ENVELOPPES DE GAZ CHAUDS

mdière, pour chauffer le cylindre avant dt^ se perdre dans theininée. On espérait obtenir ainsi des résultats supérieurs ux que fournissait la chemise do vapeur, sans aucune nse spéciale de combustible.

tte idée a été appliquée plusieurs fois en Angleterre, mah résultats n'en ont point été publiés et nous ne connaissons, Sur ce sujet, qu'une expérience faite par IL Dollfus tîls, à Dorî3ach, et rapportée dans les mémoires de M* Hirn,

La machine sur laquelle Texpérience a été faite était à détente variable et h condensation. Le cylindï'e a été entouré d'une enveloppe dauR laquelle passait la fumée de la chaudière à une température de 250'^ Toutes les dispositions étaient prises pour 'uarcher à volonté avec ou sans cet appendice, et liniiuence qU'il pouvait avoir sur la quantité de travail absolu produit |:par coup de piston, était appréciée à Taide d^un indicateur de ►Vatt.

L'expérience a démontré qu'il n'existait point de différence im sensible entie les courbes que Ton obtenait lorsque la amee traversait Teuveloppe et celles qui résultaient de la 'Harche avec IVnveloppe pleine d'air froid.

Voici les raisons qui expliquent cette étrange anomalie : D après les expériences de M. Hirn sur Teffet des chemises *leviipeur, la quantité de chaleur transmise au cylindre inté- '^'ieiir par la vapeur qui se condense dans Tenvoloppe, s'élève ^Moyennement, dans les machines qui fonctionnent à 3 ou 4^^°*- ^Tec détente jusqu'à 4 ou 5 fois le volume à pression pleine,

à 2,87 calories par mètre carré de surface

^e cyhndre et par coup de piston. La machine expérimentée 'irisait 23 à 24 révolutions par minute.

I)'autre part, un appareil à chauffer Teau d'alimentatiou, de lÛ» à 145*, à Taide de la dialeur que conservait la fumée en ^^ittant la chaudière, n'absorbait par mètre carré de surface que ic^ài.^ii pendant la durée du même coup de piston, quoique l68 tuyaux fussent eu contact avec des gaz dont la tempéra- 'ure était d'environ 400^, et qu'il y eût, entre la température 'ûoyenne de leau et la température de la fumée, une différeuco

Il en résulte encore que, dans toutes les catégories macbines à vapeur, la masse métallique du cylindre moteur agit comme régulateur du travail, comme un volant d*uno nature particulière ; elle absorbe de la chaleur pendant période de maximum de travail, en diminuant la quantité travail que la vapeur dépensée aurait pu produire pendt Fadmission, et restitue cette chaleur pendant la période détente en augmentant le travail produit par cette détente. est encore évident, d'après ces considérations, que Ton ne doit négliger aucune mesure propre à assurer le plus que possibl la vaporisation de Teau liquide, dans la période de détent afin que la chaleur restituée par la masse métallique, ne passe pas directement au condenseur ou son action ne peut être que nuisible.

D'après les expériences de JL Hirn, le bénéfice que peut procurer lappli cation de la chemise de vapeur à une machin^ toutes choses égales d'ailleurs, peut s'élever de 10 à25p, suivant les circonstances ; il est plus grand dans les machine à longue détente que dans les machines où la détente n'est p^ très prolongée. Du reste ce bénéfice peut encore être accru i diminué par des conditions particulières de production de la" vapeur sur lesquelles nous appellerons ratteution, après Texa men des effets de la surchauffe.

Des effets de la surchauffe.

