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DENSITÉ DE LA VAPEUR D'EAU. 01

DENSITÉ DE LA VAPEUR D'EAU

La connaissance de la densité des vapeurs d'eau saturées, dans le vide et à diverses pressions el températures, n'est point acquise aujourd'hui avec le degré de précision qu'exige son importance capitale dans la théorie des machines à vapeur. On sest généralement contenté, jusqu'à présent, d'une évaluation théorique basée sur Tapplicatioo des lois de Mariotte et de Gay-Lussac et sur quelques déterminalions expérimentales de cette densité aux environs de 100**, et l'on a cru pouvoir admettre, comme conséquence de ces données d'expériences, qu'elle était constamment égale aux cinq huitièmes de celle de l'air sec à la même tension et è la même température. Cela supposait nécessairement que la vapeur saturée et l'air sec se dilataient exactement suivant la même loi dans toute l'étendue de l'échelle thermométrique et que la loi de Mariotte était applicable aux vapeurs dans le voisinage de leur point de condensation, pourvu qu'elles ne fussent pas amenées à une tension supérieure à celle qui correspond à leur température. Or, nous avons vu précédemment combien les écarts observés sur différents gaz au sujet de ces lois rendaient indispensable une vérification directe de la légitimité de leur application aux vapeurs, surtout dans le voisinage de leur point de condensation; on ne connaîtra donc avec certitude la loi de variation de la densité des vapeurs d'eau saturées, qu'après l'avoir observée directement dans un très-grand nombre de circonstances et entre des limites de tensions et de températures, très-écarlées.

M. Regnault, depuis plusieurs années, s'occupe de celte importante question, mais les principaux résultats de son travail, si impatiemment attendu par les mécaniciens, ne sont point encore livrés à la publicité; de sorte que, provisoirement, il faudra suivre les anciens errements, sauf à modifier un peu les chiffres de densités adoptés aujourd'hui, pour les mettre d'accord avec les nouvelles tables de tensions et de températui*es correspondantes et avec quelques autres données expérimentales que nous allons rapporter.

D'après M. Regnault, un mètre cube d'air sec à 0" sous la tension

DENSITÉ DE U VAPEUR D'EAU

de vapeur saturée à la même tension que celle qui était dans la chaudière. Enfin, on plongeait la partie inférieure du tuyau ee" dans un vase contenant un poids connu d'eau très-froide, et on ouvrait doucement le robinet e'; pendant cette dernière opération une partie de la vapeur contenue dans le réservoir central venait se condenser dans ce vase, et il ne restait dans ce réservoir que de la vapeur à la pression atmosphérique et à la température de la vapeur saturée que Tenveloppe continuait à renfermer. L'accroissement de poids de Teau contenue dans le vase inférieur pouvait alors être évalué et, pour arriver à des pesées plus grandes et plus exemptes d'erreur, l'opération était répétée un grand nombre de fois; la vapeur en excès était reçue dans la même eau.

La vapeur, dans l'enveloppe^ était à la pression de 3,»'<"75 et à la température correspondante, d'environ 142'', la pression atmosphérique, de O^Tiî de mercure, et quinze décharges de vapeur ont versé dans le vase inférieur 0"^»' 424 d'eau condensée.

Un kilog. de vapeur d'eau saturée à la pression de O'^TG occupe un volume de 1™'698; 0"'01536 de celle vapeur pèseraient donc : 0,01S56 1,698 Le même volume de vapeur à la tension de 0™742 pèserait

{kil.

Ce volume porté de lOO"* à 142'' pèserait, d'après la règle indiquée précédemment :

DENSITK DE LA VAI'EUR D'EAU. 65

0'^"-036197, il est évident que le volume x de 1 kilog. de celle vapeur

doit être :

0"^*' 03G197 : 1 = O-^'OloSG : ^r.

d où X =^— ^ = 0"'424.

Les tables calculées doDDenlO"'^501 pour volume de 1 kilog. de vapeur saturée à S»^»" 75, la différence eiUre le résultat de Texpérience el celui du calcul est donc de 0"'^077, ou 77 litres.

