De la condensation dans les machine^ d'exhaure

Les appareils de condensation sont assez coûteux , puis-> qu'ils constituent quelquefois un tiers de la valeur d'une machine à vapeur. Si cette dernière marche irrégulièrement , le machiniste s'empresse d'en visiter le condenseur, la pompe à air et les divers accessoires, car ce sont ces organes qui, fréquemment dérangés, réclament les plus nombreuses réparations et font perdre un temps quelquefois très-précieux.

Le lecteur pourrait croire, au premier abord, que lea eaux extraites par les appareils d'exhaure sont toujours assea abondantes pour subvenir aux besoins de la condensation; mais s'il considère que la section des pompes étant donnée et flxée invariablement , l'action mécanique du moteur doit

Ml) Le lecteur trouvera, dans le BuUelin du Musée de llnduslrie (4*. livraison de Tannée 1843, page 217]|» une note très-remar-. quable de M. Devillez, sur les machinea d*épuisement, co^tea^nt, le calcul des conirç-poids pour uno ^^nte dop^née.

MOTEURS D*éPUlSEMEf9t. B8d

ëugltaenler proportionnellement aux profondeurs d*où les eaux doivent être épuisées, et que la force de la machine réclame alors , pour la condensation , un volume d*eau plus considérable , sans que la quantité extraite puisse s'ac* croître , il verra qu*il doit nécessairement exister une profondeur, variable suivant la nature de Fappareil,.la tension de la vapeur employée et les autres circonstances locales; profondeur au-delà de laquelle la condensation sera imparfaite et qui , en s'accroissant , rendra cette dernière de plus en plus inefficace. L'expérience prouve que cette limite est atteinte , avec les machines à basse pression , à une profondeur de ISO à 180 mètres^ mais elle est plus écartée dans les appareils à moyenne pression , dont il convient de faire un usage exclusif pour Tassèchement des mines.

Dans ces circonstances, pour subvenir aux besoins de Tinjection dans le condenseur , tantôt les cours d'eau de la surface sont utilisés , et l'eau en est amenée de loin dans des canaux ou des aqueducs construits dans ce but ; tantôt un réservoir de grande surface est creusé pour recevoir les eaux provenant de l'épuisement , les réunir & celles qui ont servi à la condensation et à toutes celles qu'il est possible de recueillir ; quelquefois , enfin , l'exploitant construit deux et même trois citernes^ afin que l'une d'elles se refroidisse pendant que la seconde reçoit les eaux provenant de la condensation et que la troisième fournit & celte dernière. C'est aussi le procédé usité pour lès machines d*cxtraction , les mêmes réservoirs étant appliqués au service des deux espèces d'appareils. Mais de semblables dispositions , souvent inefficaces , ne font qu'augmenter le coût de la condensation , sans atténuer en rien les inconvénients résultant des nombreuses réparations que nécessite cette partie de la machine.

M. Leloret , de Mons , a trouvé le moyen de se sous*

traire à ces difficultés en simplifiant les organes de la condensation par la suppression de la pompe à air, et en rendant invariable la quantité d'eau froide consommée , quelle que soit la profondeur à laquelle Tépuisement doit s'effectuer.

L'appareil qu'il emploie , en l'adjoignant au tuyau de décharge de la vapeur , est représenté dans la figure 9 de la planche LXIX.

a , condenseur en communication avec la soupape d*ex*haustion ; b , orifice d'injection ; cc^ bâche ou réservoir contenant les eaux de condensation qui ne peuvent dépasser le niveau marqué par la ligne mn; d, tuyau par lequel s'écoulent , au-dehors de l'appareil , l'eau , l'air et la vapeur; e, orifice destiné à la prise d'eau des pompes alimentaires; /, glissière servant à élever ou abaisser le niveau de l'eau dans la bâche ; g ^ soupape métallique dont le levier porte à l'une de ses extrémités un poids p calculé de telle sorte qu'elle doit se fermer lorsque sa surface est soumise à une pression immédiatement inférieure à celle de l'atmosphère , mais dont l'ouverture s'effectue dès que cette pression subit quelque accroissement.

