MACHINES A VAPEUR

169. Description de T ensemble des parties d'une machine a vapeur. machines à vapeur sont organisées à peu près de la même manière machines à colonne d’eau; et comme nous avons explique , ans ^ Cours de la année, le mode d’action de la vapeur alternalivemen^ du dessus et au dessous du piston , avec ou sans détente , ainsi que e r

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condensateur, il ne nous reste qua donner une idée sur l'ensemble des diverses parties de la machine.

ABDC (fig. 530) est un corps de pompe fermé dans lequel se meut le piston moteur P, qui communique le mouvement au balancier EF, puis à la bielle FG , puis enfin à la manivelle GFI , montée sur l’arbre H, qui porte un volant régulateur.

LI représente le tuyau d’admission de la vapeur , partant de la chaudière et se rendant dans la capacité I, nommée boîte de distribution, parce que c’est là que s’opère le jeu des soupapes qui donnent accès à la vapeur alternativement au dessus et au dessous du piston et qui la laissent échapper dans le condensateur X après son action sur ce piston. Ce condensateur est noyé dans une bâche d’eau froide. (Nous renverrons au cours de M. Dupin pour le détail du jeu de ses soupapes.)

Y est une pompe simplement aspirante , dite à air , et mise en mouvement par un piston vertical attaché au parallélogramme du balancier; cette pompe rejette la vapeur et son eau de condensation, ainsi que l’air contenu par cette dernière , dans la bâche Z , d’où elle s’écoule à l’air libre par un canal de trop plein V.

k Ü est une P om P e aspirante et foulante qui puise de l’eau chaude dans la bâche Z et la refoule dans un tuyau u, qui se rend dans la chaudière à vapeur; c’est la pompe alimentaire de la chaudière et qui sert à rendre à celle-ci 1 eau de la vapeur qui lui est enlevée à chaque instant par le corps de pompe ABDC.

O est un corps de pompe ordinaire qui puise de l’eau froide plus ou moins «s dans le sein de la terre ou dans une rivière , et qui la verse par un tuyau O’ dans la bâche enveloppant à la fois le condensateur X et sa pompe à air Y. ouvent aussi cette pompe, qu’on nomme pompe à eau froide, refoule l’eau directement dans l’intérieur du condensateur X et devient pompe d’injection . „ a!S qU * nd a une bâche-enveloppe, ainsi que le suppose le dessin de la gure a30, l’eau froide est injectée par une pompe d’arrosoir v, au moyen d’un robinet * que manœuvre de haut en bas un levier mobile. Toutes les pompes sont mues par des tiges attachées au balancier. Quand la machine est destinée a puiser de Peau , la pompe prend des dimensions plus grandes ; rien n est change, quant au mécanisme. Seulement l’eau froide, dont l’élévation constitue le travail, est refoulée dans un réservoir à air, d’où elle s’élève ensuite par un tuyau d’ascension selon un jet continu, ainsi qu’il a été expli que au chapitre XIII [des pompes).

b . ^, nfîn ’ . Jl amve que dans les épuisements on supprime le volant et la siste 6 ’ qU1 De SerVlraient c I u ' à régulariser le mouvement. le balancier sub- ^s e toujours, mais on profite de la suppression de la manivelle pour placer

C ° rreSp0ndante Ia ‘ li 3 e de Ia grande pompe O (fig. 532) à épui- . a l°i» le système en équilibre par des contre-poids O: tout le

surplus reste le même.

3 m= ?AKTJ£.

170. Détails des chaudières. — On emploie généralement deux espèces de chaudières , la chaudière à tombeau en forte tôle pour les machines à basse pression . et la chaudière en fonte pour les machines à haute pression.

La chaudière à tombeau due à Watt, est représentée (fig. 533) par son profil transversal. Elle a la forme d'un cylindre dont les arêtes sont horizontales et dont les bases sont verticales. Le contour de chaque base est convexe et demi-circulaire en dessus ; il est concave des deux côtés comme en dessous. E représente la chaudière en tôle, A le cendrier, BB' la grille. La flamme lèche d’abord le dessous de la chaudière qui est fort longue. Arrivée au bout, elle se partage par le moyen d’un diaphragme GG'; une partie va en C', et l’autre en C. Ces deux parties reviennent le long des côtés par des tuvaux de conduite, se réunissent de nouveau en avant, et s’échappent par une cheminée générale. Souvent aussi la flamme se rend du foyer parle fond de la chaudière dans un seul conduit C à gauche ; de là elle circule dans ce tuyau , passe en avant de la chaudière pour se rendre dans le conduit C’ , à l’extrémité duquel se trouve une cheminée pour la recevoir.

