CHAPITRE XLVII

Troisième question : Quels sont les appareils destinés à alimenter d'eau les chaudières à vapeur?

Daws l'usage de la vapeur , comme force motrice , on en porte toujours la température au delà de 100 degrés centigrades, et la pression au delà d'une atmosphère, à la vérité très-peu au delà pour les machines dites à basse pression. Cependant l'excès , quelque petit qu'il soit , est tel qu'un réservoir d'eau dont le niveau ne serait pas supérieur à celui de l'eau , dont or charge la chaudière , ne pourrait pas convenablement servir à alimenter celle-ci , en mettant l'eau du réservoir en communication avec la chaudière : nous disons convenablement , parce que la vapeur exerçant sur l'eau bouillante une pression un peu supérieure à celle de l'atmosphère, l'eau du réservoir ne pourrait pas entrer d'abord dans la chaudière j c'est-à-dire, aussi long-temps que son qivegu ne se trouverai^ point assez élevé pour vaincre cet excès 4e pression : mais comme, à la suite d' un abaissement de pi veau dans la chaudière , résultant nécessairement de réygrpo ration , la pression du réservoir viendrait à prédominer, l'eau froide entrerait , mais en assez grande quantité peut-être à la fois, pour abaisser brusquement la température 4e çhau-

33a DE LA VAPEUR COMME FORCE MOTRICE,

dière , et y porter un trouble dont on prévoit trop bien maintenant les effets , pour que nous ayons besoin de les décrire.

U faut donc que le réservoir soit placé de manière que Veau, par la hauteur de son niveau , puisse vaincre constamment la résistance que la vapeur oppose à son entrée; ou bien il faut exercer sur l'eau alimentaire une pression extérieure capable de vaincre cette résistance , et dans le dernier cas on peut prendre l'eau au-dessous du niveau de la chaudière.

Dans le premier cas, la hauteur du réservoir doit être en un certain rapport avec la tension qu'on veut donner à la vapeur;, deux ou trois mètres d'élévation suffisent amplement pour les basses pressions ; mais , pour les autres pressions , il faut employer une force étrangère pour faire entrer l'eau alimentaire dans la chaudière. Il serait pour ainsi dire impraticable de ne se servir à cet effet que du poids du liquide , vu la hauteur à laquelle il faudrait élever le réservoir et l'alimenter lui-même ; ce qui du reste exige encore l'emploi d'une force étrangère , même pour les basses pressions ; car il est rare qu'on ait de l'eau affluente à sa disposition à deux ou trois mètres au-dessus de la chaudière d'une machine à vapeur, pour entretenir l'éau* du réservoir alimentaire.

C'est ordinairement une pompe mise en mouvement parla machine elle-même qui entretient la chaudière, et la force de la vapeur fait l'office de la force étrangère dont nous venons <te parler.

La pompe sert donc de deux manières pour alimenter les ehaudières à vapeur : ou bien elle envoie l'eau, qu'elle puise dans un réservoir élevé au-dessus de la chaudière; ou bien elle l'envoie directement dans la chaudière sans aucun intermédiaire.

Mais ce n'est pas tout que de faire arriver de l'eau dans la

ET DES MACHINES A VAPEUR. 333 chaudière, il importe qu'elle n'arrive qu'au fur et à mesure qu'elle s'évapore, et par conséquent en quantité telle qu'elle n'influe pas sensiblement sur la température de la chaudière.

Si le feu pouvait être entretenu constamment au même point d'intensité, si dans tous les instans on consommait des quantités de vapeur égales, on pourrait à l'aide de nos expériences et des règles que nous en avons déduites, déterminer combien d'eau s'évapore par seconde ou par minute, et disposer le réservoir de service, ou la pompe, de manière qu'ils ne fournissent que la même quantité d'eau par seconde ou par minute.

Mais il peut y avoir tant de variations dans la conduite du feu et dans les quantités de vapeur consommées, qu'on ne pourrait pas compter sur une alimentation régulière , si Ton n'avait recours à quelques moyens subsidiaires dont nous, allons parler.