Si l'on suppose actuellement la machine en activité^ la vapeur, après avoir fonctionné, se dégage par le tuyau de décharge, arrive dans le condenseur, et, comme elle est à moyenne ou à haute pression , elle abaisse la soupape , par l'ouverture de laquelle elle s'échappe jusqu'à ce que sa tension soit égale à celle d'une atmosphère ; la soupape se ferme alors , l'injection a lieu dans le con* denscur, et le piston moteur est délivré de la contrepression de la vapeur. L'eau s'accumule dans la bâche et son excédant se déverse, par-dessus la glissière, dans le tuyau de décharge.

Il n'est pas nécessaire d'enlever les anciens organes de

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condensation pour leur substituer ceux du nouveau système ; cqr ceux-ci peuvent se placer latéralement sans rien cban^ ger aux premiers , et Tun ou Vautre appareil peut fonctionner suivant la volonté du machiniste. Ainsi , la machine d'épuisement de TAgrappe , la première où ce système ait été appliqué , a possédé d'origine les deux modes de condensation , afin que si le nouveau n'eût pas réussi , il eût été possible de recourir à Tancien. La figure 10 représente les dispositions employées dans ces circonstances :

a y sondenseur; 66, bâche des eaux de condensation; G, orifice de trop-plein par lequel s'écoulent les eaux de condensation ; d , soupape du condenseur ; elle reste ouverte lorsqu'on ne se sert pas de la pompe à air; e^ soupape placée dans les mêmes conditions que la soupape g du condenseur décrit ci-dessus; p,p', contre-poids.

Le prix de cet appareil n'excède pas 1,000 à 1,300 fr. ; il est peu susceptible de dérangement et, par conséquent , n'exige presque pas de réparations. Enfin, la quantité d*eau voulue étant constamment la même , à quelque profondeur que doive atteindre l'épuisement^ l'efficacité de la condensation est toujours la même, et l'exploitant est assuré que si, dès l'origine, les eaux dont il peut disposer sont suffisantes, elles le seront toujours pour l'avenir.

Si, cependant, la mine est pourvue d'une galerie d'assèchement percée à une profondeur telle que l'action mécanique réclamée du moteur, pour élever une colonne d'eau d'une hauteur égale à la distance verticale comprise entre la galerie et la surface du sol , soit plus grande ou seulement égale au travail utile développé par la condensation , celle-ci sera nécessairement supprimée et les eaux seront rejetées sur la galerie. 11 conviendra d'agir encore de même dans le cas où le dernier de ces effets n'excédera pas de beaucoup le premier , afin de jouir des avantages de sim-

ÎJ9à CHAPITRE VI. — VI*. SECtiON.

plifier la construction de Tappareil , de lui assurer une marche plus régulière et de le soustraire aux inconvénients provenant des réparations exigées par les organes de la condensation.

Si , à défaut de galeries d'écoulement , les eaux épuisées doivent être amenées à la surface du sol , il est évident que la vapeur devra être condensée , et alors l'application du nouvel appareil offrira des avantages.

745. Comparaison entre les divers systèmes de machines à vapeur destinées à ^épuisement.

L'épuisement des eaux se réduisant à soulever un fardeau pour le laisser ensuite retomber en vertu de son propre poids, il est évident que les machines à simple effet seules peuvent s'appliquer avantageusement à une manœuvre de ce genre. Dans les mines où les exploitants se sont écartés de ce principe par l'emploi de moteurs k double effet , ils n'ont pas tardé de se convaincre que les avantages sur lesquels ils comptaient étaient nuls , et les désavantages , au contraire , fort grands. En effet , la maiiresse-tîge, alternativement soulevée et comprimée par le moteur , est soumise à des efforts opposés qui tendent à en disloquer les différentes parties. L'action de compression exercée sur sa tète pendant les excursions descendantes la force à s'infléchir, lui fait perdre de sa rigidité, engendre des chocs et des vibrations qui en altèrent considérablement la solidité , désunit les assemblages et dissipe en pure perte une partie notable du travail mécanique. Bien plus, cette pression si pernicieuse du moteur sur les attirails est complètement inutile ; car si la maitresse-tige est en bois , sa pesanteur doit être plus grande que celle des colonnes d'eau qu'elle refoule pour pouvoir se soutenir

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d'elle-même; si elle est en fer, son poids peut être diminué , mais alors la nature flexible de tringles métalliques d'une aussi grande longueur s'oppose à ce que la pression soit communiquée du moteur aux pistons des pompes.

