INFLUENCE DU CHAUFFAGE MÉTHODIQUE. CHAUDIÈRES A RÉGHAUFFEURS
396. Dans plusieurs dispositions d*appareils, on effectue le chauffage d'une manière méthodique (io«); sur tout ou partie de la surface de chauffe, les gaz circulent d'un roté de la paroi en sens inverse du fluide chauffé qui circule de Tautre côté. C'est ainsi que dans certains générateurs de vapeur, on dispose, à la suite de la chaudière proprement dite, des cylindres ou récipients pleins d*eau, qu'on appelle des réchauffeurs^ et dans lesquels arrive Teau froide d'alimentation qui s'y échauffe progressivement avant de pénétrer dans la chaudière , en circulant en sens inverse des gaz de la combustion. On obtient ainsi un plus grand refroidissement des gaz et par suite une meilleure utilisation.
Quand on emploie une disposition de ce genre, il y a lieu de considérer une quatrième partie S^ dans la surface totale de chauffe; c'est la partie au contact de laquelle le chauffage s'effectue d'une manière méthodique.
On a ainsi quatre surfaces :
La surface directe S| exposée au rayonnement.
La surface S^ en contact avec les gaz enflammés.
La surface S, en contact avec les gaz éteints qui se refroidissent de T^ à T3, le fluide chauffé étant à la température constante 0.
Enfin la surface S^ en contact avec les gaz éteints qui se
:>56 HÉGEPTEURS DE CHALEUR.
refroidissent de T3 à Tp tandis que le fluide chauffé circulant en sens inverse passe de 6^ à O^.
Quand les dispositions sont bien prises, O3 doit être égal à 0, c'est-à-dire que Teau venant des réchauffeurs doit arriver dans la chaudière à la température de Teau qui s'y trouve.
Les formules du n" •• et suivants permettent de déterminer rétendue des surfaces S3 et S^ nécessaires pour opérer le refroidissement méthodique dans des conditions déterminées.
Dans ces formules se trouve le rapport /• qu'il faut connaître tout d'abord.
Pour une chaudière à vapeur, désignons par rv le poids dVau d'alimentation introduite dans les réchauffeurs, par kilogr. de houille; le poids du fluide chaud est ps{\-hi): le poids du fluide froid est p$u\ Si nous admettons une perte de ao p. 100, a=ro,8o, et comme en général les réchauffeurs sont complètement entourés par les gaz de la combustion, ^=1.
Prenons les chifires moyens A=i8, w*=7,25 et 0=0,24, on a pour le rapport r
X psl\-hi)c o 4*56 ^ ,
r=i'z ^— ^ —0,80 r==o,aoJ.
3 pstv 7,20
Pour déterminer les températures, on emploie la relation 3 du
Oj-rTj^O^-rT^. d'où Tj^^l— ^h-T
Si on veut refroidir les gaz à 160% T^=i6o, et si Teau d'alimentation, prise à 10*, doit être chauffée à loo"*
, i5o— lo »>*>*-
Le chauffage méthodique doit commencer lorsque les gaz sont refn^îdis à 4>^8*,5.
La surface S, est donnée par la relation 7 du n* •« qoi dans le
cas actuel s'écrit
a/;j (A + 1 ) c log nép ;^— - QjS,.
Enfaisanta=o,8o,A-=ii 8, Ta=^8oo% 13=438% j,e=i5o%Q3=2o,
et p=';5, on trouve
et la chaleur transmise par cette surface
Quant à la surface S4, son étendue est donnée par la relation 4 du n"* 99 :
^ps{k^ i)c log nép ;j^iZ^=Q,S,.
