X 0.52 X 0.50 = 0,0624, soit

correspondant à une consommation d'environ 1 k. 25. C'est encore une excellente machine.

Ces trois coefficients atteignent assez rarement une valeur aussi élevée ; on doit chercher à les augmenter. Perfectionnements importants apportés depuis les premières machines, par l'emploi de la haute pression et des meilleures distributions.

88. Coefneient éeononil«iae. — Il faut chercher à augmenter l'écart des températures ; avantage des hautes pressions et de la condensation.

Valeurs du coefficient économique pour diverses valeurs de t' (température de la chaudière), la température de l'échappement étant successivement t r= 40o (machines à condensation) et t = iOO<» (machines sans condensation.

Pressions kilog. par cm!

Température de la chaudière t' degré centig.

COEFFICIEST ÉCONOMIQDB 1

t = lOO»

Comme abaissement de la température t, pas de progrès depuis Watt.

Comme accroissement de t', progrès importants par l'emploi des hautes pressions. On est limité dans cette direction par la rapide augmentation de la pression de la vapeur d'eau saturée. On a tenté, parfois avec succès, l'emploi de vapeurs surchaufiFées ; difficultés pratiques. Essais d'autres fluides qui ont échoué jusqu'ici, sauf pour les petits moteurs, où ils ont donné des résultats remarquables (1).

(1) La petite machine h, gaz Otto et Langen, dans les forces de 1/2 à. 2 chevaux, ne con-

DU MODE d'action DE LA VAPEUtl DANS LES MACHINES 49

89. Utilisation de la chaleur du Iby or. — On n'utilise pas beaucoup mieux le combustible aujourd'hui que du temps de Watt ; quelques progrès dans ces dernières années, dus à une étude attentive des conditions de la combustion et de la transmission de la chaleur (Expériences de la Société Industrielle de Mulhouse, etc.). Nous reviendrons sur ce sujet à propos des chaudières.

OO. Rendement de la Maclilne proprement dite. — Progrès importants au point de vue du fonctionnement de la machine ; amélioration du jeu de la vapeur par la détente et les avances et diminution des résistances passives. Nous allons examiner cette question.

9i. Principe de rindicateur de VITatt. — Pour étudier le fonctionnement d'une machine, on se sert de rindicateur de Watt. C'est un petit piston glissant dans un cylindre qui communique avec un des fonds du cylindre de la machine ; le piston est chargé par un ressort dont les flexions sont proportionnelles à la pression dans le cylindre ; il porte un crayon qui indique ses déplacements sur un papier, celui-ci est animé d'un mouvement alternatif perpendiculaire à celui du crayon et proportionnel au mouvement du piston de la machine. La courbe fermée ainsi décrite a donc ses abscisses proportionnelles aux déplacements des pistons, ses ordonnées proportionnelles aux pressions ; elle indique les principales circonstances du jeu de la vapeur ; son aire est proportionnelle au travail moteur.

Cette courbe est un diagramme.

Wd. DIairramme d'une maclilne à vapeur. — Le diagramme d'une machine à vapeur se compose donc (Og. 9), comme il suit :

AB Admission à pression constante, A^ ^b

BE Courbe de détente,

EE* Echappement,

E'D Retour du piston contre la pression du condenseur,

DA Accroissement de la pression au commencement de l'admission.

Il diffère du cycle d'une molécule d'eau par la partie ECE', car une molécule prise, par exemple dans le condenseur (D) est refoulée dans la chaudière (DA), elle se vaporise (A B), se détend jusqu'à la pression du condenseur (BC) pour se liquéfier ensuite sous cette pression (CD). — Ce cycle diffère

somme par heure et par cheval qu'un mètre cube de gaz, correspondant comme chaleur développée à Ok. 100 de houille ; malgré des transmissions et un cycle fort défectueux, elle est, au point de vue de l'utilisation de la chaleur, supérieure aux machines à vapeur les plus puissantes et les plus perfectionnées.

Fig. 9.

Fig. 40.

(a) Travail gagné par l'augmentation de pression.

