Il« l'air eomprimé employé eomme moteur des machines
lie pereement du mont Cenis. — Daus CCS demières années, il a été beaucoup question d'employer Fair comprimé comme moteur à la place de la vapeur. 11 est, en effet, diverses circonstances où la vapeur présente de graves inconvénients. Au fond des mines, par exemple, l'échappement de la vapeur est impossible. Cette question ne laissait pas de présenter certaines difficultés pratiques. Il était
établi, en effet, par des expériences faites il y a un certain nombre d* années, que les déperditions d'air atmosphérique à travers les joints atteignent des proportions considérables. On avait aussi reconnu que lorsqu'on pousse trop loin la détente de Tair comprimé, la température s'abaisse au point de réduire à Tétat de petits glaçons les parcelles de vapeur d*eau qu'il contient en plus ou moins grande quantité. Ces résultats constatés sur des machines locomotives à air comprimé où Ton avait poussé la pression jusqu'à 30 atmosphères, n'ont rien que de très-admissible, l'abaissement de la température étant, comme nous le savons, une fonction des' pressions initiale et finale, et devenant très-considérable, lorsque ces pressions diffèrent notablement (page 29).
Les choses en étaient là, lorsque le percement du mont Cenis vint donner à cette question une nouvelle importance, en démontrant que Pair comprimé pouvait être transporté par des tuyaux de conduite à de très-grandes distances sans perte sensible de pression, et actionner après ce parcours des machines motrices semblables aux machines à vapeur ordinaires. Au tunnel des Alpes, le problème posé élait celui-ci : Conduire au fond d'une galerie dont la longueur pourrait s'étendre jusqu'à 7 kilomètres et s'élevant sur ce parcours de 136 mètres, une force motrice destinée à mettre en mouvement les machines perforatrices des trous de mine. A ce problème s'en joignait un autre. Aérer rapidement l'extrémité de la galerie, lorsque son atmosphère est viciée par les gaz provenant de Texplosion des mines.
Les ingénieurs italiens, MM. Sommelier, Grandis et Grattoni ont résolu ce double problème de la manière la plus heureuse. Ils ont installé à l'entrée du tunnel des machines hydrauliques mues par la chute des torrents voisins etdestinéesà comprimer de l'air dans un réservoir à une pression moyenne de 5 à 6 atmosphères. Dans son passage à travers ces appareils, l'air était constamment en contact avec de l'eau froide, qui, absorbant la chaleur développée par la compression, maintenait constante la température de Pair et le conservait à l'état frais. L'air comprimé était envoyé au fond de la galerie par une conduite générale en fonte de 0'",20 de diamètre, composée de bouts de tuyaux raccordés entre eux par des joints à bride a, a (fig. 46) avec cordelettes 6, b en caoutchouc.
Fig. 46.
Moyennant cette précaution, Tair ne fuyait pas, et relficacilé de ce procédé est telle que la conduite mise en pression et fermée ne
perdait, au bout de 12 heures, que 2 dixièmes d'atmosphère. A rextrémitë du tunnel, Tair comprimé mettait en mouvement les machines perforatrices et se dégageait ensuite dans la galerie dont il renouvelait l'atmosphère.
A la suiie des explosions de mines, on lâchait de Tair pendant un certain temps pour chasser les gaz de la poudre.
L'expérience a démontré, au mont Genis :
l"" Qu'il était possible de comprimer de Tair à 6 ou 7 atmosphères et de le maintenir frais en le mettant en contact pendant la compression avec un matelas d'eau ;
2"" Qu'il était possible de le transmettre à de grandes distances, 6 ou 7 kilomètres, sans perte sensible.
Ces résultats sont fort importants, et peut-être contiennent-ils en germe la solution d*un problème qui se pose aujourd'hui, celui de la distribution de la force motrice à domicile dans les villes.
90. Des dlwem moyens de dliitriliaer la forée niotriee A dooilHle dans les TlUes. — Emploi de Talr eomprimé. — Ce problème a
déjà reçu deux solutions, mais aucune n'est entrée complètement
dans la pratique industrielle.
