APPAREIL DE CONDENSATION SANS POMPE A AIR

M. Letoret de Mous, a pris, en 1842, ud brevet d mvenlion pour uo appareil de condensation dans lequel le condenseur est débarrassé des produits liquides et gazeux qui tendent à s'y accumuler, à l'aide d'un excédant de tension de la vapeur dans Tappareil, sur la tension atmosphérique extérieure. C'est le principe d'évacuation de la machine de Newcomen appliqué à une capacité autre que le cylindre moteur, ce qui évite les graves inconvénients attachés à l'injection directe de l'eau froide dans le cylindre. Cette disposition n'a été appliquée, jusqu'à présent, qu'aux machines à simple effet et à traction directe qui servent à l'épuisement des mines, et elle parait difficilement applicable aux machines à double effet et à mouvement de rotation continu, à cause de la durée, relativement considérable, d'une opération complète d'évacuation du condenseur.

La figure 33; pi. 7, offre les lignes primitives d'une machine d'épuisement munie de cet appareil.

La maîtresse tige des pompes employées pour élever l'eau de la mine est directement attachée à la tige M du piston moteur, et cette maîtresse tige doit être assez pesante pour descendre sous l'action de son propre poids eu refoulant l'eau dans les colonnes d'ascension de ces pompes.

travaille à détente, la soupape d^admission se ferme; puis, avant le commencement de la course descendante, Tinjection d'eau froide dans le condenseur est suspendue et la soupape B s'ouvre. La vapeur peut alors passer librement d'une région du cylindre dans l'autre par la colonne d'équilibre 0, les deux faces du piston ne sont plus soumises qu'à des tensions égales, et ce piston redescend par l'action du poids de tout l'appareil d'épuisement qui est attaché à sa tige. Pendant cette descente, la vapeur, qui était au début à une tension supérieure à la tension atmosphérique, a pénétré dans le condenseur en conservant une partie de cet excédant de tension et en a chassé, par la soupape E, tous les produits liquides et gazeux d'une condensation, puis a passé elle-même, en petite quantité, par cette soupape, jusqu'à ce que sa tension se fût abaissée jusqu'à une atmosphère* Quand cette opération d'expulsion est terminée, là soupape E se referme d'elle-même, et la condensation peut se continuer lentement dans Tappareil par le seul effet du contact de la vapeur avec les parois du condenseur et de tout le reste de la capacité qui la contient, mais sans injection d'eau froide. Enfin, un peu avant que le piston arrive au bas de sa course, on ferme la soupape d'équilibre pour que la dernière partie de cette course ne s'accomplisse qu'avec une vitesse progressivement ralentie par le coussin de vapeur que Pon crée ainsi sous le piston.

Quel que soit l'intervalle de repos que l'on veuille laisser entre deux coups de piston, le robinet d'injection d'eau froide ne doit s'ouvrir qu'un peu avant la soupape d'admission de la vapeur, afin que les parois du cylindre moteur ne soient pas trop longtemps en contact avec la vapeur à basse température qui demeure dans ce cylindre pendant la condensation et qui les refroidirait outre mesure si le robinet s'ouvrait, par exemple, pendant la course descendante à l'instant où l'opération d'évacuation est terminée. L'expérience a démontré qu'il se produisait dans le cylindre une condensation considérable à l'époque de l'admission de la vapeur nouvelle, quand le robinet d'injection d'eau froide était ouvert trop tôt, et que le refroidissement général qui en résultait pouvait obliger à conserver dans le cylindre, à la fin de la course montante du piston^ un plus grand excès de tension sur la tension atmosphérique, pour opérer convenablement l'évacuation du condenseur. Du reste, on peut toujours réaliser, par tâtonnement sur

les appareils établis, les meilleures conditions de ronciionuemenl des soupapes.

Un appareil de condensation fondé sur un semblable principe d'évacuation du condenseur, ne peut évidemment fonctionner que lorsque la vapeur motrice conserve, à la fin de la course montante du piston, une tension notablement supérieure à la pression atmosphérique. En effet, il faut que cette vapeur, après avoir subi un accroissement de volume lorsque la soupape d'équilibre à été soulevée, et une condensation partielle par suite du refroidissement qu'elle éprouve dans la colonne d'équilibre et dans le condenseur, conserve un excès de tension sur la tension atmosphérique, suffisant pour chasser d*abord Teau de condensation puis, à sa suite, les produits gazeux et enfin s'échapper elle-même en petite quantité par le clapet de déchaîne E, afin que le condenseur soit parfaitement débarrassé de tous les produits liquides et gazeux de la précédente condensation.

