GRILLES
CHARB02C BRÛLÉ
PAR DÉCm . CARRÉ
ET PAR HErRE.
kilog.
LES CHAUDIÈRES A VAPEUR. 56i
La comparaison des chiffres inscrits dans une même colonne verticale démontre que la puissance d'évaporation des appareils est très-différente suivant leurs dispositions. La surface de grille varie également beaucoup pour une [combustion donnée, mais en général, elle augmente dans les appareils tubulaires. Enfin la valeur économique de chaque système dépend d*un grand nombre de conditions, parmi lesquelles l'habilelé des chauffeurs n'est pas la moins importante. On peut dire qu'au point de vue de l'économie les chaudières n'ont fait aucun progrès depuis Watt. Les chaudières à tombeau de Cornouailles ou de Londres donnaient 8 kilog. environ de vapeur par kilogramme de combustible, les appareils plus récents n'atteignent pas ce rendement. Cela tient en grande partie au soin avec lequel étaient construites les premières chaudières. On y prenait, pour éviter les perles de chaleur, des précautions qui ont été malheureusement trop négligées depuis. Le besoin de diminuer l'encombrement est venu s'ajouter à celte négligence.
En diminuant la longueur des appareils, on a diminué les parcours de fumée, et on a été conduit à laisser échapper les gaz à une température plus élevée. •On a donc perdu en économie l'avantage qu'on a gagné au point de vue de l'encombrement des appareils.
D faut d'ailleurs faire attention à une circonstance importante dont le tableau précédent ne fait pas mention. Tels appareils produisent de la vapeur à peu près sèche, c'est-à-dire n'entraînant avec elle que 5 ou 6 pour 100 d'eau non vaporisée. D'autres, au contraire, ne produisent que de la vapeur très-humide, et la proportion d'eau entraînée peut s'élever à 25, 30 et même 40 pour 100. La chaleur fournie à 1 kilogramme de vapeur contenant 5 pour 100 d'eau à 5 atmosphères est d'après le tableau A de Zeuner.
1 54 4- 0,95 X (455,05) = 586,29 calories.
celle fournie à 1 kilogramme de vapeur contenant 40 pour 100 d'eau, est seulement
1544-0,60x455,05=427 calories.
La différence est de 159 calories, soit près du quart du chiffre
de 586 correspondant à la vapeiir à peu près sèche. Les locomotives, et, en général, les chaudières à évaporation rapide et à réservoir de vapeur restreint, produisent delà vapeur très-humide. 11 ne faut donc accepter les chiffres de rendement du tableau précédent que sous le bénéfice de celle remarque qui leurôte, comme on le voit, une grande partie de leur valeur.
Le chiffre maximum de rendement (ju'on puisse espérer, en service courant, pour une bonne chaudière est celui *de 7 kilog. de vapeur par kilogramme de houille de qualité moyenne donnan* 10 pour 100 de cendres. En fixant à 8,000 calories la chaleur dégagée par la combustion d'un kilogramme de houille pure, on reconnaît que lutilisation des chaudières correspond a une fraction égale à
==—^ = 57 p. 100 environ.
Plus du tiers de la chaleur est perdue dans nos meilleurs générateurs de vapeur. Ajoutons enfin que les soins d'un bon chauffeur peuvent aisément augmenter le rendement de 10 pour 100.
De ces indications, on doit conclure que cette partie de nos machines à vapeur est susceptible de recevoir de notables perfectionnements. Cependant, si l'on considère Tétat stationnaire du rendement calorifique des chaudières de Watt, on est porté à croire que ces perfectionnements sont très-difficiles à réaliser. Les foyers Siemens nous paraissent être la seule tentative faite dans le but d'économiser le combustible et qui mérite d'être signalée, mais son application est nécessairement restreinte aux machines à vapeur fixe.