(c) Travail gagné par la condensation (6) Travail gagné par le prolongement de la détente rendu possible par la condensation.

lui-môme du cycle de Carnot, qui comporte, au lieu de la verticale DA et de la courbe de détente BC, deux adiabatiques AD*, BC. 93. Avanta^os de« liautes pressions et do la condensation. —

Les trois éléments essentiels du diagramme sont : pression à la chaudière, pression à l'échappement, degré de détente.

Soit (fig. 10) A BEE'D le diagramme d'une machine sans condensation ; E*e est la pression à l'échappement, pression de l'atmosphère.

Si on ajoute un condenseur, la f v»mmL ^ pression à l'échappement devient

He et on gagne, comme travail»

l'aire E'HKD, sans dépenser (théoriquement) plus de vapeur.

Si Ton augmente la pression de AF,on gagne comme travail Taire APGB obtenue en prolongeant, suivant BG, la courbe de détente.

La dépense de vapeur est la môme, puisque en A B le volume est le même ainsi que la pression et, par suite, le poids spécifique de la vapeur saturée.

Ces deux moyens améliorent le coefficient économique. On n'est limité, dans remploi de la condensation, que par la difficulté de se procurer de l'eau froide et, dans certains cas, par le poids des appareils.

On est limité du côté de la pression par des conditions pratiques de résistance et de construction facile.

Les- hautes pressions sont moins utiles quand il y a condensation et réciproquement.

94. De la détente. — Les détentes prolongées constituent un des perfectionnements les plus importants des machines modernes. Nous avons vu que, théoriquement, la détente donne un bénéfice net de travail obtenu sans dépense de vapeur. Il semble donc avantageux de prolonger indéfiniment la détente ; il y a une première limite, c'est le point où le travail moteur élémentaire devient plus petit que les travaux élémentaires de la pression dans le condenseur et des résistances passives. On se tient même beaucoup en deçà, comme nous le verrons plus tard.

La détente peut être poussée plus loin lorsque la pression à la chaudière s'élève (F G, fig. 10, est plus petit que A B), et lorsqu'on fait usage de la condensation (travail gagné E L L' H).

es. Des diverses causes de pertes. — Etranglements. — Pertes de eiiar^e. — Pour passer de la chaudière au cylindre, lors de Tadmis-

DU MODE D ACTION DE LA VAPEUR DANS LES MACHINES 51

sion, et du cylindre au condenseur, lors de Téchappement, la vapeur subit des perles de pression dues aux frottements, aux coudes, mais surtout aux grandes vitesses qu'elle prend dans V étranglement dû aux lumières. Si 8 est le poids spécifique de la vapeur dans ce passage, v sa vitesse, la perle de charge h aura pour mesure :

Elle est donc proportionnelle au carré de v, qui dépend lui-môme de la

section et de la vitesse du piston, ainsi que de la dimension des lumières.

Le diagramme réel est donc au-dessous du diagramme théorique A B E

(fig. il) pendant l'admission et la détente, et au-dessus pendant Técbap-

pement.

De plus, les orifices ne se démasquant que progressivement, les angles du diagramme sont tous arrondis.

Le diagramme théorique A B E C D est donc remplacé par le diagramme A* B' E' D' qui lui est inscrit, et la différence entre les aires de ces deux figures représente le tra- Fig. il.

vail perdu par le laminage de la vapeur.

La perte de travail pendant l'admission et la détente est, en partie, compensée par une diminution de la consommation de vapeur, la vapeur saturée en B', au moment de la fermeture de ladmission ayant une plus faible pression, et par conséquent, une moindre densité qu'en B. La perte de travail à Téchappement est, au contraire, sans compensation.

L'échappement se fait en deux périodes : la première E'G, dans laquelle la pression baisse brusquement ; la deuxième G D*, dans laquelle le piston pousse dans le condenseur ce qui reste de vapeur.

L'influence des pertes de charge croit avec la vitesse du piston et un peu avec la pression ; elle est plus grande avec la vapeur humide qu'avec la vapeur sèche ; elle croît rapidement quand les lumières sont trop étroites ou ne sont ouvertes qu'incomplètement, surtout à l'échappement. Ces pertes sont quelquefois considérables.

M. Pertes de chaleur. — Les pertes de chaleur dues au rayonnement sont très faibles dans les machines bien enveloppées. Si les conduites sont longues et mal couvertes, elles donnent lieu èi des condensations importantes.