On peut , il est vrai , utiliser les machines à double dfet en les appliquant & deux attirails de pompes distincts l'un de l'autre ; ceux-ci , liés par une chaîne de Vaucanson passant sur une poulie , se font mutuellement équilibre , et les efforts du moteur n'ont d'autre objet que de soulever alternativement chaque colonne d'eau. Si la suspension des tiges au moyen d'une chaîne fait concevoir des craintes ^ elles peuvent s'attacher aux deux extrémités d'un balancier, après avoir installé les pompes dans deux puits spéciaux ; mais les frais de creusement sont doublés inutilement , et cette division des appareils en deux parties n'engendre pas toujours l'équilibre , chacune d'elles pouvant subir des résistances variables. Les pompes des mines métalliques d'Allemagne , ordinairement ainsi dédoublées , ne doivent leur disposition qu'à l'emploi des roues hydrauliques ; or, ces moteurs à double effet , dont la force est donnée par la nature , ne coûtent rien à l'exploitant ; et comme il ne dépend pas de lui de les modifier en rien , il doit les accepter tels qu'ils sont.

Les machines à vapeur étant généralement appliquées à l'épuisement des mines de houille , et laissant toute liberté d'action , quant à leur disposition relativement aux pompes et aux attirails, le choix du mineur ne saurait être douteux ; il se portera nécessairement sur les machines à simple effet, si remarquables, d'ailleurs, parla simplicité des organes , par leui* stabilité et la facilité de leur installation. D'autre part , les machines de Newcomen , anciennement établies et conservées malgré leur grande TOME ni. 38

consommation de combustible (1), ne pouvant être TobjeC du choix de Texploitant, en présence des machines à balancier du Cornwall ou de celles à traction directe, il suffira d'établir une comparaison entre ces deux derniers systèmes. Les mines du Cornwall sont le point de départ de tous les perfectionnements apportés jusqu'à ce jour aux iQachines d'exhaure. Construites d'une manière qui ne laisse rien à désirer , on leur a prodigué les soins les plus minutieux dans le but de les soustraire , autant que possible , aux déperditions de calorique. Les détails mécaniques , destinés à régler le jeu de lappareil , sont d'une grande simplicité. La condensation se fait dans un vase isolé. Jamais la partie supérieure du cylindre où afflue la vapeur n'est en communication avec le condenseur. Le fluide est porté à une haute pression; sa force élastique peut être considérée comme entièrement utilisée, puisque son volume après la délente est ordinairement huit fois plus grand qu'il ne l'était d'origine , circonstance qui , outre ses avantages directs y tend encore à diminuer la contre-pression à laquelle est soumis le piston dans ses excursions descendantes, par suite de la dilatation de la vapeur avant le moment où elle doit s'échapper. Les soupapes de Hornblower , malgré leurs grandes dimensions , n'exigent qu'un eff'ort minime pour être soulevées de leur siège. La soupape d'exhaustion , ouverte un instant avant celle d'admission , facilite la sortie de la vapeur qui a fonctionné. L'influence de l'espace nuisible est diminuée par la fermeture de la soupape d'équilibre avant que le piston ait atteint U haut

( 1 ) Les exploitants des mines de hoaiUe anglaises ont i^énénlemeat conservé leurs anciennes machines d*exhaure , soit qu'Us considèrent la houille de rebut consommée comme de nulle valeur , soit quMls regardent les économies résultant de remploi d'autres appareils comme n^étant pas en rapport avec Hnlérét du capiul 11 dépenser.

vonims D*épi]isEiiBNT. B9S

de sa course. La dépense de Yapear est proportionnelle au nombre d*eicursions , malgré les arrêts déterminés par la cataracte, circonstance attribuée à l'emploi des enveloppes opposées aux pertes de chaleur. Enfin , le grand poids des attirails permet de donner aux tuyaux de prise de vapeur et aux soupapes de larges ouvertures , au moyen desquelles la pression se communique instantanément des chaudières au piston moteur.