150. La machine à Yapciir parfaite. — Rendemeiit des ■■«• chines à vapemr de l'indastrie. — La vapCUP UUO fois produite, il
s'agit de l'utiliser. C'est ici surtout qu'interviennent les principes pour la vulgarisation desquels cet ouvrage a été particulièrement écrit. Rappelons d'abord ce que serait la machine à vapeur parfaite, telle (jue nous l'avons décrite, page 61.
Elle serait composée de trois cylindres. Dansunpremierjcylindre, la vapeur saturée à la température T exercerait un travail de pleine pression et se détendrait ensuite jusqu'à n'avoir plus que la
pression de saturation entretenue dans un cylindre par un réfrigérant extérieur à la température t.
Son abaissement de température pendant la détente serait ainsi (T — ^). A la fin de la détente la vapeur passerait dans le second cylindre refroidi extérieurement ou cylindre récepteur, et elle serait soumise à la compression d'un piston, compression pendant laquelle sa température serait maintenue à la température t. Le réfrigérant absorberait la chaleur résultant de la compression.
Yers la fin de la course du deuxième piston et h un moment donné, que les circonstances finales vont nous permettre de préciser, la vapeur serait introduite dans un troisième cylindre, imperméable à la chaleur, où elle subirait une compression à la fin de laquelle elle serait complètement transformée en eau à T. Elle serait renvoyée à la chaudière où elle recommencerait le cycle fermé qu'elle a parcouru.
Dans une pareille machine la vapeur se dilaterait à température constante dans la chaudière, et elle serait comprimée à tempéi^ature constante dans le récepteuTy ce sont là les caractères distinctifs du maximum de rendement. Nous avons démontré que la fraction de chaleur dépensée par la chaudière qui peut être transformée en travail mécanique, a pour expression
formule ou a = 273^ En d'autres termes si Ton appelle Q la quantité de chaleur fournie par la chaudière, Q' la quantité de chaleur restituée au récepteur, la quantité de chaleur disparue, et par suite transformée en travail mécanique est
et le rendement a pour valeur
C'est ce rapport qui dans les machines les plus parfaites ne peut pas dépasser la fraction
La mécanique rationnelle enseigne qu'une machine rend toujours un travail utile inférieur au travail moteur. Le complément indispensable de ce théorème relativement aux machines thermiques est celui-ci :
La proportion de chaleur dépensée qui peut être transformée en
travail moteur ne dépasse pas la fraction. =7, T et t étant les
températures respectives de la source de chaleur et du récepteur (autrement dit du condenseur).
Quelques auteurs donnent une idée très-fausse des machines à vapeur actuelles en disant qu'elles sont très-imparfaites puisqu'elles n'utilisent que 5 à 15 pour 100 de la chaleur dépensée. Cette assertion est exacte, mais il faut ajouter qu'il serait impossible, quel que fût le système adopté d'utiliser non pas seulement la totalité de la chaleur dépensée, mais une fraction de cette chaleur dépassant 20 pour 100.
En effet, considérons une machine à vapeur à très-longue détente et à condensation prenant la vapeur à 6 atmosphères et la détendant à 20 fois son volume primitif, ce sont là certainement les conditions limites qu'on puisse admettre. La température delà vapeur étant à 6 atmosphères de 1S9%22, et la température la plus basse du condenseur étant de 35^, une pareille machine pourrait utiliser théoriquement une fraction égale à
de la chaleur fournie par la chaudière. Comme la chute de chaleur (T — t) que nous avons adoptée dans notre exemple, est à peu près la plus grande qu'il soit possible de réaliser dans nos machines, on en doit conclure que le chiffre de 0,286 est le plus grand coefficient d'utilisation qu'il soit possible d'obtenir dans nos machines à vapeur, même en les supposant parfaites.
Si l'on tient compte des pertes de chaleur inhérentes à la conduite de la vapeur dans les tuyaux et dans les cylindres, des imperfections de la distribution, et enfin des pertes de force causées par les frottements qu'on peut diminuer sans jamais les annuler complètement, on reconnaîtra que l'utilisation de 20 pour 100 de
la chaleur reçue par la chaudière serait encore un très-beau résultat que la plupart de nos machines sont loin d'olTrir.
