MACHINES A VAPEURS COMBINÉES

La théorie de Téquivalent mécanique de la chaleur peut encore éclairer, sur la véritable valeur de leurs travaux et sur Timportance industrielle des succès qu*elles peuvent obtenir, les personnes qui, comme M. du Tremblay, ont tenté de remplacer la machine à vapeur deau par la machine à vapeurs combinées; c'est-à-dire fonctionnant par laclion simultanée des vapeurs de deux liquides qui entrent en ébullition, sous la pression atmosphérique ordinaire, à des températures très-différentes.

Les liquides employés ou proposés sont Teau, avec un des liquides suivants : Télher sulfurique, le chloroforme, le chlorure de carbone, le sulfure de carboue, elc, qui fournissent des vapeurs à haute pression lorsqu'on les porte à une température à laquelle Teau ne fournit que de la vapeur à basse pression.

Les vapeurs de Teau et de Tun ou de Tautre de ces liquides, agissent dans deux cylindres différents, transmettent leur travail au même arbre tournant et ne se mêlent jamais; il résulte de ce mode d'emploi des vapeurs, que la machine à vapeurs combinées se compose de deux machines pouvant fonctionner, chacune, d'une manière parfaitement distincte, mais que l'on rend solidaires à l'aide d'une communication de mouvement quelconque, absolument comme dans les machines à vapeur d'eau à deux cylindres.

Dans ces machines, la vapeur d'eau, après avoir produit son travail de la façon ordinaire, sur un piston, passe dans un condenseur qui ne reçoit point d'eau froide et qui consiste tout simplement en une grande caisse hermétiquement fermée, contenant un appareil appelé vaporisateur. Celui-ci se compose d'un grand nombre de petits tubes métalliques remplis d'un liquide facilement vaporisable, comme l'un de ceux que nous avons désignés ci-dessus, et n'est évidemment qu'une chaudière plongée dans une vapeur à haute température , au moins relativement, et présentant une grande surface à l'action de cette vapeur. La facilité avec laquelle ce deuxième liquide absorbe la chaleur constitutive de la vapeur d'eau environnante, lui fait jouer, à l'égard

de celle-ci, le rôle de Peau Troide dans un condenseur ordinaire; il la réduit en eau à une température plus ou moins élevée, ne laissant subsister que la tension correspondante à cette température et passe lui-même» à Faide de celte absorption de chaleur, à Téial de vapeur à une tension dépendante de la température à laquelle il est maintenu pendant l'opération. La vapeur d'eau, ainsi condensée, est retirée au moyen d'une pompe à air et renvoyée à la chaudière en totalité. La pompe à air, dans ce cas, mérite à peine ce nom, car la vapeur ainsi condensée ne contient qu'une quantité très-faible d'air, dont on pourrait encore se débarrasser en alimentant la chaudière, lors de la mise en train, avec de l'eau qui aurait été préalablement portée à 1 00'' et qui servirait ensuite indéfiniment, la dépense continue d'eau, pour le service de la machine, se réduisant à ce qui est nécessaire pour remplacer la vapeur perdue par les fuites à travers les joints mal faits de l'appareil. Quant à la vapeur du liquide auxiliaire, elle produit son travail dans le deuxième cylindre et passe de là dans un condenseur hermétiquement fermé comme le premier, mais entouré d'eau froide constamment renouvelée, qui la condense sans se mettre en contact avec elle; puis une pompe la reprend dans ce condenseur pour la renvoyer au vaporisateur, d'où elle sortira pour produire un nouveau travail, et ainsi de suite indéfiniment.

