DÉTENTE DANS LES MACHINES A IN CYLINDRE

Dans les machines à un seul cylindre, le travail à pression pleine et le travail à détente s'opèrent dans le même récipient. Tant que la vapeur arrive de la chaudière, il faut que toutes les parties du cylindre qui se trouvent en contact avec elle, pendant cette période, prennent sa température; de sorte que l'ensemble de ce cylindre doit se trouver à une température moyenne bien supérieure h celle du grand cylindre de la machine de Woolf fonctionnant sans enveloppe, et il en doit résulter de graves modifications dans la loi suivant laquelle s'opère la détente.

Dans les expériences (1, 2, 3, 4) de M. Ilirn sur une machine de

cette espèce, sans enveloppe, fonctionnant, tantôt avec vapeur saturée, tantôt avec vapeur surchaufiëe, on remarque :

1*" Que, dans tous lescas^ la différence de tension entre la chaudière et le cylindre est bien plus grande que dans la machine de Woolf;

^ Que cette différence de tension diminue quand ou emploie la vapeur surchauffée ;

S"" Qu*à la fin de la détente, dans la marche avec vapeur saturée, la tension est supérieure à celle qui serait calculée d'après la loi de Mariette; tandis qu'avec vapeur surchauffée cette tension est à peu près égale à celle qui correspondrait à la raison inverse des volumes, parfois même plus petite;

i"" Que la conisommation de vapeur est bien plus grande dans la marche avec vapeur saturée, qu'elle ne devrait Fétre si le bénéfice delà surchauffe se réduisait à Taccroissement de volume de la vapeur employée.

Cette diminution brusque de pression de la vapeur, à son entrée dans le cylindre unique des machines ordinaires, est un fait que Ton peut considérer comme général, dans les conditions de diamètres des conduits et de dimensions des ouvertures de tiroirs actuellement employés; rarement cette perte de tension s'abaisse au-dessous de 1/2 atmosphère et elle s'élève très-fréquemment beaucoup au-dessus, même avec les soupapes modératrices^ ou robinets régulateurs, tout ouverts. Ce phénomène, quand les passages de la vapeur ne sont pas trop rétrécis, ne semble pouvoir s'expliquer que par une condensation trèsrapide de la vapeur à l'instant où elle pénètre dans le cylindre, et il est cénérali'ment d aulatiL ni us prononcé que h rjarlie de la course an

et de condensation, pour produire une contraction très-marquée dans la vapeur, pendant la course à pression pleine; dans ce cas aussi, cette contraction est plus énergique quand ou ne laisse entrer la vapeur dans le cylindre que pendant une faible partie de la course, ce que M. Hirn aiSrme avoir constaté dans des expériences faites dans ce but sur la machine à un cylindre dont il est question.

Pour prouver, à Faide du calcul, la condensation dans le cylindre pendant la portion de course à pression pleine, quand on emploie de la vapeur saturée, choisissons, par exemple, les expériences 3 et 4 faites dans les mêmes conditions de détente, de tension dans la chaudière et d*ouverture de tous les passages de vapeur.

Avec vapeur saturée, la dépense s'est élevée à 15''"*64 par cheval et par heure, et à 9''"'60 avec vapeur surchauffée à 240'' ; la tension dans le cylindre étant de 3'*"'35 dans le premier cas et de S^^SS dans le second, le nombre de coups de piston étant de 54 par minute dans les deux cas, et le travail, respectivement, de 102 et de 130 chevaux.

Le poids de vapeur saturée, par coup de piston, était donc de :

Ce poids de 0^" 3852 occupe, dans le cylindre, le même volume V que le poids 0''"'4922 de vapeur saturée. Si on le suppose refroidi de 240'' à 138'' qui est la température correspondante à 3*^'"-35, puis ramené à cette tension de 3''^°''35, de façon à le reconstituer à Pétat de vapeur saturée, le volume V deviendra :

donc, les 0,92 de V, en vapeur saturée à 3'*"-35, ne pèseraient que 0^" 3852 et le volume V de cette vapeur pèserait :

Ainsi, dans Thypothèse où il n'y aurait point de fuites autour du piston, on n^aurait dû dépenser par course que 0''"-4187 de vapeur, tandis quon en a dépensé en réalité 0^"'4922; donc, la différence O^'^^OySS s'est condensée; soit une fraction de la dépense totale égale à :

= 0,15, ou 15 pour cent.