Cette obligation de conserver à la vapeur, à la fin de la course pendant laquelle celle-ci produit son travail, un grand excès de tension sur la pression atmosphérique, empêche de pousser la détente, dans ce genre de machine, aussi loin qu'on le fait dans d'autres machines d'épuisement munies d'une pompe à air; mais cet inconvénient, dans la plupart des circonstances, est plus apparent que réel, parce qu'on ne peut introduire une grande détente dans les machines d'épuisement qu'à des conditions d'établissement très-onéreuses, dont il sera question plus loin, et que les exploitants acceptent rarement. Cependant

Ton leniHl à apporlf^r une ç^rando économie dans la consommation

a fourni cette vapeur; il eu résulte que PiDJeclioD d*eau froide, pour condenser cette vapeur et celle qui arrivera pendant la course montante du piston moteur» n'est plus favorisée par le vide du condenseur, comme dans les autres appareils, et qu'il faut accélérer cette injection par une charge d'eau. On obtient ce résultat en plaçant le réservoir d'eau froide à deux ou trois mètres au-dessus du condenseur.

Le condenseur contenant périodiquement de la vapeur qui se maintient pendant quelques instants à la température de lOO"", conserve une température moyenne supérieure à la température des condenseurs ordinaires, de sorte que le vide s'y fait plus difficilement que dans ceux-ci et qu'il est encore plus important de prendre toutes les mesures propres à accélérer la condensation dès le début. Pour cela, il faut que le tuyau dinjection fournisse la plus grande quantité possible d*eau froide à l'instant où il s'ouvre et que cette eau, s^épanouissant sous forme de gerbe dans le condenseur, en arrose toutes les parois internes et fasse l'effet d'une pluie abondante dans toute sa capacité, aOn de multiplier ses points de contact avec la vapeur; l'expérience a prouvé qu'il était très-important d'observer celte règle. Le vide initial étant obtenu, on peut ralentir la venue d'eau froide jusqu'à la 6n de la course montante du piston moteur, époque à laquelle on la supprime.

Les produits gazeux de la condensation qui proviennent, en trèsgrande partie, de l'eau froide injectée dans le condenseur, sont constamment maintenus dans cette capacité par l'arrivée continuelle de la vapeur à une tension supérieure à la leur, de sorte que ces produits ne se répandent pas dans toute la capacité disponible et qu'ils sont entièrement emportés avec l'eau de condensation par le torrent de vapeur qui traverse le condenseur immédiatement après Touverture de la soupape d'exhaustion. Les produits gazeux ne tendent donc à s'accumuler dans aucune partie de l'appareil, ni à former obstacle à la condensation; aussi toute autre disposition spéciale pour en purger la machine est inutile, et il ne faut point de reniflard comme celui que l'on trouve au bas du cylindre des machines de Newcomen ; il serait plus nuisible qu'utile, et ne servirait qu'à faire perdre en partie, ou en totalité, Texcédant de tension qui est indispensable pour levacuatiou du condenseur et à favoriser la diffusion des gaz dans le reste de l'appareil.

La quantité de vapeur à 1***"- à condenser après chaque opération

d'évacuation du condenseur, étant proportionnelle à la capacité totale de la machine et de l'appareil de condensation, il faut évidemment, sous ce point de vue» que celle capacité totale soit la plus petite possible, et comme la capacité du cylindre est une constante qui dépend du travail à effectuer et de la tension initiale de vapeur que Ton a adoptée, et que, d'autre part, la capacité de la colonne d'équilibre et celle qui reste comprise entre le piston au sommet de sa course et le couvercle du cylindre, sont sans influence directe sur la tension du condenseur ou sont confinés tous les produits de la condensation, il en résulte que, théoriquement et sous ce point de vue, la colonne d'équilibre et Pespace compris entre le couvercle et le piston à la fin de sa course, doivent être réduits aux plus faibles dimensions possibles. On obtient ainsi deux avantages, le premier est la réduction du volume de vapeur ù condenser, le second un moindre agrandissement du volume de la vapeur qui vient de produire son travail, au moment de rouverturede la soupape d'équilibre, et un moindre abaissement dans la tension de cette vapeur, ce qui permettrait, à l'occasion, de pousser la détente un peu plus loin. Mais, d'un autre côté, en diminuant outre mesure la section de la colonne d'équilibre et l'ouverture de sa soupape, on augmente la faible diflércnce de tension qui existe entre les deux faces du piston pendant sa descente et on diminue la vitesse pendant cette période du mouvement; puis on augmente la difficulté du passage de la vapeur du cylindre dans le condenseur pendant la course montante et, par suite, la contre-pression du piston. Ces deux inconvénients ne dc\ reluiraient scnsibU's que pour de très-peUles sections et nous pea-

limite de seclion fixée oi-dessus pour la colonne d^équilibre, dans les machines puissantes où la vitesse du piston est faible?

