Mécanique industrielle Mémoire sur un nouveau système de moteur fonctionnant toujours avec la mème vapeur, à laquelle on resiste, à chaque coup de piston, la chaleur qu'elle a perdue en produisant l'effet mécanique Seguin aǐné
Sur un nouveau Système de Moteur fonctionnant toujours avec ta meme vapeur, à laquelle on restitue, à chaque coup de piston, la chaleur qu elle a perdus en produisant ! effet mécanique;
J'ai eu l'honneur de faire pari à l'Académie, le 3 janvier 1 855 (i), du projet que j'avais conçu de construire une machine à vapeur sur le nouveau principe que j'ai mis en avant, suivant lequel le calorique et le mouvement seraient des manifestations, sous des formes différentes, des effets d une seule et même cause, et de la possibilité que j'eutrevovais d'arriver à ne dépenser pour produire la force, que la quantité de chaleur qui représente strictement la puissance mécanique obtenue.
On sait, en effet, que dans les machines à vapeur, telles qu'on les emploie dans l'industrie, on fait usage de la vapeur d'eau à l'état de saturation, et qu'on la rejette dans l'air, ou qu'on la condense en brisant son ressort, après s’en être servi, perdant ainsi toute la chaleur qu'il a été nécessaire d’employer pour la réduire en vapeur. Or, comme la quantité de chaleur employée pour réduire l'eau en vapeur est très-considérable, eu ég^rd à celle qui est nécessaire pour élever ensuite sa température, et par suite augmenter son ressort, j’en ai conclu que si l'on pouvait parvenir à construire une machine dans laquelle on se servirait toujours de la même vapeur, en lui restituant à chaque coup de pistou la quantité de chaleur qui s'est transfor-
(i) Comptes rendus des séances de C Académie, t. XL, n“ i, 3 janvier i855, p. 5. Cosmos, 1. VIII, p. 4.
niée en puissance mécanique, on éviterai! une perte énorme, et l’on arriverait à ne dépenser strictement que la quantité de chaleur et par conséquent de combustible représentant la force produite.
Tout incomplètes que fussent les expériences que j’avais faites pour déterminer le temps nécessaire à réchauffement de la vapeur, lorsqu'on la met en contact avec des surfaces plus chaudes, ces expériences m’avaient toutefois porté à croire que ce temps était en réalité Ires-court, (ie résultat paraissait en contradiction avec les nombreuses expériences connues précédemment ; toutes s’accordaient pour attribuer aux gaz, et par conséquent aux vapeurs, qui jusqu’ici ont toujours été assimilées aux gaz, une très-faible conductibilité pour la chaleur. Imbu de celte idée, je crus qu’il serait nécessaire pour donner à la vapeur le temps de se surchauffer, d'établir deux générateurs. Partant de l’un, et apres avoir produit son effet dans le cylindre, la vapeur viendrait dans l’autre reprendre la chaleur qu’elle aurait perdue eu produisant l'effet mécanique. Je crus cependant qu’il était prudent, avant d’exécuter en entier la machine que j avais prié notre célébré mécanicien M. Farcot défaire construire dans ses ateliers, de ne lui demander d’abord qu'un seul des deux générateurs, afin de faire des expériences préalables qui pussent me fixer d'une manière décisive sur le temps exactement nécessaire à ce réchauffement : me réservant de faire ensuite, s’il y avait lieu, à la machine en construction les modifications convenables.
Les générateurs tels que j’en avais indiqué la construction à M. Farcot, devaient être formés par deux tubes en fer de 3 mètres do longueur, de 8 centimètres de diamètre intérieurement, et de i centimètre d’épaisseur. Ces deux tubes devaient être réunis l’un à l’autre par un coude de même inétal et enveloppe dans un massif en fonte de fer. ayant partout une épaisseur de 6 centimètres au moins.