11 faut dire, avant tout, que le tuyau qui amène l'eau froide traverse la masse d'eau bouillante et débouche toujours à quelques centimètres du fond de la chaudière, afin que la première ne se mêle pas à la seconde, et qu'elle se trouve, dès son arrivée , à la place que lui assigne sa densité. Jamais le tuyau d'eau froide n'est ouvert dans l'espace occupé par la vapeur, parce qu'il y aurait une suite de condensations partielles et momentanées qui pourraient occasioner des accidens, ou du moins porter le trouble dans le service de la chaudière.

Maintenant il est clair que si, en un temps donné, il arrive plus d'eau dans la chaudière quelle ne puisse en évaporer, le niveau haussera, et la chaudière et le cylindre même de la machine finiraient par se remplir : la machine s'arrêterait. S'il en arrive moins , le niveau baissera , et la chaudière pourrait s'épuiser entièrement d'eau ; ce qui, dans bien des cas, serait dangereux. H faut donc, par cette raison encore, qu'on ne remplace

334 DE LA VAPEUR COMME FORCE MOTRICE , exactement dans la chaudière que les quantités d'eau qui s'évaporent.

Les oscillations du niveau de l'eau, produites et par l'évaporation d'un côté, et de l'autre par les écarts même 4e l'alimentation, fournissent le moyen de ramener à chaque instant le niveau au point ou il doit être. Ce moyen consiste à placer dans la chaudière , sur la surface de l'eau, un flotteur qui est ordinairement une pierre de grès plate, portant une tige qui pénètre verticalement à l'extérieur de la chaudière par une boîte à étoupe : celte tige est unie à un levier à contre-poids pour mettre le flotteur en équilibre. Or le flotteur, suivant toutes les oscillations du niveau , fait basculer le levier , soit qu'il y ait trop , soit qu'il y ait trop peu d'eau ; et si l'on a disposé sur ce levier quelque communication avec l'orifice de sortie du réservoir d'eau alimentaire ou avec la pompe , et de telle façon que quand le flotteur s'abaisse le levier fasse ouvrir le tuyau à eau froide du réservoir ou de la pompe , et que lorsqu'il s'élève avec le niveau de l'eau le levier ferme ce tuyau et empêche l'eau froide d'entrer, on conçoit que l'alimentation devient régulière , et que le seul effet de l'évaporation peut régler de lui-même l'arrivée de la quantité d'eau dont la chaudière a besoin.

Tels sont les principes d'après lesquels on entretient l'eau destinée à produire de la vapeur; on en voit dans l'atlas les applications les plus usitées.

Quatrième question : Quels sont les moyens les plus propres à diriger et à régler Faction de la vapeur ?

La vapeur produite dans la chaudière nWive pas toujours directement dessus ou dessous le piston de la machine : souvent

ET DES MACHINES A VAPEUB. 335 elle est reçue avant cl agir dans un espace annulaire que laisse un cylindre servant d'enveloppe concentrique au cylindre de la machine ; cet espace annulaire reste constamment en communication avec la chaudière et peut en être considère comme le prolongement. Souvent aussi la vapeur est reçue dans une petite capacité placée à côté du cylindre , et dans laquelle on a groupé les moyens de distribuer la vapeur alternativement dessus et dessous le piston 5 on appello cette capacité' boite h vapeur.

Ce sont quelquefois des goûfe particuliers de construction qui déterminent le choix que Ton fait de l'un de ces trois modes de recevoir la vapeur, avant l'action ; cependant, en se servant de l'enveloppe dont nous venons de faire mention, on a principalement pour but de tenir à la température de la chaudière le cylindre- dans lequel joue le piston-moteur. Il arrive aussi qu'on emploie simultanément une botte à vapeur pour la distribution du fluide et une enveloppe comme prolongement de la chaudière.

Les questions relatives à la manière de disposer et d'ouvrir des passages à la vapeur pour donner immédiatement au piston le mouvement alternatif qu'il doit avoir, et pour donner à ce mouvement la régularité et la vitesse convenables, sont toutes des questions de simple construction.

Nous nous rappellerons que, dans tout état de choses, il faut que lorsqu'on ouvre un passage à la vapeur , pour agir dessus cm dessous le piston , on en ouvre, en même temps , un autre peur que la vapeur, qui a servi au mouvement précédent , puisse s'échapper dans l'air, ou se précipiter dans le condenseur, ou enfin passer dans un second cylindre pour agir ntie seconde ibis 4 si toi est le système de- la machine.