Uaction de la surchauffe consiste d'abord à vaporiser toute Teau liquide que la vapeur emporte avec elle en sortant de la chaudière, puis, comme celle de la chemise de vapeur, à dimi- I nuer la quantité de vapeur qui se condense dans le cjlindrQ^J pendant la période d'admission. ^|

D'après les expériences de M. Hirn, il paraît que la sur-^^ chauffe, même lorsqu'elle est portée à 80 ou 100** au-dessus de la température de saturation de la vapeur, n'empêche pas une certaine condensation pendant l'admission, La partie de la masse de vapeur qui se trouve en contact avec les parois d

EFFETS DK t-V SURrHAIFFE.

cylinclrf , et peut-être la totalité, se refroidit assez promptement» redevient saturée et se coodeuse, en partie. Mais cette ODodensatioD est moindre pendant la période d'admission que lorsque la vapeur ii*a point de chaleur à perdre avant qu'elle commence à se condenser,

NousaTons vu précédemment, du reste, avec quelle rapidité la vapeur surchauffée et détendue revient à la température de saturation. M. Ilirn trouve la preuve de cette condensation et de ce retour de la vapeur surchauffée à la température de saturation, dans ce fait que les couvercles de cylindres recevant de la vapeur surchauffée de 80 à 100*' au-dessus de la température de saturation, ne prenaient qu*uno température un peu inférieure à celle de saturation sous la même pression. C'est à cette condensation partielle et à la température relativement basse que conservent les parois des cylindres, que Ton doit la conservation des îîaroitures des pistons et la fermeture presque hermétique qu'ils produisent avec Taide des moyens ordinaires de lubrification ; sans cela les graisses ou les huiles employées seraient très rapidement vaporisées en laissant des résidus solides, effet qui n'est déjà que trop prompt toutes les fois que lasnrchauffe s'emploie à une température très élevée et malgré sa condensation partielle.

La cause principale de la perte de chaleur et dô travail dans le cylindre, étant la vaporisation presque instantanée qui se produit dans ce cylindre dès le début do la condensation, la surchauffe produit un effet très favorable en diminuajit la condensation pendant Tadmiasion, en vaporisant l'eau empoitéede la chaudière par la vapeur et on diminuant ainsi, dans la mesure du possible» la quantité d'eau liquide mêlée à la vapeur pendant la détente ; ce qui fait qu'une partie de celte eau se vaporisant par l'action de la chaleur cédée par les parois métalliques pendant cette détente, il n'en reste plus qu*une quantité bien moindre à vaporiser dès le début de la condensation, et que le refroidissement de ces parois métalliques s'en trouve considérablement amoindri.

Un autre résultat de la surchauffe consiste dans rélévation de la tension de la vapeur dans le cylindre pendant la période

(l*admission, pour la iriêiîie tension dans la chaudière et pour la lïii-me ouverture de la soupape d'admission. La vapeur surchauffée a une moiadre densité que la vapeur saturée, sous la même tension^ de sorte qu'il ne faut pas une difîérence de tension entre la chaudière et le cylindre, pour produire la même vitesse d'introduction dans ce dernier, aussi grande que si la vapeur était saturée; puis, comme il y a moins de condensation àTadmission^ il n'est pas nécessaire de faire passer d*une capacité dans Fautre, un aussi grand volume de fluide, dans le Tuême temps, ce qui abaisse encore la charge génératrice de la vitesse indispensable.

De toutes ces considérations il ressort évidemment que le bénéfice qui résulte de Temploi de la surchauffe se traduit principalement par une économie de vapenr ou de combustible pour la même quantité de travail produit. Quant à son action sur la loi suivant laquelle s'eflectue la détente, elle nViugmente pas le travail obtenu pendant cette période de la course ; la tension y baisse plutôt un peu plus rapidement que lorsque Ton fonctionne avec vapeur saturée, parce qu'il y a moins d*eau à vaporiser pendant cette détente, mais on obtient néanmoins plus de travail dans chaque course parce que, pour la même tension dans la chaudière, la tension dans le cylindre pondant la période d'admission, est plus élevée que quand la vapeur n'est pas surchauffée ; puis parce que, pour des raisons qui seront exposées dans le chapitre spécial de la condensation, la tension dans le condenseur y est plus basse pour la même quantité d'eau froide injectée. M. llirn recommande encore, comme résultat de ses expériences sur certaines machines, de ne pas faire passer par les mêmes conduits la vapeur surchauffée qui ^e rend au cylindre et la vapeur de décharge redevenue sa tu rée à la tin de la détente, et d'éviter, quand on fait passer ce 4eux catégories de vapeur par des conduits différents, de pratiquer ces deux conduits dans la même masse métallique et très voisins l'un de Fautre, parce que, en vertu de l'échange de «haleur, la condensation se trouve accrue à l'admission et la vaporisation nuisible pendant la période d*échappement dans le condenseur, considérablement augmentée ; il cite à Tappu

EFFETS DE LA SURCHAUFFE

:iOîj

de cette opinion une macliirie dans laquelle cette flernière disposition avait coniplètement annulé les bénéfices de la surchauffe.

