Des eondensatioiis de la sapeur dans les ejUadreii

La théorie des machines à vapeur suppose les enveloppes imper-

LES MACeiNES A VAPEUR. 121

meubles à la chaleur, hypothèse tout à fait inexacte, puisque les cylindres sont généralement construits en fonte, c'est-à-dire qu'ils sont très-bons conducteurs de la chaleur. Cette circonstance apporte une perturbation importante dans les phénomènes qui se passent à l'intérieur des cylindres.

Considérons un cylindre pendant le retour du piston, c'est-à-dire pendant la communication avec le condenseur. La vapeur qui le remplit est saturée, elle est à la température du condenseur.

Les parois du cylindre qui en raison de leur conductibilité se mettent facilement en équilibre de température avec la vapeur sont à la même température qu'elle. On intercepte l'échappement, la distribution commence. La vapeur chaude se précipite dans le cylindre. Elle trouve des parois froides à la température du condenseur. Au contact de ces parois, une partie de la vapeur se condense et se dépose sous forme de brume très-ténue. A mesure que de nouvelles parties du cylindre sont découvertes par la marche du piston, le même phénomène de condensation se reproduit. Quand l'introduction cesse, la détente commence, la température de la vapeur s'abaisse en même temps que la pression, la brume provenant de la condensation s'évapore en partie et la porlion des parois qui en est voisine se met en équilibre de température avec la vapeur du cylindre, pendant que des condensations se produisent sur les parois du cylindre nouvellement découvertes. Enfin Téchappement commence, la température de toute la masse de vapeur s'abaisse au niveau de celle du condenseur, et à la fin de l'échappement, le cylindre est dans une situation identique à celle où nous l'avons prise au commencement. S'il ne laisse pas perdre de la chaleur extérieurement à ses parois, chose que nous admettrons, il a dû restituer toute la chaleur qui lui avait été cédée par la vapeur condensée, et nécessairement cette vapeur s'est reformée. Les parois sont donc sèches.

Il est aisé de comprendre cependant que toute la vapeur représentée par Teau condensée s'est introduite dans le cylindre fresque en pure perte ; nous disons presque, parce qu'en réalité celte eau s'est évaporée pendant la détente et a augmenté la pression de la vapeur, de sorte que si le diagramme du travail mécanique avait été ABCDEF (fig. 15), abstraction faite de l'eau condensée, il sera

en réalité ABGD'EF, à cause de Tévaporation successive des parties

y j, d'eau condensées sur les

^^^ parois.

\NsP' Quelques chiffres donne-

^ \;\^^ ronl Tordre de grandeur

^"'^P que pourrait atteindre la

■ f condensation sur les parois.

'" — Considérons un cylindre

^'^' ^^' en fonte de 0'»,50 de diamè-

tre à parois de 20 millimètres d'épaisseur. Supposons que dans

ce cylindre on introduise de la vapeur à 152 degrés, c'est-à-dire

à 5 atmosphères pendant le = de la course supposée de 0°,90. Le

condenseur est à la pression de rj: d'atmosphère, soit à 46 degrés. La surface des parois qui sera découverte pendant la pleine pression, sera :

j X pÔ' -h îtX 0,50x0,30 = 0»*,667.

Le poids de la fonte qui correspond à cette surface a pour valeur:

0,667 X 0,02 X 7200» = 96 kil.

La chaleur spécifuiue de la fonle étant O^jlS, l'abaissement de température de la paroi de 152** à 46% soit de 106° correspond à une quantité de chaleur de

0, 1 3 X 1 06 X 96 kil . = 1 522 calories.

Le poids de vapeur condensée nécessaire pour fournir celte chaleur sera de

Le poids de vapeur introduit à chaque cylindrée est de

jXÔ;5Ô'x0,50x2%75 = 0M62.

Ce simple aperçu n'a d'autre but que de montrer quelle consommation énorme de vapeur il y aurait dans les cylindres, si les parois étaient parfaitement bonnes conductrices de la chaleur.

LES MACHINES k VAPEUR. 125

En fait, la conductibilité du métal n*esl pas aussi grande que cela, et les échanges de température se font lentement, mais il est constant que les condensations sur les parois sont souvent très-importantes.

Elles le deviennent surtout lorsque le cylindre contient à Vavance une certaine quantité d'eau condensée, mais ce phénomène a lieu même avec des parois imperméables.