L'ouverture simultanée de ces deux passages , que la vafpeur

agisse au-dessus ou au-dessous du piston , est de rigueur et une condition fondamentale de tout système de distribution de vapeur , système qu'on nomme communément régulateur de la machine. . . .

Ces ouvertures ou passages sout pratiqués , ou sur le noyau d'un robinet conique , qui , suivant le sens dans lequel on le fait tourner, présente à la vapeur les deux issues que réclame chaque mouvement du piston , ou sur deux disques métalliques bien rodés, tournant l'un sur l'autre et distribuant ainsi la vapeur dans des temps marqués, et dans les directions couvenablcs; ou sur des surfaces rectangulaires appliquées et glissant l'une sur l'autre pour ouvrir ou fermer les issues de la vapeur et produisant l'effet ci-dessus ; on nomme ce genre de régulateur, régulateur h tiroirs; ou enfin on se sert d'un système de soupapes à tiges qui se lèvent et se ferment pour livrer à la vapeur les passages nécessaires à chaque mouvement de la machine.

Les exemples que nous avons donnés , dans L'atla^ , de ces différens moyens, en apprendront plus que tout ce que nous pourrions en dire, et nous dispensent d'insister sur ce sujet qui ne nous présente plus à présent aucun point de doctrine à discuter.

Nous ne terminerons pas cependant sans consigner l'observation que le service des robinets est en général moins avantageux que celui des tiroirs 5 les noyaux de ceux-là s'usent promptement et laissent échapper de la vapeur en pure perte; à la vérité l'on peut resserrer le noyau dans le boisseau du robinet , mais alors il grippe et tourne avec difficulté.

En outre, ce qui nous semble encore devoir faire préférer les tiroirs aux robinets, c'est qu'il est difficile avec ceux-ci de donner à la vapeur des ouvertures suffisamment larges pour

ET DES MACHIHBS A VAPEUR. 337 n'être point exposée à augmenter inconsidérément la tension de la vapeur dans la chaudière.

Cinquième question : Quels sont les moyens de modérer l'action de la vapeur lorsqu'sUt acquiert un exçédant de force ?

Il y a plusieurs manières de modérer l'action de la vapeur, savoir : i°. par la conduite dn feu ; i". en laissant échapper de la vapeur par les soupapes de sûreté; 3°. en augmentant la résistance du piston; 4°« cn diminuant le9 quantités de vapeur fournies1 par la chaudière en un temps donné.

Les trois premières n'ont d'autre objet que d'affaiblir l'action de la vapeur pour un temps dont on fixe à volonté la durée 5 par la dernière, non-seulement on peut modérer celte action , mais encore la rendre plus régulière.

Diminuer les quantités de combustible dont on charge le fourneau, c'est modérer le feu, et par conséquent la puissance do la vapeur : nous n'avons pas à revenir sur ce sujet; mais comme on modère aussi le feu en ralentissant le tirage du' fourneau, l'on peut cootier à la machine le soin de produire cet elïet lorsque la tension de la vapeur s'est élevée jusqu'à une certaine limite ; voici comment on s y prend : s agit-il d'une machiné à basse pression ? on interrompt là colonne d'eau qui va do réservoir aNmeutaire au fond de la chaudière par une so*»pape mobile unie à une tige, et celle-ci à un levier placé au nfttétfu du réservoir, et communiquant lui-même soit à la port* <br cendrier- soit à la clef de la cheminée. Lors donc que la tension de la vapeur est en excès , elle réagit sur la surface de Peau et' soulève la soupape; le levier bascule, et, par ses tiges de communication, ferme en partie la cheminée ou le cendrier.'

Mais s* la tension vient! a diminuer, la soupape se remet en

place et par son propre poids et par celui de la petite colonne

d'eau qu'elle porte , et le tirage se ranime.

