CORROSION ET DURÉE DBS CHAUDIERES
craindre une détérioration rapide de la chaudière, par suite de l'incrustation des sédiments sur la télé Ces couches de matières terreuses sc gonflent en forme de cloches, qui finissent par craquer sous l’action du feu, et elles nécessitent des réparations fort dispendieuses. Les proprietaires de machines ne devraient accepter aucune excuse de la part des mécaniciens qui laissent s'accumuler les Incrustations de matières salines dans l'intérieur de leurs chaudières. Ces incrustatious , nous le répétons, proviennent uniquement de ce qu’on a négligé trop souvent les lavages partiels et complets.
Le meilleur moyen de débarrasser les chaudières des dépôts, qui ont pu s'attacher contre leurs parois, est de faire brûler vivement une certaine quantité de copeaux diras les fourneaux et les carneaux , apres qu’on a vidé toute l'eau des générateurs. La dilatation rapide du métal, qui se produit alors , fuit c raquer les couches de sédiments ; et , si l'ou nettoie ensuite l'intérieur des carneaux eu les lavant avec soin , les dépôts tombent ou foud de k chaudière , et sont ensuite entraînés par l'eau , dés qu'on ouvre les robinets de décharge.
Ce procédé de nettoyage des générateurs est un de ceux qui doit être exécuté par les mécaniciens eux -mêmes, et non pur l'entremise des chauffeurs ou d'autres ouvriers subalternes. En effet, le métal de la chaudière peut être trèa aisément endommagé, si k chaleur produite par l’inflammatiou subite d'une masse de copeaux est par trop forte. Il faut avoir soin également de maintenir ouverte k soupape de sûreté durant tout le temps de l’opération , pour prévenir l'excès de pression pendant le chauffage ou le vide intérieur après le refroidissement.
Ce n'est , cependant , qu'accidenteüement qu'on sera obligé d’avoir recours û ce procédé de nettoyage, si l'on a soin d'employer régulièrement les lavages dont nous avons parlé plus haut. Lorsque les dépôts ne sont point considérables , ou lorsqu’ils ne te sont formés que sur certaines parties, le mieux est de les fendre avec une hachette ; apres quoi on nettoie les plaques en les lavant à la manière ordinaire.
Ut LA CQRROS ION IT Bt LA DURÉ! 01$ CHAUOItRtS.
La corrotion des plaques métalliques des chaudières est un des sujets les plus obscurs de tout ce qui concerne l'étude des machines A vapeur. Les chaudières marines durent rarement plus de quatre ou cinq ans, tandis que les chaudières de terre, construites en métal de même qualité, fonctionnent encore souvent après dix-huit ou vingt années de service.
Cependant, ou ne peut attribuer cette différence énorme dans k durée des deux espèces de chaudières à aucune action chimique provenant du contact de l’eau salée avec k tôle des plaques, car les tubes et carneaux métalliques des chaudières marines ne sont que fort rarement endommagés par cette action ; et, même dans lesgénêrateurs mis hors de service, on peut voir, sur les plaques, les marques évidentes du martelage, qui datent de k construction même des chaudière*. La couche mince des dépôts, qui est étendue sur les parois internes d’une chaudière, tend naturellement à préscrv er de k corrosion toute k partie qui est pkcée au-dessous de la surface du niveau de Peau. Quelle que soit, d'ailleurs, k cause du fait, il est fort rare qu’il se manifeste aucune action corrosive intérieure contre les pkques d’une chaudière, alimentée par l'eau salée, qui se trouvent en contact avec l'eau. Ce n’est donepoint à l'action chimique de l'eau salée qu’il faut attribuer l'usure rapide des chaudières marines. Aussi les chaudières des steamers munis de condenseurs de Hall, et qui sont ainsi entretenues avec de l'eau douce, ne présentent - clics point une duree supérieure A celle des chaudières des autres navires.