La chaudière pour les machines à haute pression , inventée par Woolf , est en fonteou en tôle forte. Elle consiste dans un cylindre horizontal E(fig.534), en communication directe, par des tuyaux aa, avec deux autres cylindres plus petits GG, plongés dans le foyer et qu’on nomme bouilleurs. La flamme, après avoir léché la surface de ees bouilleurs et le dessous de la chaudière , se rend dans le tuyau latéral C , puis dans le tuyau latéral C', et arrive enfin dans une cheminée placée à l’opposé du foyer.

171. Usage des ouvertures pratiquées au sommet des chaudières. — Le haut des chaudières porte plusieurs ouvertures dont il faut connaître l’usage; ce sont :

1° Le trou d’homme , espèce d’ellipse de 18 pouces sur 10, ordinairement fermée par une plaque métallique avec boulons, et qui n’est ouverte que pour réparer l’intérieur de la chaudière.

2° Une ouverture pour laisser échapper la vapeur dans un tuyau destiné a la conduire vers le piston moteur de la machine.

3° Une ou deux autres ouvertures s (fig. S35) , portant la soupape de sûreté y , qui bouche l’ouverture hermétiquement au moyen de la pression exercée par un couteau u adapté à une romaine Int avec contre-poids Q , tournant en m sur un boulon fixe. Q est réglé ou posé sur la longueur Im, de façon que la soupape s’élève dès que la tension de la vapeur dans la chaudière surpasse une limite assignée. Souvent encore on remplace la soupape de sûreté par des plaques fusibles à la température qui correspond au maximum de tension. Si nous revenons à la soupape desûreté, nous voyons que le moment de la pression limite contre la base du petit massif retenu par ie couteau u , serait égal au moment du poids Q , si les frottements n’altéraient cet équilibre. L’adhérence et les frottements deviennent, au bout d’un cer-

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taia temps du repos de la soupape , tels que celie-ei peut cesser de s’ouvrir quand la vapeur est parvenue à sa tension limite.

4 ° Üne autre ouverture P° ur faire arriver la vapeur dans le manomètre qui sert à mesurer plus exactement la pression, q„ e ne le fait le contre-poids des soupapes de sûreté. La valeur est conduite par un tuyau dans un réservoir à bain de mercure (fig. 5S6), dans lequel plonge un tuyau rempli d’abord d’une certaine quantité d’air sec. Tant que la vapeur est à la pression atmosphérique , la colonne de mercure dans le tube est au niveau de celui du réservoir. Mais , dès que la vapeur prend une tension plus grande, sa tension est mesurée par la hauteur de la colonne de mercure dans le tube, augmentée de la pression de l’air resserré entre cette colonne et le sommet du tube. Cette dernière tension se mesure au moyen de ce principe de Mariotte , que les pressions de cet air sont en raison inverse des volumes ou des hauteurs comprises entre le sommet du tube et le haut de la colonne.

50 Üne oa verture très-petite garnie d’étoupe , servant à laisser passer la tige déliée qui supporte le flotteur F (fig. 5S7), dont les mouvements accusent la hauteur du niveau cd de l’eau dans la chaudière, et mettent en action un levier a contre-poids Q qui ferme ou ouvre le robinet R d’alimentation de la chaudière.

6° Enfin, une ouverture pour un dernier tuyau qui débouche dans l’eau meme de la chaudière, au dessous du niveau cd, et qui lui apporte l’eau fournie par la pompe alimentaire.

Nous renvoyons pour plus de détails aux traités spéciaux; les notions precedentes suffisent pour se former une idée de l’ensemble et du jeu de la machine.

172. Idées sur les précautions à prendre. — Par l’action de la chaleur du yer, leau entre en ébullition, et la vapeur se transforme au dessus du niveau cd. Lorsque le robinet , qui permet à volonté d’intercepter le tuyau d arrivée de la vapeur dans le cylindre où se meut le piston moteur, est ferme la pression et la température de la vapeur dans la chaudière augmentent de plus en plus ; mais dès que la vapeur a acquis le degré voulu de ten sion, ce qu indique le manomètre, le chauffeur ouvre le robinet, la vapeur arrive alternativement au dessus et au dessous du piston moteur. Ce dernier dans son mouvement entraîne ainsi toute la machine.

Le robinet d admission de la vapeur est mis en communication avec un □ 'dateur à force centrifuge (S e partie, -47), lequel participe lui-même au ement de la machine, et est destiné à fermer ou à ouvrir le robinet d’admission selon que ce mouvement s’accélère ou se ralentit. Mais ce régulateur préserv e point des dangers de l’élévation de tension qui survient dans la u ière ; la soupape de sûreté est seule chargée de ce soin ; elle doit s’ou- ( ] .^ Uan ^ ^ ess ' oa intérieure devient trop forte , et permettre à la vapeur e Jiappei . CeUe circonstance arrive quand le chauffeur fait trop de feu.