Lorsque les machines sont munies cVun appareil Je surcliauffe et d'une chemise de vapeur^ et que Ton fait passer la vapeur surchauffée dans Tenveloppe avant son admission, la température de la masse métal lique devient ordinairement fort élevée et il est plus difficile de omintenir en bon état les pièces frottantes intérieures, à cause de la vaporisation rapide des graisses employées pour lubrifier ces pièce?.

Dans ce cas, il convient d'envoyer directement au cylindre la vapeur surchauffée et de n'admettre dans Fenvcloppe que la vapeur saturée venant de la cljaudiére; on maintient ainsi une condensation assez prononcée pendant la période d'admission et on empêche la température de la masse métallique do relever jusqu^à un det^^é tout k fait incompatible avec l'usage utile des substances lubrifiantes. Cependant malgré cette précaution j lorsque la température de la vapeur à 5 ou 6"^'™^ a été portée par la surchauffe à une centaine de degrés au-dessus de la température de saturation, on ne peut maintenir les pistons en bon état de fonctionnement qu'à ruidc d'une surveillance très attentive, en employant des graisses de bonne qualité et en Construisant avec une ^^nmde précision d'ajustement, les pistons, parallélo;,^rammes, a(in que les surfaces frottantes intérieures soient toujours eu contact parfait et ne manifestent en aactin point do leur course, de tendance à une légère séparatiôiK Quand ces précautions ne sont point observées et que les graisses durcies ne ferment plus hermétiquement tout passage à la vapeur surchauffée, celle-ci emjiorte avec elle toutes tes substances grasses ap[>liquées à la lubrification»

11 faut aussi employer plus de graisses que quand les machines fonctionnent avec vapeur saturée. Enfin, M. Ilirn a pu constater que des pistons de machines à vapeur surchauffée, trop détériorés pour continuer h fonctionner avec cette vapeur, pouvaient encore fonctionner convenablement avec la vapeur saturée, parce que leau contenue dans la vapeur suffisait pour compléter Fobturation hermétique sur le pourtour de cea pistons.

CHAPÎTftB HmiBllB*

doac iâ rapotisatioa externe^ par eoorse, deT^t séleirerj

ofe^.

Cette Taporiaaiio& sons la tensicMi atmosphérique, à peu près, exige^ diaprés la table fondamentale, 637^^ par kil, lorsque Tcao esl prise à (f ; comme elle est prise à lOO*, elle n'exige qae 537 calories ;

«ait pour les 0^"-J88, 537 . 0,788 = 423,156 calories.

Diantre part, la Tapeur à 3,75 aimosplières et à la tempera ture correspondante de 141°,68, qui affluait continuellem dan^ le eyliadre moteur, possédait une chaleur totale de 6i9 calories dont il faut défalquer 43,44 calories de chaleur exte; qui ne se retrouvent plus dans la condensation sans restitutii de ce travail. Il en résulte évidemment que la coodensation de 1*11. ^0 vapeur à Z^^^Jb dans le cylindre, laissant de Teau liquide à 141*,68, mettrait en liberté pour produire la vaporisation dans Tenveloppe, une quantité de chaleur égale à

€4r»S6B - 43«^ ,44 - 141<:*i-,C8 = 464,56 calories.

Comme la vaporisation effectuée, d'après nos calculs, n'exige que 423,15 calories, le poids de vapeur à condenser pendant cliaque course du piston, serait de

Kntiû le volume de vapeur qui emplissait le cylindre, da chaque course sans détente, en comptant un espace nuisible de CiOG, était de

0,785 (0'",75)« (l'«,50 + 0'",0e) = 0,687 mèti^e cube,

et comme 1^'*- de vapeur à 3^^™-, 75 occupe, d'après la table, ua volume de 0*"',4754„ le poids de la vapeur utilisée pat course, était de

Ainsi, en faisant abstraction de toutes les autres causes de perte de vapeur, la dépense devait s'élever à

ENVETjOPPES de vapeur de DECHARGE.