S'agit-il d'une machine à haute pression -, au lieu d'envoyer l'eaju de la pompe directement dans la chaudière , par un simple tuyau de conduite , on fait aboutir celui-ci dans une capacité surmontée d'un petit corps de pompe avec piston , dont la tige est unie à un levier et fait mouvoir, par les mêmes intermédiaires que précédemment, soit la porte du cendrier, soit la clef de la cheminée : la capacité est remplie d'eau, et la tige du piston est chargée d'un poids qui représente la plus grande tension qu'on veuille donnera la vapeur : or tant que ce degré de tension n'est pas dépassé , le piston reste immobile \ mais si la vapeur de la chaudière résiste davantage , par une tension supérieure, à l'arrivée de l'eau, le petit piston doit nécessairement s'élever sous l'effort de la pompe alimentaire , et produire l'effet qu'on en attend.

Nous ne nous arrêterons pas à la manière de modérer l'action de la vapeur en la laissant se dissiper dans l'air, pendant un certain temps , par les soupapes de sûreté \ on ne doit s'en servir qu'en cas de danger, et jamais dans un service courant.

Ce n'est pas non plus dans un service courant qu'il est convenable de modérer l'action de la vapeur en augmentant la résistance du piston , à moins que le travail exécuté par la machine ne soit de nature à être facilement augmenté, ce qui, dans ce cas , pourrait être utile \ mais la faculté d'augmenter le travail à volonté , et suivant les progrès que la tension de la vapeur peut faire, existe rarement : ce n'est donc pas dans ce sens qu'il faut entendre ce moyen de modérer l'action de la vapeur \ voici comment il est toujours praticable : on sait que la vapeur, après avoir déployé son action sur le piston, est

ET DES MACHINES A VAPEUR. 339 envoyée, ou dans l'air on dans un condenseur; si donc vous voulez empêcher ce piston de céder aussi facilement à l'excès de pression de la vapeur, vous diminuez, dans le premier système, l'ouverture par laquelle la vapeur s'échappe dans l'air , pour que , présentant plus de résistance à sa sortie , elle réagisse sur le piston contre la vapeur nouvelle ; par le second système , vous n'opérez dans le condenseur qu'une faible condensation, en n'y introduisant pas la quantité d'eau nécessaire pour l'effectuer toute entière , ou bien encore vous supprimez la condensation et vous laissez régner dans le condenseur une tension qui entrave et peut arrêter même la marche du piston. On voit que ce moyen , fort efficace sans doute , ne peut être employé que fort rarement et avec beaucoup de précaution et de discernement.

Le quatrième moyen dont nous avons parlé plus haut est d'un tout autre genre j il a pour objet non d'affaiblir le tirage du fourneau , mais de diminuer la quantité de vapeur qu'on introduit dans le cylindre pour chaque mouvement de la machine, lorsqu'un surcroît de tension fait aller cette machine trop vite. Ce moyen consiste à concerter le mouvement même de la machine, avec le jeu d'une soupape a gorge ou d'un robinet placé sur le tuyau qui conduit directement ou indirectement la vapeur de la chaudière au cylindre, de telle façon que quand elle va trop vite, fa soupape se ferme en partie, et qu'elle ne soit ouverte entièrement que lorsque le mouvement est tel qu'on le désire : voyez dans l'atlas le pendule conique ou le modérateur de Watt et Boulton ; c'est le mécanisme le plus généralement usité et celui dont le service est le plus assuré. Ici du moins vous ne perdez point de vapeur, et le jeu de la soupape à gorge est si bien lié avec le mouvement de la machine, qu'il a lieu aussitôt que la vitesse de ce mouvement s'accroît, d'une manière même

3\o DE LA VAPEUR COMME FORCE MOTRICE , à peine sensible à la vue. Il faut bien dire pourtant que si vous modérez l'action de la vapeur sous le piston, vous ne l'affaiblissez nullement dans la chaudière \ bien au contraire , vous y -accumulez la force en diminuant la consommation. Le service du modérateur n'est donc utile que pour faire disparaître de légers écarts qui se manifestent dans les quantités de vapeur produites en raison de l'action infiniment variable du feu sur la chaudière, quelque régulièrement qu'il soit entretenu.

Sixième question : Quelles sont les dispositions du piston, du cylindre et de la boîte à étoupes dans laquelle glisse la tige ?

Le piston et le cylindre sont au premier rang parmi les pièces principales d'une machine à vapeur. On conçoit, en effet, que, pour ne rien perdre de la force motrice , lorsqu'elle s'exerce sur son point d'application, il faudrait que le contour du piston touchât si exactement les parois du cylindre, à quelque point qu'il fût de sa course , qu'aucune portion de vapeur ne pût s'insinuer entre le piston et te cylindre , et passer sur le piston quand elle agit et doit agir dessous, ou passer dessous quand elle agit et doit agir dessus.