M. Ilirn a ensuite fait une autre expérience dont les résultats sont venus conGrmer ceux-ci.

Il a mesuré bien exaclemenl la quantité d'eau nécessaire pour alimenter la chaudière d'une machine à deux cylindres (système de Woolf, nous verrons plus loin ce que c'est) pendant un Irès-grand nombre de coups de piblon, en ayant soin de rétablir, à la fin de Texpérience, le même niveau dans la chaudière (|u'au commencement; la vapeur n'arrivait à pression pleine que dans le petit cylindre et se détendait dans le grand. Un compteur indi(|uail le nombre de coups de piston et un indicateur de Watt, la tension de la vapeur dans le petit cylindre. Le volume offert à la vapeur en deux courses consécutives du petit piston, y compris les espaces nuisibles, avait été mesuré avec soin et était de 0"''3582. Le piston était en parfait état d'entretien, la vapeur avait été dépouillée, avant de pénétrer dans le cylindre, de toute l'eau qu'elle pouvait contenir à 1 état vésiculaire, et le cylindre était entouré d'une chemise de vapeur pour empêcher le refroidissement et la condensation de la vapeur intérieure.

Eu 34G68 coups de piston, la chaudière a reçu 14"*^4G7 d'eau qui a été consommée à l'état de vapeur, à la tension de 3'^*"' 75, d'après l'indicateur placé sur le cylindre.

Le poids de vapeur correspondant à deux coups de piston était donc de :

2.144G7'^'' 34G68 el, comme ces O^^'^^SS occupaient un volume de 0'"^3582, il en résulte que le volume x de 1 kilog. était de :

0»*" 825 : 1 =- 0™=^3582 : x d'où X = 0"'H34.

DENSITÉ DE LA VAPEUR D'EAU

Ce résultat ue diffère que fort peu du précédent, mais il faut remarquer qu'il présente deux causes d'erreur qui, heureusement, agissent en sens inverse : !<" la probabilité de légères fuites autour du piston, lesquelles tendaient à faire évaluer trop bas le volume des 0*^i' 825 de vapeur ; ^'^ la supposition que les espaces nuisibles étaient entièrement vides au commencement de chaque coup de piston, tandis qu'ils contenaient encore de la vapeur dont la tension, d'après l'indicateur, s'élevait à 0*»^" 80 environ, ce qui tendait à faire évaluer trop haut le volume du poids donné de vapeur. Il est impossible de dire si ces causes d'erreurs inverses se compensaient, ou influaient inégalement sur le résultat, mais il est probable que, vu le peu d'importance de la seconde et le bon état d'entretien du piston, le volume trouvé ci-dessus est assez approximatif, même en admettant encore l'existence de quelques autres causes secondaires d'erreurs que nous avons négligées.

Quoi qu'il en soit, ces expériences doivent faire désirer vivement que la question soit reprise le plus tôt possible et examinée avec toute l'attention qu'elle mérite.

Le Iravail mécanique d'une force quelconque osl, comme ou le sait, égal au produit de leffort exercé par la projection du chemin parcouru sur la direction de cet effort, lorsque cette direction ne change pas. Si la direction de Teffort change, il faut appliquer la définition à chaque changement de direction et, lorsque ces changements sont continus, la définition s'applique à chaque mouvement infiniment petit du point d'application de la puissance, celle-ci pouvant être supposée de grandeur et de direction constantes, pendant chacun de ces mouvements.

La chaleur employée comme force motrice, par l'intermédiaire de la vapeur d'eau, produit du travail en exerçant un effort contre certaines parties mobiles d'une capacité dans laquelle on la fait arriver et en faisant mouvoir ces parties mobiles qui transmettent le travail qu'elles reçoivent ainsi, à des organes mécaniques chargés de l'utiliser.

Les machines à vapeur les plus répandues, on pourrait presque dire les seules employées jusqu'aujourd'hui, se composent d'un cylindre alezé avec soin à l'intérieur et contenant un piston que la vapeur pousse tantôt dans un sens tantôt dans l'autre; ce piston porte une tige qui traverse l'un des fonds du cylindre et transmet à une

combinaison quelconque d^organcsnoécdniques, le travail que le pislon reçoit de la vapeur.

