V. Encadrement de la boîte à étoupe des cylindres
X, X. Corps de la chaudière, recouvert de douves d'acajou destinées à diminuer la perte de chaleur par leur faible conductibilité. On voit, au-dessous du tube A, jusqu'où s'élève le niveau de l'eau dans la chaudière. Au milieu même de l'eau sont des tubes de cuivre #, dans lesquels passent les produits de la combustion pour se rendre dans la boite à fumée.
Y. Boîte à fumée dans laquelle débouchent les tubes a.
Z, Z. Boite à feu surmontée d'un dôme dans lequel se rend la vapeur.
a. Tubes de cuivre au nombre de 125, ouverts aux deux bouts, et se termi-
nant d'une part à la boite à feu, de l'autre à la boîte à fumée. Ce sont ces tubes qui transmettent la chaleur du foyer à l'eau de la chaudière et la vaporisent. Cette chaudière est dite tubulaire.
b. Secteur-guide placé sur le côté de la boîte à feu, et portant des crans
dans lesquels peut engrener le bras de levier B. Le cran extrême d'avant correspond à la marche en avant; le cran extrême d'arrière à la marche en arrière; le cran du milieu est un point mort. Les crans intermédiaires entre celui-ci et les écrans extrêmes donnent la détente pour la marche en avant ou en arrière.
e. Étuis contenant des ressorts à boudin qui règlent le jeu des soupapes i.
(j. Sifflet d'alarme se faisant entendre à 2000 mètres.
i. Soupapes de sûreté.
m, m. Marchepieds pour monter sur le tablier de la locomotive.
n. Tube de cristal placé devant le mécanicien, et indiquant le niveau de l'eau dans la chaudière, avec laquelle il communique par les deux bouts.
r, r. Guides qui maintiennent rectiligne le mouvement do la tête du piston.
/, t. Robinets de purge après la mise en train et réchauffement des cylindres. .
v. Tringle qui transmet le mouvement aux robinets de purge.
827. Classification des machines à vapeur. — 1° Machines à basse, à haute et à moyenne pression. — Une machine est dite à basse pression, lorsque la pression de la vapeur n'y dépasse pas 1 atmosphère et£; à moyenne pression, lorsque la tension est comprise entre 2 et 4 atmosphères; et à haute pression, quand la pression surpasse 4 atmosphères.
2° Machines à détente et sans détente. — Si la vapeur arrive en plein sur le piston pendant toute la durée de sa course, sa force élastique resle sensiblement la même et l'on dit que la vapeur
MACHINES THERMIQUES.
agit sans détente; mais si, par une disposition convenable du tiroir, la vapeur cesse d'arriver sur le piston lorsque celui-ci est seulement aux deux tiers ou au trois quarts de sa course, alors elle se détend, c'est-à-dire qu'en vertu de la force expansive due à sa haute température, elle agit encore sur le piston et achève de lui taire parcourir sa course. De là la distinction de machines avec détente et de machines sans détente. La détente économise la vapeur et par suite le combustible.
5° Machines à condensation ou sans condensation. — Enfin on appelle machines à condensation celles qui sont munies d'un condenseur où la vapeur se liquéfie après qu'elle a agi sur le piston, et machines sans condensation celles qui n'ont pas de condenseur : telles sont les locomotives.
828. Travail et Rendement des machines à vapeur. — 1° Chevalvapeur. — Le travail des machines s'évalue en chevaux-vapeur. Le travail équivalent à un cheval-vapeur a été défini précédemment
2° Rendement théorique. — On le déduit de ht formule de Carnot. Considérons, par exemple, une machine à haute pression et à condensation, dans laquelle la vapeur d'eau agit à la tension de 5 atmosphères, et où le condenseur est maintenu à la température de 40°. Le gaz qui travaille dans cette machine est une masse de vapeur d'eau qu'on peut supposer toujours la même : elle sort de la chaudière à la tension de 5 atmosphères, et, par suite, à la température de 152°; elle se détend dans les cylindres, où elle perd de la chaleur en produisant du travail, puis elle se rend au condenseur, où elle est ramenée à l'état d'eau à 40°, enlin elle est ramenée à la chaudière, qui lui restitue la chaleur nécessaire pour repasser à l'état de vapeur à 152°. En appliquant le principe de Carnot, on a
Ci — — — : -— ; — rr- = — r> c cst-a-dire environ 1/4.
On voit que ce rendement est assez faible. On ne peut songer à l'augmenter en élevant la température maximum, parce que la force élastique de la vapeur croit si rapidement avec sa température, que l'on s'exposerait à des explosions.
5° Rendement pratique. — D'ailleurs ce rendement théorique, si faible qu'il soit, est un maximum qui n'est jamais atteint dans la pratique. On peut s'en rendre compte en calculant direclement la quantité de chaleur dégagée par le combustible dépensé et en la comparant au travail développé par la machine.
1 kilogramme de houille dégage, en brûlant, 8000 calories;
Or 1 calorie équivaut à 425 kilogrammètres ;
Donc 1 kilogramme de houille devrait produire par sa combustion 8000 x 425 = 5 400 000 kilogrammètres.
MACHINES THERMIQUES. 1045
Or 1 cheval-vapeur équivaut à 75 kilogrammètres par seconde ou à 75 x 60 x 60 = 270 000 kilogrammètres par heure;
Donc, pour produire le travail de 1 cheval-vapeur pendant 1 heure, il faut brûler une quantité de charbon égale à
Comparons maintenant cette quantité de charbon théorique à la quantité qu'on brûle dans la pratique.
