DÛ A LA CHEMISE DE VAPEUR
ET DE l'Économie de combustible qui en résulte.
Dans les expériences dont nous venons de citer les résultats, le travail utile de la machine fonctionnant avec enveloppe de vapeur, était de 104 chevaux et, dans la marche sans enveloppe, ce travail s'abaissait jusqu'à 104 — 24,5 = 79,5 chevaux; le bénéfice de l'enveloppe était donc de 23,5 p. c, du travail utile. Mais le travail absolu de la vapeur, ou ce que l'on nomme souvent le travail théorique dans le cylindre, n'avait pas augmenté dans la même proportion.
En effet : dans toute machine, le travail thêotiaue se nartai^e eu deux
Supposons, par exemple, que pendanl que la machine dont il est
question, produisait un effet utile de 104 chevaux, le travail absorbé
par les résistances passives totales fut de 25 chevaux, ce qui porte le
travail théorique dans les cylindres à 129 chevaux; et que, de ces
25 chevaux, 18 fussent employés à surmonter la partie constante des
résistances et 7 à surmonter la partie variable. Lorsque le travail
transmis par cette machine ne sera plus que de 79,5 chevaux utiles,
celui que les résistances passives détruiront sera approximativement
79 5 de 18+7 T^i = 23,3 chevaux; ce qui portera la totalité du traiU4
vail théorique dans les cylindres à 79,5 + 23,3 = 102,8 chevaux.
L'effet de Penveloppe aurait donc été d'accroître le travail absolu de 129 — 102,8 = 26^2 chevaux ; ce qui porte le bénéflce théorique
26 2 ^IW ^ ®'^® ' ^^'^ ^^ P* ^'' tandis que le bénéflce pratique a été
24 5 de 77^= 0,235 ; soit 23,5 p. c.
Ces considérations prouvent qu'il est toujours avantageux de pousser le travail des machines jusqu'à la limite la plus élevée, compatible avec la résistance de leurs organes, et que, dans une machine déterminée, la dépense de vapeur pour produire une certaine quantité de travail utile, est d'autant plus considérable que ce travail s'éloigne davantage de celui que l'appareil peut transmettre quand il développe toute sa puissance. A la limite inférieure, l'effet utile peut se réduire à zéro ; ainsi par exemple, dans le cas que nous avons admis ci-dessus, si le travail théorique de la vapeur dans les cylindres était réduit à 18 chevaux, l'effet utile serait nul et tout le travail produit ne servirait qu'à surmonter la partie invariable des résistances passives.
Recherchons maintenant l'économie de combustible qui a pu résulter de l'emploi de la chemise de vapeur dans les expériences cidessus.
Il semble, au premier abord, que la machine produisant un accroissement de travail de 23,5 p. c. lorsqu'elle fonctionne avec l'enveloppe de vapeur; fournissant le même nombre de courses par minute (47) avec ou sans cette enveloppe, et consommant alors O""" 4125 de vapeur
iS6
à 3**"75, par coup de piston, tandis qu'elle en consomme 0^"4355 quand la chemise cesse d'être utilisée, le bénéfice en combustible 0,4555
devrait s'élever à 23,5-
= 24,8 p. c; mais le bénéfice réel est
0,4125 un peu moindre, comme une analyse attentive va le démontrer.
Lorsque la machine fonctionne sans enveloppe, elle consomme 0^"4355 d'eau par coup de piston, mais cette eau n'était pas toute entière à l'état de vapeur; une partie d'environ 1,5 p. c.^ soit approximativement 0*'"0065, était à l'état de gouttelettes liquides à la même température que la vapeur à 5*'°'75, c'est-à-dire à 142'' environ. La quantité réelle de vapeur consommée n'était donc que de 0"' 4355 — 0^" 0065 = 0»^" 4290.
L'eau d'alimentation de la chaudière était à 13''.
Ce poids de vapeur a donc exigé une production de chaleur, sélévant d'après la formule de M. Regnault à :
0*^" 4290 [606,5 + 0,305 (142°— 1 S'»)] = 277 calories.
D'un autre côté : les 0^" 0065 d'eau liquide emportée ont exigé :
0,0065 (142 — 13) == 0,838 calories.
La dépense totale de chaleur, par coup de piston, était donc, dans ce cas, de :
d'eaa peut-être déterminée plus exactement que ci-dessus ; car, en la désignant par x, elle serait d'environ :
0,015 (0,4125 + x) = x doùx = 0'^"0062.