La durée plus ou moins grande des chaudières est soumise A diverses circonstances, dont il peut être bon de mentionner les principales. Dans les générateurs des steamers, les chambres à vapeur et les «ndriers des fourneaux sont les premières parties qu’il faut rempkcer. L'extérieur de k chambre A vapeur est usé par l'eau qui tombe per gouttes du pout du navire, et l’intérieur par l’action même de la vapeur. Quant au cendrier, sa prompte détérioration doit être attribuée a l’habitude ou l’on est d'arroser les cendres
CHAUDIÈRES
et d’éteindre le feu avec de l’eau salée. L’action de la vapeur sor la partie intérieure de la chambre à vapeur est très irrégulière. Ainsi, l'on voit souvent des parties rapidement attaquées, tandis que d’autres restent intactes. Souvent, aussi, les mêmes parties qui, dans une chaudière, sont complètement détériorées, ne reçoivent uucune atteinte dans une autre.
Cependant, on peut dire, comme règle générale, que les plaques de la chambre à vapeur sont mises plutôt hors de serv ice dans les chaudières ou l’on permet aux dépôts de s’accumuler. Cette circonstance provient, sans doute, du dégagement de l’acide muriatique des matières salines que ces dépôts* contiennent. Les couches de peinture, qu’on applique sur les parois internes des chaudières, sont à peu près sans effet pour préserver ces parois de la corrosion, tandis qu’elles augmentent, dit-on, la violence des jets simultanés d’eau et de vapeur. .Neanmoins, nous pensons qu’un lait de chaux, ou, pour mieux dire, un lait de ciment romain appliqué, par couches successives, sur l’intérieur de la chambre à vapeur, serait un préservatif efficace contre la corrosion du fer. Pour garantir les plaques extérieures des chaudières, nous ne connaissons rien de mieux que de les feutrer, et de les recouvrir, ensuite, avec des feuilles de plomb soudées l'une à l'autre, a tous leurs joints. On a reconnu, cependant, que l’application du feutre sur les parois extérieures des chaudières, avait, dans maintes occasions, hdié la corrosion des plaques intérieures. Mois cette corrosion peut être arrêtée, comme nous l’avons dit, par l'enduit en ciment romain.
Les conduits à vapeur enfer, aussi bien que ceux en cuivre, présentent, dans la pratique, des ineonvé1nients qui leur sont propres.
Les tuyaux en fer malléable sont rapidement corrodés par le passage de la vapeur ; et, souvent, de larges parcelles de rouille sont entraînées dans l'intérieur dn tiroir et du cylindre, où elles produisent des effets fort nuisibles en établissant des petites rainures dans les parois de surfaces qui doivent être parfaitement étanches à la vapeur.
Les tuyaux en cuivre produiseut une action galvanique sur les soupapes et Ica faces du cylindre, laquelle détruit bientôt le fer qui les compose, ou le réduit en plombagine.
Cependant, les tuyaux en cuivre offrent encore moins d'inconvénients que les tuyaux en fer, et doivent obtenir sur eux la préférence, bien que nous regardions comme vraisemblable que, grêce aux nouvelles réductions de droits sur le verre, on ne tardera pas h adopter des conduits en fer avec une couche Intérieure d'émail, lesquels seront infiniment supérieurs à ceux actuellement en usage, attendu qu’ils ne seront point atteints, comme ceux-ci, par la corrosion.
Toutes les chaudières tubulaires devraient être munies d'un appareil, fonctionnant par lui-même, et destiné à mninteuir une alimentation régulière. Cet appareil serait mis en jeu par une petite machine dont le but serait d’entretenir d’ean les générateurs. Par ce moyen, on peut arriver à obtenir un niveau d'eau constant et d’une hauteur convenable, même lorsque la machine ne marche plus, sans qu’on soit oblige d’avoir recours aux pompes alimentaires, qu’11 faut faire agir laborieusement a la main. Dans un navire h vapeur, une petite machine peut être utilisée à une foule de choses, à part son service d’alimentation des chaudières, comme, par exemple, à soulever l’ancre du navire, ou à transporter le charbon d’un endroit dans un autre.