Les machines à traction directe peuvent être construites dans les mêmes conditions avantageuses. Toutes les circonstances relatives à la condensation et à Texpansion de la vapeur y sont également reproduites. Les organes mécaniques y sont réduits à la plus simple expression, quant au nombre et aux dispositions. Les soupapes américaines valent au moins celles de Hornblower, qui, du reste, sont fréquemment appliquées aux machines à traction directe* Lorsque ces appareils sont installés sur un terrain solide, naturel ou factice , Teffort agissant verticalement , le cylindre se trouve dans les meilleures conditions de stabilité* Si le constructeur croit devoir supprimer la condensation , le piston , constamment accessible à sa surface supérieure « peut être visité à chaque instant , afin de constater les fuites de vapeur et d'y porter remède. La transmission aans intermédiaire et en ligne droite des efforts du moteur aux attirails, tout en diminuant la somme des résiatances passives , préserve le système des chocs et des vibrations si préjudiciables sous le rapport de l'absorption du travail mécanique , d'où résulte nécessairement un accroissement d'effet utile. Ces machines , de la plus extrême simplicité, s'établissent facilement. Le grand nombre de pièces supprimées les rend peu coûteuses. L'espace qu'elles occupent est si minime , comparé à celui qu'exigent les moteurs à balancier, que, par suite de lexi^

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guité des bâtiments qui les abritent et des fondations sur lesquelles elles reposent, l'exploitant réalise une économie notable sur le capital de premier établissement. Enfin, la course des pistons , élément essentiel de la force des ma* chines à vapeur , peut être fort grande dans ces machines où elle n'est limitée que par la longueur à donner aux cylindres; tandis que dans les autres appareils, le balancier ne permet que des hauteurs d'excursions en rapport avec la longueur de ses bras de levier , longueur renfermée elle-même dans des limites fort restreintes. Les deux autres éléments, la pression de la vapeur et le diamètre des cylindres étant supposé le même pour les deux systèmes de moteurs, on peut dire que les machines & traction directe n'offrent pas , dans les développements de force considérables , les inconvénients des machines à balanciers construites pour produire de grands effets mécaniques.

Un constructeur liégeois ( 1 ) , dans le but d'arriver à la suppression complète des balanciers de contre-poids , cherche à donner aux maltresses-tigcs des machines à traction directe un poids rigoureusement égal à celui des colonnes d'eau , plus les résistances passives des attirails et un léger excédant pour vaincre l'inertie du système. Mais, si le diamètre des tuyaux des pompes n'est pas trèsconsidérable, il est impossible qu'une tige en bois, dont le poids n'excède pas celui de la colonne d'eau , soit assez solide pour se soutenir d'elle-même , et le recours au fer forgé devient une nécessité. Supposant l'emploi de cette dernière substance , combien de difficultés à vaincre avant d'atteindre cet équilibre parfait? Qu'espérer, en définitive.

( 1 ) M. Maechàicd , Fun de ces nombreux et habiles ingénieursmécaniciens que la ville et la banlieue de Liège sont en possession de fournir à la Belgique et à Télrangcr.