La première chose à faire pour parvenir à ce résultat est de bien alaiser l'intérieur du cylindre, c'est-à-dire de le tourner en dedans de telle façon que sur tous les jwints de sa surface circulaire intérieure, il soit rigoureusement du même diamètre. C'est bien certainement un degré de perfection duquel on ne peut approcher que plus ou moins daus la pratique \ on y arriverait même, qu'il est douteux qu'on pût conserver cet état de perfection, vu les altérations que subit le cylindre, après quelque temps de travail.

On cherche à corriger et les défauts de construction du cylin-

dre , et les altérations auxquelles il est sujet , par les dispositions du piston. On peut, en général, en distinguer de deux espèces : le piston de la première espèce porte sur son pourtour une forte tresse de, chanvre, graissée, qu'on nomme garniture , et jl est composé de manière qu'on peut , au moyeu de quelques visa écrous, serrer cette tresse sur elle-même et la faire renfler pour qu'elle touche bien exactement les parois intérieures du cylindre. Voyez l'atlas pour ce qui concerne la composition de ce piston.

Lepiston.de la seconde espèce n'a pas ordinairement de garniture de chanvre ; il porte , à la place , plusieurs rangées de segmens de cuivre superposés et à recouvrement, que des ressorts doivent maintenir constamment appliqués contre la paroi du cylindre. Ce genre de piston présente l'inconvénient grave de s'user lui-même et d.user inégalement la surface intérieure du cylindre, ce qui provient du défaut d'homogénéité des surfaces métalliques, frottant si activement lune sur l'autre dans le travail de la machine.

Nous renvoyons du reste à l'atlas pour les détails de ce piston, ainsi que pour ce qui concerne la construction des boîtes à étoupes; il serait superflu d'insister sur ce point-, cependant nous ne quitterons pas ce sujet, sans consigner une remarque que nos diverses expériences sur la vapeur nous ont fournie : c'est qu'à une température de 100 à 1 10 degrés centigrades, les pistons bien faits , soit à garniture, soit à segmens métalliques, tiennent assez bien la vapeur; mais au-dessus de 12S degrés la vapeur passe entre le piston et le cylindre, quelque bonne que soit la construction de ces deux pièces, et elle fuit en quantités d'autant plus grandes, que le pistou va moins vite. Celte fuite de vapeur est aussi grandement favorisée par l'effet de l'expansion.

Septième question : Enfin quels sont les meilleurs moyens de condensation et de production de vide?

S'il s'agissait de répondre à cette question d'une manière générale, il suffirait de dire que la meilleure manière d'opérer la condensation parles machines à vapeur qui l'admettent comme une des conditions fondamentales de leur force, est de projeter immédiatement de l'eau froide sur la vapeur qui arrive dans la capacité où elle doit se condenser. C'est ainsi du moins que cette opération se fait avec une grande promptitude, et comme il est nécessaire , pour ne pas embarrasser la marche de la machine : aussi ce mode est le plus généralement usité } mais nous avons à entrer dans quelques détails relatifs à ce mode, comme à ceux qui peuvent le suppléer.

11 y a deux manières de mettre l'eau froide en contact immédiat avec la vapeur : ou l'on se borne à baigner constamment d'eau froide le fond du condenseur \ la vapeur alors , reposant sur cette surface liquide , se condense rapidement par couches horizontales qui se précipitent les unes sur les autres à mesure que le vide partiel s'établit entre la vapeur et la surface de l'eau froide ; ou bien l'on dirige le jet d'eau froide sur le jet de vapeur au moment qu'il pénètre dans le condenseur : cette dernière est brusquement saisie au passage, et si l'eau froide est fournie avec assez d'abondance , la condensation est plus complète et surtout plus instantanée que par l'autre manière j ajoutons qu'il faut pour cela encore que le jet d'eau froide, divisé en un grand nombre de petits 61els , embrasse en quelque sorte tout le jet de vapeur.