Nous allons exposer, à Taide de figures simplement théoriques, les principaux systèmes de machines à vapeur employées, en faisant abstraction du mode de communication du mouvement de la tige du piston jusqu'au point où s'effectue le travail utile, ce mode de transmission de mouvement n'ayant aucune influence sur l'évaluation du travail absolu de la vapeur.

Dans le système indiqué par la fîg. 2, pi. 1, la vapeur venant de la chaudière par le tuyau M, à une pression égale ou légèrement supérieure à la pression atmosphérique, fait équilibre sur le piston, à cette dernière, de sorte que ce piston, dont la tige est attachée à l'extrémité d'un balancier, peut être soulevé jusqu'à la partie supérieure du cylindre, par un léger excédant de poids attaché à l'autre extrémité du même balancier; la vapeur remplit alors tout le cylindre et l'on ferme le robinet A de communication avec la chaudière; puis on ouvre immédiatement le robinet B placé sur un tuyau qui, d'un côté débouche dans le cylindre et de l'autre est adapté à un réservoir supérieur d'eau froide. Il se fait alors une injection d'eau dans cette masse de vapeur qui se condense plus ou moins complètement et produit ainsi, sous le piston, un abaissement considérable de tension; de sorte que la pression atmosphérique sur la face supérieure du piston devient prédomi-

de dépense qui vient de se faire, les soupapes C cl D se referment d'elles-mêmes, et la course ascendante se continue comme précédemment sous riufluence de rcxcédanl de poids suspendu à Taulre extrémité du balancier. La soupape C peut aussi être fermée mécaniquement, après l'expulsion de Pair.

Celle machine, connue sous le nom de machine atmosphérique de Newcomen a été inventée vers Tannée 1710, par Thomas Newcomen, forgeron de Darmouth, et John Cawley, vitrier de la même ville; elle était la première machine à piston que Ton eût fait jusqu'à lors et elle a été^ pendant longtemps, exclusivement employée à Tépuisement des mines. Depuis quelques années elle est complètement abandonnée, à cause de l'énorme quantité de vapeur qu'elle consomme par condensation inutile dans le cylindre pendant la montée du piston, et des dimensions considérables qu'il faudrait donner à ce cylindre pour développer une grande puissance, aussi nous ne nous en occuperons plus.

Dans le système représenté (fig. 3, pi . 1 ), la vapeur venan l de la chaudière par le tuyau M pousse le piston en surmontant la résislance, de bas en haut ou de haut en bas, suivant que la tige traverse le fond ou le couvercle du cylindre et que les soupapes A et B sont placées en bas ou en haut de ce cylindre; puis, quand ce piston est à l'extrémité de sa course, la soupape A se ferme, la soupape B s'ouvre, et la vapeur agit librement sur les deux faces du piston en traversant le tuyau K qui porte le nom de colonne d'équilibre; ce piston redescend alors par son poids, ou remonte comme celui de la machine atmosphérique, pour revenir au point de départ; après quoi, la soupape B se ferme et la soupape A se rouvre pour recommencer l'opération que nous venons de décrire.

Quand au tuyau N, il débouche directement dans l'atmosphère, ou dans tin condenseur, c'est-à-dire dans une capacité spéciale où l'on condense la vapeur par une injection d'eau froide^ afin de diminuer la tension sur la face du piston opposée à celle qui reçoit l'action de la vapeur venant de la chaudière, ce qui augmente évidemment le travail transmis à ce piston.

Quand le tuyau N débouche dans Talmosphëre, le cylindre peut, à la rigueur, être ouvert par le haut et la colonne K supprimée; mais des raisons d'économie de combustible qui seront exposées plus tard, ont fait renoncer à cette disposition très-simple.