Mais ces 226''''*39 ne sont pas toute la chaleur qui a été dépensée par coup de piston. En même temps que la chaudière fournissait au cylindre le poids de vapeur que nous venons de rappeler, elle envoyait aussià Tenveloppedela vapeur qui s'y condensait parsuite du refroisdisement extérieur de celte enveloppe quoiqu'elle fut elle-même revêtue d'une couverture isolante en bois, et par suite de l'absorption de chaleur du cylindre intérieur. La dernière partie servait à rcchaufler la vapeur motrice pendant sa délente, et elle était généralement d'autant plus grande que la vapeur était plus détendue.
Il est vrai que celle vapeur condensée retournait à la chaudière à la température de 142""; mais elle n'en avait pas moins perdu toute sa chaleur de vaporisation à la tension de S^'^'^TS, c'est-à-dire une quantité de chaleur s'élévanl à :
645,8 — 142 = 603,8 calories par kil. de vapeur condensée.
11 a donc fallu déterminer directement la quantité de vapeur qui se condensait ainsi par coup de piston et par suite des refroidissements internes et externes. C'est ce qu'a fait M. Hirn, et il a trouvé qu'elle était de 0''"0443 (1); mais ce chiffre comprend les O''"0062 d'eau liquide que la vapeur avait déposée avant de pénétrer dans le cylindre, de sorte que la condensation effective se réduisait à 0y0443 — 0,0062 = 0*'"0381 qui occasionnaient une dépense de chaleur égale à :
0»^'»0381. 603,8 = 23 calories.
(I) D*après des reoseignemenl recueillis par M. Combes, la vapeur ainsi coudensée dans Pcn-
veloppe d^aalres machines aurait fariée de 3 à 10 p. c. du poids total de vapeur dépensé, suivant
g la grandeur de la détente entre -et 20 fois le volume primitif de la vapeur.
La dépense totale de chaleur, pour un coup de piston dans ces circonstances, était donc de :
166,39 + 25 = 289,39 calories.
Ainsi, en résumant, la chaleur qu il a fallu transmet! re à Peau qui a été utilisée pour un coup de piston était de :
277,838 calories, quand la machine fonctionnait sans enveloppe, et de 289,39 calories, quand on se servait de cette enveloppe.
Comme le travail, dans le premier cas, était de 79,5 chevaux, la dépense par cheval, pendant la durée d'un coup de piston, était de :
= 3,49 calories.
Dans le second cas, le travail était de 104 chevaux, et la dépense par cheval s'abaissait à :
2,78 calories.
Bénéfice par cheval, 0,71 calorie.
Ou
0,204; soit 20,4 p. c.
De sorte que la chemise de vapeur procurait un bénéfice de 23^5
p. c. sur le travail, et seulement de 20,4 p. c. sur le combustible.
Il est facile de reconnaître que les considérations de cette espèce, à
La chemise augmente TeiTet utile en empêchant la vapeur motrice, dans le cylindre, de se refroidir et de se contracter aussi rapidement, et même en transmettant de la chaleur à cette vapeur motrice, pendant le travail.
Cela est vrai, mais la vapeur de lenveloppe est elle-même contenue dans un cylindre qui rayonne et perd de la chaleur, et comme cette vapeur est à une plus haute température que celle du cylindre moteur et que le cylindre enveloppe a une plus grande surface de refroidissement que le cylindre intérieur, il en résulte que Ton perd plus de chaleur par. le refroidissement du premier que Ton n'en eût perdu par le refroidissement du second.
L'excès de température de la vapeur de Fenveloppe sur celle de la vapeur motrice tient à ce que la vapeur traverse Tenveloppe avant d'arriver an cylindre, et que sa tension doit être en ce point supérieure à la tension dans le cylindre, pour produire la vitesse de passage d'une capacité dans Tautre. Cet excès qui est encore dû à d autres causes sur lesquelles nous reviendrons plus loin, est très-facile à constater dans Tapplicalion ; car il suffit de toucher avec la main deux cylindres recevant de la vapeur à trois ou quatre atmosphères, l'un sans enveloppe de vapeur, Taulre avec enveloppe, la détente se faisant ^ans tous les deux jusqu'à trois ou quatre fois le volume primitif delà vapeur; on pourra se brûler grièvement au second, tandis que le premier aura, surtout vers le milieu de sa hauteur, une température très-supportable.
Ce n'est donc pas en diminuant la quantité de chaleur qui se perd dans le milieu où les machines sont placées, que la chemise de vapeur augmente leur effet utile, puisqu'elle ne fait qu augmenter la perte extérieure de chaleur.