En prenant les mêmes valeurs que ci-dessus, on trouve
S|= i8,oi4 s ;
la chaleur transmise M^ est alors
En réunissant ces nombres à ceux obtenus pour les deux premières parties S^ et S, de la surface de chauffe, on a
S^= 3,005 Mj=: 141624^
83= 6,115 Mj^ 947765
S^=i8,oi5 ^4= 768075
d'où pour la surface et la transmission totales
Pour avoir la chaleur réellement utilisée U, il faut retrancher,
comme nous l'avons fait ci-dessus, la perte de 52o calories (aei),
par mètre carré, des trois premières surfaces, ce qui donne une
perte totale X;>5N = 1 5 600 et la chaleur totale utilisée se réduit
ainsi à
U = 4ïï 7o3— 15600 = 396 io3
j58 HÉCEPTEURS de CHALEUR.
le rendement devient
3q6io3 ..., = 7.^^^ =0,660.
Ainsi par le chauirage méthodique et avec une surface de chauffe égale à 38, i4 fois celle de la grille, le rendement s'est élevé à o,6tio. Sans chauffage méthodique, avec la même surface, il eût été seulement de o,6i4; c'est une augmentation de
0,66 — o,6i4 *. . i^ -— r=o,o70, environ 7,5 p. 100.
Mais c'est surtout lorsque la surface de chauffe d'une chaudière est relativement faible que l'addition de réchauffeurs réalise une économie importante.
Si à une chaudière ayant une surface de 20^, on ajoute des réchauffeurs avec chauffage méthodique ayant une surface de i8.f, le rendement s'élève de 0,589 à 0,660, c'est-à-dire qu'il augmente de 22,4 p. 100, par rapport au premier effet. C'est ce qui a été réalisé par l'addition de réchauffeurs dans nombre de chaudières de surface insuffisante.
Pour avoir la température T' des gaz à l'extrémité d'une partie quelconque S' de la surface S^ des réchauffeurs, il suffit d'appliquer les formules
* .;;.(A + i)clognépI^::$==Q,S'
et
La première donne T— 6', et en combinant avec la deuxième, on trouve facilement pour chaque valeur déterminée de S' les températures 6' et T' correspondantes.
La chaleur transmise par la surface S' ?>e calcule alors par la
relation
En appliquant ces formules à une chaudière à bouilleurs avec réchauffeurs pour laquelle r=o,5o3, a=o,8o, A=i8, p=y5, c— 0,24, T3=438*',5, Oj^^iDo**, Q^=:2o; on trouve
SURFACE TOTALE DE CIlAUh'KË.
i5 194 24 f'S laf)
Ce qui permet de tracer la courbe de décroisscmeut de transmission et de température.
396. Représentation graphique. — La représtsntalion graphique de la transmission se fait de la même manière que
Fig. îlo.
pour la courbe (393). La partie MNPQH correspond aux trois premières surfaces AB, B(', CD
S, = î""" Sj — ti"i, Il S, = 1 1 '"%oa.
560 ré<:epteurs de CUALEL'R.
et la courbe dans cette partie est la même que dans la figure ^38, mais à partir du point D le chaufTage méthodique commence.
Sur la surface Sj=DE, le décroissement de température des gaz est représenté par la courbe RT, l'ordonnée finale étant égale à ET=i6o. Dans cette partie, la température de Teau n'est plus constante, elle passe de E/"— io° à Drf= i5o°, et cette variation est représentée par la courbe /rf; l'ordonnée E/— lo"* représente la température de Teau d'alimentation à l'entrée dans les réchauffeurs.
La quantité de chaleur transmise à la surface S^ est représentée par Taire RT/rf.
Si le chauffage n'était pas méthodique, on aurait pour la même surface DE, la courbe RS, et la chaleur transmise à partir de 8=20"*', 1 3 serait représentée par Taire RdeS notablement plus faible que Taire RT/if.
Le bénéfice produit par le chauffage méthodique est représenté par la différence des aires ^è — RTS. Il est dans ces conditions, de 7,5 p. 100 environ, comme nous Tavons vu (ses).