Soit q le poids d'eau contenue dans le cylindre ;

t^ la température de cette eau qui est celle de la vapeur

aftluente ; 6 la température du condenseur ; X la chaleur totale de la vapeur d'eau.

Pendant que le cylindre communique avec le condenseur, la masse d'eau q s'évapore en partie, soit x la proportion d'eau qui s'évapore. Si nous supposons les parois imperméables à la chaleur, la chaleur totale de Tévaporation sera empruntée au liquide restant. Le poids de ce liquide sera (q — x), il aura la température du condenseur. On aura donc à peu près

d*où l'on tire :

Aussitôt que l'introduction de la vapeur commence, le cylindre contient un poids d'eau {q — x) à la température du condenseur. Celte eau va se mettre en équilibre de température avec la vapeur afiluente, par conséquent, elle condensera un poids de vapeur y donné par l'équation :

{q — x)e-+'ly = (ç— a:-f-y)io»

équation d'où l'on tire :

y={q-^r)hz:l. (96)

Mais de Téquation (87) on déduit :

Par conséquent :

La présence d'une certaine quantité d'eau dans le cylindre entraine donc comme conséquence la condensation d'une certaine masse de vapeur à chaque coup de piston, laquelle passe de la chaudière au condenseur à peu près sans produire de travail mécanique.

L'équation (95) en donne la valeur. Par exemple pour t^= 152®, 6=:46^ on aura : X = 651.

La condensation atteindrait 16 pour 100 du poids d'eau existant dans le cylindre à Pétat permanent.

Dans le raisonnement qui précède, nous avons considéré les parois comme imperméables à la chaleur. En réalité, elles ne le sont pas, et la proportion d'eau successivement condensée et évaporée dépasse par cela même celle indiquée parla formule (87). Il y a donc le plus grand intérêt à purger les cylindres de l'eau qui a pu s'y déposer. On ne saurait attacher trop d'importance à cette opération. Chaque cylindre doit être muni de deux robinets ou soupapes de purge placés au point bas. Sous ce rapport les cylindres verticaux offrent certaines difficultés.

Le graissage des parois a aussi une grande importance. Il rend les surfaces moins bonnes conductrices delà chaleur en les recouvrant d'une sorte de glacis onctueux, et c'est à cette circonstance beaucoup plus qu'à la diminution du frottement qu'il faut attribuer les effets économiques du graissage des cylindres. II serait à désirer qu'on possédât un bon moyen de graissage pour ces surfaces, par exemple, qu'on pût Peffecluer au moyen d'orifices percés sur les surfaces frottantes du piston lui*-mème, qui serait ainsi transformé en réservoir à huile.

D'après ce qui précède, on comprend toute Pimportance qu'il y aurait à réaliser l'imperméabilité des parois des cylindres. On y parvient en partie en enveloppant les parois de corps isolants. On arrête ainsi toute déperdition de chaleur dans Pair extérieur, mais on n'empêche pas la paroi métallique de s'échauffer lors de Pin-

LES MACBINES A VA.PEDR. l'a

troduction, desererroidir lors de la communication au condenseur, el par suite d'amener en plus ou moins grande quantité les condensations dont nous avons démontré l'existence, condensations qui nuisent au rendement.

Revenons à notre première analyse. Supposons qu'il n'esisle aucune partie liquide dans le cylindre au moment de l'inlroductîon. Des condensations s'opéreront au contact des parois métalliques. A mesure que la détente se prolongera, de nouvelles condensations s'opéreront, mais en moindre quantité, pendant que l'eau d'abord condensée dans la première partie du cylindre s'évaporera peu à peu. Si l'on pousse la détente jusqu'à ce que la pression s'abaisse au niveau de celle du condenseur, ta température de la masse de vapeur s'abaissera également au niveau de celle du condenseur. Les parois métalliques seront à cette même température, et elles auront restitué foute la chaleur qui leur avait été fournie pendant l'introduction et la première partie de la détente. L'eau qui les recouvrait se sera par suite évaporée, les parois seront sèches. Nous aurons donc une masse de vapeur plus ou moins humide qui aura produit un certain travail.

Soit P le cylindre (fig. 16) et Â6CDEF le diagramme de la distribution.

Pendant que le piston a parcouru l'espace ÂB correspondant à la pleine pression, la paroi ABA'B' a condensé une cer- ^*' **' taine quantité de vapeur. Cette vapeur a abandonné sa chaleur de vaporisation à la paroi, et elle s'est transformée en eau à la température de la vapeur qui afflue dans le cylindre.