Nous avons toujours pensé que, bien qu’il n’y ait guère d’espoir d'accroître l’économie actuelle de» machines ù vapeur, par lu découverte de ressources encore inconnues, ces machines ne sont point, cependant, le meilleur instrument que l’on puisse concevoir pour réaliser toute la puissance mécanique développée par une certaine quantité de cbaleur. Ce n’est que lorsqu’il existe deux températures différentes que l’effet mécanique peut être réalisé ; et, plus la différence, entre ces deux températures, est considérable, plus est grand aussi le développement de puissance qui en résulte. En conséquence, l’instrument qui réaliserait le plus grand effet mécanique qu’on puisse retirer d’une quantité donnée de chaleur, serait celui qui serait susceptible de fonctionner dans les deux limites extrémesde température. SI, donc, la vapeur pouvait être employée, pour le travail d'une machine, à un degré de chaleur aussi élevé, ou à peu près, que
SOUPAPES DE SURETE
cdui (la feu au moyen duquel elle est produite, l'effet mécanique total, du à la quantité de calorique développée, serait réalésé. Mais comme il est évident que ce résultat ne peut être atteint, il y a une perte attribuable a l'usage même de la machine à vapeur, perte que des découvertes nouvelles peuvent prétendre à éviter.
Dans toutes les circonstances que nous pouvons concevoir, Il existe en apparence une grave difficulté, par suite de cette très haute température, qui parait, au premier coup d'oeil, indispensable à la réalisation du maximum d’effet utile. Cependant, il faut remarquer que ce ne sont point précisément de très hautes températures qui sont ici nécessaires, mais bien de grandes différences dans les températures, et rien ne s'oppose à ce que l’on puisse arriver à obtenir des températures très basses, si l'on ne peut les avoir très élevées. Ce n'est point par le moyen de la vapeur que, suivant toute probabilité, les avantages, dés aux «rondes différences des températures, pourront être réalisés ; etil n’y a guere (l'espoir d'arriver a ce but, si on ne trouve quclqu'autre ageut, mieux approprié aux circonstances nouvelles dans lesquelles on le fera servir.
SOUPAPES DE SÛRETÉ
A peine cut-on découvert les effets merveilleux que l'on pouvait tirer de l'emploi de la vapeur comme force motrice, qu'on dut songer à se prémunir contre les dangers que présentait la puissante énergie du nouvel agent. Quand un fluide élastique est enfermé dans un vase clos, Il exerce contre les parois de ce vase une pression qui est proportionnelle & l’intensité de sa force élastique , et qui lui sert de mesure. Ce vase lui-même est généralement plongé dans un milieu fluide. Du moment qu'il y a une différence entre les forces élastiques des deux fluides , il s'ensuit nécessairement une pression qui s'exerce , soit du dedans, soit du dehors, contre les parois du vase, et qui est proportionnelle i l'excès de la force élastique de l'un des fluides sur celle de l'autre.
Or, ce sont précisément ces circonstances qui se présentent dans le cas des chaudières à vapeur, et qu peuvent amener leur explosion , dans le cas où ia différence de pression viendrait à dépasser la force de cohésion de l'enveloppe. Tous les procédés qui ont été employés pour prévenir ce danger , quelque variables qu’ils aient été dans leur mode d'application et dans leur théorie , ont reçu le nom d’appareils ou soupapes de sûreté.
la» soupapes de sûreté sont dites internes ou atmosphériques , lorsqu’elles ont pour but de garantir In chaudière contre la pression extérieure de l’atmosphère, et généralement alors elles sont appliquées intérieurement à la chaudière. Elles sont dites externes, lorsque leur effet est , au contraire, d’empêcher tout excès dangereux dans la pression intérieure de ia vapeur, et qu’elles sont appliquées extérieurement à la chaudière. Les soupapes de sûreté ne sont autre chose que des pièces mobiles fermant hermétiquement des ouvertures pratiquées dans les parois de la chaudière, et pouvant s’ouvrir et se fermer sous l’action de pressions intérieure et extérieure.
Si on laisse une chaudière se refroidir, il est clair que la force èlastiqua de la vapeur diminuera graduellement d’intensité suivant la loi qni lie les forces élastiques aux températures. Lorsque ia température sera descendue au-dessous de 1 04 degrés , la pression atmosphérique l'emportera sur la tension de la vapeur, et, dès lors, les parois de la chaudière auront à supporter un effet extérieur d'autant plus considérable que la température de la vapeur sera plus basse.