Les machines bien faites et bien entretenues ne donnent pas lieu à des fuites notables.

MP. BflipttceM nuisible*. — Soit A A' (fig. iâ) le volume des espaces nuisibles. Le travail pendant la pleine pression A B ne sera pas modifié ; mais la courbe de détente sera relevée de B E' en B E ; travail perdu

A D D' A' ; travail gagné B K E' ; il y a compensation partielle, et d'autant plus complète que la détente est plus prolongée.

9S. Avances dans la distribution . — On corrige en partie les inconvénients des étranglements et des espaces nuisibles en donnant de l'avance aux diflFérentes phases de la distribution.

L'échappement (fig. i3) commençant en F au lieu de C, la pression tombe

Fig. 12.

^ trauall perdu Fig. 43.

rapidement en C*, et se maintient, pendant le retour du piston, en C D' au-dessous de G D E.

L'admission commençant un peu avant le départ du piston, les espaces nuisibles se trouvent remplis dès le commencement de la course et la pression se maintient pendant l'admission et la détente en A' B* F, audessus de A B G.

L'échappement se fermant en G avant la fin de la course rétrograde, la vapeur est comprimée derrière le piston, et les espaces nuisibles sont remplis de vapeur à plus haute pression, ce qui diminue d'autant la dépense de vapeur à faire pour les remplir: il y a, il est vrai, travail consommé par cette compression, mais il est, en grande partie, restitué pendant la détente. En outre, les avances, convenablement réglées, permettent d'atténuer les chocis aux extrémités de la course, et de corriger, en partie, les effets de la dilatation et du jeu que prennent les organes de transmission du mouvement au tiroir.

Les avances k l'admission et à l'échappement doivent être plus grandes quand les lumières sont petites, les mouvements de la machine rapides, les espaces nuisibles importants.

L'avance à l'échappement est plus grande que celle à Tadmission.

L'avance à la fermeture de l'échappement est plus grande dans les machines à condensation que dans celles sans condensation. Elle croit avec les espaces nuisibles ; elle ne doit jamais être assez forte pour que la pression dans les espaces nuisibles dépasse celle de la chaudière.

99. Poids do vapeur i>ar coup do piston. — Jusqu'ici, nous avons admis implicitement que la vapeur se comporte à peu près comme un gaz permanent. Dans cette hypothèse, le poids dépensé par coup de piston est

DU MODE D*ACTION DE LA VAPEUR DANS LES MACHINES

égal au produit du volume à Tadmission par le poids spécifique de la vapeur saturée (plus les espaces nuisibles en totalité ou en partie, et Teau en poussière).

Celle méthode de calcul, longtemps employée, donne toujours une consommation trop faible.

Exemples (Hirn) (1): Résultats d'expériences très soignées faites par M. Hirn avec le concours de MM. Leloutre et Hallauer sur des machines de grande puissance sans enveloppe de vapeur et à condensation.

Diamètre du cylindre

Course du niston

l'e HACUINE

2* MACHINB

5''155 par cent.'

O'-eos

3 ''78 par cent.*

Nombre de tours par miaute

Pression absolue à l'admission . . .

Dépenses de vapeur par coup de piston :

D'après les jaugeages directs

A défalquer : eau vésiculaire

Vapeur réelle

Vapeur calculée d'après la densité.

Ecart

Set (4.5 Vo)

107»' 42 rr

Erreur sur l'évaluation théorique.

Ainsi donc, là où le calcul théorique donne 1 k. de vapeur consommée, la consommation réelle est de 2 k. 55 dans le cas de la première machine et de i k. 43 dans le cas de la seconde. L'écart entre la consommation théorique et la consommation réelle était connu depuis longtemps des praticiens. On l'attribuait aux fuites ou à la présence d*eau vésiculaire.

lOO. Inflacnco des p&rolis c( de l'eau liquide. — L'explication est toute simple, si Ton tient compte de l'influence des parois et de l'eau qui ruisselle à leur surface, ainsi que du principe de la paroi froide.

Soit un récipient renfermant de l'eau liquide et mis alternativement en

(1) Les considérations qui suivent sont tirées en grande partie de YExposition analytique et expérimentale de 6.- A. Hirn (Gauthier- Villars, 1816), 2* vol.