La confection de celte pièce coûta beaucoup de peine et de soins à M. Farcot; elle ne put réussir qu’après plusieurs essais infructueux, qui firent courir quelques dangers aux ouvriers, et faillirent occasionner l’incendie d’une partie de l’établissement.
Ce ne fut que le i5 décembre 1 855 qu’il me fut possible, aidé de mes fils et de mes gendres MM. Montgolfier, d’entreprendre une longue suite d’ex- |M:riences avec le générateur mis à notre disposition. Son poids était de 1 8 oo kilogrammes, il fut placé dans un fourneau où il était séparé du foyer par une voûte en briques, percées d’ouvertures pour laisser passer et circuler la flamme autour de lui, comme oïl le pratique pour chauffer les cornues dont on fait usage dans la production du gaz hydrogène carboné. Le four-
nean fut établi a proximité d'une chaudière servant a alimenter une inacliine n vapeur, timbrée pour résister à dix atmosphères, et employée dans la fabrique de papier de mes gendres.
A la partie supérieure du générateur, on avait pratiqué dans l'épaisseur de la fonte plusieurs réservoirs de a centimètres de diamètre,, de a centimètres de profondeur, qui répondaient à des regards fermés avec des briques mobiles. Dans ces réservoirs étaient placés des fragments d'étain, de plomb et de zinc, afin qu'on pût, en observant le moment où ces divers métaux entreraient en fusion, apprécier, d'une manière au moins approximative, la température de la partie supérieure du générateur qui était la plus éloignée du feu, et par conséquent la moins chaude. Pour connaître la tension de la vapeur dans les diverses parties de l’appareil, on adapta à la chaudière un manomètre métallique de Bourdon ; un antre manomètre semblable et bien repéré sur le premier fut aussi établi prés du générateur et mis en communication avec lui.
On détermina la quantité de vapeur que pouvait fournir la chaudière en la chauffant pendant plusieurs heures de suite par un feu bien soutenu et maintenant exactement au même niveau, au moyeu de l'indicateur, l'eau contenue dans la chaudière. La moyenne de la quantité d'eau évaporée fut do 100 kilogrammes à l'heure, représentant 170000 litres de vapeur à 100 degrés, à la pression d'une atmosphère.
Les expériences que nous avons faites, et dont je vais rendre compte, ont eu lieu généralement lorsque les trois métaux étaient fondus, et que la partie inférieure du générateur était d’un rouge obscur qui me paraissait répondre à une température d’environ 800 degrés. Afin d’éprouver la résistance de la Ionie et du fer à ce degré de chaleur, j’ai disposé dans un feu de forge un petit appareil en forme de machine d'essai, consistant en un anneau solidement fixé à l'un des côtés de l’aire de la forge, dans l'œil duquel était fixé un barreau carré en fonte de 1er de 9 millimètres de côté, soit 81 millimétrés de section, dont le milieu répondait au centre du feu de forge : l'autre extrémité du barreau était fixée à une tringle en fer attachée par son autre bout à une équerre en bois; suc la branche horizontale de l’équerre 011 avait placé des poids dont l'ensemble produisait sur la tige en fer cl le barreau mis en expérience, un effort horizontal de <) 3 k , 8 o, représentant une traction de i k ,i6 par millimétré carré, exercée sur la fonte.
On chauffa alors lentement et avec précaution au charbon de bois, jusqu'à ce que le barreau fût brisé, on retira subitement les morceaux du feu, ils parurent à tous ceux qui assistaient à l'expérience dépasser le rouge-
cerise el commencer à atteindre le ronge- blanc; nous estimâmes leur température de 800 à tooo degrés.
Dans une seconde expérience, la fonte fut remplacée par un fil de fer de 1 millimètres de diamètre, soit i9 m, ",67 carrés de section. Le plateau fut chargé de manière à exercer sur le Cl de fer une traction de 4 t k ,^°> <'l la fracture eut lieu à une température qui nous parut à peu prés égale à celle de
l’expérience précédente; le fer avait donc supporté = a 1 , 10 par millimétré carré.