Quant au condenseur» la diminution de sa capacité apporte bien une réduction dans la quantité totale de vapeur à condenser, mais, en même temps, elle produit un accroissement dans la tension qui s'y établira, parce qu'il doit, quelle que soit cette capacité, contenir tousies produits liquides et gazeux d'une condensation, U faut donc chercher s'il est plus avantageux de lui donner de grandes que de petites dimensions.

Supposons que ce condenseur ait une capacité déterminée et qu il s'y établisse, pendant la condensation, une certaine tension ; celle-ci se composera, comme dans les condenseurs ordinaires, de la tension de la vapeur à la température des eaux de condensation, plus la tension que les produits gazeux apportés par ces eaux établiront dans la portion du condenseur qui restera disponible. Si Ton suppose maintenant que Ton double la capacité de ce condenseur, on ne doublera pas la quantité de vapeur à 1**"" qui doit être condensée et qui restera dans Tappareil tout entier composé du cylindre, de la colonne d'équilibre et du condenseur; de sorte que si Ton emploie, après l'agrandissement de ce condenseur, la même quantité d'eau froide par kil. de vapeur à condenser, afin d'avoir même température des eaux de condensation et même tension des vapeurs restantes, la quantité de produits liquides et gazeux ne sera point doublée, tandis que ceux-ci s'établiront dans un espace double. Il y aura donc, par suite de cet agrandissement du condenseur, une diminution dans la partie de la tension générale, qui est due à la présence des gaz. Ce raisonnement s'applique à tous les accroissements de capacité que l'on voudra supposer^ mais il faut observer que s'ils sont d'autant plus avantageux qu'ils sont plus considérables, ils ne doivent jamais attendre la limite à laquelle rabaissement de tension des vapeurs qui doivent balayer le condenseur, deviendrait assez grand, à l'instant où elles pénètrent dans ce condenseur, pour qu'elles fussent incapables de chasser, par le clapet E, les eaux de condensation et, à leur suite, la totalité des produits gazeux de la condensation précédente.

Nous pourrons donc poser la règle qui suit :

Dam lei appareils de condensation où l'évacuation du condenseur est effectuée à l'aide d'un excès de temion que la vapeur conserve dans

tintérieur de l'appareil, le condenseur doit être le plus grand possible^ à la condition que sa capacité ne dépasse pas la limite à laquelle cette vapeur, avant l'ouverture de la soupape d'équilibre, ne possède plus la tension suffisante pour chasser dans l'atmosphère la totalité des produits liquides et gazeux de la condensation précédente.

Il est clair, d'après cela, que le condensear sera d'aulaot plus grand que la tension de la vapeur motrice, à la fin de la course montante du piston, sera plus considérable, toutes choses égales d ailleurs.

On n'a point fait, jusqu'à présent, d'expériences bien concluantes pour déterminer l'abaissement de tension que la vapeur subit, quand elle pénètre dans le condenseur, par suite du refroidissement et de la dilatation brusque qu'elle y éprouve avant l'injection d'eau froide ; de sorte que l'on ne connaît pas, avec précision, l'excès de tension qu'elle doit conserver sur la pression atmosphérique, avant de pénétrer dans ce condenseur^ suivant la capacité de celui-ci, pour en chasser les produits de la condensation; mais l'expérience a prouvé que dans les appareils existants, lorsque la colonne dëquilibre a une section approximativement égale à celle qui dérive de la règle que nous avons admise ci-dessus, et que la capacité du condenseur est de deux à trois fois le volume des eaux de condensation, compté à raison de 35 à 30 kilog. d'eau froide à lO^" ou IS"" par kilog. de vapeur à condenser, l'évacuation se fait convenablement lorsque la tension de la vapeur sous le piston moteur, à la fin de sa course, l'emporte encore d*une demie à une atmosphère sur la pression atmosphérique. Dans ces candiuons, la tension dans le condenseur, après la condensation,

et la quantité de produits gazeux qu'elles apportent dans l'appareil, ce qui permet de supposer qu'en général la forme de ces condenseurs n'est pas suflBsamment appropriée au mode d'évacuation des produits de la condensation ; ils sont presque toujours trop larges et pas assez longs. La forme allongée semble se prêter davantage à l'expulsion complète des produits gazeux par l'action d'un courant de vapeur qui arrive par un orifice relativement assez étroit. Ainsi, pour agrandir rationnellement le condenseur N de la figure 33, il vaudrait mieux, probablement, le prolonger sous le même diamètre que de l'élargir, sauf à le coucher horizontalement s'il descendait trop bas pour que l'on se débarrassât aisément des eaux de condensation. Les condenseurs trop larges peuvent être traversés dans la partie centrale par le courant de vapeur et conserver, dans les angles et sur le pourtour, des produits gazeux qui augmentent la tension pendant la condensation suivante.