O'^'ï'jOll + l»^ii*,445 ^ 2''"s356 de vapeur par course,

et le rapport de la vapeur perdue à la vapeur dépensée serait^ dans cette hypothèse, de

= 0,38; soit 38 p. %

i, à cette perte de vapeur, on ajoute la vapeur qui s'était condensée dans le cylindre pour réparer les pertes de chaleur des parois par suite de la vaporisation d^une certaine quantité dVau liquide pendant la période d'évacuation du cylindre moteur, quantité qui devait être considérable à cause de l'énorme condensation qui se produisait pendant la période d'admission, on trouvera rexplication naturelle de la grande consommation de vapeur et de combustible qui avait lieu dans cette machine. Toutes les considérations que nous venons d'exposer, ne présentent pas, bien certainement, un très grand degré d'exactitude, parce qu'elles ne reposent que sur des observations faites pendant les périodes de service industriel de la machine, ^ et parce que Ton n'avait à sa disposition aucun des appareils nécessaires à des observations précises ; mais elles n'en démon-

rtrent pas moins, avec une grande évidence, combien la présence d'un liquide vaporisable sur la surface externe des cylindres moteurs, est lâcheuse, à cause de la rapidité avec laquelle il s'empare de la chaleur, même quand Texcès de la température du métal sur la température de ce liquide n'est pas très grand; l'action refroidissante des gaz secs sur cette surface, est incomparablement moins dangereuse, même avec une différence des températures beaucoup plus grande, à cause de la lenteur avec laquelle ils s'emparent de la chaleur des parois métalliques.

L'effet fâcheux de ce système particulier do chemises de vapeur ne tient pas seulement à l'énorme condensation qu'il occasionne, il tient aussi, en partie, à une augmentation de pression derrière le piston. La vapeur en sortant du cylindre, passe dans une capacité oii il existe une tension qui l'emporte sar la pression atmosphérique, de toute la charge génératrice vitesse à l'extrémité du tuyau d'échappement qui part de

Teîiveloppe, et il en résulte nécessairement un accroîssemenl de la contrepressîon du pistou lorsque le volume de cette vapeur qui s'échappe, est augmenté par la vaporisation qui sfi fait dans l'enveloppe même. Dans la machine dont il s*agit, il était facile de constater de visu que la vapeur de Tenveloppe se dégageait assez difficilement dans l'atmosphère ; la vitesse de sortie paraissait presqn'aussi considérable à la fin de la décharge qu'au commencement*

La conclusion naturelle de ces expériences sur cette machine d'extraction, était la suppression pure et simple des enveloppes qui n'étaient pas disposées pour recevoir la vapeur avant son admission dans les cylindres moteurs, et c'est ce que l'on fit.

Nous avons appris plus tard de l'ingénieur de la compagnie, qu'immédiatement après cette suppression et lorsque la vapeur s'est déchargée directement dans Tatmosphère, la consommation de combustible pour le même travail qu'antérieurement, a été diminuée dans une très forte proportion.

Des enveloppes peu couduclrices de la chaleur.

Les chemises de vapeur, lorsque celle-ci est prise à la tension et à la température qu'elle possède avant le travail, ont, comme nous l'avons vu, pour but de réchauffer le cylindre moteur. Les enveloppes peu conductrices ne sont employées que pour empêcher ou plutôt pour dîmÎDuer le refroidissement des parois de ce cylindre moteur ou de l'enveloppe dont il entouré, quand il a une chemise de vapeur.

Le refroidissement des surfaces métalliques provient de deux causes qui agissent simultanément : l'^ le refroidissement pur rayonnement de la chaleur ; 2** le refroidissement par le C( tact direct de l'air.