Ces expériences et toutes celles qui suivent ont été faites sans aucune prétention à cette exactitude minutieuse que l’on considère comme indispensable, lorsqu’il est question de déterminations qui doivent servir de base à des calculs scientifiques.
Ayant une nombreuse série lle questions à résoudre, peu de temps à y sacrifier, nous avons dû nous borner à des approximations suffisantes pour •tous laisser toute certitude que dans les applications que nous aurions à en faire, nous resterions toujours bien en deçà des limites dans lesquelles il pouvait se présenter des accidents ou des dangers à courir.
Comme le générateur était enveloppé dans les parties les plus faibles d'une épaisseur de fonte de G centimètres, laquelle, jointe à là sienne propre, constituait une épaisseur de 7 centimètres, si l’on calcule la résistance dans le sens perpendiculaire à sa longueur, on trouvera que, pour une surface de 1 centimètre carré, l'effort exercé par la tension du gaz dans le générateur a lieu sur deux sections qui ont pour côtés d’une part 70 centimètres, épaisseur de l’enveloppe du générateur, de l'autre 10 millimètres, côté du carré qui supporte la pression ; la surface de chacune des sections est donc de 70 4- 10 ou 700 millimètres, et la surface de leur ensemble de i/joo millimètres, qui, d'après les expériences précédentes, auraient pu résister au moins à un effort de i4oo kilogrammes à une température de 800 à 1000 degrés.
Mais la pression intérieure s’exercait sur une section de 7 centimètres carrés, représentant pour une atmosphère une pression d’environ 7 kilogrammes; l’effort qui avait fait briser la fonte et le fer dans l’expérience, aurait donc été représenté ici par une pression de 300 atmosphères. Or nous avions résolu, dans les expériences que nous allions entreprendre, de ne jamais soumettre les appareils à des pressions supérieures à 10 atmosphères; nous nous trouvions donc, de ce côté, dans toutes les limites de sécurité que l’on pouvait désirer.
. Le feu fut alors allumé sous le générateur; au bout de quarante-huit heures tous les métaux étaient fondus dans les réservoirs qui avaient été pratiqués dans la paroi la plus élevée de la branche supérieure.
On commença par introduire d’abord 5 o grammes, puis 100, ensuite 1 5 o, enfin jusqu’à 3 oo grammes d'eau dans le générateur pour s'assurer que l'appareil ne laissait échapper la vapeur dans aucune de ses parties, et pour déterminer un commencement d’oxydation à l’intérieur du générateur qui put former une espèce d’enduit qui aurait pour effet d'empêcher la vapeur d'être décomposée dans son contact avec les surfaces rouges du générateur; et lorsque toutes les parties de l’appareil eurent fonctionné d’une manière satisfaisante jusqu'à la pression de 10 atmosphères, on se disposa à y introduire la vapeur.
• La chaudière fournissant 170000 litres de vapeur à l'heure, soit ‘ 3600" = ^7 l‘ trcs l ,ar seconde, et le générateur ayant une capacité de
3 o litres, il en résultait que la vapeur séjournait 7^ = 0% 63 , environ deux tiers de seconde dans le générateur.
La température de la vapeur indiquée par le thermomètre à mercure placé sur le tube en cuivre à son entrée dans lc‘ générateur, a été dans une expérience faite le 10 décembre 1 855 , en moyenne, pendant une heure, de 87 degrés; la pression de la vapeur dans la chaudière, i -j atmosphère; la pression dans le générateur, 1 atmosphère; la température au sortir du générateur, aai degrés.