La soupape atmosphérique est disposée de telle sorte que, lorsque la température de la vapeur s’esl abaissée & un certain point , cette soupape s’ouvre d'elle-même sous l’excès de la pression atmosphérique, et livre ainsi passage à l'air qui vient rétablir, dans la chaudière, l’équilibre de pressiou. La soupape atmosphérique est de forme conique, et elle est maintenue dans son siège par une tige, reliée à l’extrémité d’un levier, dont l’autre extrémité porte un poids convenablement calculé. Ou établit générale-
CHAUDIÈRES
ment ce poids de manière a ce que la soupape soit comprimée dans son siège par une force de 280 à 350 grammes par centimètre carré; et il en résulte que la soupape s’ouvre pour donner entrée à l’air, lorsque la pression atmosphérique excède d’un peu plus que cette quantité la pression intérieure. Comme la pression atmosphérique est de 1033 grammes par centimètre carré, nous voyons que la soupape doit s’ouvrir lorsque la pression de la vapeur descend à 050 ou 700 grammes environ.
La soupape de sûreté extérieure a pour but de laisser échapper la vapeur, lorsque, soit par suite d’un défaut de surveillance de la part du mécanicien, soit par tout autre motif, la vapeur a acquis une force élastique dangereuse pour la sûreté de la chaudière. Les nombreuses explosions de chaudières, que Ton signale dans tous les pays où l’usage des machines à vapeur est répandu, n’arrivent que trop souvent par suite des défauts et des irrégularités dans l’action de la soupape de sûreté, et cette observation démontre d’une manière sérieuse toute l’importance qu’il faut attribuer à cette soupape, et tout le soin que l'on doit mettre à l’établir d’après les meilleures données de l’expérience et de la théorie. On donne généralement la forme conique aux surfaces annulaires de contact de la soupape et de son siège. Ces surfaces doivent être alésées avec soin et parfaitement bien ajustées, de manière û fermer hermétiquement l’ouverture. La soupape est chargée avec un poids proportionné à l’aire de Poriflce et à la tensiou tnaxima que l'on veut avoir dans la chaudière. Supposons, par exemple, que Paire de l’orifice soit de «0 centimètres carrés et que l’on veuille faire ouvrir la soupape sous une pression effective de 350 grammes (0kil ,35) par centimètre carré, qui correspond à une température de 107° environ ’. La charge totale qui devra comprimer la soupape dans sou siège sera de 0kiI ,35 x 60 = 21 kilogrammes. Les charges des soupapes de sûreté se font de deux manières : soit en disposant directement des poids sur la tête ou le chapeau de la soupape ; soit en transmettant l’action de ces poids au moyen d’un levier.
Il est d’une certaine importance de pouvoir déterminer Paire de la surface qu'il est le plus convenable de donner à l’orifice; mais il est surtout de première nécessité que cette aire ne soit point trop petite. Trcdgold admet, comme une proportion suffisante, 4 centimètres carrés ou environ 5 centimètres circulaires, par force de cheval (-£, d’un pouce anglais circulaire). Il est de toute évidence, néanmoins, que cette limite dépend beaucoup plus de la puissance de vaporisation de la chaudière et de la pression maxima de la vapeur, que de la force même de la machine. Il nous semble donc plus naturel de déterminer Paire mi nitna de la soupape d’après cette double considération.
Soit f, la plus haute température à laquelle on veuille laisser monter la vapeur dans la chaudière ;
p , la pression correspondante de la vapeur eu kilogrammes par centimètre carré ;
V, le volume, en mètres cubes, de Peau qui peut être vaporisée en une heure;
t?, la vitesse en mètres par seconde, avec laquelle la vapeur s'échapperait dans Pair lorsqu'elle est arrivée a la température /, et que sa force élastique est />;
Enfin, x, Paire en centimètres carrés de l’orifice de la soupape de sûreté.
V exprimant en mètres cubes le volume de Peau vaporisée en une heure , 1 700 V sera le volume de la vapeur produite à la température de 1 00« et sous la pression ordinaire de Patmosphere. Si nous nous reportons aux formules », qui donnent la relation entre les volumes relatifs , les pressions et les températures , nous voyons que le volume U de la vapeur produite en une heure, à la température t, et sous la pression correspondante p, sera donne par l’expression suivante :
1 Voir te» table» de» force* élastique» de U Tapeur d’eau, page 00. et le» formule» etnpiriquo» , page» 91 et 92
* Voir Votante* relatif* de # râpent* . page 96.
