CONDENSEUR SANS POMPE A AIR

^dîté (le la condensa tioe au début de celle-ci ; ce qui produrt Teffet inverse de ctlui qui résultait de l'hypothèse d'une température constante dans le condenseur, que nous avions admise dans les considérations théoriqyes a priori qui nous avaient donné le minimum de tension ati commencement H le maximum à la fin de la course du piston moteur. Il serait donc très utile, dans ces appareils, d'injecter dans le condenseur, une grande

I quantité d'eau froide divisée, dès le début de la condensation, pour faire disparaître, ou tout au moins pour atténuer, les inconvénients que nous venons de signaler, sans que, toutefois, la quantité totale d'eau injectée pendant toute la durée d'une condensation, dépassât la proportion normale de 25 à 30*''^- par kil- de vapeur à condenser.

Ce maximum d'abaissement pratique de la tension, n^est pas encore celui que 1 on devrait obtenir d'après la température des eaux de condensation et la quantité de produits gaxeux qu'elles apportent dans l'appareil, ce qui permet de supposer qu^en général la forme de ces condenseura n'est paa toujours suffisamment appropriée au mode d'évacuation des produits de la condensation et qu'il reste, dans le condenseur, des gaz qui forment obstacle à une bonne condensation. * Ces condenseurs sont généralement trop larges et pas assez longs ; la forme allongée semble se prêter davantage à l'expul' sion complète des produits gazeux par l'action d*iin courant de Tapeur qui arrive par un orifice relativement assez étroit. Ainsi, pour agrandir rationnellement le condenseur N de la figure (37); il vaudrait probablement mieux le prolonger sous le même diamètre, comme l'indique cette figure, que Télargir, sauf à le coucher horizontalement s'il descendait trop bas pour que Ton pût se débarrasser aisément des eaux de condensation. Les condenseurs trop larges peuvent être traversés dans la partie centrale par le courant de vapeur et conserver, dans les angles et sur le pourtour, des produits gazeux qui augmentent la tension et retardent la condensation dans l'opération suivante»

Les avantages que présente ce mode d'évacuation du condenseur, sont assez importants : les produits do la condensation

sont rejetes dans Fatmosphère sans dépense spéciale de travail; Tappareil ne renferme point de piston dont la garniture se dérange et oblige à des chômages pour cause de réparation, qualité précieuse pour les exploitations de mines dans lesquelles, le plus souvent, les madiines d'épuisement ne peuvent cesser de fonctionner, sans grave dommage, que pendant un temps trèe court ; le poids de vapeur à condenser y est coûstant, quelle que soit la tension sous laquelle cette vapeur travaille dans le cylindreiCe qui permet de n'employer qu'une quantité constante d'eau froide pour la condensation, lorsque les mines s'approfondissent et que Ton est obligé d^augmenter la puissance des machines par accroissement de la tension de la vapeur, pour élever la même quantité d^eau à upe plus grande hauteur* Ce dernier avantage est d autant plus grand que les raines sont plus profondes, parce que, à partir d*une certaine profondeur qu'il serait facile de déterminer, la totalité de Teau élevée par une machine d'épuisement, peut devenir insuffisante pour condenser dans de bonnes conditions, la totalité de la vapeur employée, et que la diminution du poids de vapeur à condenser recule la limite à laquelle on manquera de la quantité d^eau nécessaire à une bonne condensation.

Les machines d'épuisement du même système , avec condenseur et pompe à air pourraient, du reste, offrir le même avantage dans les mêmes conditions de tension de la vapeur à la fia de la course montante du piston ; il suffirait, pour cela, de placer un reniflard sur la colonne d'équilibre ; ce renitlard laisserait échapper de la vapeur à Tinstant de Fouverture de la soupape d'équilibre et les deux faces du piston moteur ne seraient soumises qu'à une tension de 1 atmosphère, pendant sa descente ; Faccès de la vapeur dans le condenseur ne serait permise qu'après cette descente* Le volume de vapeur ainsi réservé au condenseur serait encore moindre que dans la nouvelle disposition, parce qu'il serait limité au cylindre et à la colonne d'équilibre jusqu'à la soupape du condenseur, tandis que dans rappareil de M. Letoret, il doit s'étendre jusqu'à la soupape de décharge du cendenseur. De plus, le condenseur n'y étant plus chauffé périodiquement et le vide y étant

CONDENSATIONS CENTRALES

rmanent, la condensation y serait plus rapide et plus parfaite

ec la même quantité d^eaii froide pour un poids donné de Tapeur.