â-24 TROISIÈME PARTIE.

Quelquefois la soupape de sûreté adhère contre le tuyau ou fonctionne mal : de là il résulte des accidents. C est pourquoi il faut que le chauffeur la fasse de temps en temps jouer, pour entretenir la mobilité de ses diverses parties.

Lorsque le flotteur ne marche point . ou qu'il éprouve des résistances accidentelles, il ne suit plus la descente de l'eau, celle-ci baisse dans la chaudière sans qu’on en ait aucun indice, et laisse à nu les parois exposées à la flamme. Ces parois, au lieu de se maintenir à la température de 1 eau bouillante, comme cela a lieu tant qu’elles sont couvertes d’eau passent au rouge sans cependant faire élever beaucoup la température de la vapeur. Mais quand ensuite le jet d’eau d’alimentation arrive sur l’enveloppe, ce jet se vaporise instantanément et développe une action très -énergique qui fait éclater la chaudière (voyez la notice de M. Arago, sur les explosions des machines à vapeur, insérée dans l’Annulaire de 1830 du bureau des longitudes). Beaucoup de soins et un bon chauffeur sont les moyens d’éviter de pareils accidents.

Quand une machine est puissante , on emploie deux ou trois chaudières séparées.

173. Volumes de Veau et de la vapeur dans la chaudière. — Ces observations font voir que le niveau de l’eau dans l’état ordinaire doit s’élever, pour les chaudières, de quelque chose au dessus des conduites de la flamme. Ordinairement elles sont remplies d’eau de la moitié aux de leur hauteur; le surplus de leur capacité forme le réservoir de la vapeur. Ce dernier doit être assez grand pour que la soustraction de la vapeur à chaque coup de piston ne fasse pas trop varier la tension dans la chaudière. Voici comment on déterminera le volume de la partie de la chaudière qui forme réservoir de vapeur, d’après le volume de vapeur qui est introduit sur une machine à double effet et à détente.

Soit A la capacité de la chaudière, affectée à la vapeur; a le volume de vapeur introduit à chaque coup de piston dans le corps de pompe, volume mesuré par la portion de course du piston pendant laquelle la vapeur est reçue à plein sans détente. Soit na le volume de la course totale du piston , de sorte que la vapeur peut être considérée comme admise dans un temps

qui est la fraction - du temps total de la course. Au commencement de la

course du piston , le volume de la vapeur dans la chaudière est A sous la pression p ; mais au moment où la chaudière a fourni au piston un volume a de vapeur sous la tension p pendant la ne partie de sa course , il n’a pu se former dans l’intérieur de la chaudière qu’un volume- de nouvelle vapeur sous cette même tension. Ainsi, au moment où l’introduction de la vapeur sous le piston cesse , la vapeur dans la chaudière sous la tension p occuperait un volume A - « + Or, en réalité cette même quantité de vapeur

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doit remplir la capacité totale A , et , par conséquent , conserver une tension p inférieure à la tension première p. Cette tension inférieure p’ s’obtient d’après le principe de ïïariotte , au moyen de la relation

Si Ton veut que la variation de tension p — p' soit seulement ~ p . 0 n aura

S. il n y a pas de détente , » devient 1 unité , et A est zéro. En effet , la vapeur qui, dans ce cas, se forme à l’intérieur, est précisément égale à celle qui s’échappe. Toutefois , comme il y a des intervalles pendant lesquels les robinets ne sont pas ouverts, on prendra, suivant Tredgold , A = 3o, quand ij n y a pas de détente. Si la détente a lieu pour le quart du volume de la course totale du piston, comme dans les machines de Woolf, on fera» = 4, et 1 S 3 î

* ~~ ~ ^ onc ^ = 22 — fois a , ou 3 fois environ le volume

de la course totale du piston. Si » — S , on trouve A = ~ gOa = 20a , ou environ 6 fois le volume de la course totale. Enfin, si» = 2, A= iSa ou 7 jp fois le cylindre total.

174. Relations entre la densité, la température , et la tension des gaz. — Pour établir une machine à vapeur , on a differentes choses à calculer, telles que le poids de la vapeur à former , de la houille à brûler, l’effet utile transmis, l’eau nécessaire à l’injection, etc. Déjà nous avons enseigné dans le Cours de la l rc année§ 187 etsuivants, à évaluer le travail des pistons quand on connaît la tension et le volume de la vapeur introduite dans les corps de pompe, c’est pourquoi nous n’y reviendrons pas.