Mais les thermomètres n'indiquaient pas évidemment toute la température de la vapeur, puisqu'à son entrée, où sa pression dépassait celle de l'atmosphère, le thermomètre ne s’élevait qu’à 87 degrés au lieu de dépasser 1 10 degrés environ, qui eussent répondu à Ja pression de 1 -$ atmosphère à laquelle se trouvait la vapeur. Les thermomètres cependant étaient placés dans de petits godets en cuivre semi-circulaires, appliqués contre les tuyaux de conduite de la vapeur entourés de bandes de drap. Nous cherchâmes à déterminer plus exactement la chaleur de la vapeur à sa sortie du générateur en remplaçant les thermomètres par des enfoncements faits avec un pointeau obtus sur les tubes en cuivre, dans lesquels on mettait de l’étain, du plomb et du zinc recouverts de résine. La fusion de l’étain et du plomb, constamment obtenue, nous indiqua qu 'effectivement la température de la vapeur dépassait de beaucoup a 3 o degrés; elle atteignait même 334 degrés, car il arriva qu’une fois le tuyau de zinc qui servait d’échappement à la vapeur à sa sortie du générateur fut fondu.
Pour s'assurer de la promptitude avec laquelle la vapeur perdait sou calorique, on adapta au générateur un tube eu cuivre long de to métrés sur 27 millimètres de diamètre; on laissa la vapeur se répandre dans le générateur, en ouvrant le robinet de communication entre la chaudière et le générateur, et s’échapper par le tube ; et l'on observa que la chaleur de la vapeur a la distance de 2 mètres était suffisante pour obtenir la fonte de l'étain, soit j 3 o degrés.
La fusion de l’étain exposé au jet de vapeur avait lieu comme celle de fragments de glace longs et étroits approchés d’un feu très-vif. Le métal se détachait par couches excessivement minces et était enlevé par le jet de vapeur, mais du côté seulement ou il s’v trouvait exposé. La vapeur, quoiqu’il une liante température, ne possédait néanmoins qu'une faible quantité de chaleur; celte chaleur, transmise immédiatement à la couche de métal avec laquelle elle se trouvait en contact, ne pouvait suffire qu’à attaquer une pellicule extrèmeiflent mince, fondue à l'instant même, et avant que la couche métallique adjacente, immédiatement placée au-dessous de celle qui se liquéfiait, eût le temps de participer à l’élévation de température nécessaire pour déterminer la fusion de l’étain.
A partir de ce point, la chaleur allait en diminuant jusqu'à 8 mètres de distance; là le thermomètre présenté au jet de vapeur marquait 100 degrés, ce qui indiquait que la vapeur avait perdu toute la chaleur employée à la surchauffer et qu’elle était revenue à l’état de vapeur saturée.
En élevant la tension de la vapeur à 2, 3 , 4 , 5 , 6 atmosphères et la laissant pénétrer sous ces pressions dans le générateur, les résultats ont toujours été à peu près les mêmes. Lorsque la chaudière produisait de moins grandes quantités de vapeur, et que cette vapeur séjournait une, deux, trois secondes dans le générateur, elle 11e s’échauffait pas davantage, ce qui nous montra qu’un intervalle de temps de deux tiers de seconde était plus que suffisant pour que la température de la vapeur en contact avec des surfaces rouges s'échauffât autant qu'elle le pouvait.
Cette expérience nous donnait la limite supérieure du temps nécessaire pour échauffer la vapeur; mais il nous parut qu’il serait utile aussi d’entreprendre une nouvelle série d’expériences, pour s’assurer, d’une manière au moins approximative, de la limite inférieure du temps employé à ce réchauffement.