Les avantages que présente ce mode d'évacuation du condenseur sont assez importants. Les produits de la condensation sont rejetés dans l'atmosphère sans dépense spéciale de travail. L'appareil ne renferme point de piston dont la garniture se dérange et oblige à des chômages pour cause de réparation ; qualité précieuse pour les exploitations de houille dans lesquelles les machines d'épuisement ne peuvent cesser de fonctionner, sans grave dommage, que pendant un temps très-court. Le poids de vapeur à condenser y est constant, quelle que soit la tension initiale de la vapeur sous le piston moteur ; ce qui permet de n'employer qu'une quantité constante d'eau froide pour la condensation, lorsque les mines s'approfondissent et que l'on est obligé d'augmenter la puissance des machines par accroissement de la tension initiale de la vapeur, pour élever la même quantité d'eau à une plus grande hauteur. Ce dernier avantage est d'autant plus grand que les mines sont plus profondes, parce que, à partir d'une certaine profondeur qu'il serait facile de déterminer, la totalité des eaux élevées par les machines d'épuisement peut devenir insuffisante pour condenser dans de bonnes conditions, et que la diminution du poids de vapeur à condenser recule cette limite à laquelle on manquera de la quantité d'eau nécessaire pour opérer convenablement cette condensation.

Les machines d'épuisement avec condenseur et pompe à air pour-

raieoty du reste, offrir le même aTantage dans les mêmes conditions de tension de la vapeur à la Gn de la course du piston moteur; il suifirait pour cela de placer un reniflard sur la colonne d^équilibre; ce reniflard laisserait échapper de la vapeur à Tinstant de Touverture de la soupape d*équilibre et les deux faces du piston moteur ne seraient soumises qu*à une tension d'une atmosphère, pendant sa descente. Le voliune de vapeur à une atmosphère, ainsi réservé au condenseur, serait encore moindre que dans le cas précédent, parce qu'il serait limité à la soupape d'exhaustion, tandis que dans celui-ci, il doit être compté jusqu'au clapet de décharge £, et, de plus, le condenseur n'étant plus réchauffé périodiquement, la condensation y serait continue et plus parfaite avec la même quantité d'eau froide pour un poids donné de vapeur.

Le condenseur de M. Letoret n'a pas été appliqué jusqu'à présent aux machines à mouvement de rotation continu, ni même à toute autre machine dans laquelle les coups de piston se succèdent sans repos et ne durent qu'un instant ; voici pourquoi : Avant d'injecter l'eau froide dans le condenseur, pour y créer le vide partiel destiné à accroître l'effet utile de la vapeur motrice sur le piston, il faut que la décharge de vapeur ait chassé par le clapet E tous les produits liquides et gazeux de la précédente condensation, et celte première partie de l'opération ne se fait pas rapidement, surtout à cause de Tinertie des produits liquides; de plus, la condensation s'y opère moins aisément au début que dans les appareils où le vide, dans le condenseur, est continu ; la plus grande partie, ou même la totalité de la course du piston moteur

disposition suivante » dont les lignes primitives sont tracées dans la figure 54, pi. 8.

A est un condenseur ordinaire ;

B une capacité de forme quelconque» munie, à sa partie supérieure, d'une petite bâche de déchaîne et d*un clapet G, noyé dans Teau de la bâche ; en d'autres termes, munie d'un reniflard ;

Z une colonne d'eau d'une hauteur dépendante du degré de raréfaction que l'on veut obtenir dans le condenseur ;

D un réservoir d'eau ;

E et F des soupapes de forme quelconque, manœuvrées par la machine.

