu'on dispose facilement d'eau en quantité suffisante, réduira cette consommation à 1,7 kg; si la machine fonctionne 3000 heures par an, c'est une économie de 36 t de houille ou de 720 fr à 20 fr la tonne ; il faut déduire les frais d'entretien du condenseur, qu'on peut estimer à 120 fr par an. La dépense d'installation du condenseur peut être évaluée à 2000 francs.

Au lieu d'ajouter un condenseur, on peut munir la machine d'un réchauffeur d'eau d'alimentation par la vapeur d'échap pement ; s'il est bien disposé, ce réchauffeur portera la température de l'eau à 90 ou 95® à son entrée dans la chaudière, et la dépense de houille descendra à 1,8 kg par chevalheure, de sorte que l'avantage du réchauffeur est presque aussi grand.

En outre, dans certaines chaudières de machines demifixes, la vapeur d'échappement est envoyée dans la cheminée pour produire un tirage suffisant, de sorte que la condensation pourrait rendre difficile le maintien de la pression, malgré la réduction de la consommation. Le réchauffage d'eau d'alimentation laisse disponible pour le tirage une partie de la vapeur d'échappement.

Le condenseur s'impose lorsqu'il est nécessaire d'augmenter la puissance du moteur. Le moteur de 40 chevaux pris comme exemple arrivera à en développer près de 50 sans brûler beaucoup plus, grâce à la condensation. Tandis que si l'on veut forcer la puissance d'un moteur de ce genre au delà d'une limite convenable, on risque d'augmenter énor-

mément la consommation de la houille par cheval-heure, parce que la chaudière est surmenée.

90. Condensation par mélange. — Le condenseur à injection ou à mélange reçoit la vapeur d'échappement et une injection d*eau finement divisée, qui maintient une température relativement basse, souvent de 30 à i(P; la pression correspondante de la vapeur saturée est de 43 à 75 g par cm^, pression mesurée par une colonne de mercure haute de 32 à 55 mm; la pression réelle dans le condenseur est plus grande, parce qu'il contient en outre de l'air; cet air y pénètre surtout avec l'eau d'injection, qui le renferme en dissolution et le dégage, en s'échaufTant sous une faible pression. D'après la loi de Laiton, la pression dans le condenseur est la somme des pressions qu'auraient l'air seul et la vapeur saturée à la température qui règne dans l'appareil.

11 faut extraire du condenseur Peau et Tair qui y pénètrent ainsi continuellement : c'est le rôle d'une pompe dite pompe à air, munie de clapets d'aspiration, s'ouvrant du condenseur dans la pompe, et de clapets de refoulement, s'ouvrant au dehors.

On compte en moyenne de 20 à 30 litres d'eau pour condenser un kilogramme de vapeur : cette quantité est variable suivant la température de l'eau disponible, et suivant la température qu'on veut maintenir dans le condenseur*.

Le calcul de la proportion d'eau nécessaire est utile surtout pour assurer l'alimentation du condenseur : en marche, on règle la quantité d'eau admise, sans la connaître exactement, par la manœuvre d'un robinet d'injection, de manière à maintenir une température et une pression convenables.

* On estime la proportion d'eau nécessaire pour maintenir une température donnée en comptant que le condenseur doit absorber au plus 600 calories par kg de valeur condensée; si l'eau disponible est à la température de 15», et si on en emploie 30 kg par chaque kg de vapeur, chaque kilogramme d'eau de condensation prendra 20 calories, et, par suite, s'échauffera de 15® à 35®.

La pompe à air doit extraire, avec chaque kilogramme de vapeur condensée, les 20 à 30 kilogrammes d'eau de condensation et l'air qui a pénétré dans le condenseur. On estime que l'air dissous dans l'eau occuperait en moyenne, sous la pression atmosphérique, le vingtième du volume de l'eau. Dans le condenseur, cet air se dégage par l'effet de la réduction de la pression et de l'élévation de la température.