Cette machine, qui porte le nom de machine de Watt à simple effet, fut inventée par cet homme de génie vers Tannée 1769, et elle a été, comme la machine atmosphérique, exclusivement appliquée à Tépuisèment des mines. La tige du piston des machines du célèbre Écossais traversait le couvercle du cylindre et se rattachait à l'extrémité d'un balancier par l'intermédiaire du parrallélogramme qu'il avait également inventé. L'autre extrémité de ce balancier portait la tige des pompes destinées à élever l'eau du fond de la mine, et le tuyau de décharge N débouchait toujours dans un condenseur que la soupape Z n'ouvrait qu'un peu avant le commencement de la course de haut en bas du piston.

Dans ces derniers temps, on a simpliflé la disposition de Watt, en faisant passer la tige du piston par le fond du cylindre et en l'attachant directement à la tige des pompes. On a ainsi supprimé le balancier et les constructions coûteuses auxquelles il obligeait.

Le système représenté (fig. 26, pi. 6,) comprend un cylindre et un piston qui est poussé par la vapeur, tantôt dans un sens et tantôt dans Vautre, de façon à communiriuer ii la tige de ce piston un nioiivcnieiu

Pour UD coup de piston de bas eu haut, les soupapes B et D s'ouvrent, les soupapes A et C se ferment, la vapeur venant de la chaudière passe par la soupape D et pousse le pislon de bas en haut. Pendant ce temps, la vapeur du coup de pislon descendant s échappe par D et passe, comme plus haut, dans le condenseur ou dans Palmosphère.

Cette machine porle le nom de machine de Watt à double effet, parce que c est à ce grand mccanien qu'elle est due. Il Taisait ordinairement déboucher le tuyau de décharge N dans un condenseur, et, pour empêcher la vapeur qui poussait le piston de se condenser dans le cylindre des machines représenlées par les figures 3 et 26, par suite du refroidissement de ses parois extérieures, il plaçait ce premier cylindre dans un autre tout semblable, de façon qu'il restât entre eux un intervalle de quelques centimètres hermétiquement fermé en haut et en bas. La vapeur venant de la chaudière arrivait alors dans cet intervalle par un tuyau particulier, l'emplissait continuellement en réchauffant la vapeur du cylindre intérieur, puis en sortait par un autre tuyau pour arriver aux soupapes A et D ; le tuyau M était supprimé et un petit tuyau de retour, partant de la partie inférieure de Tenveloppe, ramenait dans la chaudière Teau qui se formait par condensation de vapeur dans celte enveloppe, laquelle portait le nom de chemise de vapeur. Enfin, pour diminuer la condensation inutile dans la chemise de vapeur, on entourait encore parfois celle-ci d'une couche plus ou moins épaisse de substances peu conductrices de la chaleur.

Dans les systèmes représentés par les figures 3 et 26, on peut, avant que le pislon soit arrivé à l'extrémité d'une course, fermer la soupape d'admission de la vapeur dans le cylindre; on cesse alors de dépenser de la vapeur nouvelle, et celle qui se trouve ainsi isolée de la chaudière continue à pousser le piston cl à produire du travail en augmentant de volume et en diminuant de tension jusqu'à la fin de la course. 11 faut, évidemment, que celle diminution de tension ne devienne jamais telle que la contre-pression de la vapeur qui se trouve de l'autre côté du

piston el qui sYclioppc dans le condenseur ou dans i'atmosphërey remporte et tende à faire rebrousser chemin à ce piston avant la fin de sa course.

Los machines dans lesquelles ce principe d'économie de vapeur découvert par Watt est appliqué, se nomment machines à détente ou à expansion. Tout le travail que produit la vapeur pendant sa détente constitue un bénéfice, puisqu'il est obtenu sans dépense de vapeur et, par suite, sans dépense de combustible.

On peut donc, d'après ce qui précède, classer les machines à vapeur on cinq catégories, d'après le mode physique d'emploi de la vapeur :

1*» Machines atmosphériques.

4" Machines sans détente ni condensation.

«!<' Machines sans détente à condensation.

4« Machines à délente sans condensation.

K'' Machines à détente et condensation.

Il sera aisé de reconnaître, à mesure que nous avancerons, que toutes les machines existantes rentrent dans Tune ou l'autre de ces catégories; les quatre dernières pouvant être à simple ou à double eiïel, suivant que la vapeur ne pousse jamais le piston que dans on sens, ou qu'elle le pousse successivement dans les deux sens.