Si l'on ouvre la soupape E et que l'on ferme la soupape F, le niveau s'élèvera dans la capacité B, et le mélange de gaz et de vapeur qui s'y trouve, sera chassé par le clapet G. A l'instant où il ne restera plus de produits gazeux dans la capacité, la soupape E se fermera, la soupape F s'ouvrira, le niveau baissera en B, et il s'échappera par le pied de la colonne Z une quantité d'eau telle, que la différence de niveau entre xy et mn, conjointement avec la tension du mélange de gaz et de vapeur, qui passera du condenseur dans la capacité B, fasse équilibre à la tension atmosphérique. Quand le condenseur A est ainsi débarrassé d'une partie des produits gazeux et de la totalité des produits liquides qui s'y étaient accumulés, la soupape F se referme, la soupape E se rouvre et les produits gazeux qui ont passé dans la capacité B, sont de nouveau expulsés par le clapet G.

Get appareil n'est évidemment qu'une pompe à air ordinaire, dans laquelle le piston aspirant et foulant serait remplacé par deux colonnes d'eau fonctionnant alternativement ; l'une K, pour chasser les produits gazeux par le reniflard ; l'autre Z, pour appeler les produits liquides et gazeux dans la pompe, par aspiration, et pour débarrasser l'appareil des eaux de condensation et des eaux du réservoir D, qui sont entrées dans la capacité B pour prendre la place des gaz expulsés. Le clapet de retenue x est évidemment indispensable, comme dans les pompes â air â cylindre plongeur.

Les conditions de fonctionnement d'un semblable appareil sont extrêmement faciles à déterminer.

Si l'on veut obtenir une tension régulatrice d'un dixième d'atmos-

phëre dans le condenseur, lorsque la tension atmosphérique équivaut à une colonne d'eau de 10'°33, il faut évidemment que la différence de niveau entre la surface xy de Teau de condensation , à la fin de la période d'aspiration, et Thorizontale mn passant par Torifice inférieur

de sortie, soit de 10"333 — — = 9"»2997,et qu'en même temps

la capacité qui reste libre au-dessus de la surface xy soit telle, qu'elle contienne le mélange d'air et de vapeur qui doit être expulsé, sans que la tension de ce mélange dépasse un dixième d'atmosphère, exactement comme dans la pompe à air à piston. Pour une autre pression atmosphérique, la différence de niveau entre ocy et mn serait différente.

On ferait varier à volonté le degré de vide obtenu en augmentant, ou en diminuant, la hauteur de la colonne Z, ou plutôt en faisant varier le niveau mn, à l'aide d'une hausse'mobile I ; mais la dépense d'eau pour produire l'évacuation du condenseur croîtrait avec l'abais* sèment de tension que l'on voudrait réaliser.

Quant à la dépense totale d'eau, elle se composerait d'abord de l'eau directement injectée dans le condenseur pour opérer la condensation, puis d'un volume emprunté au réservoir D,suffisant pour prendre dans la capacité B, la place des gaz expulsés ; eu un mot, le volume total d'eau dépensée serait égal à la totalité du volume engendré par le piston d'une pompe à air qui remplacerait l'appareil, et ce volume s'écoulerait par l'orifice inférieur de la colonne Z.

Cet appareil présenterait tous les avantages de la pompe à air et quelques-uns qui lui sont propres. Possibilité d'employer la vapeur

serait évidemment égal à celui que ce réservoir doit fournir pour qu'il prenne la place des gaz dans la capacité B.

Si Ton manquait d'une galerie d'écoulement au niveau muy il faudrait relever, jusqu'au niveau d'un canal de fuite établi à la surface du sol, la totalité des eaux qui s'écoulent par le pied de la colonne Z. Dans ces conditions, la pompe à air devrait être préférée, à moins que l'on n'attachât un grand prix à la sûreté de fonctionnement, qui nous semble bien supérieure dans cet appareil.

Les circonstances dans lesquelles il nous parait applicable sont, par exemple, celles d'établissement d'une machine d'épuisement sur le penchant d'un coteau pour tirer un grand volume d'eau d'une faible profondeur, ce volume devant être élevé jusqu'au niveau du condenseur pour les besoins de la condensation, afin de ne point employer une pompe spéciale pour n'en élever qu'une partie jusqu'à ce niveau. Dans de telles conditions, une petite galerie d'écoulement en contrebas du condenseur serait aisée à établir.

Nous pourrions encore citer quelques autres circonstances dans lesquelles il y aurait avantage à l'établir, mais le lecteur les reconnaîtra aisément lorsqu'elles se présenteront.

Nous n'insistons pas, non plus, sur les meilleures dimensions à lui donner pour obtenir un degré de vide déterminé ; l'identité parfaite de son rôle avec celui d'une pompe à air rend cette étude superflue, et les théories développées dans le cours de ce chapitre y sont rigoureusement applicables.