L'avantage de cette disposition est évidemment celui-ci : La vapeur du deuxième liquide étant produite par la chaleur que la vapeur d*eau avait conservée après avoir produit son travail et qui devait se perdre dans I atmosphère, tout le travail que Ton retire de la

basse lempérature. Or Téther sulfurique est, de tous les liquides que Ton peut employer à uu semblable usage, celui qui fournit la vapeur à plus haute tension pour une température déterminée, et il n*y a d'autre obstacle à son emploi que son prix élevé et les inconvénients pratiques inséparables de Tusage d'une substance aussi inflammable, dont on ne peut jamais empêcher une petite partie de s'échapper par les joints des appareils qui la contiennent sous une tension plus oa moins supérieure à celle de Pair environnant.

Nous choisirons donc la combinaison des vapeurs d'éther sulfurique et d'eau pour la comparer à la vapeur d'eau seule, au point de vue de l'utilité que l'on peut espérer en tirer dans les applications; en admettant la loi de l'équivalent mécanique de la chaleur et, provisoirement, le chiffre moyen de 172 kilogrammètres trouvé par M. Hirn, pour valeur de l'équivalent d'une calorie.

Rappelons d'abord le calcul que nous avons fait plus haut sur la quantité de chaleur utilisée dans une machine à détente et condensation ordinaire.

Nous avons trouvé que, dans une semblable machine fonctionnant sous la tension initiale de 5 atmosphères, la vapeur étant détendue jusqu'à 8 fois sou volume primitif, le vide étant fait dans le condenseur jusqu'à un dixième d'atmosphère, et la perte de chaleur par les parois du cylindre étant supposée nulle, le travail transmis au piston et pouvant être appliqué aux résistances utiles et nuisibles, s'élevait approximativement à 47034 kilogrammètres par kilogramme de vapeur dépensée, et que le travail absolu correspondant à la totalité de la chaleur que ce kilogramme de vapeur puisait dans la chaudière, était de 1 30444 kilogrammètres, en supposant la chaudière alimentée avec de l'eau à 0""; de sorte que la chaleur effectivement utilisée était de

- = 0,36, soit 36 p. c. de la quantité de chaleur qui passait 1 oU444

du foyer dans la chaudière.

Si, au lieu d'alimenter la chaudière avec de l'eau à O"*, on se sert, pour l'alimentation, des eaux du condenseur, à une température d'environ 40°, ce qui est le cas ordinaire de la pratique, l'économie de 40 calories qui en résultera, représentera une diminution de 40 . 172 -= 6880 kilogrammètres sur la quantité théorique de travail que la

Ui

chalear dépensée par kilogramme de vapeur pourra produire^ et Too obtiendra le nouveau rapport.

0,38, soit 38 p. c. de la chaleur dépensée.

Nous allons maintenant nous placer dans les conditions les plus favorables possible, à remploi combiné des vapeurs d'eau et d^élher.

Nous supposerons que la vapeur d'eau est employée à 6 atmosphères y détendue jusqu'à 4 fois son volume primitif, que la vapeur d'éther est employée à 9 atmosphères, tension qui, d'après M. Regnault , correspond à une température d'environ 60'', et que le vide derrière le piston de la machine à vapeur d'éther est suffisant pour que cette vapeur, comme la vapeur d'eau, soit détendue jusqu'à 4 fois son volume primitif.

Nous admettrons encore que la surface de chauffe du vaporisateur d'éther, est suffisante pour que la température de 60<' y soit maintenue par une température moyenne de lOO"" dans le condenseur de vapeur d'eau, ce qui ne nous semble pas exagéré; car si la température s'abaissait jusqu'à 60"*, dans ce condenseur comme dans le vaporisateur, la transmission de chaleur à travers les parois de celui-ci deviendrait nulle. Il résulte de cette hypothèse, une tension d'une atmosphère dans le condenseur d'eau et nous supposerons qu'elle est la même derrière le piston.

Ces bases de calcul étant posées, on trouve successivement :

ÉQUIVALENT MÉCANIQUE DE U CHALEUR. Ub

Travail de la vapeur à pression pleine et à détente, d*après la Tormule (F) qui donne des résultats un peu trop forts, comme nous Tavons déjà fait observer :

V (n + P) [l + log y, 2,3026] - V (n + P') ;

On trouve, après substitution des quantités numériques :

33314 kilogrammètres.