En outre, il peut pénétrer dans le condenseur un peu d'air provenant de l'eau d'alimentation de la chaudière et des fuites de la machine ou du condenseur même : la pompe à air doit également l'extraire. Souvent on choisit, pour le volume de la pompe à air, la valeur assez large de 100 litres par kilogramme de vapeur à condenser : cela veut dire que le piston de cette pompe engendre un volume de 100 1 par chaque kg de vapeur condensée*. La quantité de vapeur peut d'ailleurs varier quelque peu sans inconvénient. Les 100 1 de la pompe recevront, pendant l'aspiration, dans la marche à 30 kg d'eau pour 1 kg de vapeur, 31 1 d'eau et 69 1 d'air raréfié.

En augmentant la proportion d'eau injectée dans le condenseur, on abaisse la température finale et, par suite, la tension de la vapeur, de sorte qu'il semble qu'il y aurait avantage à employer le plus d'eau possible pour réduire au minimum la pression résistante de la vapeur d'échappement; mais comme l'eau d'injection apporte de l'air, qui se dégage dans le condenseur, et dont la pression s'ajoute à celle de la vapeur, au delà d'une certaine quantité d'eau, la pression totale, qui est seule à considérer, vient à augmenter. Cette quantité limite dépend de la température de l'eau disponible et de la proportion d'air qu'elle contient;

* Par exemple, si une machine envoie au condenseur 1 kg de vapeur par tour, et si la pompe à air, commandée par cette machine, et fonctionnant à simple effet, donne alors une course simple d'aspiration et une course simple de refoulement, le volume ^ engendré par son piston devra être de 100 1, ce qui correspond à un diamètre de 357 mm avec une course d'un mètre.

en général, il n'y a pas intérêt à dépasser le débit de 30 kg d'eau par kg de vapeur, et on peut même souvent se tenir bien en dessous *.

La pompe à air n'aspire l'air et l'eau dans le condenseur que par intermittences, tandis que l'afflux est presque continu : il en résulte des variations périodiques de la pression au condenseur, variations qui ne doivent pas dépasser une limite fixée. Un calcul assez simple apprend que la capacité du condenseur n'a pas besoin d'être bien grande pour que ces variations soient minimes.

11 est également facile de calculer le travail utile demandé à la pompe à air pour une excursion aller et retour de son piston. Ce travail peut s'élever aux 15 millièmes du travail indiqué produit par la vapeur, mais les frottements, les chocs du liquide, augmentent ce travail, et on compte que le service du condenseur dépense 30 à 35 millièmes de la puissance indiquée d'un moteur.

91. Condenseurs à mélange. — Le condenseur est une boite en fonte, soumise extérieurement à la pression de l'atmosphère ; des nervures en consolident les faces planes. La forme n'a guère d'importance pour le fonctionnement. Les joints doivent être peu nombreux, car ils peuvent laisser rentrer l'air, à moins qu'ils ne soient noyés dans une bâche pleine d'eau. Les condenseurs portent des plateaux de visite et des robinets de vidange.

L'arrivée d'eau est généralement continue : elle peut être aspirée sur une hauteur de quelques mètres. L'amorçage peut alors se faire au moyen d'un jet de vapeur qui chasse l'air puis fait le vide en se condensant.

En cas de ralentissement de la machine, si l'afflux d'eau reste constant, elle peut refluer jusqu'au cylindre : pour éviter ce danger, on munit quelquefois le condenseur d'un

* D'autre part, l'eau de condensation sert souvent à alimenter les chaudières ; à ce point de vue, il y a intérêt à ce qu'elle ne soit pas trop froide.

flotteur, qui ouvre une rentrée d'air quand le niveau de

l'eau s'y élève trop haut.

Parfois un moteur auxiliaire commande la pompe a air d'un condenseur, qui peut servir à plusieurs machines différentes : il est alors possible d'en faire varier la vitesse

suivant l'afllux de vapeur et la température de l'eau de con-

densation. Les machines isolées, de puissance moyenne, commandent ordinairement leur pompe à air; quand le