Boit M la masse de vapeur non condensée ABA'B' ; H, ta masse de vapeur qui s'est condensée.

Il est clair que la première a seule produit de A en B du travail mécanique.

Maintenant la détente commence, la température de la masse M s'abaisse un peu, par conséquent une partie de la masse H, s'évapore, mais aussi unepartiede la masse Mse condense surles parois nouvellement découvertes.

126 NËCANIQUE INDUSTRIELLE.

Si l'on suppose que les parois cylindriques se mettent inan^diament en équilibre de tempéralure avec la vapeur du cylindre, au moins sur une certaine prorondeur, la masse d'eau condensée se répartira uniformément sur toute la paroi du cylindre qui est découverte. Elle sera représentée par la ^ i ligne ab (fig. 17) à la fin de la pleine

''^ ' ■ ' pression, par la ligne a'b', lorsque le

piston sera arrivé en M, de sorte que la surface des rectangles AabC, ka'b'H représente le poids de l'eau condeasée à ces deux instants. Seulement, tandis que l'eau condensée AafrB est à la température de la vapeur affluenle, l'eau Ao'm'M est à une température plus basse, qui résulte de la détente déjà effectuée lorsque te piston est en M. La paroi joue donc le double râle d'un condenseur et d'une chaudière, l'amont représentant la chaudière, et l'aval le condenseur.

Analysons te phénomène de plus près. Prenons le piston en B au commencement de la détente et voyons ce qui va se passer. Il parcourt un espace inlîiiiment petit dy, pendant ce temps, une masse infiniment petite dM s'évapore à la température t„ une autre masse infiniment petite (dM,) se condense sur la paroi dy qui vient d'être découverte. La température a baissé de d(„. Il reste donc à l'élat de vapeur une masse

M+dM — (dMJ,

et la température finale est („ — dt^.

Le piston parcourt un nouvel espace infiniment petit dy, une nouvelle quantité {dM) s'évapore, à la température (t„ — rf(„) et une autre (rfM,) se condense à celte même température.

... Â un instant quelconque, il existe une masse gazeuse

h r(dM)— r(<M,

à la température t, composée de la masse initiale M augmentée de petites masses / (dM) qui se sont évaporées à des températures

i^^ t„ — dt^y t^ — 2dt^j ^. etc., successivement décroissantes

et diminuées des petites masses / (dMJ qui se sont condensées à C€S mêmes températures successivement décroissantes. Cependant ces dernières masses finiront toujours par s'évaporer, et lorsque l'on arrive à la fin de la détente, on a une masse totale (M -f-MJ de vapeur dont il nous est impossible de calculer le degré d'humiditéy parce qu'il faudrait pour cela approfondir l'analyse précédente, ce qui serait extrêmement compliqué. Nous en avons assez dit pour faire comprendre néanmoins que la masse de vapeur s'aug* mente sans cesse de fractions de vapeur formées à des températures plus basses que celles de la chaudière, par conséquent le rendement sera inférieur à ce r|u'il serait si ces fractions de vapeur s'étaient formées à la température de la chaudière. Donc les condensations nuisent au rendement même quand la détente est poussée jusqu'à sa limite théorique.

Telle est la conclusion à laquelle nous voulions arriver.

Lorsque la détente est incomplète, la perte de rendement qui résulte des condensations est encore bien plus considérable, et elle Test d'autant plus que la détente est moins prolongée.

Le seul moyen pratique de diminuer les condensations consiste à revêtir les parois d'enveloppes isolantes et à donner des conduits séparés àTadmission et à Téchappemcnt. Il en résulte une complication dans la construction, mais le résultat de cette disposition serait très-utile surtout dans les machines qui doivent réaliser une marche économique.

65. Des enveloppe* de ehalenr et des ehemives de vapeur. — Ne

pouvant rendre les enveloppes imperméables à la chaleur, on a songé à les maintenir à une température constante, soit celle de la chaudière, soit une température plus élevée. On a entouré les cylindres d'espaces vides dans lesquels on a fait circuler les gaz perdus des foyers. Mais la température de ces gaz est très-irrégu* lière et il arrivait fréquemment que les parois s'échauffaient au point de brûler les huiles et les garnitures. On a dû renoncer à ce procédé» et maintenant on se borne à faire circuler de la vapeur de la chaudière dans une chemise libre autour du cylindre. De cette manière, on entretient les parois à une température constante^ et on évite les condensations. Ce résultat ne peut être obtenu, il est

1 28 MÉCANIQUE USDUSTRIELLE.

vrai, sans dépense. La vapeur qui circule dans Tenveloppe se condense partiellement lorsque les parois du cylindre communiquent avec le condenseur, mais la pratique démontre que la perte qui résulte de ces condensations est bien loin d atteindre la proportion de celle qui résulte des condensations sur les parois intérieures.