Dans cet oavrage, on trouve exposée, pour la première fois, une théorie de la machine à vapeur, fondée sur des expériences précises et détaillées. — M. Hirn cite avec éloge an mémoire de M. d*Hautuille qui a paru dans le premier Bulletin de la société industrielle de Marseille et dans lequel Fauteur a défini très clairement le rôle que Joue Teau mêlée à la vapeur, au moment de la condensation.

communication avec une chaudière et avec un condenseur ; supposons d'abord les parois imperméables à la chaleur. La communication étant établie avec la chaudière, de la vapeur se condensera dans Teau du récipient, jusqu'à ce que celle-ci ait acquis la température de la chaudière. Si alors on établit la communication avec le condenseur, Teau, devenue chaude, distille dans le condenseur, jusqu'à ce que la température de Teau qui reste devienne égale à celle du condenseur. Les choses continueront ainsi et à chaque opération analogue, il passera de la chaudière au condenseur une certaine quantité de vapeur, d'autant plus importante qu'il y a plus d'eau dans le récipient (1).

Ces phénomènes se produisent avec une extrême rapidité. Les parois participeront sur une petite épaisseur, à ces échanges de chaleur. Leur influence sur les résultats de chaque opération n'est pas très considérable, elle est d'autant plus faible que les opérations se succèdent plus rapidement ; toutefois, si les parois laissent perdre de la chaleur, même en petite quantité, le résultat final sera une accumulation progressive d eau dans le récipient (voir la note) ; si, au contraire, elles sont réchauffées même légèrement par l'extérieur la quantité d*eau contenue dans le récipient ira en décroissant indéfiniment.

Les considérations ci-dessus expliquent complètement l'excédent de dépense de vapeur précédemment constaté.

iOl. Dlfléreiites manlèreiB d'être de I*eau liquide.— L'eau liquide peut se présenter sous trois formes :

i^ A l'état dépoussière ou de nuage : elle existe sous cette forme, en quantité variable, dans la vapeur prise dans la chaudière, et a pour effet d'augmenter un^peu le travail et de réduire légèrement le rendement ; elle se produit naturellement au sein de la vapeur par l'effet même de la détente et de l'échappement. Elle est entraînée dans tous les mouvements de la vapeur.

2® A iétat de rosée ou de gouttelettes adhérant aux parois du cylindre ; une petite quantité de cette rosée suffit pour amener de grandes condensations à l'admission.

(1) En réalité, la quantité d*eau emmagasinée dans le récipient diminue un peu à chaque opération : chaque gramme de vapeur envoyé au condenseur emporte avec lai sa chaleur de vaporisation : chaque gramme de vapeur envoyé de la chaudière au récipient lui cède, non seulement sa chaleur de vaporisation (ce qui donnerait Teau résultant de la condensation à la température de la chaudière), mais encore la chaleur due à Técart entre la température de la chaudière et celle de l'eau du récipient ; pour compenser la différence, il faut qu'il y ait plus d'eau envoyée au condenseur que d'eau empruntée à la chaudière. L'écart est très faible : prenons la chaudière à 150», le condenseur à 40% il serait de 5 0/0 de l'eau contenue dans le récipient, pour peu qu'il y ait rerroidissement intérieur, il y a accumulation progressive et indéfinie d'eau dans le récipient : elle dimi* nuerait, au contraire, s'U y avait réchauffement à travers les parois.

DU MODE d'action DE LA VAPEUR DANS LES MACHINES 65

Exemple: machine calculée par Zeuner ;

\ diam 0"55

Piston < . ^^

f course 1.06

\ à la chaudière. F . . 4»» 5

Pressions { , , .

/ au condenseur. . . O^il

Délente au 1/6, d'où, volume à l'admission. . . . 49 litres

Espaces nuisibles évalués 15 »

Volume offert à la vapeur 64"litres

Une couche de rosée de 1/2 millimètre d'épaisseur moyenne suffirait pour condenser à l'admission 35 litres de vapeur.

Dès les premiers coups de piston, il y a condensation, sous forme de rosée, sur les parois, naturellement froides, ou précédemment refroidies par le contact de la vapeur détendue ; cette rosée joue le même rôle que Teau du récipient du paragraphe précédent.