Ce résultat étant un peu fort, nous admettrons^ pour les motifs exposés précédemment :

31314 kilogrammètres.

Ce travail est celui qui est transmis au piston et qui peut être employé à surmonter les résistances utiles et nuisibles de Tappareil, mais le travail absolu de la vapeur, celui qui produit la disparition de la chaleur, est plus considérable; il remporte sur celui-ci de toute la quantité correspondante à la contre-pression, et il a, par conséquent, pour valeur :

31314+10334 . 4 . 0»»33 = 44953 kilogrammètres.

Ce travail occasionnera la disparition de

== 261 calories.

Donc un travail effectif transmis au piston, de 31314 kilogrammètres, a anéanti 261 calories sur une quantité totale de 774, empruntées à la chaudière, par chaque kilogramme de vapeur dépensée ; mais il Tant observer que cette chaudière n'en a fourni effectivement que 674, parce qu elle en a reçu 100 avec Teau d'alimentation.

Comme ces 674 calories pourraient produire un travail absolu de 674 . 172 = 115928 kilogrammètres, et que, d'autre part, le travail transmis au piston et pouvant servir a

sarmonter tous les frottements et les résistances utiles de Tappareil, ne s*élève qa'à 31314 kilogrammètres approximaiivement, le rapport de la quantité de chaleur utilisée, à la quantité dépensée, sera :

31314 ^^^ . ^^ J^^Q^ = 0,27; soit 27 pour cent.

La chaleur consommée par cette production de travail est, comme nous Tavons dit, de 261 calories, sur une quantité totale de 774 calories que la chaudière a fournies, mais dont 100 calories lui avaient été envoyées avec Peau d^alimentation ; il reste donc dans le mélange de vapeur et d*eau condensée qui passe dans le condenseur :

774 — 261 =513 calories.

Sur ces 513 calories, 100 demeureront dans Peau de condensation qui doit être renvoyée à la chaudière et 413 calories pourront être appliquées à la production de la vapeur d'éther dans le vaporisateur.

Pour calculer le travail que Ton pourrait tirer de cette dernière quantité de chaleur, par Tintermédiaire de la vapeur d'éther, il faudrait conualtre la chaleur totale de la vapeur d'éther à 2 atmosphères, sa densité et la loi d*abaissement de sa tension pendant sa détente, éléments qui sont tout à fait inconnus; mais les considéralions que nous avons présentées précédemment sur les effets de la chaleur appliquée à diverses vapeurs, prises à la tension de l'atmosphère, permettent de préjuger que, dans le cas dont il s'agit, on tirerait des

ÉQUIVALENT MÉCANIQUE DE U CHALEUR. Ul

Ce qui porte la totalité du travail, traosmis par les deux machines, à 19180 -}- 31314 = 504'94''"-, pour une consommation effective totale de chaleur, égale à 674 calories, laquelle pourrait produire un travail absolu de 1 1 5928 kilogrammètres.

Le rapport de la chaleur utilisée à la chaleur dépensée, serait donc . 50494 ^,, ^^m928 = "'*^'

soit 43 pour cent.

Si, au lieu d'élher sulfurique, on employait Tun des autres liquides que nous avons désignés, lesquels n'entrent en ébullition qu'à une température bien supérieure à 37"", les résultats que Ton obtiendrait seraient encore moindres, car il faudrait conserver une plus haute température et une plus haute tension dans le condenseur de vapeur d'eau, ce qui augmenterait la contre-pression du piston de la première machine et diminuerait la quantité de chaleur dont on pourrait disposer pour produire la seconde vapeur; puis cette seconde vapeur conserverait une plus haute tension après sa condensation par l'action de l'eau froide sur les parois du condenseur correspondant, ce qui augmenterait encore la contre-pression derrière le deuxième piston.