cylindre est horizontal, le piston de cette pompe est souvent

attelé en tandem fi la contre-tige du piston ; d'autres fois,

le condenseur est placé en contre-bas ; la pompe à air,

horizontale ou verticale, est menée par un balancier ou

une équorre de renvoi ^ ^

Elle est noyée dins le

condenseur, ou lui est ac

colée. Le piston ordinaire

plein (fig. 104), se combine

bien avec la disposition

horizontale à double effet

Le piston plong^eur (% 195). à simple effet, est aussi fort usité. Il permet de plus grandes vitesses pour la bonne marche des pompes, il faut que l'eau puisse suivre le piston; la force qui pousse l'eau dans ie corps de pompe du condenseur pendant l'aspiration est relativement faible : l'accélération qu'elle est capable de prendre ne peut être grande. Ce motif limite la vitesse de marche des pistons ordinaires, tandis que le plongeur peut, sans inconvénient, marcher rapidement, pourvu que les sections de passage de l'eau, à travers les clapets ou les soupapes, soient assez grandes.

Le volume de l'espace libre de la pompe, toujours plein d'eau, est indifférent. Les clapets d'aspiration doivent être

Fin- t96' — Soupape pour pompe a air de condenseur (type de la Compagnie générale ïransaUantique) . Un chapeau en bronze maintenu par un ëcrou. vissé sur un goujon fixé sur le siège, contient le petit ressort qui appuie sur le disque en bronze formant soupape.

placés au fond du condenseur, pour que le poids de Teau s'ajoute à la faible pression qui la pousse. 11 convient que ces organes soient légers; les clapets à charnière se mattent vite par les chocs. Le caoutchouc risque de s'altérer à la chaleur. La figure 196 représente un type assez simple de petite soupape métallique : on emploie ces soupapes en nombre aussi grand qu'il est nécessaire.

En donnant au piston ordinaire d'une pompe, à double effet, une épaisseur presque égale à la course, on peut supprimer les clapets d'aspiration ; l'eau et l'air y pénètrent par des lumières percées au milieu du cylindre et découvertes par le piston en fin de course.

Des appareils indicateurs simples permettent de suivre la marche du condenseur. Le plus commode de ces appareils est un baromètre, dont la hauteur peut être réduite, puisqu'il n'indique que des pressions bien inférieures à celles de l'atmosphère.

^indicateur de vide, souvent employé, donne la différence entre la pression atmosphérique et la pression effective dans le condenseur : il faut quelque réflexion pour en comprendre l'indication. Un thermomètre plongeant dans l'eau évacuée fournit un contrôle utile.

92. Appareils divers. — Dans le condenseur ordinaire, la pression de l'air s'ajoute à celle de la vapeur, qui dépend de la température entretenue ; dans le condenseur Weiss, une circulation méthodique est établie pour éviter cette augmentation de pression. L'appareil consiste en un tube vertical, que l'eau parcourt du haut en bas, en coulant sur des chicanes. La vapeur entre par le bas (fig. 197). A la partie supérieure, une pompe à air seul aspire l'air. L'eau s'écoule à la partie inférieure par un tube vertical, long de 10 m au moins et plongeant dans une bâche. La pression dans le condenseur est toujours le total de la pression de la vapeur, et de la pression de l'air. Mais ces deux pressions varient du bas en haut du condenseur, celle de la vapeur

décroissant tandis que celle de l'air augmente : le'lotal est plus faible que dans le condenseur ordinaire.

Toutefois des dispositions spéciales d'une certaine complication sont nécessaires pour le bon fonctionnement de

Fig. 198. — ÉJecleur condenseur KŒrting: la vapeur entre ù droite, en soulevant un clapet deslinë b empêcher le retour accidentel d'eau au cylindre ; l'eau froide eal lancée par la tuyËrc, d la partie supérieure de l'appareil.

cet appareil, employé surtout comme condenseur central desservant plusieurs machines.

On remplace parfois le condenseur et sa pompe à air par Véjecteur-condenseur (fig. 198], analogue aux injecteura qui alimentent les chaudières. La vapeur à condenser s'écoule dans une chambre, où une tuyère envoie de l'eau froide; il en résulte un jet d'eau rapide, qui s'engage dans un dtwr-

SUTUI. - Macudie k ytrtvK. 20

gent où ia vitesse se ralentit, tandis que la pression augmente. Cette augmentation est suffisante pour que Teau soit rejetée au dehors, malgré la pression atmosphérique. Cet appareil est applicable quand on dispose d'une grande quantité d'eau en charge.