Le condenseur de M, Letoret n'a pas été appliqué Jusqu'à irésent aux machines à mouvement de rotation continu, ni

ême à toute autre machine dans laquelle les coups de piston I succèdent sans repos et durent peu ; il ne paraît pas même usceptible d'y être appliqué et voici pourquoi :

Avant d'injecter Teau froide dans le condenseur pour y créer vide partiel destiné à accroître l'effet utile de la vapeur

otrice sur le piston, il faut que la décharge de vapeur ait }ias»sé par le clapet E (^gp 37)^ tous les produits liquides et

zeux de la précédente condensation, et cette première partie e l'opération ne se fait pas rapidement, surtout à cause de inertie des produits liquides ; de plus, la condensation y est

oins rapide, surtout au début, que dans les appareils ou le ride, dans le condenseur^ est continu ; il résulterait évidemlent, de ces conditions de fonctionnement, qu'une opération 'évacuation du condenseur avant condensation, commencée à a fin d'une course de piston, dans une machine à mouvement e rotation continu, ne serait pas achevée ou le serait à peine, orsque le piston aurait fourni la course suivante, ce qui ren* rait Tappareil de condensation plus nuisible qu'utile, C'est onc à la lenteur inhérente au mode d'évacuation de ce conden-

ur, qu'il doit d'être impropre à d'autres usages que celui ^uquel il a servi dans certaines machines d épuisement

odernes.

Des condensations centrales.

On a fait quelquefois des machines à condensation dans lesquelles la pompe à air, au lieu d'être manceuvrée par la machine elle-même, reçoit le mouvement d^une petite machine spéciale uniquement appliquée à ce service. On a rendu ainsi tout à fait indépendant de la machine motrice, le fonctionnement de la pompe à air, et il est devenu possible de maintenir un vide convenable dans le condenseur pendant les périodes

de repos de cette machine motrice, afin qu^elle retrouve ses conditions de marclie normale, dèa qu'elle se remet en mouvement. Cette disposition convient principalement aux machines puissantes dans lesquelles une augmentation de une atmosphère, dans la pression effective exercée sur le pifïton, corresponds un travail considérable, et lorsque ces machines, par la nature même de leur service, doivent s*arrèterj puis se remettre en train, à chaque instant, ce qui oblige à une grande simplicité de mécanisme sous peine de s^exposer à de fréquents dérangements. Dans ce cas, la machine principale sWganise comme une machine sans condensation , avec toutes tes réductions d^organes mécaniques que comporte ce dernier système, avec sa simplicité de manœuvre, et le tuyau de décharge de la vapeur, au lieu de déboucher dans Tatmosphere, débouche dans le condenseur où la vapeur trouve le vide continuellement entretenu par la petite machine auxiliaire.

Depuis quelques années on a songé à étendre ce système et à faire arriver dans le condenseur à vide continu et indépendant des machines motrices, les vapeurs d'un nombre plus ou moins ^rand de machines fonctionnant dans un même établissement.

C'est principalement au point de vue des avantages qu^elle offrirait à rexploitation des mines que cette disposition a été préconisée. Là, on rencontre quelquefois un*^ machine d*extrao tion, une machine d'épuisement et une machine de ventilation; d'autres fois, deux seulement de ces machines, placées sur des puits très voisins les uns den autres, et qui peuvent aisément envoyer leurs vapeurs de décharge dans un même condenseur. Il est évident que Ton trouve dans une semblable disposition, et tout en conservant les avantages considérables de la condensation, une grande simplification des appareils moteurs, une économie considérable sur les frais de premier établissement, et des conditions de fonctionnement bien plus commodes, que si chaque machine était munie de sa condensation spéciale.

Dans cttte disposition, on rencontre deux conditions de marche de Tappareil de condensation, bien différentes et qui exigent, chacune» un examen particulier.

CONDEXSATIOKS CENTRALES.

Ou bien les machines motrices fonctionnent sans interruption et envoient toujours la même quantité de vapeur au condenseur cooimun, ou bieHj Tune ou Tautre de ces machines, ou plusieurs à la fois, peuvent s'arrêter pendant un temps plus ou moins long et cesser d'envoyer de la vapeur à la condensation* I Examinons d*abord le premier cas.

Lorsque plusieurs machines envoient an condenseur la même quantité de vapeurs à intervalles égaux, on rentre pour ainsi dire dans les conditions ordinaires de condensation. On donne à la pompe à air des dimensions et, à son piston, une vitesse telle qu'il engendre, dans un temps donné, un volume égal à la sommedes volumes qu'auraient engendrés, dans le même temps, les pistons des pompes qui auraient fait le vide dans les condenseurs spéciaux de chaque machine, si chacune avait été munie de son appareil spécial de condensation. On doit obtenir ainsi, moyennement, une tension dans le condenseur, égale à celle qui eut été réalisée dans chaque condenseur particulier.