En elïet, si Ton suppose la chaudière bien établie et rendant
^ d'eflet utile, la consommation de houille d'une pareille machine
sera de
Soit environ 0^,60 de houille par force de cheval et par heure.
Quelques machines très-perfectionnées consomment moins de 1 kilogramme de houille par force de cheval et par heure, mais aucune n'a réalisé le degré d'économie qui correspond à un rendement calorifique de 20 pour 100.
Le rapprochement de ces chiffres contient un enseignement et nous fournil une réponse contre les détracteurs de nos machines à vapeur actuelles. En réalité, nos meilleures machines utilisent 60 à 65 pour 100 de la chaleur convertissable en travail mécanique. En cela elles se rapprochent des bons moteurs hydrauliques, qui, comme on le sait, rendent 65 à 70 pour 100 du travail moteur des chutes d'eau.
Il est vrai que le nombre des machines à vapeur qui réalisent ce degré d'utilisation est extrêmement restreint. Toutes les machines sans condensation perdent une grande partie de la chaleur qui serait convertissable en travail mécanique si elles étaient mu* nies d'un condenseur. Par exemple, une machine sans condensation prenant la vapeur à 6 atmosphères ne peut rendre qu'une fraction égale à
de la chaleur fournie par la chaudière. Celte fraction n'est pas la moitié de la fraction 0,286 que nous avions trouvée pour la machine à condensation.
Les machines à vapeur sans condensation ne peuvent donc pas être des machines économiques. Elles présentent Tavantage d'une
plus grande simplicité de construction, d'un moindre encombrement, mais au point de vue purement théorique, elles constituent un système imparfait.
Les considérations qui précèdent doivent donner une idée netle de ce qu'il est possible d'attendre du perfectionnement des machines à vapeur dans l'avenir. On ne peut compter en somme que sur des améliorations de détail, mais Tindustrie est aujourd'hui à même de réaliser à peu près la perfection dans ce genre de moteurs, et les machines à vapeur qui consomment 1 kilogramme de houille par force de cheval effectif et par heure n'en sont pas trèséloignées.
151. Poids spéetikiae de la vapenr d'eaai — On n'a jamais déterminé par des expériences pi écises et méthodiques la variation du poids spécifique de la vapeur d'eau avec la température. On connaît seulement la densité de la vapeur à 100** telle qu'elle résulte des expériences de M. Durnas. Elle est égale à 0,620, celle de l'air était représentée par 1. Cela donne pour le poids du mètre cube de vapeur :
ou ÛS59.
La composition atomique de la vapeur d'eau conduit au même résultat. Quant aux variations du poids spécifique de la vapeur en raison de la température, on a supposé jusqu'à présent qu'elles avaient lieu conformément à la loi de Mariolte, c'est-à-dire que les poids spécifiques étaient proportionnels aux pressions. Cette hypothèse qui a servi de point de départ à la construction de . toutes les tables publiées jusqu'à ce jour n'est pas exacte.
La théorie de la chaleur nous a fourni une éclatante confirmation de ses principes dans la délermination directe par le calcul du poids spécifique de la vapeur d'eau à toutes les températures. La table A de Zeuner renferme dans les colonnes 8 et 9 les valeurs du volume spécifique et du poids spécifique de la vapeur d*eau pour toutes les pressions.
En comparant ces valeurs à celles qui sont données dans les tables usuelles, on reconnaîtra de notables différences.
Voici quelques éléments de comparaison :
LtS CHAUDIÈRES A VAPEUR. 367
Pression.. . . 0*«,50 1"» 2*» 3" 4»' 5*» 8*' 10** Volumes d'après
le Guide du
mécanicien de
MM. Flachat,
Peliet 5,205 1,689 0,891 0,61* 0,*72 0,385 0,251 0,305
Volumes calculés
parZeuner.. . 5,165 1,646 0,857 0,586 0,447 0,365 0,234 0,190
En général, les volumes calculés par Zeuner sont plus faibles que ceux qu'on a employés jusqu'ici. La différence atteint 7 1/2 pour 100 à la pression de 10 atmosphères.