On applique encore, parfois, d'autres dénominatioos coropIémeDlaires aux machines des quatre dernières catégories; on dit qu'elles smil Jï ftnssê lïttmûn quand la lensioit de la vapeur, dans la châii*

iicment avec la lige du premier piston, sur le méine bras du balancier qui transmet leur action à la manivelle; on arrive ainsi à la disposition qui porte le nom de machine de Woolf, parce que cet ingénieur est le premier qui Tait adopté, et qui est indiquée dans la fig. i, pi. 1.

La vapeur vient de la chaudière par le tuyau M et, après avoir produit tout son travail, se rend par le tuyau N dans le condenseur où elle est réduite en eau par un jet d'eau froide.

Pour un coup de haut en bas des deux pistons, les soupapes A, D, F sont ouvertes et les trois autres fermées. La vapeur de la chaudière agit directement sur la face du petit pistion, et la pousse de haut en bas; pendant ce temps, la vapeur de la course précédente, qui est sous ce piston, passe par l'ouverture D dans le haut du grand cylindre pour agir également de haut en bas, et la vapeur qui est restée sous le grand piston se rend, par Touverture F, dans le condenseur.

Pour un coup de piston de bas en haut, les Irois soupapes qui étaient ouvertes pour l'opération que nous venons de décrire, se ferment; les trois qui étaient fermées s ouvrent, et les mêmes phénomènes que ci-dessus se reproduisent en sens inverse.

Les deux cylindres sont généralement revêtus d'une chemise de vapettr commune, traversée par la vapeur qui se rend de la chaudière dans le tuyau de distribution Z et, de temps en temps, on ajoute à la chemise, pour éviter les déperditions de chaleur, une enveloppe de matières peu conductrices.

Dans cette disposition, la vapeur qui a empli le petit cylindre en conservant approximativement la tension qu'elle possédait dans la chaudière^ augmente progressivement de volume en passant dans le grand cylindre et produit du travail moteur par détente sur le grand piston ; en même temps, elle produit du travail résistant sous le petit; mais comme la pression est à peu près la même, par unité de surface, sur ces deux pistons, le travail moteur l'emporte sur le travail résistant d'une quantité qui dépend du rapport des volumes engendrés par ces pistons. Dans la pratique, ces volumes sont assez souvent comme 1 : 4 ou comme 1 : 5,desorlequela vapeurestdétenduejusqu'à quatreou cinq fois son volume primitif, mais il est clair que l'on pourrait encore, dans ce cas, détendre davantage en fermant la soupape d'admission de la vapeur dans le petit cylindre avant la fin de la course des

7i TRAVAIL DE LA VAPEUR.

pistous. Celle disposition a élé employée parce que la somme deseffoi Is cffectirs transmis aux deux pisloos, pendant une course entière, varie moins que TefTorl exercé sur un piston unique, lorsque le travail à la tension de la chaudière et le travail à détente s*accomplissent dans le même cylindre. On est arrivé ainsi à donner une vitesse très-régulière aux machines sans employer de volants d'un poids excessif; condition importante pour les manufactures qui exigent une grande régularité dans la vitesse des outils, comme les filatures.

Toutes les machines dont il a élé question jusqu'à présent, sont à piston cylindrique se mouvant en ligne droite dans une capacité également cylindrique, ce qui exige, quand on a besoin d'nn mouvement de rotation continu, Tempioi d'une bielle et d'une manivelle, ou de toute autre combinaison d'organes mécaniques, pour transformer le mouvement de va-et-vienl du piston en mouvement de rotation. On a aussi essayé un très-grand nombre d'autres dispositions qui ont reçu le nom de machines à rotation directe j dans lesquelles la vapeur venant de la chaudière imprime directement un mouvement de rotation à l'organe qui fait l'office de piston et qui est Gxé à un arbre qu'il entraine avec lui. Nous allons citer quelques-unes de ces dispositions qui ont élé essayées à diiïérenles époques.

Machine rotative de Watt. 1783. (Fig. 5, pi. 1).

repoussée par la vapeur dans sa position première el le mouvement se continue ainsi indéûniment.