D'une part, on a proposé d'employer des moteurs hydrauliques mus par l'eau des tuyaux de conduite. Mais le champ d'applications de ce moyen est nécessairement fort limité. Il est peu de villes qui disposent d'une assez large distribution d'eau pour qu'on puisse en détourner une notable portion de sa destination normale et l'employer à des usages purement industriels. D*un autre côté, la charge de l'eau dans les conduites n'est pas très-élevée en général.
Le second moyen consiste dans l'emploi du gaz d'éclairage, et nous avons déjà parlé du moteur Lenoir qui fonctionne d*après ce principe. Malgré de très-réels perfectionnements apportés au moteur à gaz, il ne laisse pas de présenter de sérieux inconvénients. Sa puissance est en outre très-limitée.
On n'entrevoit, au contraire, a priori, aucune objection sérieuse à faire au système de distribution de la force par Tair comprimé. Toutefois reffet mécanique d'un pareil système n'a jamais été calculé et est généralement mal apprécié. Il importe de s'en faire une idée exacte.
Du moment où Ton emploie de Tair comprimé et froid dans une machine, il n'est pas possible d'abaisser sensiblement sa température, sous peine de déterminer un refroidissement excessif dans le cylindre et par suite la congélation de la vapeur d'eau entraînée par l'air et celle des huiles employées au graissage. Il est donc impossible de faire détendre l'air comprimé froid dans les machines qui l'emploient à cet état (page 187).
On sait, en effet, que la température t d'un gaz qui d'abord à T et à la pression P, se détend à la pression p en produisant un travail mécanique, est donnée par l'équation (33) :
jt-i
«-HT \p)
En faisant T = 15" et - = 2, 4, 6, 8, 10, 20, 30, on trouve les résultats suivants :
AB&BSEHBHTS DB TEMPéRATURE CAUSÉS PAR LA DÂTSNTB QUAND L*AIR GOMPRIlfé ENTRE DANS LE CTLDIDRB A LA TEMpAraTURB DB 15*.
RAPH>RT
TAuros
Di u TrapÊBATimK rm*u ( ipitit LÀ DCmm.
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Ainsi, les refroidissements causés parla détente de l'air comprimé, dans une enveloppe supposée imperméable à la chaleur, sont considérables et ils pourraient amener la congélation de toutes les
^5 i MÉCANIQUE INDUSTRIELLE.
matières connues. Diverses machines puissantes à fabriquer la glace, notamment celle de M. Windhausen de Brunswick, mettent à profit cette propriété.
En réalité, comme les enveloppes ne sont jamais absolument imperméables à la chaleur, il est probable qu'on peut sans incon» vénient donner à l'air comprimé à froid une légère détente, mais l'expérience seule peut en indiquer les limites, et cette limite sera certainement très*restreinte. La détente sera d'autant plus facile :
1** Que Tair comprimé sera à une température plus élevée ;
2^ Que la surface du cylindre sera plus grande.
L'accroissement de surface du cylindre favorisera l'échange de chaleur entre l'atmosphère et l'air qui se détend. Les cylindres à air comprimé doivent donc remplir des conditions absolument contraires à celles qu'on exige des cylindres à vapeur. Tandis que ces derniers doivent avoir le minimum de surface possible, les pre* miers doivent, au contraire, présenter la plus grande surface possible. Dans les machines à petite vitesse on les fera très-allongés. Dans les machines à grande vitesse on les fera très-courts.
Considérons une pompe de compression d'air analogue à celle du mont Cenis, c'est-à*dire dans laquelle la quantité de chaleur développée par la compression est absorbée par Feau qui baigne les pistons; le travail nécessaire pour comprimer un kilogramme d'air delà pression p à la pression?, l'air étant maintenu à la température t, a pour expression (équation 25) :
^=R(a+01egnep (-\ (139)
Une fois l'air comprimé, il est envoyé dans les conduites et utilisé comme moteur dans des machines diverses. Mais nous avons fait remarquer qu'on ne pouvait guère utiliser que la pleine pression. Le travail utilisable sera donc
expression dans laquelle (équation 19)
PV=R(a-|-0.
On peut donc l'écrire pour le travail utilisé ^ :
Le rapport ^ nous donnera Tu tilisation Ihéori: |ue de Tair comprimé :
log nep - P
Ce coefficient a les valeurs suivantes :
dO 0,40
Ce tableau démonlre qu'au point de vue du rendement, il n'y aurait pas intérêt à marcher à une pression élevée. D'un aulre côté, les tuyaux de conduite doivent être d'autant plus gros que la pression esl plus basse. Il y aura dans chaque cas une pression qui, au point de vue pratique, donnera le meilleur résultat. Bile sera probablement aux environs de 5 ou 6 atmosphères, chiffre adopté au mont Cenis.