93. Rafraichissement de Tean de condensation. — Lorsque Teau est rare, on peut l'employer plusieurs fois en la faisant refroidir ; le refroidissement est dû surtout à l'évaporation, et la dépense d'eau est alors presque égale à celle d'une machine à échappement dans l'atmosphère.

On peut à cet effet faire couler l'eau sur des fascines, dans des appareils encombrants, et gênants par la buée qu'ils donnent. Parfois on se contente d'un bassin avec jets d'eau finement divisée.

Des appareils plus compacts sont complètement enfermés dans une enveloppe, où un ventilateur, ou le simple tirage dû à l'échappement de l'air, entretient un courant ascendant; la vapeur formée est entraînée dans une cheminée de dégagement.

94. Condenseur à surface. — Le condenseur à surface, construit par Hall en 1831, fut bientôt abandonné, pour être repris en 1860, puis considéré comme indispensable en mer. Les dispositions de Hall ne différaient guère de celles qui sont adoptées aujourd'hui.

La vapeur, ne se mélangeant plus avec Teau de condensation, donne de l'eau distillée, qu'on renvoie aux chaudières et qui sert indéfiniment ; les pertes seules doivent être remplacées.

La surface condensante s'obtient à l'aide d'un grand nombre de tubes, dans lesquels circulent l'eau. Quelquefois on adopte la disposition inverse : la vapeur pénètre dans les tubes et l'eau est en dehors, comme dans le condenseur de Hall.

Sous sa forme la plus simple, le condenseur est un réci-

pient cylindrique, avec deux plaques de tête où s'emmanchent les tubes; mais, pour occuper moins d'espace, on lui donne des formes plus compliquées, avec des tubes plus courts : jl convient alors de diriger le courant d'eau en lui faisant traverser successivement plusieurs groupes de tubes. La circulation de l'eau doit être effective dans tous les tubes pour que leur surface soit utilisée. On doit aussi empêcher que l'air, occasionnellement dégagé par l'eau de circulation, ne puisse s'accumuler en certains points.

L'arrivée d'eau se fait parfois dans le voisinage de l'entrée de vapeur, qui se trouve immédiatement en contact avec les parois les plus froides, mais souvent en d'autres points du condenseur. Il importe d'offrir à la vapeur, qui doit pénétrer rapidement dans le condenseur, un espace vide dans le voisinage de l'entrée.

Le diamètre extérieur des tubes est d'environ 2 cm, avec une épaisseur de 1 à 1,5 mm ; ils sont en cuivre ou en laiton.

Le montage dans les plaques se fait à l'aide d'une garniture serrée par un presse-garniture fileté (fîg. 199), portant une saillie vers l'intérieur, afin que le tube ne puisse sortir en glissant. La garniture se compose d'une tresse de chanvre ou de coton, de caoutchouc S de rondelles en papier, ou d'autres substances. Parfois on remplace la garniture et le presse-garniture par un bouchon creux en bois, que l'humidité fait gonfler.

Les longs tubes sont supportés par une plaque intermédiaire.

La vapeur amène des matières grasses qui recouvrent les tubes et gênent la transmission de la chaleur ; on fait disparaître ces dépôts en envoyant dans le condenseur des jets de vapeur.

La pompe à air subsiste avec le condenseur à surface.

* Le caoutchouc est attaqué par l'huile minérale qui sert au graissage des cylindres et que la vapeur entraîne.

mais les dimensions peuvent en être moindres qu'avec le condenseur à injection, puisqu'il n'y a plus à extraire que l'eau provenant de la condensation de la vapeur et l'air pénétrant par les joints. Toutefois, une pompe à air trop