En admettant, comme nous avons fait précédemment, que la vapeur emporte avec elle 1,5 pour cent d*eau liquide, la condensation se réduirait à 1 3,5 pour cent. Mais il faut remarquer que ce chiffre n'est qu'un minimum, parce que s'il existait des fuites autour du piston, elles ont dû être bien plus prononcées avec la vapeur surchauffée qu^avec la vapeur saturée, ce qui a diminué la différence que nous avons signalée entre les dépenses de vapeur dans les deux cas.

Les considérations suivantes tendraient à prouver qu'il y avait effectivement quelques fuites autour du piston, ou que les densités tabulaires des vapeurs sont trop faibles, comme nous avons eu déjà l'occasion de le supposer.

D'après M. Hirn, le piston de cette machine avait 0°'^28 de section et l'^SO de course; la détente, dans les deux expériences dont il s'agit,

commençait à ^-r de la course ; soit —-r- = 0"53 de course à pression pleine. En admettant que les espaces libres fussent équivalents à

Eufln, ces 0"^1552 de vapeur saturée à S'^^SS, qui pèseut 0^" 3151 à leur température normale, qui est de 149'', ne pèseront, quand ils seront portés à la température de 240'', que :

Dans la marche avec vapeur surchauffée, la dépense effective était de 0*"" 38î>2 et, d'après ces calculs, elle n'aurait du être que d'environ 0^"-2591; donc, les fuites, dans cette hypothèse, se seraient élevées à :

0385^ = 0,326, ou 32,6 pour cent;

mais comme la vapeur a dû subir un refroidissement notable à son entrée dans le cylindre, la contraction correspondante à ce refroidissement a eu pour effet de faire tenir un plus grand poids de vapeur dans la capacité offerte, et il n'est pas nécessaire de supposer des fuites aussi considérables pour expliquer l'accroissement de dépense signalé. Toutefois, même en supposant que le refroidissement eût été assez grand pour ramener la vapeur surchauffée à l'état de saturation, il faudrait encore supposer des fuites pour expliquer la différence entre la dépense théorique et la dépense pratique qui se serait alors élevée

à 0"> 3852 — 0"' 3151 = 0^" 0701, ou J^^ = 0,18, ou 18 pour

cent, dans l'hypothèse de l'exactitude des tables; mais un semblable abaissement de température est peu probable.

D'autre part, en admettant encore, ce qui est cerles bien exagéré, que le poids de vapeur qui passait autour du piston dans la marche avec vapeur saturée, fut égal au poids maximum des pertes avec vapeur surchauffée que nous venons de trouver égal à

0^"3852 — 0^"2591 = 0^" 1261, la quantité de vapeur employée à pression pleine eût été de :

0"»-2789 + 0'^"1261 = O'^" 4050, tandis qucn réalité la dépense a été de 0^^4922; donc, dans cette

LOIS DE LA DÉTEiNTE.

hypothèse, il se serait condensé 0^"4922 — 0'^"4050 = 0^»0872; 0,0872

soit

= 0,177, ou 17,7 pour cent.

Si les tables de densité sont exactes, la condensation devait notablement dépasser ce chiffre ; mais, encore une fois, les tables peuvent être inexactes.

11 y a donc, dans les machines à un cylindre sans chemisede vapeur, une condensation très-énergique au commencement de la course du piston quand elles fonctionnent avec de la vapeur saturée, et c'est à cette condensation qu'il faut attribuer la lenteur du décroissement de la tension pendant la détente, qui est accusée par les expériences 1 , 3, 5. Dans ces expériences, la tension après la détente est notablement supérieure même à celle qui résulterait de lapplication de la loi de Mariotte, soit que Ton ne détende que jusqu'à 2,5 fois le volume primitif de la vapeur, soit que Ton pousse la détente jnsqu'à 3,4 et même S,2 fois ce volume primitif.

L'eau qui résulte de cette condensation, pendant le travail à pression pleine, et qui est à la température initiale de la vapeur, se transforme plus ou moins complètement en vapeur pendant la détente, par suite du décroissement de pression sur sa surface, à laide de la chaleur en excès que contient la partie qui reste liquide, de la chaleur qu'elle enlève aux parois du cylindre et de celle que fait naître le frottement du piston. Le refroidissement du cylindre, provoqué par cette

pendanl la détente, à une époque plus ou moins rapprochée de la fin de cette détente et pendant la décharge dans le condenseur; on ne retire donc de cette vapeur qu'une fraction très-petite du travail qu'elle eût pu produire en se comportant comme celle qui ne s'est point condensée. Il résulte de là que l'effet de la chemise de vapeur doit se manifester par une économie de vapeur ou de combustible et non par un accroissement de puissance de la machine quand on ne la laisse pas prendre une plus grande vitesse.