Les meilleures machines consomment 1 kilogramme de charbon par heure pour produire 1 cheval-vapeur. Quelques machines d'essai, fonctionnant dans des conditions exceptionnelles, ne consomment que 0k,880. Cela fait un rendement qui varie entre 8 pour 100 et 9 pour 100 au maximum : or le rendement théorique était de 25 pour 100.
Et encore ce rendement pratique est-il un maximum très élevé au-dessus de la moyenne; car, même dans les établissements bien conduits, il faut admettre une consommation de lk,300 pour les machines à condensation, et, dans V industrie ordinaire, on dépense généralement 3 kilogrammes et plus par heure et par cheval.
829. Machines à air chaud. — 1° Principe. — Nous avons dit qu'on ne peut élever la température maximum de la vapeur d'eau, ni par suite augmenter le coefficient économique des moteurs à vapeur, par crainte des explosions. Cet inconvénient serait évidemment supprimé si l'on substituait à la vapeur d'eau, dont la tension croît si rapidement avec la température, de l'air chaud ou tout autre gaz, dont la force élastique ne croit qu'en raison directe du binôme (1 -faT). C'est cette considération qui a conduit à la construction des moteurs à air chaud.
2° Machine hobereau. — Pour en faire comprendre le principe, nous décrirons l'un des plus simples parmi ces moteurs : c'est la petite machine Lobereau, qui est à simple effet, comme la machine à vapeur primitive de JNewcomen.
Description et fonctionnement. — Imaginons deux cylindres A et B, de diamètres assez différents (iig. 810). Le plus petit, A, communique par le fond supérieur avec l'atmosphère, et par une tubulure H avec le cylindre B. C'est lui qui constitue le corps de pompe où se meut le piston P. L'autre cylindre B sert à la fois de chaudière et de distributeur. C'est là, en effet, que la masse d'air, exposée à l'action directe d'un bec de gaz b, s'échauffe, se dilate, et, passant par les conduits tt sous le piston P, le soulève jusqu'au haut de sa course. A ce moment, une masse de plâtre P'P', en forme de piston, s'abaisse dans le cylindre B. Cette masse fonctionne comme un tiroir, pour déplacer l'air chaud et le chasser dans le haut du cylindre B par les interstices qu'elle laisse entre sa surface extérieure et la paroi interne du cylindre. L'air est alors refroidi, à la fois par l'interposition d'un corps mauvais conducteur entre lui et la source de chaleur, et puis par un courant d'eau froide qui circule
Fiff. 810.
autour de lui ; sa force élastique diminue, au point de ne plus faire équilibre à la pression atmosphérique qui s'exerce au-dessus du piston P : celui-ci retombe alors jusqu'au bas de sa course. En même temps, la masse P'P' remonte,
l'air est de nouveau exposé au bec de gaz, et le mouvement de va-et-vient con tinuc. Il est facilité et régularisé par un volant, qu'on pousse à la main pour la mise en marche.
3° Inconvénients des moteurs à air chaud. — Les meilleures machines construites d'après ce principe sont celles de Stirling et d'Ericsson. Elles ont fonctionné assez longtemps pour qu'on pût apprécier leur utilité pratique. Leur coefficient économique a pu être élevé jusqu'à la valeur limite de | . Mais elles ont l'inconvénient d'être volumineuses et encombrantes. De plus, l'air surchauffé a présenté l'inconvénient imprévu d'attaquer les métaux et de détériorer rapidement les organes ; ce dernier inconvénient a empêché les machines à air chaud de réussir dans la pratique.
830. Moteurs à gaz. — On tend à leur substituer des moteurs à gaz, qui présentent les mêmes avantages, mais non le même inconvénient. Ce sont des espèces de machines à air chaud, dans lesquelles réchauffement de l'air est produit par la combustion d'une certaine quantité de gaz de houille. Le premier appareil de ce genre est le moteur Lenoir ; les plus employés aujourd'hui sont le moteur Bisschop et le moteur Otto.
Dans le moteur Lenoir, un mélange gazeux, formé de 10 parties de gaz d'éclairage pour 90 parties d'air, est amené dans un corps de pompe où on l'enflamme à l'aide des étincelles d'une bobine de Ruhmkorff. Deux tiroirs placés latéralement servent tour à tour à l'admission du mélange détonant et à l'évacuation des produits gazeux de la combustion. Le corps de pompe est préservé d'un échauffement trop intense à l'aide d'une circulation continue d'eau froide. C'est une machine à double effet et à cylindre horizontal.
Dans les moteurs Bisschop et Otto le mélange gazeux a à peu près la même composition; mais il est enflammé par un bec de gaz allumé, dit allumeur, avec lequel il est mis en contact par un mécanisme convenable.
Dans le premier de ces moteurs (qui n'est employé que pour des forces inférieures à 1 cheval), il y a aspiration de gaz, suivie d'une inflammation et, par suite d'une impulsion, à chaque coup de piston. Dans l'une et dans l'autre, le mouvement est entretenu et régularisé par un volant.
Ces moteurs à gaz présentent l'avantage de se mettre en train sans la préparation préalable qu'exige une machine à vapeur, et ils se prêtent très bien à un emploi intermittent de la force. Mais jusqu'à présent ils ne sont pas d'un usage pratique pour des forces supérieures à 8 chevaux-vapeur.