3^ Si par suite des circonstances étudiées plus haut, la rosée vient à s'accroître, Teau finit par se réunir en masses dans les points bas du cylindre ; les résultats, au point de vue du rendement, sont désastreux ; de plus, ce liquide incompressible peut donner lieu à des coups d'eau et causer la rupture du cylindre ou d'autres organes. On pare aux coups d'eau par des soupapes de sûreté sur les cylindres et divers systèmes de purgeurs placés aux points bas (robinets de purge, purge automatique par l'échappement, tiroirs de purge, etc.).

lOfi^. KMÊéim de la préftence <le l'eau dans le cylindre. — La présence, dans le cylindre, d'eau à l'état de rosée ou en masses a deux effets principaux.

En premier lieu, la dépense de vapeur se trouve augmentée, ainsi qu'on Ta vu ci-dessus.

En second lieu, une partie de cette eau se réduit en vapeur pendant la détente : la courbe de détente se trouve donc plus élevée que si les parois restaient sèches et, par conséquent, le travail est augmenté.

Analogie avec les effets des espaces nuisibles.

103. De la courbe de détente. — La condensation à l'admission est plus intense dans les machines à condensation ; elle croit dans une certaine mesure avec la pression. Lorsque la détente est très prolongée et, par conséquent, l'admission faible, la surface condensante à l'admission est grande relativement au volume de vapeur, et la condensation augmente. Elle est généralement plus faible dans les machines à grande vitesse, parce qu'une épaisseur moindre des parois intervient, à chaque révolution, comme masse condensante ; en outre, une partie de l'eau liquide est entraînée mécaniquement par les courants rapides de vapeur.

Influences de la conductibilité et de l'épaisseur des parois, de la nature du revêtement extérieur, etc.

Pendant la détente, à mesure que le piston s'avance, il découvre de nouvelles parois froides et humides, et il se produit une distillation partielle dans le cylindre même, laquelle tend à abaisser la courbe des pressions ; celle-ci est donc fonction à la fois de la quantité d*eau liquide et des diverses circonstances qui peuvent influer sur les condensations intérieures.

Ces circonstances sont trop variées pour être accessibles au calcul.

Les praticiens ont Thabitude de calculer la courbe de détente en admettant que les pressions p sont en raison inverse des volumes occupés {Loi de Mariotte),

Formule de la pratique : p v = const.

La plupart des auteurs qui ont tenté d'appliquer la théorie mécanique de la chaleur admettent que ladétente estadiabatique ; danscette hypothèse, les pressions sont données par la formule de Zeuner ;

p v" 1= const = PiVi"* m =: 1,035 + 0,1 Xj (xj, poids de vapeur par kilogramme de mélange d'eau et de vapeur à l'origine de la détente ; v^ volume et p| pression à l'admission).

Cette formule donne une courbe de détente plus basse que celle résultant de la loi de Mariotte. Les courbes relevées à l'indicateur sont, sauf cas tout à fait exceptionnels, toujours au-dessus de celle de la loi de Mariotte. Les circonstances qui tendent à relever la courbe de détente sont celles qui favorisent la condensation pendant l'admission et atténuent la distillation pendant la détente. En adoptant la loi de Mariotte, on est sûr d'évaluer le travail un peu trop bas, ce qui n'offre généralement pas d'inconvénient dans la pratique.

104. Bniroloppois do vapeur.— Watt disposait autour de ses cylindres une enveloppe, et faisait circuler entre cette enveloppe et les parois extérieures du cylindre la vapeur de la chaudière. L'enveloppe était elle-même entourée de corps isolants.

Cette dispositioa a été fort discutée. On a dit que la surface rayonnante est plus grande que lorsque le cylindre est simplement protégé par une couche non conductrice :

L'efficacité de l'enveloppe a été mise hors de doute par des expériences précises.

Exemple: Expériences de M. Hirn sur deux machines identiques comme dimensions et dispositions, Tune avec enveloppe de Watt, l'autre sans enveloppe de vapeur :

Dimensions des deux machines :

^. . ( diamètre 0^51

Piston

I course 1 06

Nombre de tours 55

DD MODE D ACTION DB I.A VAPEUR DANS LES MACHINES