A cet effet, je fis disposer un autre fourneau dans lequel on établit le générateur qui avait servi à nos premières expériences. Il était aussi formé par deux tubes on fer de o m ,oa7 de diamètre, o“*,q6 de long, communiquant
entre eux et noyés dans un bloc «le fonte; il représentait une rapacité de 4 litre. On détermina la quantité de vapeur destinée à traverser ce générateur en chauffant modérément la chaudière pendant trois heures. L'évaporation, pendant ce temps, fut de /|5 kilogrammes, représentant une production de vapeur de 7 litres par seconde; le générateur fut porté au rouge obscur à la partie inférieure; les trois métaux étant fondus â la partie supérieure, on y introduisit la vapeur en la laissant s’échapper, et l’on observa «pie l’étain seul fondait dans les godets sur le tube de décharge de la vapeur a sa sortie du générateur, ce qui annonçait nue chaleur de a3o degrés; et,
comme la vapeur ne séjournait dans le générateur que = 0,07 1 = de
seconde, on en conclut que le temps nécessaire à réchauffement de la vapeur était compris entré 63 centièmes et 7 centièmes de seconde.
Les expériences que nous avions faites étaient plus que suffisantes pour nous démontrer l'inutilité d’employer plusieurs générateurs; elles commencèrent même à nous faire craindre «le trouver, dans la grande promptitude avec laquelle s'échauffait la vapeur, des difficultés et des obstacles sur lesquels nous n'avions pas compté. Nos idées se tournèrent alors sur les moyens à employer pour débarrasser promptement la vapeur de ce «pii lui restait de la chaleur qu’elle avait acquise dans le générateur, chaleur qui avait doublé son volume et produit le coup positif, pour la ramener à l’état de vapeur saturée, où son volume et sa tension étaient diminués de moitié.
Il fallait pour cela que celte condensation durât tout le temps du coup négatif, c'est-à-dire une seconde environ ; pendant cet intervalle lu vapeur avait le temps de se refroidir plusieurs fois et d'acquérir dé nouveau sa température première; il s’ensuivait que la quantité de chaleur employée devait être bien plus considérable que celle qui eût été strictement nécessaire poulie réchauffement de la vapeur.
Mais comme, d’après les expériences de M. Régnault, cette quantité de chaleur est très-faible, que nous ne remarquions pas que la température du générateur s’abaissât lorsque nous y faisions passer «le plus graniles quantités de vapeur, nous ne nous préoccupâmes nullement de cet excédant d’emploi de chaleur, d’autant plus que les modifications que cet excès de dépense de chaleur rendaient possibles tendaient beaucoup à simplifier In construction, le jeu et la conduite de la machine.
La manière dont on refroidirait la vapeur, eu s'emparant après le coup positif de cette «piantité de chaleur, afin de diminuer sa tension «*t son vo-
hune pendant le coup négatif, devint, dès ce moment, la partie la plus importante du problème à résoudre.
Convenait-il d’injecter, à chaque coup de pistou, une faible quantité d'eau dans l’appareil, de façon à employer tout le calorique existant dans la vapeur, et de plus celui qu’aura produit le générateur pendant le temps du coup négatif, afin que cette eau se réduisant ensuite en vapeur, la machine se trouvât alimentée de ses .pertes à chaque coup de piston? C’est ce qui aurait été le plus simple et le plus avantageux pour l’eflct, la marche ou la conduite du moteur. Ou bien devait-on, comme l’avait fait Walt, établir pendant le coup négatif une communication entre le générateur et un condenseur entouré d’eau, dans lequel on injecterait à chaque coup de piston une faible quantité d'eau froide pour ramener la vapeur surchauffée à l’état de saturation, lui permettant ensuite, pendant le coup positif, de reprendre sa température, de doubler son ressort et son volume ?
I.a question me parut assez importante pour qu’il fût nécessaire de tenter • successivement tous ces essais.