397. Les expériences faites, pour déterminer pratiquement les quantités de vapeur produites par les chaudières dans diverses conditions, confirment complètement les résultats des calculs que nous venons d'exposer.
En ce qui concerne la surface directe, Péclet rapporte que, d'après (^hristian, le maximum de vapeur que peut produire dans une heure un mètre carré de chaudière de fonte exposée au feu le plus violent et entièrement plongée dans la flamme est de loo kilogr. Clément a obtenu le même nombre pour une chaudière de cuivre de 3 millimètres d'épaisseur placée dans les mêmes circonstances.
Nous avons également obtenu le même chiffre de vaporisation avec une bassine en cuivre placée dans un fourneau audessus d'un foyer dont la surface était presque égale au fond de la bassine.
Quand le tirage est produit par une cheminée, le chiffre de loo kilogrammes de vapeur, par mètre carré, peut donc être regardé comme un maximum, quelle que soit la nature du métal. Comme l'indique la théorie, la nature et Tépaisseur du métal n'ont pas, dans ces conditions, d'influence sensible sur la quantité de chaleur transmise. Avec la fonte épaisse et le cuivre mince, on produit la même quantité de vapeur.
Le nombre de loo kilogrammes de vapeur correspond, avec de l'eau à loo"", à une quantité de chaleur transmise égale à 53 700 calories. Si Ton se reporte au tableau (aïf ), on voit que, pour un foyer extérieur, la quantité de chaleur transmise, par mètre carré de surface directe, donnée par le calcul, varie de 36o45 à 56 4/4 suivant l'activité de la combustion. La concordance peut être regardée comme complète.
398. Pour les chaudières à foyer intérieur, les expériences de M. Geoffroy sur la combustion dans les foyers de locomotives ont donné les chiffres suivants :
Kilogrammes de vapeur Quantité de chaleur produite par mètre carré correspondante,
de surface directe. —
— Calories.
Coke 124,8 62400
Briquettes i. . . "70,1 85o5o
Briquettes 2. . . '79>9 89900
Les chiffres du tableau (995) montrent que, pour des combustions de 200 à 400 kilogrammes, par mètre carré de grille, la quantité de chaleur transmise, par mèlrc carré de surface directe, est comprise entre 65 942 et 95 835.
Ces nombres, on le voit, s'accordent encore avec ceux de l'expérience ; il suffit d'une légère modification dans la proportion d'air admise dans le calcul pour expliquer les différences. Ser. 36
399. Péclet rapporte une ancienne expérience faite par M. Walter de Saint- Ange. « Dans une chaudière à deux bouilleurs présentant i3'"'i,46 de surface de chaufie, on a évaporé I 480 litres d'eau, en 5 heures, par la combustion de 21 3 kilogr. de houille (soit 296 litres d'eau évaporées avec 47.^,6 de houille par heure); chaque kilogr. de houille a produit environ 7 kilogr. de vapeur et chaque mètre carré 22 kilogr. en moyenne.
En supprimant complètement la circulation des gaz de la combustion autour du corps cylindrique et par conséquent en ne chauffant que les bouilleurs, la surface de chauffe a été réduite à 8"% 19 et on a produit i 3i6 kilogr. de vapeur en 5 heures avec la même consommation de combustible (soit 263^,2 de vapeur par heure pour i^^^S de houille) ; chaque kilogr. de houille a produit 6^,18 et chaque mètre carré 32^, 18.
Ainsi la surface de chauffe placée dans les carneaux a produit
1480 — i3i6=i64 kilogr. de vapeur en 5 heures (soit 32,8
32 8 par heure) et chaque mètre carré r—^ =6,20. Le corps cylin-
drique ne produisait donc que = o, 1 1 de Teffet total.