Le physicien Péclet a fait autrefois de nombreuses expériences qui n'ont point été renouvelées depuis, sur les quanti téa de chaleur enlevées aux parois métalliques des capacités qui contiennent de la vapeur saturée, par chacune des deux causes de refroidissement que nous venons de signaler, et il est arri

DES ENVELorPES PEU CONDUCTRICES.

^présenter ces quantités de chaleur par des expressions -empiriques assez compliquées que Ton peut trouver dans sou iraiié de physique appliquée.

Après examen de ces expressions^ il nous a semblé que Ton pourrait arriver à des résultats suffisamment rapprochés de ceux qu'elles fournissent, et suffisamment approximatifs pour les applications, en se servant de l'expression

qui donnerait à la fois la quantité de chaleur perdue par rayonnement et par le contact de Tair sec et tranquille, lorsque les surfaces métalliques sont en fonte^ ce qui est le cas ordinaire des tuyaux de conduite de vapeur et des capacités que tra- Terse cette vapeur.

Dans celte expression, Q représente la quantité de chaleur totale qui se dissipe dans I Fatmosphêre environnante, par mètre carré de surface de

fonte et par heure ; S la surface de refroidissement, en mètre carré j T la température de la vapeur contenue ou circulant dans la

capacité ;

tl hi température de Faîr tranquille environnant. Ainsi, par exemple, la chaleur que perdrait par refroidissement extérieur, un cylindre contenant de la vapeur à 4*'^*"^- et à la température correspondante de 145^,31, lorsque la température de Tair environnant est de 10^ centigrades, serait de

L Q = 10 . l-"* (145^31 — 10-^) ^ 1353 calorie3

par mètre carré et par heure.

La chaleur totale de la vapeur à 4^^'"™ , étant de 650^42 calories dont 43*'"', 61 4 de chaleur externe qui ne seraient pas reproduites pendant la condensation, et IVau résultant de la condensation de chaque kiL de cette vapeur conservant 145,31 calories, il suffirait d'enlever à chaque kiL de vapeur contenue dans la capacité, une quantité de chaleur égale à

600,420 - 43,614 - 145,310 = 461,496 calories 5ur le condenser.

Le refroidissement de la capacité dont il s'agit suffirait de

pour condenser, par mètre carré de surface et par heure, ni

quantité de vapeur à 4^^"»* , égale à

i6M96= 2.93 kilogrammes.

Cette perte de chaleur par refroidissement des surfaces extérieures des cylindres et tuyaux en fonte qui contiennent de la vapeur, est celle qui aurait lieu dans l'air tranquille, dans le cas où les surfaces ne rayonneraient pas la chaleur les unes sur les autres, et où le renouvellement de rair en contact avec les corps chauds ne serait du qu'au mouvement normal de Tair, résultant des variations de densité des couches directement échauffâmes par ce contact. Mais lorsque ces corps sont exposés à un courant d'air qui renouvelle rapidement les couches qui sont en contact avec eux, le refroidissement est plus rapide et occasionne la condensation intérieure d'une plus grande quantité de vapeur»

Lorsque les surfaces chaudes sont mouillées, la condensation peut devenir coasidérahle et Ton retomhe plus ou moi us dans le cas de la vaporisation des liquides par la vapeur. Nous avons vu, dans le chapitre précédent, combien le passage de la chaleur de rintérieur des tuyaux à rextérieur devenait alors rapide, et quelle énorme quantité de vapeur pouvait être, par suite» ramenée à Fétat liquide. Il ne paraît pas qu'entre les limites ordinaires d'épaisseur des tuyaux ou cylindres à vapeur, cette épaisseur ait une grande influence sur les résultats que nous venons d'exposer.

On voit, d'après cela, que la condensation, dans les capacités qui sont placées dans de bonnes conditions, relativement au refroidissement extérieur, n'est pas considérable ; mais il faut éviter de placer les cylindres et tuyaux de conduite de vapeur dans les courants d'air et surtout en dehors des bâtiments ou ils sont exposés à la neige et à la pluie, quand on tient à économiser la vapeur, à moins de prendre les précautions qui seront naturellement indiquées par les cousidérationB suivantes :

Quand on veut diminuer la condensation de vapeur dans les tuyaux de conduite ou dans les cylindres, on les recouvre de