A LA CHEMISE DE VAPEUR

Puisque c est à la haute température des parois du cylindre, maintenue par la vapeur que contient Tenveloppe, que Ton doit les bons effets que nous avons signalés, il est certain que tout autre moyen de maintenir cette température, nonobstant le refroidissement intérieur, doit conduire aux mêmes résultats. Mais ce problème est plus difficile à résoudre qu'il ne le semble au premier abord.

La première idée qui s'est présentée à Tesprit des mécaniciens dont Tattention avait été appelée sur les avantages de la chemise de vapeur, a été de profiter de la chaleur que contiennent les produits de la combustion quand ils abandonnent la chaudière, pour chauffer le cylindre avant qu'ils parviennent à la cheminée. On espérait ainsi obtenir des résultats plus prononcés encore qu'avec la chemise de vapeur sans aucune consommation spéciale de combustible.

Cette idée a été appliquée plusieurs fois en Angleterre, mais les résultats n'en ont point été publiés et nous ne connaissons, sur ce sujet, qu'une expérience faite par M. DoUfus flls, à Dornach, et rapportée dans les iMémoires de M. Hirn.

La machine sur laquelle Texpérience a été faite était à délente variable et à condensation. Le cylindre a été entouré d'une enveloppe dans laquelle passait la fumée de la chaudière à une température de SSO"". Toutes les dispositions étaient prises pour marcher à volonté avec ou sans cet appendice, et l'influence qu il pouvait avoir sur la quantité de travail absolu, produit dans chaque coup de piston, était appréciée à l'aide d'un indicateur de Watt.

L'expérience a démontré qu'il n'existait point de différence sensible entre les courbes que l'on obtenait lorsque la fumée traversait l'enveloppe et celles qui résultaient de la marche avec l'enveloppe pleine d'air froid.

Voici les raisons qui expliquent celte apparente anomalie : En calculant la quantité de chaleur qui, dans la machine de Woolf soumise aux expériences de M. Hirn, était abandonnée au cylindre intérieur pour réchauffer la vapeur pendant sa délente, on trouve, en négligeant Peffet du rerroidissement extérieur qui était très-faible :

Vapeur condensée dans Tenveloppe par coup de piston, O^'^OSSi . D'après M. Hirn, la surface des cylindres, recevant Taciion de la vapeur de l'enveloppe, était de 6™*70.

La quantité de calories abandonnées par 1 kil. de vapeur condensée était de 649 — U2 = 507;

Donc, la chaleur totale absorbée par les cylindres intérieurs était, par coup de piston, de :

Et, par mètre carré de surface des cylindres intérieurs,

D autre part, un appareil à chauffer Teau d'alimentation de lO"" à 145'', à l'aide de la chaleur que conservait la fumée en quittant la chaudière, n'absorbait par mètre carré de surface que 1"^' 11 pendant la durée du même coup de piston, quoiqu'il fût en contact avec des gaz à environ 400'' et qu'il y eût, entre la température moyenne de l'eau et la température de la fumée, une différence de :

1"' 1 1 =^ = 0*'^ 45 par mètre carré,

au lieu de 2*"" 87 que fournissait la vapeur.

Si Ton veut maintenant admettre que des tuyaux pleins d'eau eu mouvement, et en grande partie horizontaux, sont dans de bien meilleures conditions pour absorber de la chaleur qu'un cylindre plein de vapeur, on reconnaîtra que l'absorption de chaleur que nous venons de calculer approximativement est encore beaucoup trop considérable, et Hnsuccès de la tentative se trouvera expliqué.

Une deuxième expérience de M. Dollfus a parfaitement confirmé ces conséquences théoriques.

La fumée fut dirigée par Tenveloppe pendant que la machine marchait très-lentement à vide, c'est-à-dire séparée des outils qu'elle mettait ordinairement en mouvement, de manière à ne produire que peu de refroidissemeut dans l'intérieur du cylindre et à chauffer fortement ses parois; puis, au moment où Ton rétablit la communication de mouvement et où la machine reprit ses allures normales, on releva plusieurs courbes à l'aide de l'indicateur de Watt. L'action des parois du cylindre sur la détente fut alors évidente; la première courbe indiqua plus de travail que la seconde; la seconde plus que la troisième, etc., jusqu'à ce que la provision de chaleur, emmagasinée dans la masse de ce cylindre, fut épuisée, et que le travail de chaque coup de piston fut redevenu ce qu'il était primitivement.