Quant à la capacité du condenseur commun, il semble a priori qu'elle devrait aussi être égale à la somme des capacités qui auraient été adoptées pour les condenseurs particuliers, d'après les règles que nous avons exposées précédemment^ mais il y a, à ce sujet, quelques observations à présenter.

Dana une semblable organisation du système de condensation, il existe des causes spéciales de perturbation, ou d'écart des lois ordinaires de variations de tension dans le condenseur^ qui tiennent principalement au défaut de coordination entre les mouvements des pistons moteurs et ceux du pistou de la pompe à air. Toutes les décharges de vapeur peuvent se faire à la fois dans le condenseur et à une époque quelconque du mouvement du piston de la pompe à air, ou se faire à des intervalles quelconques et que Ton ne peut apprécier a priori* Comme l'iDJection de Teau froide, en prévision de décharges de vapeur qui se succèdent, doit être faîte d'une manière à peu près uniforme, il n*y a plus de proportion entre la venue d'eau froide et la venue de vapeur, lorsque les décharges coïncident exactement ou à peu près ; la température des eanx de condensation et la tension des vapeurs correspondantes deviennent alors trop

élevées, les retards dans la condensation se manifestent à la fois sur la totalité des vapeurs à condenser et il doit en résulter, au moins moraentanéraent, un accroissement notable de pression dans le condenseur. Ces accroissements anormaux de pression, qui ne se produisent qu'aux époques où toutes les décharges se font, accidentellement, à la fois, doivent se reproduire à intervalles inégaux et tout à fait indéterminés, de sorte que la loi de variation de la tension dans le condenseur, doit être extrêmement capricieuse*

D'antre pai-t, toutes les fois qn*une décharge, relativement considérable, de vapeur, tend à élever la tension momentanément, cette élévation de tension se manifeste à la fois derrière les pistons moteurs des différentes macliines qui communiquent avec le condenseur unique, et dont quelques-uns auraient échappé k cet accroissement momentané de la contre-pression, si ces machines avaient été pourvues d'un appareil spécial de condensation.

Il est donc impossible de prévoir et d'analyser, a priori, loi de variation de tension dans le condenseur unique ou dans des condenseurs ppéciaux mis en communication pour être desservis par nne même pompe à air ou par plusieurs pompes puisant les produits de la condensation dans un récipient commun, lorsque les décharges de vapeur s'effectuent d'uoe façon si irrégulière avec une injection d'eau froide presque invariable. On ne peut donc que formuler quelques recommandations générales pour éviter les mécomptes.

Pour abaisser la teosion régulatrice jusqu'à une certaît limite, la capacité que la pompe à air doit offrir aux produits de la condensation, dans ud temps déterminé, est nettement assignée d'avance; elle doit être égale à la somme des capacités qu'offriraient dans le même temps et aux mêmes produits, les pompes spéciales des condenseurs qu'il aurait fallu annexer à chaque machine, pour ohtenir la même tension régulatric dans chacune d'elles.

Pour le condenseur unique, et pour éviter, dans la mesure" du possible, les fluctuations de la tension au-dessus ou au* dessous de la tension régulatrice^ suivant le système de la

CONDENSATIONS CENTRALES

pampe, il convient de le faire le plus grand possible et Ton ne doit regarder la capacité égale à la somme des capacités qu'auraient dû présenter les condenseurs particuliers, qtie comme un minimum au-dessous duquel il ne faut jamais descendre. £n donnant ainsi la plus grande capacité possible an condenseur et prenant toutes les précautions pour le soustraire aux rentrées d*air extérieur, on le transforme en un vaste réservoir intermédiaire qui reçoit et qui débite des quantités égales de produits de la condensation, à intervalles égaux plus ou moins longs, sans qu'il y ait coïncidence entre les instants d'arrivée et tes instants de sortie de ces produits» pendant chacun de ces intervalles. Dans ces conditions, les variations de la tension ne dépendent que de la grandenr du réservoir I intermédiaire et la tension moyenne, du volume offert dans la pompe à air aux produits de la condensation formés pendant cbacane des périodes qui correspondent à une entrée de ces produits, égale à la sortie. Plus le condenseur sera grand, plus les variations seront faibles et plus elles se rapprocheront de la tension régulatrice pour laquelle la pompe à air a été calculée.

Lorsque le condenseur est très grand, le système de la pompe

à air devient presque indifférent, mais il convient, comme dans

les circonstances ordinaires, que les clapets fonctionnent avec

. le moins de résistance possible et que Teau ne s'y élève pas

} lïeaucoup plus haut que dans le condenseur, pour les raisons

que nous avons exposées.