Cette conclusion est mise hors de doute par l'expérience acquise de tous les constructeurs, aussi ne nous étendrons-nous pas davantage sur l'analyse théorique de ces sortes de phénomènes qui sont de leur nature très-compliqués et pour l'étude desquels la science ne peut encore émetire que des appréciations. Nous ajouterons seulement que la pratique de certains constructeurs qui consiste à employer dans les cylindres la vapeur qui vient des enveloppes est très-mauvaise. Cette vapeur est chargée d'eau de condensation. Il vaut mieux puiser directement la vapeur à la cliaudière, et renouveler la vapeur des enveloppes au fur cl à mesure quV'lle se condense.

66. Imperfection de la dUbribaiioii. — Dans le cours de ce chapitre, nous avons toujours supposé que la pression de la vapeur s'établit instantanément dans le cylindre en raison de l'ouverture des orifices de distribution. D'après cela, le diagramme du travail serait un trapèze curviligne ABCDE (fig. 18) à angles vifs. En réa-

Fig. 18.

lité, le diagramme réalisé en pratique a ses angles arrondis; en e^ parce que la pression de la chaudière ne s'établit que peu à peu dans le cylindre; en d, parce que, à mesure que Torifice de distribution se ferme, la pression au cylindre devient moindre que la pression à la chaudière; en c, parce que l'échappement commence avant que le piston soit arrivé au fond de sa course; en 6, parce que la pression au condenseur ne s'établit pas immédiatement dans le cylindre, l'orifice d'échappement n'étant encore que peu ouvert; en a, parce que la distribution se fait aussi avec une avance. Enfin

LKS MâGUINëS à vapeur. 129

la pression monte de /* en a, à cause de la période de compres* sion*

En définitive, une partie de la vapeur entre dans le cylindre à une pression moindre que la pression de la chaudière, et une partie s'en échappe à une pression supérieure à la pression du condenseur. Nous savons que ce sont là des causes de perte de rendement.

Les systèmes de distribution par tiroirs sont loin de réaliser le mode de distribution prévu par la théorie. Les coulisses notamment, qui ont rendu de si grands services pratiques, sont au point de vue théorique essentiellement vicieuses, surtout quand on les utilise pour la détente variable.

On peut dire que la distribution rationnelle et pratique ù la fois de la vapeur dans les machines est un problème qui n'est pas résolu.

67. coneiiMioiui. — Les lois théoriques du travail de la vapeur subissent, ainsi qu on a pu en juger, dans la pratique, des modifications importantes résultant de ce que les hypothèses qui servent de base à la théorie ne sont pas parfaitement réalisées dans les machines. 11 est bien difficile de tenir compte de ces perturbations. Mous sommes donc obligés d'employer pour le calcul du rendement des machines un coefficient de correction ou coefficient de rendement qui dépenl de Tespèce de la machine, de son plus ou moins de perfection, enfin de mille causes qu'il est impossible d'examiner en détail et dont on enveloppe l'influence dans un seul chiffre. Les phénomènes qui se passent dans la machine à vapeur sont en définitive très- compliqués.

Les coefficients de rendement actuellement admis sont basés sur l'emploi de la formule usuelle. Il est bien à désirer qu'au fur et à mesure que de nouvelles expériences seront faites, on calcule le rendement par les nouvelles formules théoriques, c'est-à-dire par la formule (80). On pourra ainsi faire de nouveaux coenicients de rendement, et Ton s'apercevra peut-être ainsi que la loi de leur formation est plus simple qu'on ne l'avait pensé. Nous recommandons cette étude aux ingénieurs et aux constructeurs.

En terminant ce chapitre, nous énoncerons les règles pratiques qu'on doit toujours avoir en vue dans l'établissement des machines

à vapeur. Introdmre dans le cylindre la vapeur saturée la plus sèche possible et à la plus haute température possible^ la détendre dans une enveloppe imperméable à la chaleur y de manière à la restituer la plus humide possible et à la température la plus basse possible. Éviter les

espaces nuisibles y les dépressions lors de la distribution^ et les excès de pression à Véchappement.