Machine rotative de Murdock, 1799. (Fig. 6, pi. 2).

EE est un vaisseau doublement cylindrique à fonds plats plus ou moins distants; ce vaisseau est traversé par deux arbres portant deux roues d'engrenages en prise, et construites avec un soin tel que la vapeur ne puisse passer enlre elles au point où elles engrènent, que les extrémités des dents frottent doucement contre la surface interne des deux parties cylindriques de Tenveloppe et que leurs faces latérales soient en contact immédiat avec les fonds plats du vaisseau. Il est évident que si Ton fait arriver la vapeur par le tuyau H, les deux engrenages tourneront dans le sens indiqué par les flèches en entraînant les arbres qui les portent dans leur mouvement de rotation et que la vapeur , traversant les intervalles compris entre les noyaux des engrenages et les parties circulaires de Tcnveloppe, s'échappera par le tuyau K qui peut déboucher dans 1 atmosphère ou dans un condenseur.

Cet appareil met immédiatement deux arbres tournants à la disposition du mécanicien, mais on peut n'en utiliser qu'un seul, il recevra la totalité du travail transmis par la vapeur si l'autre n'éprouve point de résistance.

Machine rotative de Joseph Eve. 1823. (Fig. 7, pi. 2).

K est un cylindre creux bien alezé, à fonds plats, portant en un point de son pourtour une cavité demi-cylindrique également alezée. Dans le cylindre creux on a placé un cylindre plein B solidement fixé sur arbre A qui traverse les fonds du premier el qui porte trois dents qui doivent faire office de pistons. Un petit cylindre C, ayant un tiers du diamètre du cylindre plein B, est placé dans la cavité demi-cylindrique Z et peut tourner tangenliellemcnt au cylindre B de h^on à faire trois tours quand celui-ci en fait un ; ce petit cylindre G porte lui-même une cavité qui peut contenir les dents Y quand elles passent en ce point, tout en empêchant la vapeur de passer d'un côté à l'autre de la dent qui franchit le passage. Les bases des cylindres

pleins cl creux glissent les unes snr les autres à froUemcnt doux, el la largeur des dénis est égale à la longueur de la génératrice du cylindre qui les porte.

Il est clair que si la vapeur arrive par le tuyau D, elle trouvera une résistance inébranlable en C, poussera les dents dans le sens indiqué par les flèches et s'échappera par le tuyau E qui débouche dans ratmosphère ou dans un condenseur. Chacune des dents, à son passage en G, se loge dans la cavité du petit cylindre, qui vient précisément s'offrir à cet instant.

Nous croyons inutile d'insister davantage sur ces dispositions de machines à rotation directe, dont on a essayé ou proposé une énorme quantité et qui tiennent une si grande place dans tous les recueils de brevets d'invention ; parce que toutes, au moins jusqu*aujourd'hui, ont présenté des fuites de vapeur, des frottements et des chances de dérangement si considérables, qu'elles n'ont jamais pu entrer en comparaison avec les machines à mouvement rectiligne, au point de vue de l'économie de combustible et de la sécurité du service, ce qui les a fait abandonner. Il est impossible de dire si Ton arrivera jamais à une solution pratique satisfaisante de ce problème dont la solution théorique est d'une si grande simplicité.

Il est aisé de reconnaître que, dans toules ces machines, on peut introduire la détente, en supprimant l'entrée de la vapeur avant que Tobtiiralcur mobile, qui reçoit son action, arrive au point où çqUq

occupait dans la première. La vapeur, en arrivant de la première dans la seconde, augmentera de volume en diminuant de tension, etia contrepression opposée à Tobturaleur mobile de Tun sera égale à la pressiou motrice exercée sur Tobluralcur mobile de Tautre. En un mot, celle vapeur se comportera exactement comme celle qui est comprise entre le petit et le grand piston de la machine de Woolf.

Enfin, elles peuvent être munies d'une chemise de vapeur et d'une enveloppe de matières peu conductrices de la chaleur, comme les machines de ce dernier ingénieur et de Watt.