CHAPITRE PREMIER
657. La vapeur joue un rôle si important dans Tindustrie depuis Vinvention des machines à vapeur, et ses applications se sont étendues à des usages si nombreux et si variés, que Tétude des appareils destinés à la produire présente un intérêt exceptionnel. Ces appareils sont désignés sous le nom de chaudières à vapeur ou de générateurs de vapeur. Avant d'étudier les formes diverses qu'on leur donne et les conditions de leur fonctionnement, il nous parait nécessaire de rappeler sommairement les notions de physique relatives aux propriétés de la vapeur d'eau.
658. Pression de la vapeur saturée. Relation avec la température. — Lorsqu'on chauffe de Teau dans un vase ouvert à l'air libre, la température s'élève progressivement; il se
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dégage à la surface des vapeurs de plus eu plus abondantes et. sous une pression de o'^^yG de mercure, Teau pure entre en ébullition régulière à la température de loo**; à partir de ce moment, la température reste constante tant que la pression ne change pas.
Si le vase est fermé, suivant que la pression intérieure est audessus ou au-dessous de 0^,76 de mercure, l'ébuUition s'établit à une température supérieure ou inférieure à loo**.
La température est d'autant plus élevée que la pression est plus forte, et à chaque pression correspond une température déterminée, toujours la même, quels que soient le volume d'eau employé, le volume de vapeur produit, l'activité de la combustion et en général les circonstances de l'ébuUition. La pression est donc une fonction de la température seule.
659. Un grand nombre de physiciens, Dalton, Dulong et Arago, Magnus, etc., se sont occupés delà recherche de la relation qui doit exister entre la température et la pression de la vapeur saturée; mais c'est surtout M. Regnault qui, dans des expériences célèbres, a déterminé avec précision la température correspondant à chaque pression et qui a donné des tables universellement adoptées. Ces expériences sont décrites dans tous les traités de physique.
On a essayé d'exprimer par une formule la loi qui doit relier tous les résultats et on en a proposé un grand nombre, en généra assez compliquées.
Tredgold a donné la formule
t température en degrés centigrades, H pression de la vapeur en centimètres de mercure. La formule de Dulong et Arago est
^ = [n-o,oo7i53((— ioo)P
t température en degrés centigrades, p pression de la vapeur en atmosphères.
Ces formules ne donnent que des résultats, approchés et qui, pour les températures, diffèrent jusqu'à i%6 des nombres réels.
Pour représenter plus exactement les résultats de Texpérience, M. Regnauli a été conduit à la formule suivante applicable de 40"" àaSo*
logF = a — ia* — cg^
F, pression en millimètres de mercure.
a=6, 2640348 log 6 = 0,1 397743 loge =-0,6924351
log a =7,994049292 log 3=7,998343862
x=«-h2o**, t étant la température en degrés centigrades.
Cette formule, utilisée dans les recherches mathématiques, est à cause de sa complication peu employée dans la pratique. Afin de faciliter les calculs, on a dressé des tables qui donnent pour chaque température, la pression correspondante dans les limites des expériences de M. Regnault. On les trouvera à la fin du premier volume de cet ouvrage. Nous donnons ici les températares correspondant aux pressions de i à 16 atmosphères.
Ataotphins.
Températures.
Âtmofphèret.
Températures.
loojoo
l44yOO
la
660. L'examen de ces nombres fait reconnaître que la pression de la vapeur augmente très rapidement avec la température. Pour passer de 1 à 2 atmosphères, il faut augmenter la température de loo"" à i2o'',6, soit 20^,6 de différence, tandis que pour passer de 9 à 10 atmosphères, il suffit d'élever la température de i75%77 à i8o*,3i, soit une différence de 4%54.
U résulte de là qu'on ne peut obtenir la vapeur saturée à une température élevée qu'au moyen de pressions considérables, et, comme les difficultés et le danger aiigmentent avec la près-
sion, on est nécessairement très limité pour la température de la vapeur saturée. Jusqu'à ces dernières années on ne dépassait guère 6 à 7 atmosphères, c'est-à-dire iSg*,!^ à i65®,4.
Certaines industries utilisent aujourd'hui la vapeur à des pressions variant de 12 à i5 atmosphères correspondant à des températures de 188*^,41 & 198*^,80. On ne dépasse que très rarement ces pressions.
661. La manière de compter la tension de la vapeur dans les chaudières n'est pas identique dans tous les pays ; on l'évalue même en France de plusieurs façons ; il importe donc de donner quelques explications à ce sujet pour éviter des confusions et des erreurs.
On mesure souvent la pression en atmosphères. Une atmosphère équivaut à une colonne de mercure de o^,y6 de hauteur, ou bien aune colonne d'eau de 10°^, 334, ce qui représente une pression de io334 kilogrammes pour i mètre carré ; et de i'',o334 pour I centimètre carré.
Une cause fréquente de confusion et d'erreur consiste en ce que l'on estime les pressions tantôt en pressions absolues, tantôt en pressions effectives. Voici quelle est la différence entre ces deux modes d'évaluation.
La pression absolue de la vapeur dans une chaudière est la pression totale intérieure, qui serait mesurée par une colonne de mercure au-dessus de laquelle il y aurait le vide.
La pression effective est la pression réellement supportée par le métal de la chaudière, ou la différence de tension entre l'intérieur et l'extérieur; c'est la force élastique qui serait mesurée par une colonne de mercure communiquant librement avec l'atmosphère par sa face supérieure.