IIOTfiUOS DÉPUISEUENT, S97

de cette disposition 7 Rien , si ce n'est la presque impossibilité d'appliquer la détente de la vapeur à des appareils ainsi construits ; une différence considérable de pression de la vapeur dans les chaudières et sur le piston; et enfin le mouvement accéléré des attirails qu'aucune masse ne vient modérer en vertu de son inertie; or cette accélération, créant des mouvements vibratoires susceptibles d'augmenter la somme des résistances passives , est une cause de destruction rapide. Le constructeur, il est vrai, empêche la maitresse-tige de retomber avec trop de violence , par l'étranglement de la vapeur à sa sortie du cylindre , à Taide d'une glissière ou d'un organe analogue qu'il appelle comprimeur ; assurément ce mode de modérer la vitesse du piston dans ses excursions descendantes est fort avantageux , mais il ne peut être seul chargé de cette fonction et suppléer ainsi à l'emploi d'un balancier de contre-poids. II résulte des considérations précédentes que les machines à traction directe du système Letoret , c'est-à-dire h simple effet , à moyenne pression , & détente et avec ou sans condensation, suivant les circonstances locales, sont éminemment apphcables à l'épuisement des mines. Si , en outre, elles mettent en mouvement une maitresse-tige dont l'axe coïncide avec ceux des pistons plongeurs, possédant un excès de poids équilibré par un balancier , cet ensemble forme un appareil d'épuisement aussi efficace qu'économique, et certainement l'un des plus parfaits que les mécaniciens aient employé jusqu'à ce jour.

746. Bases sur lesquelles repose le calcul des pompes et des machines d'épuisement

Les éléments du calcul sont les quantités d'eau à épuiser et la profondeur d'où elles doivent éire élevées. Le volume

b98 CHAPITRB VU — Vl\ 8BGTI01V.

des eaux affluentes doit élre pris à son maximum , c'est*à^ dire au moment des forts niveanx » lorsque les eaux pluviales ont eu le temps de sinfiltrer dans la mine. Mais les chiffres fournis par les jaugeages ne peuvent servir directement à la détermination du diamètre des pompes : il faut pourvoir à l'épuisement des venues d'eau résultant du futur développement des travaux souterrains, et à l'augmentation d'effet utile qu'elles réclameront pour être élevées au jour , si leur rencontre a lieu à des profondeurs plus considérables que celles où sont portés dès l'origine les appareils d'exhaure. Le mineur doit avoir égard à l'assèchement des puits dont il peut prévoir le fonçage ultérieur. Comme la machine ne peut fonctionner incessamment , il doit calculer sa puissance relativement aux chômages que réclameront les réparations , les changements de clapets et de pistons , etc. Enfin , il s'efforcera de se prémunir contre les éventualités de l'avenir , en tenant compte des chances d'accroissement dans les volumes d'eau et dans leur hautjeur d'élévation.

Il déduira de ces données le diamètre des tuyaux des colonnes, la vitesse des pistons pendant leurs excursions ascensionnelles et descendantes , l'amplitude de leur course et le nombre de pulsations en un temps donné. Il analysera la valeur des résistances passives, savoir : l'inertie de la maitresse-tige , des pistons du moteur et des pompes, des contre*poids et de la colonne ascendante ; les frottements des pistons et des tourillons des balanciers sur leurs crapaudines ; les frottements de l'eau dans les tuyaux de conduite ; et, enfin, les chocs provenant de la contraction du liquide dont la vitesse augmente en traversant les soupapes , et ceux que produisent les changements de direction du courant dans les tuyaux coudés. Lorsque le mineur p établi la valeur de Teffct utile du

MOTEURS d'épuisement. S9d

moteur et de toutes les résistances passives à vaincre , il détermine les dimensions du cylindre i la tension de la vapeur , eu égard aux différences qui existent entre le cylindre et les générateurs; la fraction de la course pendant laquelle le fluide agira par expansion , etc.