La vapeur saturée convient donc mieux que les gaz chauds pour réchauffer les cylindres, parce qu'elle leur abandonne plus rapidement sa chaleur. Cela^ du reste, se conçoit assez aisément; lorsque la vapeur se trouve en contact avec un corps dont la température n'est que trèspeu inférieure à la sienne, elle se condense instantanément en lui abandonnant toute sa chaleur de vaporisation qui est considérable, pour le réchauffer et pour établir l'équilibre de température, tandis que les gaz chauds ne cèdent leur chaleur que lentement, en raison du plus ou moins de rapidité du renouvellement des parties en contact, et qu'il ne se produit pas ce phénomène de condensation qui met instantanément des quantités de chaleur considérables en liberté.

L'enveloppe à fumée n'est bonne que sur la chemise de vapeur pour

empêcher la faible condensation qui provient de son refroidissement extérieur.

Comme nouvelle confirmation pratique des résullalsque nous venons dexposer, nous citerons quelques observations personnelles sur les effets d'une enveloppe qui, au lieu de recevoir de la vapeur venant de la chaudière et, par conséquent, à une température supérieure à celle de la vapeur qui produit le travail dans le cylindre, ne reçoit que celle qui sort de ce cylindre après y avoir produit son travail et dout la température est, par suite, bien inférieure à celle qu'elle possédait pendant le travail.

La machine munie de celle enveloppe est une machine d'extraction de la houille, sans détente, à deux cylindres verticaux, à haute pression sans condensation, établie sur un puits d'un charbonnage des environs de Mons.

Les cylindres qui ont O'^lti de diamètre intérieur et dans lesquels les pistons parcourent un chemin de 1"50, sont enfermés, chacun, dans une grande caisse en tôle forte, à section rectangulaire, ayant horizontalement l^Sa dans un sens, 0"95 dans l'autre, et 2»47 de hauteur verticale. La vapeur à 5 atmosphères effectives, soit 4 atmosphères de tension absolue, arrive directement des chaudières dans les cylindres, et le tuyau d'échappement débouche dans l'enveloppe qui porte un tuyau de décharge dans l'atmosphère. Cette enveloppe est munie à sa partie inférieure d'un autre pelit tuyau pour la sortie de l'eau qui s'y

du système d'enveloppe, que nous allons mettre en évidence, car les garnitures des pistons étaient bonnes.

D'après les expériences de MM. Thomas et Laurens sur la vaporisation de Teau à l'aide de la vapeur circulant dans un serpentin de cuivre, chaque mètre carré de surface de serpentin vaporise par heure, environ 8*"" 70 d eau préalablement portée à la température de 100% pour chaque degré de différence de température entre la vapeur et Teau qu'elle vaporise, et il en résulte, dans le serpentin, la condensation d'une quantité de vapeur suffisante pour mettre en liberté la chaleur correspondante à cette vaporisation. De plus, d'après les observations de M. Péclet, il ne parait pas que la nature et l'épaisseur du métal qui transmet cette chaleur aient une grande influence sur les résultats, au moins dans les limites d'épaisseur généralement employées.

Si le serpentin contenait de la vapenr à 142° ou S'""?^ et se trouvait plongé dans de l'eau à 100*», chaque mètre carré de surface vaporiserait donc S»"' 70 (142— 100) =365''" 4 d'eau par heure, ou 6»^" 09 par minute.

La vaporisation de 1 kilogramme d'eau prise à 100"» exigeant 637 — 100 = 537 calories; celle des 6*" 09 exigera 3270 calories.

Chaque kilog. de vapeur à 142'' contient 649 calories environ et,

quand il est condensé, en conserve 142; la quantité de chaleur émise

par kilog. de vapeur condensée serait donc de 507 calories, et les

3270 calories nécessaires pour la vaporisation des O'^^'OO d'eau, occa-

sionnerait la condensation de = O''" 45 de vapeur.

Chacun des cylindres de la machine dont il s'agit recevait de la vapeur à une tension absolue que l'on peut supposer approximativement de 3*""75, car la soupape régulatrice était entièrement ouverte, et les parois de ces cylindres étaient sans cesse couvertes d'eau ruisselante que chaque injection de vapeur dans l'enveloppe y apportait ; de sorte que ces cylindres peuvent être considérés, au moins approximativement, comme plongés dans de l'eau à 100"», température qui existait effectivement dans cette enveloppe, y remplissaient les fonctions de serpentin et réduisaient inutilement en vapeur, dans l'enveloppe , l'eau qui s'était formée par condensation pendant le travail dans les cylindres.