SOUPAPES DE SURETE
et en réduisant
La quantité de vapeur qui pourra s'échapper par l'orifice de la soupape sera :
— ■ — — mètres cubes par seconde ,
et 0,36. vx idem par heure.
Or, l’air de l'orifice devra évidemment satisfaire & cette condition de donner issue à une quantité de vapeur précisément égale à la quantité qui se forme dans la chaudière durant le même temps. Nous aurons donc la relation suivante :
ou
d'oii
I + 0,00364 t Pv
D'un autre cAté , la vapeur sortant par la soupape devra s'échapper dans le milieu atmosphérique avec la même vitesse qu’elle s'échapperait dans un milieu rempli de vapeur 4 100°, puisque la tension est la même dans ces deux milieux. Cette vitesse est donc donnée par les formules ordinaires de l'écoulement des fluides élastiques ', et nous aurons :
H et A étant les hauteurs des colonnes fluides de même densité qui feraient équilibre, l'une à Is force élastique de la vapeur à f», l’autre à la force élastique de la vapeur à 100”, on a la proportion :
d’où
La hauteur A est , d'ailleurs , égale 4 10,13 mètres , hauteur d'une colonne d'eau faisant équilibre 4 la pression atmosphérique, multipliés par le rapport inverse des densités de la vapeur à 1 00° et de l'eau 4 o*, o’est-è-dire , par 1 700. Nous avons donc :
et ** = 3 g. 1700 (p— 1,013)
d'où: v=k. 181 1/ p — l ,043,
k étant le coefficient de réduction de la vitesse théorique', qu'il est convenable de supposer ici égal a 0,61, ce qui donne :
1 Voir p*gr» 99 «1 100.
'Voir pejte 100 les divers coefficients de réduction de le vitesee pour l'écoulement do» fluide» per de* orifice, d'une forme ■tonnée.
CHAID1ERES.
Substituant cette valeur de e dans l’expression de l’aire de l'orifice de lu soupupe, nous avons :
■r— -8IV ■ T—?.
Comme p — 1 ,033 n’est autre chose que l’exces de la pression de la vapeur sur la pression atmosphérique, ou, en d’autres termes, sa pression effective, nous daignerons cette quantité, qui est le plus souvent une des données immédiates de la question , par p', et l'expression précédente deviendra :
Nous avons ainsi le minimum de l'aire que l’on doit donner à l’orifice de la soupape de sùrete , en fonction de la quantité d’eau vaporisée eu une heure, de la température de In vapeur et de sa pression correspondante. \ oici l’énoncé de cette expression en langage ordinaire :
Ajoutez l’unilc au prwluit de 0,00364 par la température de la vapeur en degrés centigrades; divisez le résultat par le produit que fon obtient en multipliant la pression totale de la vapeur, exprimer, en kilogrammes sur un centimètre carré , par la racine carrée de la pression cfleetive, c'est-à-dire, de l’excès de la pression totale sur la pression atmosphérique ordinaire.
Enfin , ce quotient élan I ainsi obtenu, il Jaul le multiplier ptir 31 fois le nombre de mètres cubes d’eau vaporisée par heure.
Le résultat exprimera, en centimètres carrés, le mimmlm de l'aire qu'il faut donner d l'orifice de la soupape de sûreté.
Appliquons , pour plus de clarté, cette règle aux deux exemples suivants :
Premier exemple. Déterminer le minimum de l’aire, que l’an doit donner à l'orifice d’une soupape de sûreté, pour une chaudière desservant une machine de 330 chevaux et travaillant avec une pression effective de 0,423 kilogramme par centimètre carré.
Nous avons immédiatement :
pf =s ok,432 et p = lk,435.
La température devra se déterminer a l’aide des formules empiriques qui lient la température de la vapeur à sa pression. En calculant cette température d’apres l’une des formules que nous avons données1, 1 = 174 le' p — 73, nous trouvons, pour la valeur cl-dessus de p,
1 La formule de V Artisan Club, calculée d'une manière on peu differente, ne coudait qu'à un minimem thtvr-fjHr, en ce qu'elle ne lient pas compte de la contraction de la veine fluide dan* l'issue de la vapeur par l'orifice do la soupape. Voici oette formule telle qu'elle eat donnée avec tes mesure» anglaises :
* = 0.06WXvJ/
a est l'aire de l’orifloe de la soupape en ponces carrés ;
V, le volume de l'eau vaporisée par heure en pieds cube» ;
t, la température de la vapeur en degrés Fahrenheit ;
f, 1a force élastique correspondante mesurée en pouces de mercure ;
r, lu force élastique correspondante à la température d'ébullition, égalé à la pression atmosphérique ordinaire, et mesurée par une hauteur de 30 ponces de mercure. a Voir page 92. La formule employée ici est celle de l'afrMan Cfeb.