FiR. 199. — Montage d'un tube de condenseur et d'une entreloise des plaques liibulaires (construcUon du Creuset en 189S). La garniture assurant le joint des tubes de condenseurs se compose : ]• d'une bague eu caoutchouc, de fû de coton enroule autour du lube. ou de rondelles de papier dËcoupées à l'emporle-piece et superposées. Le Creusol a abandonné les rondelles en caoutchouc. qui se détériorent assez rapidement au contact des eaux grasses, et emploie indilTéremment le Td de coton et les rondelles en papier; !j° d'une bague en laiton pour empêcher l'Ëcrou flletè d'entraîner la garnilure dans les fdets; S» d'un écrou fileté ponr le serrage de de la garniture. *

petite n'assurerait pas bien la condensation par surface: il convient qu'elle ait au moins un volume égal environ au 20° de celui du dernier cylindre de détente du moteur [à plusieurs expansions] : elle est supposée fonctionner à double effet et avoir la même marche que le moteur desservi. Le condenseur à surface porte une pompe de circulation, -<i fait passer dans l'appareil l'eau de refroidissement : en

CONDENSATÏOI^ 3o§

mer, la pompe de circulation n'a guère de travail d'élévation à fournir, mais elle surmonte seulement les frottements. Sur les grands navires, c'est souvent une pompe centrifuge, commandée par un moteur spécial, dont on peut faire varier la vitesse.

Pour établir un condenseur, on doit déterminer la surface condensante et la quantité d'eau de circulation suivant le débit de vapeur envoyée par la machine. On veut entretenir au condenseur une température déterminée. L'eau de refroidissement ne sort pas à cette température comme dans le condenseur à injection, mais à une température inférieure, inconnue à priori.

Souvent on choisit une surface condensante de 0,2 m^ par cheval* et un débit d'eau de circulation de 50 litres en moyenne par kilogramme de vapeur. Avec un moteur indépendant, on peut faire varier ce débit suivant les besoins, en l'augmentant quand la température de l'eau disponible s'accroît.

Le travail absorbé par la pompe à air se calcule comme pour le condenseur à injection : il est minime et consiste surtout à vaincre les résistances passives.

Le travail de la pompe de circulation se calcule d'après les formules de l'hydraulique. Dans un appareil donné, il est proportionnel au carré de la vitesse de l'eau, c'est-à-dire du débit. C'est souvent 1,5 p. 100 environ du travail indiqué. Le travail des deux pompes est, au total, à peu près égal au travail de la pompe unique du condenseur à injection.

A titre d'exemple, le condenseur d'une machine récente de la marine française a les proportions suivantes, pour un moteur à cylindres successifs de 780 — 1 150 — 1 750 mm avec 1 m de course, développant au maximum, avec les

* Il s'agit des condenseurs de machines marines, dont la consommation se tient aux environs de 7 kg de vapeur par chevalheure ; d'une manière générale, rindication de la puissance en chevaux ne donne qu'une idée incertaine de la consommation de vapeur.

ZiO BJIXCEL DE LA BACIISK A TAPEUft

apfiarei!.^ auxÎL:aJre&. 3 700 cheraiix indiqués, à la Titesse de i±* tr>uF3 |>dr minute :

-Surface réfri^réranle en contact avec reau\ 476 m-, obtenue par des tubes de 16 mm de diamètre extérieur et 14 intérieur;

Deux pompes a air verticales, à simple effet : diamètre, 590 mm ; courjçe, 380 mm ;

Nombres de tours de l'arbre des pompes par minute, 170 — 140 — 120, pour des marches aux puissances de 3700 — 2500 — 1000 chevaux;

Pompe de circulation, centrifuge : diamètre 1,200 m ; elle débite 1 700 m' a Theure, à la vitesse de 170 tours par minute.

Dans Vaéro-conden$eur Fouché, Teau de circulation est remplacée par un courant d'air puissant, envoyé par un ventilateur sur un faisceau tubulaire qui reçoit la vapeur d^échappement : on peut ainsi obtenir la condensation, lorsque l'eau fait défaut. L'air chaud ainsi obtenu peut être utilisé au chauffage des ateliers, et, dans certaines industries, à la dessiccation des matières élaborées.

D'après M. Fouché, l'aéro-condenseur exige en moyenne 80 m^ d'air, pris à 10<^, pour condenser un kilogramme de vapeur, et peut abaisser la pression à 150 g par cm' [vide de 65 cm de mercure). L'abaissement de la pression est moindre quand Tair n'est pas froid, ou quand on veut l'obtenir très chaud pour certaines opérations de séchage. Avec addition d'un arrosage extérieur des tubes, la quantité d'air peut être réduite.