Admettons maintenant, pour un instant, que les parois des cylindres étaient toujours mouillées et que la vapeur contenue dans ces cylindres était à la température de H^""; la condensation intérieure pendant le travail serait de 6''"-45 de vapeur par minute et par mètre carré de surface extérieure, et comme, pour chaque cylindre, celte surface était d'environ 5"^50, la condensation totale par minute s'élèverait à 35*^*' 47 de vapeur, laissant de Teau à li^"* qui tombe brusquement à 100'' à rinstant où elle passe dans Tenveloppe, par la vaporisation d'une petite partie d'elle-même quand elle n'est plus soumise qu'à la pression atmosphérique.

Ainsi, dans les conditions que nous venons d'admettre, la condensation dans l'intérieur de chaque cylindre s'élèverait à 35*'"'47 de vapeur par minute ou pendant 43^5 courses de piston ; la vaporisation dans l'enveloppe à 5,5 . 6"^" 09 = 33*^" 50, et la différence 1"» 97, réunie aux produits de la condensation par refroidissement extérieur de l'enveloppe et par la dilatation brusque qu'éprouve la vapeur en pénétrant dans celte enveloppe, formeraient les 5 kilog. d'eau qui s'écoulent par le tuyau de décharge en une minute.

Si l'on calcule d'autre part le poids théorique de vapeur correspondant à ces 43,5 courses, en supposant des espaces nuisibles de 0"'06, on aura :

0,785 (0,75)* (1»50 + 0,06) 43,5 vapeur ;

= 29,9645 mètres cubes de

Celle perle, évaluée dans les coDdilions que nous avons adoptées, est évidemment un maximum, et diverses circonstances tendent à Fat- (éfiuer dans une proportion inconnue, mais certainement insuffisante pour obtenir de l'appareil un bon effet utile.

l"" Les cylindres ne sont pas constamment pleins de vapeur à liS"" et, pendant la moitié du temps, ils ne contiennent que la vapeur qui passe dans Tenveloppe; mais il faut observer que si la température de ces cylindres baisse en certains points, qui ne sont plus en contact avec la vapeur des chaudières, et si, pendant ce temps, la condensation inutile est suspendue en ces points, elle n'en devient que plus énergique à l'arrivée de la nouvelle vapeur.

â"" La surface extérieure des cylindres peut s'assécher en certains points pendant la durée d'un coup de piston, ce qui amènerait une diminution de condensation intérieure.

3*" La tension dans l'enveloppe est notablement supérieure à la pression atmosphérique pendant une grande partie de la course, de sorte que l'eau peut y conserver une température moyenne supérieure à lOO"", ce qui diminue un peu la différence des températures dans les cylindres et dans les enveloppes ; d'où résulte encore une diminution de condensation.

i"^ Les parois épaisses des cylindres peuvent laisser passer moins de chaleur qu'un tuyau en cuivre mince, pour la même différence de température entre les surfaces intérieure et extérieure, quoique certaines expériences semblent indiquer que l'épaisseur et la nature du métal conducteur n'aient pas une grande influence sur le résultat final.

D'un autre côté, l'effet fâcheux de ce système d'enveloppe n'est pas du seulement à l'énorme condensation de vapeur qu'il occasionne, il lient aussi, en partie, à une augmentation de contre-pression derrière le piston. La vapeur, en sortant du cylindre, passe dans une capacité où il existe une tension supérieure à la tension atmosphérique de toute la quantité nécessaire pour produire l'évacuation de l'enveloppe, et il en résulte une résistance à l'échappement, laquelle augmente la contre-pression dans le cylindre. C'est surtout vers la fin de la course du piston que cet effet devient sensible ; car l'enveloppe ne se débarrasse que lentement de sa vapeur.

C'est donc à ces deux causes réunies^ perle de vapeur par condensa-

lion dans les cylindres et augmeulalion de la coolre-pressioo des pistons, que la machine en question doit de consommer une si grande quantité de combustible pour un effet utile déterminé, et nous regardons comme in6niment probable qu'elle serait considérablement améliorée par une très-simple modification qui consisterait à faire déboucher directement dans Tatmosphère le tuyau de décharge de la vapeur, à faire passer dans Tenveloppe la vapeur qui vient des chaudières au lieu de la vapeur qui a produit son travail, sicetle enveloppe était assez résistante pour supporter une tension de trois atmosphères effectives, et à couvrir la caisse enveloppe de matières peu conductrices de la chaleur.