Afin de profiter des dispositions déjà prises, nous limes pénétrer dans la branche supérieure du grand générateur un tuyau en cuivre de 5 millimètres de diamètre, terminé par une petite pomme au bout de laquelle étaient percés des trous dans la direction de la longueur du générateur. A l’autre extrémité du tube, nous ajustâmes une pompe d’injection à main, dont le piston avait 3 centimètres de diamètre, de manière à pouvoir lancer avec violence un jet d’eau dans le générateur au moment où nous le jugerions convenable. Puis, le générateur fut mis en communication avec la chaudière, dans laquelle la vapeur était tendue à 5 atmosphères. I.e manomètre du générateur indiqua instantanément aussi 5 atmosphères. On ferma le robinet de communication entre la chaudière et le générateur, en mémo temps qu'on appuyait fortement sur le piston de la pompe pour injecter de l'eau dans le générateur. Mais le manomètre n’éprouva aucun abaissement sensible; la soupape de sûreté fut soulevée, et la vapeur formée par l’eau introduite dans le générateur se répandit dans l'air.
Nous pensâmes que l’eau lancée dans le générateur atteignait peut-être trop vite ses parois rouges, et qu'elle avait le temps de se réduire en vapeur elle-itiéme, avant d’absorber le calorique de la vapeur surchauffée; nous changeâmes alors la disposition de l’appareil en substituant à la ponune percée un petit canal en cuivre très-mince, isolé du générateur et s'étendant dans presque toute la longueur de sa branche supérieure.
* I.'cshi fut ensuite injectée dans ce canal, flans les mêmes ruuditioos que dans 1 expérience précédente. Au moment de l’injection, le manomètre mdiipia un très* léger abaissement de tension, mais il remonta imiiiédiatemciit plus liant (pi’il n'était auparavant.
Voulant épuiser cette série d’expériences, et supposant que le petit conduit en cuivre acquérait peut-être une température propre, indépendante de celle de la vapeur, et qui pouvait cire employée à vaporiser l’eau qu’on y introduisait, nous finies une attire expérience. Nous établîmes une cornue à gaz, ayant a 5 centimètres de diamètre moyen, i'",4o de longueur, dans un fourneau ou elle fut placée verticalement ; pour éviter les accidents, celle cornue fut reliée'du haut en bas et de to en 10 centimètres avec des cercles en fer que l’on fit entrer à chaud pour obtenir un contact [dus immédiat. On plaça dans le fond line coupe en cuivre très-mince, pour recevoir 1 eau qui ne se serait pas vaporisée en tombant de l’extrémité supérieure jusqu’en bas. I.’appareil fut muni d’une soupape de sûreté, d’un manomètre, d’une pompe d’injection, et porté au rouge obscur. A ce moment, on y introduisit de la vapeur à 5 atmosphères, on ferma le robinet de communication cuire la chaudière et la cornue, on lançA un jet d’eau dans la cornue,
• mais le piaiiometre n’annonça, comme dans lesexjiériences précédentes, que les abaissements insensibles, quoique l’on fit varier la tension de la vapeur, la température du générateur, la quantité d’eau et son mode d’injeelion, en la lançant avec plus ou moins de force dans le générateur.
Le résultat de toutes ces expériences nous fil juger qu’il convenait d’abandonner entièrement ce mode de condensation, et nous tournâmes nos vues sur un système analogue à celui de Watt où la condensation s’opère dans un réservoir séparé.
Nous établîmes donc un coutfenseur aussi près que possible du généra - , leur en le faisant communiquer avec lui parle moyen d’un robinet à kirge ouverture. Ce condenseur était formé par un réservoir cylindrique en fonte, avant 18 centimètres de diamètre intérieurement, 18 centimètres de bailleur et îï centimètres d’épaisseur, ce qui représentait une capacité d’uu peu plus de 4 litres; il était entouré d’un réfrigérant ayant une capacité de 6 litres qui fut rempli d’eau. lai vapeur ayant été introduite dans le générateur, on ferma le robinet de communication de la chaudière, et l’on ouvrit celui qui communiquait avec le condenseur. A l’instant, le manomètre indiqua, datis le générateur, une diminution de pression considérable, et • elle se prolongea aussi longtemps qu’il resta en communication avec le
condenseur.
I. eau du réfrigérant s'échauffait rapidement à mesure que l ou réitérait