Quand on emploie de la vapeur surchauffée dans les machines de cette espèce, il n'y a plus de condensation pendant la partie de la course correspondante à la pression pleine, et la tension, pendant la détente, diminue un peu plus rapidement que quand la vapeur est saturée, comme l'indiquent les expériences (2, 4, 6). La pression baisse alors à peu près suivant la loi de Mariette, et il faut admettre dans ce cas que la chaleur développée par le frottement du piston et celle que le cylindre a reçue pendant la première partie de la course, suffisent pour empêcher un refroidissement de la vapeur aussi considérable que celui qui résulterait naturellement de son accroissement de volume.

Lorsque les machines à un seul cylindre sont munies d'une chemise de vapeur et fonctionnent avec vapeur saturée, les parois internes du cylindre se refroidissent encore pendant la détente et surtout pendant la décharge dans le condenseur; le réchauffement par l'enveloppe ne suffit pas pour empêcher complétemçntcet effet, et il en résulte au commencement de chaque course une condensation pour réchauffer les parois. Cette condensation est aussi suivie d'une vaporisation spontanée dans le cylindre pendant la détente et, quoique la quantité de vapeur qui se condense ainsi soit bien plus petite que quand il n'y a point de chemise, il.en résulte à peu près les mêmes effets, parce que si d'un côté la vaporisation spontanée est notablement diminuée, de l'autre la chaleur constamment fournie par la vapeur de l'enveloppe soutient la pression, de sorte que ces deux causes réunies produisent à peu près les mêmes effets que la condensation énergique dans les machines sans enveloppe.

Les expériences rapportées par M. Combes dans son Traité d'exploitation des mines, indiquent, comme celles de M. Hirn, que les

tensions pendant la délente suivent approximativement la loi de Ma- Hotte, que les machines soient, ou non, revêtues d'une chemise de vapeur, quand elles fonctionnent avec vapeur saturée, et que si elles s'écartent un peu de cette loi, c'est dans le cas de l'emploi de Tenvcloppe où elles semblent décroilre un peu moins rapidement.

Dans les machines à un cylindre sans condensation, les tensions décroissent aussi, pendant la détente, un peu moins rapidement que suivant la loi de Mariotte, d'après quelques expériences rapportées par M. Combes et par d'autres auteurs. On peut regarder comme très-probable que, dans ces machines, les parois inlérieuresducylindre sont moins refroidies pendant la décharge de la vapeur que dans les machines à condensation, parce que la vapeur ne s'abaisse pas jusqu'à la même tension, ni jusqu'à la même température inférieures; de sorte que la température moyenne du cylindre y reste plus élevée, qu'il s'y condense moins de vapeur au commencement de la course et que la vaporisation spontanée pendant la détente, favorisée par la plus haute température du cylindre, maintient la tension comme l'eut pu faire une vaporisation plus considérable dans un milieu à une plus basse température.

Les expériences assez nombreuses que nous avons faites nous-mêmes sur des machines à un seul cylindre, avec ou sans condensation, et celles dont quelques ingénieurs nous ont communiqué les résultats, confirment les résultats qui précèdent. Dans ces expériences, trop nombreuses pour être rapportées en détail, l'indicateur de Watt a tracé dos courbes de lensiot», variables d'une mfichijjcii ruutre, mais cep

exacts que celle de M. de Pambour, et nous la regardons comme devant être préférée à cette dernière, au moins jusqu*à ce que l*on ait recueilli suffisamment de renseignements sur Tacte même de la détente, pour construire une autre formule qui soit plus apte à tenir compte de tous les éléments qui ont une influence sur le résultat final. Donc, provisoirement et jusqu'à plus amples informations, nous regarderons le travail à pression pleine et à détente ^ dans les machines à un seul cylindre^ avec ou sans chemise de vapeur et avec ou sans condensation, comme pouvant être évalué approximativement et à priori^ par la formule (B pag. 102), basée sur le décroissement de la tension suivant la loi de Mariotte.