Pour opérer avec avantage par le simple contact de l'eau froide répandue sur le fond du condenseur, il importe de donner à celui-ci des dimensions plus grandes qu'avec l'autre procédé,

ET DES MACHINES A VAPEUB. 343 afin de suppléer par l'étendue de la surface refroidissante à ce qui manque en rapidité d'action. A la vérité , la vapeur est ici en repos lorsqu'elle touche le corps froid , et c'est une considération en faveur de ce système. . .

On fait aussi agir l'eau froide sur de la vapeur en repos ou arrivant au repos , dans le second système , en dirigeant cette eau froide du centre même du condenseur, et de telle façon que les jets qui jaillissent de l'orifice pénètrent dans le volume de vapeur suivant toutes les directions et l'atteignent sur tous les points.

Ce sont, au reste, les dispositions qu'on veut donner au condenseur qui déterminent le placement de l'orifice par lequel l'eau froide doit jaillir 5 et quand on ne place pas cet orifice au centre du condenseur, c'est le plus près possible de celui par lequel la vapeur arrive qu'il faut le faire aboutir, afin que l'eau froide agisse avant que la vapeur ait commencé à prendre de l'expansion : on la saisit ainsi au moment où elle est la plus susceptible de condensation , c'est-à-dire au moment où une partie de sa chaleur sensible n'est pas encore devenue latente. On peut dire en général que la condensation est d'autant plus prompte que la vapeur est plus dense.

Cette condensation, au reste, qu'elle soit opérée de la première ou de la seconde manière, n'est jamais que partielle. Elle n'est que partielle, parce qu'il reste non- seulement toute la quantité de vapeur qui résulte de la température dont l'intérieur du condenseur est constamment affecté, mais encore toute celle qui, par son mélange avec l'air provenant principalement de l'eau d'injection, résiste à la condensation.

Il faut dès lors se débarrasser 4e ce mélange d'air et de vapeur pour obtenir dans le condenseur le degré de vide nécessaire au mouvement du piston. Pour cela on emploie une

pompe dite pompe h air, au moyen de laquelle on évacue l'eau qui a servi à la condensation , et l'eau condonsée, ainsi que des portions plus ou moins grandes de ce mélange d'air et de vapeur dont ou vient de parler. L'on donne ordinairement à cette pompe à air les Jeux tiers du diamètre du cylindre à vapeur j et , à la course de son piston , la moitié de celle du piston moteur î ce qui prouve jusqu'à quel point la simple condensation serait insuffisante.

Elle ne le serait pas à ce point cependant si , au lieu de faire entrer l'eau froide dans le condenseur, on se bornait à refroidir constamment les parois de celui-ci avec un courant d'eau , ou avec de l'eau fréquemment renouvelée : la condensation ne s'opérerait pas ainsi par le contact immédiat de l'eau froide, et il n'y aurait dans le condenseur que quelques portions d'air venues de la chaudière , et qui seraient enlevées par une pompe dont il faudrait toujours se servir pour épuiser le condenseur de la vapeur repassée à l'état liquide et peur la reporter dans la chaudière.

On conçoit qu'il importe de donner aux surfaces d'un condenseur de ce genre la plus grande étendue possible, ainsi qu'on le pratique pour les serpentins des appareils distillaloires.

On n'emploie cependant point ce système pour les machines à basse pression ; la condensation ne serait ni assez prompte , ni assez régulière : pour la machine à haute pression , on s'en sert quelquefois; mais quand on veut condenser la plus grande partie de la vapeur, il faut consommer beaucoup d'eau froide, ce qui , dans bien des circonstances , est un grand incon-r vénient. .yj

Il serait superflu de dire quc.la. condensation d]*>nianée dans un vase fermé cest-à-'dire Pftr simple contact du vase avec l'air ambiant, ne serait pas praticable : ce que nous savons des

ET DES MACHINES A VAPEUR. 345 propriétés de la vapeur suffit pour la démontrer et nous dispense d'en donner les raisons.

Enfin il résulte de ce qui précède que les circonstances les plus favorables à une prompte condensation sont : i°. le contact immédiat de l'eau froide avec tous les points du volume de vapeur à condenser; 2°. la plus grande densité relative de cette vapeur; 3°. le courant de vapeur arrivé au repos, ou si Ton veut, Y état de calme de la vapeur.