Si nous voulons comparer la dépense de combustible qu'occasionnerait un pareil système avec celle que nécessiterait remploi de petites machines à vapeur isolées, nous supposerons une grande usine centrale dans laquelle seraient installés les appareils de compression de l'air actionnés par des machines à vapeur de grande puissance. On peut aujourd'hui établir ces machines à vapeur de manière qu'elles ne consomment que 1 kilogramme de houille par cheval effectif et par heure.
Les pompes de compression utiliseraient environ 75 pour 100 de la force effective qui leur est transmise.
Les tuyaux de conduite supposés de 6 kilomètres au maximum pourraient perdre 5 pour 100 de la pression de Tair à l'origine
23G MÉGANIQUE INDUSTRIELLE.
(au mont Cenis la perte était bien moindre). Le mécanisme des machines motrices diverses utiliserait 60 pour 100 du travail de Tair dans les cylindres.
Enfin ce travail à peu près réduit à la pleine pression, c est-àdire sans détente, ne serait lui-même que les 50 centièmes du travail que produirait Tair comprimé s'il était possible de le détendre jusqu'à la pression atmosphérique.
Le rendement total du système par rapport à celui de la machine
à vapeur de l'usine centrale, serait donc
On peut dire que la consommation de houille par heure et par force de cheval, servie à domicile, serait
* , soit 4'^"««,67
Il est peu de petites machines qui ne consomment davantage. Par conséquent, le système de distribution de la force à domicile au moyen de l'air comprimé et froid ne coûterait pas plus cher que l'emploi des machines à vapeur. Il présenterait incontestablement des avantages au point de vue de la sécurité, de la salubrité et du danger des incendies.
Nous avons souvent, depuis plusieurs années, contribué à soutenir cette idée, et nous sommes heureux de la développer ici plus complètement et Surtout plus scientifiquement. Il y a là une question dont l'industrie doit se préoccuper dès maintenant, car les moteurs animés disparaissent tous les jours, les villes s'agrandissent et deviennent de va3tes usines, et il est de plus en plus nécessaire de disposer de moteurs salubres et d*uhe installation facile. L'air comprimé nous semble appelé à résoudre le problème de la distribution de la force motrice à domicile dans les villes.
91. Dm lofNMBotives A air compr é. — L'idée de créer des machines locomotives portant un réservoir d'air comprimé destiné à agir dans les cylindres, n'est pas nouvelle. Nous l'avons déjà dit, des expériences avaient été tentées il y a quelques années, et n*avaient pas réussi. Les machines locomotives sur lesquelles on avait opéré devaient être à grande puissance et on avait cru devoir porter
la pression à 50 atmosphères. Dans le courant de Tannée 1872, l'auteur de ce livre [en collaboration avec M. Louis Lemoine (de Bordeaux)], a repris cette idée, mais en proGtant de l'expérience du mont Cenis, c'est-à-dire que la pression ne devait pas s'élever au delà de 6 ou 7 atmosjphères, et que l'air ne devait agir dans les cylindres qu'à pleine pression ou avec une (rés-faible détente {*).
Les locomotives que comportait le projet étaient destinées à remorquer des trains très-légers, composés de 2 ou 3 voituresomnibus à des vitesses maxima de 36 kilomètres à l'heure.
La voie aérienne ou viaduc métallique était placée à 5 mètres au-dessus du sol. Un tuyau de conduite devait être établi sous le trottoir au pied de la voie, et chaque station devait être munie d'un appareil de prise d air analogue aux prises d'eau des stations de chemins de fer ordinaires.
Le fonctionnement de ce système soulève plusieurs problèmes qu'il est intéressant d'examiner.
Soit une machine locomotive portant un réservoir d'air comprimé d'un volume V, à [a pression P quand il est plein, et remorquant un train d'un poids ^ et dont le coefficient de résistance est k kilog. par tonne.
La résistance du train en palier a pour valeur
kir,
sur une rampe de a millimètres, la résistance s'augmentera de