On peut, à la vérité, diminuer celle perte par une couverture isolante, mais ce palliatif agirait eucore plus énergiquement sur le cylindre simple que sur le cylindre enveloppe de vapeur, puisque ce dernier est à une plus haute température, de sorte que l'avantage resterait encore au premier, sous ce point de vue.
2° Dessication de la vapeur, — Dans les machines sans détente, l'eau entraînée par la vapeur dans le cylindre et l'eau qui se forme dans ce cylindre par condensation contre ses parois refroidies, occa-
sionnenl une perte de combustible qu1l est assez aisé de détermiDcr. Cette eau possède la température de la vapeur et elle est rejetée, avec cette vapeur, daus le condenseur, sans avoir produit de travail. La perte est donc égale à la quantité de chaleur qui a été nécessaire pour porter celte eau, de la température qu'elle possédait lors de son introduction dans la chaudière, à la température qu'elle a conservée en traversant tout l'appareil , pour se rendre dans le condenseur.
Le premier effet de la chemise, dans une machine quelconque, est de sécher la vapeur qui vient de la chaudière, en laissant aux gouttelettes d'eau le temps de se déposer, et comme cette eau retourne à la chaudière sans refroidissement, la perte de chaleur dont nous venons de parler se trouve évitée. Ensuite elle empêche la condensation d'une partie de la vapeur dans le cylindre pendant le travail à pression pleine, et procure encore ainsi une économie proportionnée à l'énergie de la condensation qui se serait produite sans elle. Mais ces pertes évitées ne peuvent pas modiGer d'une manière sensible le travail dans un coup de piston, elles ne font que diminuer la quantité d'eau nécessaire h l'alimentation des chaudières et procurer une économie de combustible correspondante.
M. Hirn, pour confirmer ces prévisions, a disposé une machine à détente sans chemise de vapeur, de façon que la vapeur venant de la chaudière put, à volonté, passer à travers des tuyaux chauffés qui la séchaient et même la portaient à une température supérieure de 2«à 3"* à celle qui correspondait à sa tension, ou arriver directement au cylindre sans traverser ces tuyaux, et il n'a pu constater la moindre
tenue liquide par la pression qu elle supporte, se vaporise en partie pendant la détente^ parce que la pression qui agit sur sa surface diminue. La chaleur nécessaire à la vaporisation de ceVte fraction du liquide est fournie par Teau qui continue à subsister à Tétat liquide en se refroidissant, et par les parois du cylindre qui se refroidissent également par suite de cet emprunt. Quant à la vapeur qui se détend, elle ne peut céder de chaleur pour accroître ce phénomène, pour des motifs qui seront exposés plus loin. Il résulte de la que la formation spontanée d une certaine quantité de vapeur dans le cylindre doit augmenter le travail produit pendant la course et que, si cet effet n'a pu être constaté dans Texpérience de M. Hirn, cest d'abord parce qu'il était peu prononcé à cause de la petite quantité d'eau emportée, et ensuite parce que cette eau rejetée dans le condenseur a du y réchauffer l'eau de condensation et y accroître un peu la tension de maniérée établir derrière le piston moteur une contre-pression un peu plus considérable. Il est néanmoins très-probable que si la quantité d'eau mêlée à la vapeur au commencement de la course était considérable et que l'on détendit beaucoup cette vapeur, l'accroissement de travail, dû à la présence de l'eau, serait important. Du reste, les courbes de pressions dans les cylindres, relevées avec Tindicateur de Watt, indiquent presque toujours, vers la fin de la course à détente des pistons, une lenteur dans la diminution de ces pressions qui tient, très-probablement, à cet effet de vaporisation spontanée en cet instant.
On peut trouver, par le calcul, la quantité de vapeur qui se forme ainsi spontanément pendant la détente, aux dépens de la partie de l'eau qui reste liquide, quand on connaît le poids total d'eau mêlée à la vapeur, mais en négligeant l'influence des parois du cylindre qui rend le phénomène encore plus prononcé.
Soient : p le poids d'eau dans la vapeur à la température T"" ;
/>' le poids d'eau vaporisée à l'aide de la chaleur empruntée
à la partie du poids/) qui restera liquide; t la température de la vapeur correspondante à sa tension à la fin de la détente et, en même temps, la température de l'eau qui restera liquide.
On aura successivemenl :
Chaleur totale de leau à T° pT*»;
Chaleur contenue à la fin de la course, dans Teau qui reste liquide (/> — p') l ;
La quantité totale de chaleur contenue dans le poids p' de vapeur à la température t, formée spontanément est, d'après M. Regnault :
/>' (606,5+0,305 0 calories;
On aura évidemment Téquation suivante :
pT=0—p')(+p' (606,5+0,305 0 P (T-0