Dans les conditions ordinaires, la pression effective est égale à la pression absolue diminuée d'une atmosphère.
Les anciens règlements évaluaient la pression en pression absolue et en atmosphères, tandis que les nouveaux l'estiment en pression effective et en kilogrammes par centimètre carré.
Il est facile de passer d'une valeur à l'autre.
En désignant par p^ la pression absolue en atmosphères et
par p^ la pression effective en kilogrammes par centimètre carré, on a la relation
Le tableau suivant donne les valeurs correspondantes de
Pe ®^ ^^ Pa
Pal ^ 3 4 5 6 8lO
PeO i^,o33 2*,o66 3'',o99 4*^, i32 5"^, i65 y^t^ii 9'^,297
Le nombre des atmosphères absolues, diminué d'une unité, est un peu plus faible que la pression effective en kilogrammes par centimètre carré.
En Angleterre et en Amérique, on évalue la pression en livres par pouce carré et on compte en pression effective.
Une atmosphère correspond à i4,68 livres par pouce carré.
662. Ébullition de Feau privée d'air. — Le phénomène de l'ébuUition de Teau ne s'accomplit pas toujours dans les conditions régulières que nous avons vues. Il est quelquefois profondément modifié sous Tinfluence de certaines circonstances.
M. Gernez a démontré par un grand nombre d'expériences très intéressantes que, pour que Tébullition se produise à la température normale, la présence d'une bulle d'air dans le liquide est indispensable.
On a pu porter la température de l'eau privée d'air à 120°, 130** et même à 178° (sous forme de bulle dans un liquide gras de même densité), sans produire l'ébuUition.
Pour déterminer l'ébuUition du liquide ainsi surchauffé, il suffit d'y introduire une bulle d'air ou plus simplement un corps solide quelconque qui retient toujours de l'air adhérent à sa surface. L'ébuUition se produit alors d'une manière tumultueuse et les bulles de vapeur viennent crever à la surface avec de violents soubresauts.
On a cherché à expliquer, à l'aide de ces phénomènes, certains &its constatés dans le fonctionnement des chaudières à vapeur, tels que des trépidations violentes et quelquefois des explosions ; mais les recherches auxquelles s'est livrée une commission
spéciale, nommée par le Gouvernement, ont démontré, qu'en pratique, les circonstances exceptionnelles nécessaires au surchauffement de Teau ne se réalisaient jamais.
663. Ebullition de l'eau renfermant des sels. — Lorsque Teau renferme des sels en dissolution, TébuUition ne se produit qu'à une température supérieure à la température normale. Ainsi Teau qui renferme 7,7 p. 100 de sel marin ne bout qu'à 101° et Tébullition est retardée jusqu'à 108° si la proportion s'élève à 89,7 p. 100.
Toutes les eaux employées à l'alimentation des chaudières renferment toujours des sels en dissolution; la température d'ébullition doit être retardée en proportion de la quantité de sels dissous; mais cette proportion, étant toujours assez faible, n'a pas d'influence sensible, en pratique, sur la température d'ébullition.
664. État sphéroldal. — Si l'on verse quelques gouttes d'eau dans une capsule métallique fortement chauffée, elles se réunissent en un globule arrondi plus ou moins aplati et l'ébuUition ne se produit pas. Ce phénomène particulier a été étudié avec beaucoup de soin par M. Boutigny, qui a désigné cet état du liquide sous le nom d'état sphéroïdal.
On a constaté, par des expériences directes, que la température du globule ne dépassait pas 98% et que, dans les parties supérieures, elle pouvait rester à 90**. On a constaté également, de diverses manières, qu'il n'y ayait pas contact entre le globule et la paroi métallique chauffée.
Si la température du métal s'abaisse à Mo"", le contact s'établit et l'ébullition se produit d'une manière à peu près instantanée. Il est probable que la température à laquelle s'établit ce contact augmente avec la pression que supporte ce liquide.
On a essayé d'expliquer par l'étal sphéroïdal certaines explosions de chaudières à vapeur; nous reviendrons sur ce sujet dans le paragraphe relatif aux accidents.
Ce qu'il faut retenir de ces faits, c'est que l'eau ne mouille pas une paroi dont la température est suffisamment élevée, et
que les conditions de la transmission de la chaleur doivent être complètement changées par suite de ce défaut de contact.
666. Chaleur nécessaire à la production de la vapeur. — La quantité de chaleur X nécessaire pour chauffer à /• un kilogramme d'eau prise à o* et le vaporiser à cette température peut se diviser en deux parties : Tune q est employée à chauffer de o"" à V Teau liquide; l'autre r est la chaleur absorbée parla vaporisation sans changement de température.
On a ainsi
M. Regnault a donné pour déterminer q et r les formules
suivantes :
y = f -t- o,ooooaï^-f- 0,0000003^'^.
En appliquant la formule on trouve que, pour échauffer un kilogramme d'eau de o** à loo* sans le vaporiser, il faut ioo,5 calories. Il résulte de là que la chaleur spécifique de leau n'est pas tout à fait constante et qu'elle augmente un peu avec la température.
Sa valeur c déduite de la relation précédente est
On trouve ainsi :
à 100* c=i,oi3
à iSô** c== 1,02625
Les différences sont trop faibles pour qu'il y ait lieu d'en tenir compte dans les applications industrielles ; on regai:de en général la chaleur spécifique comme constante et égale à l'unité, et on prend