La machine construite dans de semblables conditions sera évidemment capable d^efforts plus énergiques que ne le réclame l'épuisement des eaux afflueotes dès Torigine; alors l'exploitant établira des périodes pendant lesquelles l'appareil devra fonctionner et il les séparera par d'autres périodes de chômage pendant lesquelles l'eau s'emmagasinera dans les réservoirs. Lorsque les travaux souterrains se développeront ou seront mis en communication avec d'autres que la machine doit exhaurer , il subviendra à cet accroissement de travail mécanique par la réduction de la durée des périodes de repos et par l'accroissement des périodes d'activité. Lorsque les puits devront s'approfondir^ de nouveaux jeux seront établis pour l'assèchement des travaux portés à une plus grande profondeur ; alors il accroîtra la puissance du moteur par l'augmentation successive de la fraction de la course, pendant laquelle la vapeur est admise en plein, et il subviendra à cette nouvelle consommation par Tadjonction de nouveaux .générateurs à ceux qu'il possède déjà. Si raffluence des eaux devient plus considérable encore, il n'aura, plus d'autre ressource que d'imprimer une plus grande vitesse aux pistons ; il devra , en conséquence, décharger les balanciers de contre-poids ou charger les attirails , afin de déterminer leur descente plus rapide. Mais, comme une trop grande vitesse placerait l'appareil en dehors de toute condition avantageuse , il s'arrêtera nécessairement à une limite dangereuse à outrepasser , et les efforts du moteur resteront désormais constants.

747. appareils générateurs de la vapeur employés dans le comté de Cornwall.

Les chaudières cylindriques sont terminées & leurs extrémités par des surfaces planes ; elles contiennent h Tintérieur un large tube placé excentriquement ; & la partie antérieure de ce tube est établie la grille ; au-dclù de la grille se trouve Tautel en briques réfractaires , qui , formant un étranglement , contraint la flamme et Tair chaud & lécher les parois de la chaudière. Le tube intérieur est formé par une porte à bascule dont Touverture n*a lieu que pour alimenter le foyer, afin que tout Tair nécessaire à la combustion traverse ce dernier. Un bouilleur cylindrique, ayant son origine au-delà de Tautel, est mis en communication avec le dessus et le dessous de la chaudière par une tubulure ajustée en avant et un tuyau placé à la partie postérieure.

Ces dispositions sont loin d*étre aussi avantageuses, quant à la consommation du combustible , qu'elles le semblent au premier abord ; car , d'après les expériences faites en Belgique et en Angleterre , les simples chaudières cylindriques, terminées par des calottes hémisphériques, ne dépensent guère plus de houille que les générateurs à tubes intérieurs. Mais quand il n'en serait pas ainsi , elles n'en devraient pas moins être rebutées pour les moyennes pressions, à cause des nombreuses chances d'explosion inhérentes à ces appareils. En effets si le niveau des eaux, baissant dans la chaudière , laisse à découvert une partie du tube intérieur, dont les dimensions sont fort grandes , les tôles, brûlées dans un instant très-court, cessent d'offrir une force de résistance suflBsante ; si, d'ailleurs, le tube résiste , quoique pressé sur toute sa surface du dehors au

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dedans par une force unique et partout la même, c*est à la manière des voûtes, mais pas assez efficacement en raison du peu d'épaisseur de la tôle et de son défaut de cylindricité parfaite ; alors les différentes parties de la surface offrant des résistances inégales , les tubes se déforment et se déchirent.

Telles sont les causes qui, en 1844, ont déterminé Fexplosion de Tun des générateurs d'une machine d'exhaure appartenant à la Société des Pompes du FIcnu , à Jeramapes. Dans cet accident, le tube inférieur, refoulé sur lui-même et déprimé en différentes parties de sa surface de 0.05 à 0.06 mètre , fut déchiré sur trois points & travers lesquels l'eau bouillante et la vapeur , précipitées violemment au dehors , culbutèrent l'autel et le projetèrent au loin avec l'une des rangées de barreaux de la grille. Quatre ouvriers furent atteints par l'eau bouillante : l'un d*eux fut immédiatement tué par le choc et la brûlure; un autre succomba après quinze jours de souffrances; mais les deux derniers purent heureusement se guérir de leurs cruelles blessures. Depuis cette époque, les chaudières de ce genre , dont le prix de premier établissement est considérable , qui d'ailleurs se prêtent difficilement aux réparations et aux nettoyages, ont été à juste raison proscrites par les exploitants de mines de houille. Il parait qu'on y a renoncé même dans le Cornwall.