De Veau entraînée par la vapeur. — Dans les machines à vapeur, il faut tenir compte pour l'évaluation des dépenses de vapeur de Feau entraînée par la vapeur. La proportion en est variable suivant la disposition des chaudières, mais, en général, on ne doit pas compter qu'elle descende au-dessous de 5 pour 100 dans les meilleures. chaudières, nous voulons dire dans celles qui présentent une chauffe régulière et qui possèdent un grand réservoir de vapeur.
MM. Morin et Tresca (Des machines à vapeur) vont jusqu'à admettre qu'un kilogramme de vapeur entraîne presque toujours jusqu'à un quart de son poids d'eau non vaporisée.
Ce chiffre nous parait excessif pour la plupart des chaudières fixes, mais il est certainement atteint dans la plupart des appareils tubulaires desservant des machines à grande vitesse, comme par exemple les locomotives.
MM. Vuillcmin, Guébhard et Dieudonné (De la résistance des trains) citent à l'occasion des machines locomotives, les chiffres suivants :
Pertes et entraînement d'eau, 24, 30, 31 et 59 pour 100. Il est vrai que ces chiffres calculés par la comparaison entre la consommation d'eau mesurée au tender, et le volume décrit par les pistons pendant la durée de l'admission ne sauraient offrir une grande exactitude, attendu que la pression pendant l'admission dans le cylindre diffère notablement de celle qui a lieu dans la chaudière, et qu'ainsi elle n'est pas connue. Les auteurs ajoutent qu'ils ne pensent pas qu'il y ail lieu de s'attacher à trop sécher la
368 HËGANiOUË INDUSTRIELLE.
vapeur, parce que si, d'une part, on économise le combustible, d'une autre part, on augmente l'usure des mécanismes par l'emploi de la vapeur sèche.
Quoi qu'il en soit, on doit admettre que la proportion d'eau entraînée est toujours d'au moins 5 pour 100 et qu'elle peut s'élever à 30 pour 100 du poids total de la vapeur. Dans nos machines la vapeur est toujours en présence d'un excès d'eau, elle est donc toujours saturée et sa température est déterminée uniquement par la pression*.
132. De la détente de la vapeur dans les e jllndres des maelilaes
à vapear. — Parmi les propriétés de la vapeur, il n'en est pas qui soient plus mal connues, en général, que celles qui sont relatives à la détente de la vapeur dans une enveloppe imperméable à la chaleur, ce qui est le cas des cylindres des machines à vapeur. La plupart des auteurs qui ont écrit sur cette matière ont exposé ces faits d'une manière erronée.
M. Armengaud dit à la page 78 du tome I de son Traité des moteurs à vapeur. « On admet que la vapeur suit la loi de Mariotte a (pendant la détente) comme nous l'avons dit ci-dessus et en sup- <c posant que la vapeur conserve sa température initiale pendant « qu'elle se détend. »
Or cette hypothèse de la température constante est tellement
fausse, qu'il n'est plus permis de la présenter, même pour arriver
à justifier l'application de la loi de Mariotte à la détente de la
vapeur. Nous savons, en effet, que pendant la détente de la vapeur
la température s'abaisse constamment^ car cette température n est
autre que la température de saturation correspondant à la pression
qui règne à chaque instant dans le cylindre, pression qui va en
s'abaissant pendant la détente. Nous avons vu qu'en même temps
que la pression s'abaisse et que le volume augmente, une portion
de la vapeur se condense^ que ce phénomène de condensation n'est
pas un accident, mais bien une conséquence normale des lois de
la chaleur. Nous avons enfin donné un tableau graphique des
quantités de vapeur qui se condensent pendant la détente, et une
table des volumes occupés par la vapeur pendant la détente. Les
courbes et la table nous démontrent que les condensations qui
s'opèrent pendant la détente sont à peu près proportionnelles à
rabaissement de la température. Si l'on appelle T la température au commencement de la détente, t la température à un moment donné, x^ la proportion de vapeur sèche contenue dans 1 kilo, gramme de vapeur humide au commencement de la détente, x la proportion de vapeur sèche contenue dans 1 kilogramme de va* peur humide lorsque la température est descendue à t; on a
^ = 0,50+ig^=^(147-4-i).