Les seuls motifs qui puissent faire préférer, pour de semblables applications, d'autres liquides à l'éther, sont le bas prix de ceux-ci et la diminution ou l'absence complète des dangers d'inflammation.

Quand on ne détend pas la vapeur d'eau dans les machines avec ou sans condensation, l'effet utile que l'on tire d'une quantité donnée de chaleur, est très-faible.

Supposons, par exemple, qu'une semblable machine sans condensation fonctionne avec de la vapeur à 6 atmosphères, avec une contre-pression du piston de l'^'^'S, et que la chaudière soit alimentée avec de l'eau à 15*^..

Le travail transmis au piston, par kilogramme de vapeur, sera :

0™'33 (6 . 10333 — 1,5 . 10333) = 15344^ . La dépense totale de chaleur, pour produire ce travail, serait :

Dépense dans la chaadîère pour le tra?ail à pression pleine. 119^- Chaleor qui reste dans la vapeur qai s'échappe 655*^*

Total 774*^-

Chaleur fournie à la chaudière par Teau d'alimentation. . . 15'*' Chaleur effectivement dépensée et fournie par le foyer. . . 759^'* Celle chaleur pourrait produire 759 . 172= 130348^"

Rapport de la chaleur utilisée à la chaleur dépensée :

130348 Soit 11,7 pour cent.

La comparaison que nous venons d'élablir entre les effets de la chaleur dans les machines à vapeurs combinées, dans les machines à vapeur d eau à détente et condensation et dans les machines à vapeur d'eau sans détente ni condensation, à Taide de 1 équivalent mécanique moyen qui résulte des expériences directes de M. Hirn sur les machines à détente, montre que la seconde vapeur, formée par la vapeur d'eau, permet d'utiliser une partie de la chaleur qui est perdue dans les machines ordinaires non perfectionnées; mais lorsqu'une machine à vapeur d'eau est à condensation et à longue détente, lorsque, en un mot, celle machine a reçu tous les perfeclionnemenls connus pour utiliser directement la plus grande partie possible du travail que la

(re eux sont inflammables et que leur vapeur peut donner lieu à des mélanges explosibles ou nuisibles à la santé, on reconnaîtra quMI vaut mieux chercher à perfectionner la machine à vapeur d^eau, en y introduisant la surchauffe et de longues détentes, en évitant les pertes de chaleur, en condensant cette vapeur dans les conditions du maximum d'abaissement de la tension derrière le piston moteur et en portant les appareils au plus haut degré possible de simplicité, afin de transformer directement la plus grande partie possible de la chaleur en travail utile, que de chercher ces perfectionnements dans l'emploi successif de plusieurs vapeurs dont chacune est produite par la chaleur que met en liberté la condensation de celle qui la précède.

L'opinion généralement acceptée jusqu'en ces derniers temps, de la pei*sistance de la chaleur dans la vapeur, nonobstant la production du travail, est la cause principale de ces tentatives. Les inventeurs, persuadés que toute la chaleur fournie à la vapeur d'eau dans la chaudière, se retrouvait dans cette vapeur à sa sortie du cylindre, ont tout naturellement songé à l'appliquer à la production d'une seconde vapeur capable de se former à une température inférieure à celle qu'exige la vapeur d'eau. L'idée théorique qui leur servait de guide, pouvait même les conduire à des conséquences bien autrement importantes, car l'emploi successif d'un nombre indéfini de liquides, capables de fournir des vapeurs à la même tension pour des températures^ progressivement décroissantes, conduisait tout naturellement à l'emploi d'un nombre indéfini de machines, fonctionnant par l'action de la chaleur appliquée à la vapeur qui exigeait la plus haute température, et è la production d'un travail indéfini à l'aide de la même chaleur; de telle sorte qu'en reconvertissant, par un moyen quelconque, une partie de ce travail en chaleur appliquée à la formation de la première vapeur, on aurait réalisé pratiquement le mouvement perpétuel.