SOUPAPES DE SÛRETÉ
Quant an volume, V, de l’ean vaporisée en une heure, U faut se rappeler qu'il y a, environ, 10 décimètres cube» 1 d'eau vaporisée par heure et par force de cheval. Nous aurons donc, pour la valeur de V :
V = 0” "* ,030 x 350 = 7 J mètres cubes.
En soumettant alors ces diverses quantités au calcul qui résulte de l’expression de l'aire minima de l'orifice de la soupape, et que nous avons énoncée en langage ordinaire, on trouve :
x = 3 (5 centimètres carrés*.
Cette aire correspond à la surface d'un cercle d’environ Si centimètres de diamètre.
Deuxième exemple. Déterminer faire minima de l’orifice de la soupape de sûreté, pour une chaudière desservant une machine de 500 chevaux , et travaillant à une pression telle que la température de la vapeur ne s'élève jamais au-dela de 140° centigrades.
Dans cet exemple, nous avons la température de la vapeur; la pression correspondante devra se déterminer À l’aide des formules empiriques qui ont été employées dans l'exemple précédent. Nous aurons ainsi les trois données suivantes :
Pour la quantité d’eau vaporisée par heure , nous aurons :
V = o-—* ,oso X 500 = 15 mètres cubes.
En introduisant ces valeurs de /, p, p' et V dans l’expression de l'aire de la soupape, on trouve ; x = 83 centimètres carrés.
Cette aire correspond à la surface d’un cercle d’environ i0,3 centimètres de diamètre.
On volt, d’après ces exemples, que plus est grande la tension de la vapeur, et par conséquent sa température, plus est petite faire de la soupape de sûreté. Ce résultat était facile à prévoir, puisque la vttesse de l’écoulement de la vapeur est d’autant plus rapide que la tension est plus grande.
Nous devons faire remarquer que les résultats auxquels conduit la formule ci-dessus, ne sont que des minima Indiqués par la théorie, et que les circonstances si diverses et si multiples de la pratique forcent d’adopter des dimensions plus considérables. Nons donnerons plus loin les dimensions suivies par les meilleurs praticiens, mais nous voulions indiquer, dès à présent, la méthode d’investigation théorique qu’il est convenable de prendre pour base d'une détermination aussi importante.
1 Voir Remarque i tvr la production de la tapeur, page 4166.
1 En appliquant 4 l'exemple ci-dessus la formule del’ilriûan-clah, que noua aTonJ donnée dans 1a note do La page 4M, ou attire a ou résultat beaucoup ploa faible.
Le» donnée» de cet exemple, en meaure» angiai***, sont :
f = 42 pouce* f = 30 pouce»
l ss 230 degré» Fahrenheit et V ss 250 pieds cube*.
Le calcul de la formule conduit à cette râleur do x :
* = 49 pouce* carré*.
Ce résultat n’équivaut qu'à enriron 423 oentimètre* carré*, au lien de 345, auxquels non* somme» arrirê, d’après la formule du texte. Cette différence provient de oeque T expression del'.4r<non-c/utt ne peut conduire qu’à an etintmom théorique, comme noua Tarons expliqué dans la même note’de la page 484, puisqu'elle ne comporte pas le coefficient de réduction, et que, d’ailleurs, elle a été calculée sur de» base* non ideotique»v
Première Section. 24
PROPORTIONS DKS MACHINES.
Ajoutons tel I* formule suivante, qui a été imposée en France par l'ordonnance royale relative aux appareils à vapeur des machines fixes :
D = Ii6J/-
Dans cette formule, D représente le diamètre de l’orifice de la soupape de sûreté, en centimètres ; m, le
nombre de mètres carrés de surface de chauffe, et n le numéro du timbre que porte la chaudière, c'est-àdire la pression de la vapeur en atmosphères.