Cette formule sans être absolument rigoureuse est cependant suffisamment exacte pour la pratique.
On peut donc résumer de la manière suivante, les phénomènes qui se passent pendant la détente de la vapeur dans un cylindre imperméable à la chaleur.
1"* A mesure que la vapeur se détend, une portion de la vapeur se condense.
2** La vapeur reste toujours saturée.
S'^'La température s'abaisse constamment de manière à correspondre à la pression qui règne à chaque instant dans le cylindre.
4° La quantité de vapeur sèche contenue dans 1 kilogramme de vapeur du cylindre suit à peu près la loi exprimée par la formule
Nous pouvons ajouter que pendant la détente la pression ne varie pas en raison inverse du volume ainsi qu'on le croit généralement. Elle est toujours beaucoup plus faible que ne l'indiquerait l'application de cette loi.
133. Des diverses elrconstaaees qui inflaeat sur le readement.
— AppUeation. — Nous avons analysé dans le cours de ce livre les diverses circonstances qui peuvent influer sur le rendement. Nous nous bornerons ici à les résumer.
La proportion d'eau entraînée par la vapeur au moment où elle sort de la chaudière n'influe pas sensiblement sur le rendement des machines à condensation et à longue détente. Elle diminue ce rendement de 5 à 4 pour 100.
Pour les machines à vapeur sans coudensation^ la quantité d*eau entraînée est plus grande, notamment dans les locomotives, la perte de rendement peut s'élever à 9 ou 10 pour 100. Ce chiffre atteint 15 pour 100 lorsque le degré de détente de la machine est très-restreint«
Quant à la puissance de la machine, elle augmente à mesure que la proportion d'eau entraînée est plus considérable. En d'autres termes étant donné un cylindre avec un certain degré de détente, le travail mécanique produit à chaque cylindrée sera d'autant plus grand que la vapeur introduite sera plus humide, résultat qui, au premier abord, parait paradoxal. Par exemple, une locomotive sera plus puissante quand elle emploiera de la vapeur à 30 pour 100 d'eau que si elle employait de la vapefur sèche. La chaudière aura, il est vrai, plus de chaleur à transmettre dans le même temps, ce qui pourra atténuer la puissance définitive de la machine.
Les espaces nuisibles diminuent toujours le rendement d*une machine à vapeur. La perte augmente avec la détente et ^eut s'élever à 18 pour 100. Il importe de diminuer le plus possiMe le volume de ces espaces, ce qui peut se faire en établissant deux tiroirs aux deux bouts du cylindre et dans tous les cas, <hi doit faire entrer leur volume dans le calcul du travail mécanique.
En pratique, la délente réelle ne doit pas dépasser les rapports suivants :
DMBfS DB DiTBMTE PRATIQUES*
PBI88ION ttâCniBt MAOIIXBS
IKITULB. SANS OONDBNSATIOlf. A COBDBH8AT10B.
V2 6 ib
On doit s'attacher à éviter toute perte de pression de la vapeur
USA CHAUDIÈRES A VAPÈtlR. 371
à son entrée dans le cylindre. Ces dépressions dlfnlnuenf beaucoup la puissance de la machine. Elles diminuent aussi sôii rendement.
Les orifices de distribution doivent avoir d'assez larges dimensions et être démasqués très-vite lors de Fadmission ou de 1 echapjpement.