Si on compare ces résultats avec les nombres donnés dans le tableau (301), on trouve que, pour une production moyenne, par mètre carré, de 22 kilogr. de vapeur, il faut une surface de 24 fois celle de la grille et qu'elle transmet 353 000 calories. En réduisant la surface à 24 X-:r^.= i4>64, on transmet 2q3ooo calo-
ries; le rapport est ^7— =:o,83. L'expérience de M. Wallcr
^'^ 3d3ooo ^
pour la même réduction de surface a donné — -rr- ~ 0,88. ^ 1 480
400. Quelques expériences ont été faites pour déterminer lo décroissement de la transmission à mesure que les gaz de la combustion s'éloignent du foyer.
M. Graham a mesuré la vaporisation qui se produisait dans
quatre caisses cubiques ouvertes à la partie supérieure, et placées, la première au-dessus de la grille du foyer et les autres à la suite. Chaque caisse avait o,3o5 de côté et la grille avait la même dimension, de sorte que la surface inférieure de la première caisse, soit o,3o5xo,3o5, constituait la surface directe. M. Graham a trouvé que les quantités d'eau vaporisées respectivement dans chacune des quatre caisses était proportionnelles aux nombres suivants :
En opérant avec trois caisses un peu plus grandes, il a trouvé
74>S 25,85 iiyQ^*
La surface de chauffe totale était seulement 7,35 fois celle de la grille et chaque kilogr. de houille ne vaporisait en moyenne que 4^j55 d'eau.
Ces nombres confirment le décroissement rapide de la production à mesure qu'on s'éloigne du foyer.
401. M. Wye Williams a opéré sur un tube de 0,070 de diamètre passant dans une caisse pleine d'eau qui était fractionnée en cinq compartiments égaux de o,3o de longueur. Le combustible employé était le coke. On a trouvé pour le poids d'eau vaporisé, par mètre carré de surface et par heure, dans chaque compartiment :
En employant un foyer à gaz dont la flamme pénétrait dans le tube, le premier compartiment ayant été réduit à 0,1 5 de longueur, on a trouvé :
ao,I 4i^ 3;2 ^yl I»S
C'est la moyenne de deux expériences. La fumée s'échappait à 25o° environ.
En discutant les résultats des expériences de M. Wye Williams, on trouve que le rapport entre les quantités d'eau vaporisées par les gaz éteints sur des longueurs consécutives égales est un nombre constant^ ce qui revient à dire que lorsque les surfaces croissent en progression arithmétique, les chaleurs transmises décroissent en progression géométrique. C'est cette loi qui nous a servi de base pour l'établissement des formules (ss et suivants) et dont l'exactitude est ainsi démontrée par l'expérience.
402. Des expériences très complètes sur cette question ont été faites de 1860 à 1864 au chemin de fer du Nord, sous la direction de M. Geoffroy.
On a d'abord divisé une machine Ëngerth en quatre compartiments par des cloisons, mais la première étant seule étanche, on n'a pu séparer l'effet des trois derniers compartiments et la comparaison n'a porté que sur deux tronçons.
Le premier comprenait le foyer de 10**^,75 de surface avec une amorce de tubes de 7"*',i8, soit en tout i8''*ï,i3 ; le deuxième tronçon comprenait tout le reste de la surface de chauffe soit 177 mètres. Quatre expériences, deux au coke et deux à la houille, ont donné, pour le rapport de vaporisation des deux tronçons, les nombres suivants :
Avec le coke : 1 7 ;
Avec la houille : 29 ;
La température des gaz dans la boite à fumée a varié de 176° à 2o3^
Dans d'autres expériences, le corps cylindrique d'une locomotive fut coupé en quatre tronçons de o",92 de long, fermés par des plaques tubulaires et juxtaposés; chaque tronçon était alimenté séparément au moyen d'un réservoir jaugé.
Dans une première série d'expériences, tous les tubes étaient ouverts; dans une seconde série, la moitié était tamponnée et par suite la surface tubulaire était à peu près réduite à moitié.
Voici les dimensions des surfaces.
er
compartiment (foyer)
Surface totale
Le tableau des pages 566 et riences.