Qnant an poids de la vapeur formée dans un temps déterminé, il dépend de sa densité , et celle-ci est liée à la pression et à la température de cette vapeur. 3ïais, afin de faire connaître celte relation, nous commencerons à 1 établir pour les gaz permanents, quoique ceux-ci, comme nous le verrons , différent de la vapeur d’eau en quelques points.

Quand on connaît la tension et ia température d’un gaz , ainsi que la densité de ce gaz à zéro de température et sous la pression atmosphérique ordinaire, on a fait voir, dans le Cours de la l ro année (§ 211), comment il était possible de calculer la densité de ce même gaz pour la tension et la température dont il s'agit. Mais , plus généralement , au lieu de partir de la densité du gaz dans les circonstances ordinaires de zéro de température et de la pression atmosphérique, on a besoin de passer de sa densité sous une température et sous une pression quelconque, à la connaissance de sa densité sous une autre température et sous une autre pression données. Soit , par exemple, * la densité ou le poids d’un mètre cube de gaz lorsque n est sa température et p sa tension par centimètre carré de surface , et soient n', p' sa densité, sa température et sa pression dans un autre état, je dis qu’on pourra calculer r au moyen de la formule

r 1-j- 0,00373 ,n'^ / p w==: * l-j-0, 00373. rc - p

En effet, considérez un mètre cube de ce même gaz à zéro de température, soit p„ sa pression correspondante, on trouvera , si p a correspond à la pression de 76 centimètres de mercure; on trouvera, dis-je, en cet état, son point dans la table du § 40 du Cours de la l re année. Maintenant, si de zéro la température s’élève de n degrés centigrades, sans que la pression p 0 change, le volume 1 deviendra, en vertu du principe de Gay-Lussac (§ 26, Cours de la l ro année ) 1 -f- 0,00373 . n. De plus , si la pression p 0 est augmentée et devient p, ce dernier , en vertu de la loi de Mariotte ( § 16 , Cours de la l re

année), sera réduit à (1 + 0,00373 . m)^-. Divisant par ce nouveau vo-

lume le poids du gaz qui n’en est pas moins toujours <r 0 , le quotient sera la densité * de ce gaz, mais cà la pression p et à la température centigrade n, en sorte qu’on aura

Enfin, si la pression et la température du gaz, au lieu d’être p et n, étaient p’ et n', sa nouvelle densité *' sera telle qu on aura

* ~ (1 +0,00373 m')po’

d’où on tire la proportion

. *oP . ~°P'

!r "’ r • 00373. n)p a " (1 + 0,00373 .rc')p 0 ’

ou bien •• \ 0,00373. n ‘ 1 -j-0. 00373 .ri

d’où on tire, comme on l’a énoncé plus haut ,

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r x M-oTqôItST^ X p r

175. Caractères distinctifs de la vapeur d’eau. Relations entre sa tension et sa température. - Revenons à la vapeur d’eau. Elle diffère des gaz permanents en ce qu’elle peut se condenser quand on la comprime ou qu’on la refroidit , et en ce qu’elle se forme dans tout espace en contact avec de l’eau

Supposez une chaudière ou vase fermé, contenant de I’ean à une certaine température. Le vase étant en outre vide d’air, il se formera , au-dessus du liquide , de la vapeur dont la densité et la tension sont uniquement relatives à la température du vase et de l’eau.

On dit que l’espace est saturé, quand le liquide ne fournit plus de vapeur dans cet espace sous la température qu’on considère; c’est de la vapeur à saturation ou au maximum de tension. Car si on imagine qu’on veuille augmenter la tension de la vapeur ainsi formée , en réduisant l’espace avec un piston, il se condensera une certaine portion de vapeur, et la tension de la

portion restante demeurera la même , c’est-à-dire telle que le comporte la

température qui est supposée n’avoir pas changé.

Si la température vient à baisser , une portion de la vapeur se condense jusqu’à ce que la densité de la portion restante soit réduite à celle qui répond à la nouvelle température et à la nouvelle tension ; car la tension diminue , aussi bien qu’elle augmente, avec la température. Ainsi, les vapeurs diffèrent d’un gaz permanent, en ce qu’on n’est pas le maître de faire varier à volonté leur tension et leur température. L’expérience seule peut faire connaître la loi qui, dans ce phénomène, lie la température et la tension de la tapeur saturee. Nous allons, à cet égard, rapporter le tableau des expériences entreprises et publiées en 1829 par l’Académie des sciences.

TABLE des forces élastiques de la vapeur d’eau et des températures correspondantes de l à 24 atmosphères , d’après l'observation , et de 24 à 50 atmosphères , par le calcul.