Les tuyaux de conduite de la vapeur doivent être enveloppés de matières isolantes pour éviter les condensations.*
Les cylindres doivent être également bien enveloppés de chemises imperméables à la chaleur en vue d'éviter les condensations. Quoi qu'on fasse, ces condensations existent toujours, mais on les atténue : V en purgeant avec soin les cylindres de l'eàu qu'ils peuvent contenir ; 2"^ en enveloppant les cylindres de chemises de vapeur ; S"" en donnant des conduits distincts à l'échappement et à l'admission.
Dans l'établissement de la distribution, on doit chercher à se rapprocher de la distribution théorique. Les modes en usage sont loin d'être parfaits et présentent beaucoup d'ÎBCcmvérïients. Une bonne distribution par dé larges orifices subitement démasqués est encore un problème à résoudre.
En suivant les principes que nous venons d'exposer on arrivera à établir de bonnes machines à vapeur dont le rendement sera trës-snpérieur à celui des machines ordinaires. Quant aux calculs que nécessite leur établissement, on trouversr dans le chapitre T toutes les données nécessaires, mais la table C y suppléera facilement. Nous terminerons par une application.
PfioiiLÈiK. — ^ Calculer une machine dé 50 chevaux utiles ai cylindre^ à condensation^ faisant 40 tours par minute marchaM à 5 atmosphères^ et établie dans les conditions du rendement le plus économique.
Le travail utile qu'il faut produire est de
50x75x60 vAo-i-i A.
— = 562o kuogrammètres,
par tour de volant, soit de ia moitié
pour chaque c6té du piston. ]
Nous admettrons que les mécanismes rendent 80 pour 100 du travail du piston. Le travail réel sera donc
La machine fonctionnant à 5 atmosphères, la détente réelle sera fixée au degré 12. Nous pourrons réaliser avec une bonne distribu-
tion une contre-pression égale seulement à j^ d'atmosphère. La
table C (n®. 6) nous montre qu'au degré 12 la vapeur à 5 atmosphères produit un travail de
52,000"^ environ,
par kilogramme de vapeur sèche, ayant un volume spécifique de 0,362 (table A), soit
-rr-^— ■ = 143,600 kilogrammètresy
par mètre cube de vapeur.
En réalité, la vapeur que nous emploierons ne rendra pas un
aussi grand travail à cause de Tespace nuisible. En le fixant au
^ du volume du cylindre, ou fera le raisonnement suivant :
I mètre cube de vapeur rendrait 143,600'''' et se dilaterait jusqu'au volume 12"^.
Le jQ de 12"" est 0"",40. L'espace nuisible prendra 0"%40 et
le cylindre 0"%60 pendant Tadmission. Les 0"*%40 ne produisent aucun travail de pleine pression. Il y a donc à retrancher du chifTre 143,600 (ce calcul est approximatif),
II restera
Tel sera le travail produit par mètre cube de vapeur dépensée. La consommation de vapeur par cylindrée, sera donc
12ti,900^" '"-^^^
Le volume parcouru par le piston pendant l'admission sera
0,60x0,02858 =0»S01715, et le Yolume du cylindre
0,01715xi2 = 0»s2058.
La détente apparente sera ainsi de -^ = ^ .
Le volume du cylindre pourra être réalisé par un cylindre de
l mètre de course, O^^ySlâ de diamètre.
La vitesse moyenne du piston serait ainsi de
ce qui est un chiffre admissible.
Cet exemple montre comment les calculs relatifs à rétablissement d'une machine à vapeur peuvent être faits très-rapidement au moyen de la table C, lorsqu'on n'aura pas besoin d'une grande exactitude et que, pour ce motif, on ne voudra pas recourir à l'emploi des formules exactes du chapitre V.
TABLE A
FrlaoSpalat wiUan nUtÎTet à la vapeur d'Mn à TéUt de eetamlMMi
MËGANfQOE INDUSTRIELLE.
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