Si la capacité du condenseur adopté était plus petite que la somme des capacités des condenseurs particuliers calculés d*après les règles que nous avons posées^ la pompe à air aspirante élévatoire serait préférable à la pompe à air aspirante et foulante, parce que les produits de la condensation peuvent y pénétrer d*une manière continue pendant les deux courses, lorsqu'elle est à simple effet, tandis qu'ils ne peuvent pénétrer dans la pompe aspirante et foulante, que pendant Tune des deux courses iobérentes à chaque expulsion, et parce que pen* dant la période d'interruption, il y a, dans le condenseur, une accumulatioû de produits qui peut y occasionner un accroisse-

méat momentané de tension^ d'autant plus considérable que le condenseur est plus petit.

En général, la porape à air à double effet est celle qui conyient le mieux aux appareils de cette espèce, parce qu^eïle ealè?6 du coudeuseur les produits de la condensation d'une manière plus continue et prévient mieux les accurautationa.

Les retards de condensation sont aussi plus fâcheux pour les petits condenseurs que les grands, selon que nousTavons indiqué précédemment.

Lorsque le condenseur reçoit toutes les Tapeurs qui pro- Yiennent de plusieurs machines motrices à mouvement très I irrégulier et dont le fonctionnement de quelques-uns peut être suspendu pendant un temps plus ou moins long, la question, se complique. ^H

Tout Tappareil de condensation doit alors être organisé po^fl un maximum de travail qu'il aura à efiectuer lorsque toutes les machines fonctionneront simultanément dans les conditions de j leur maximum de vitesse et de puissance et, eu même temps, il | doit être capable de maintenir un degré de vide convenable | dans toutes les conditions de fonctionnement possibleSi afin I que chacune des machines, à l'instant de sa mise en train, puisse décharger sa vapeur dans ce condenseur et profiter de tous les avantages inhérents à la condensation, dès le début de 8a marche.

Différents moyens ont été proposés pour atteindre ce but : quelques ingénieurs ont proposé de multiplier les pompes à i air et les tuyaux d'injection d'eau froid*^, et de les disposer de telle façon que chaque système de pompe et de tuyau d'injection ne fût mis en jeu quVi Tinstant où la machine motrice correspondante se mettait en mouvement, le début de ce mou- Tement étant favorisé par le vide préexistant dans le condenseur. Le moteur spécial des pistons de ces pompes devrait être organisé de façon à nVigir sur chacun d'eux qu'à l'instant oii la machine motrice correspondante se mettrait en mouvement, et de façon que le travail de ce moteur put être constamment proportionné aux besoins de Textraction des produits de la coûn

CONDENSATIONS CENTRALES

densation, par uoe disposition spéciale refilant automatiquement la tension d*ad mission et le degré de détente de la vapeur, La tension dans la cliaudière devrait rester toujonrs, au minimitm, égale an maximum de tension à radmissiou dans les cjlin-» dres des moteurs spéciaux.

Toutes ces conditions constituent un problème dont une bonne solution pratique est assez difficile.

D'autres ont proposé lappiication d'un autre moyen plus simple d'arriver au même résultat : il consiste à employer une seule pompe à air à double eflet, comme celle qui est représentée par la figure (36), et à proportionner tout simplement le nombre de coups de piston sous lequel elle fonctionne, à la quantité de produits de la condensation à extraire du condenseur, CD prenant pour régulateur de ce nombre de coups de piston, le degré de vide même qui existe dans le condenseur.

Le moteur spécial du piston de cette pompe à air doit évidemment pouvoir fonctionner à des vitesses très variables, lorsque la quantité de vapeur à condenser varie elle-même entre des limites très écartées, et ces variations de vitesse doivent s'eflectuer sans que les conditions de fonctionnement de ce moteur deviennent trop défavorables à son effet utile.

Il faut également que la quantité d'eau froide injectée dans le condenseur soit toujours proportionnée à la venue de vapeur à condenser et, dans ce système, le régulateur du nombre de coups de piston, manceuvré parles variations du degré de vide dans le condenseur, est également chargé de proportionner la venue d'eau froide à la quantité de vapeur à condenser.

Dans un appareil de cette espèce, le condenseur doit encore I avoir une très grande capacité pour obvier aux inconvénients d'un défaut momentané de rapport convenable entre l'injection d'eau froide et Tarrivée de vapeur et d'un retard dans la con* densation de ces vapeurs qui arrivent de différents côtés. Nous pensons que Ton doit, dans ce cas comme dans le premier que nous avons exposé ci- dessus, considérer comme un minimum, une capacité égale à la somme des capacités qu'auraient présenté les condenseurs calculés pour chaque machine en particulier, et qu'il y aurait plutôt avantage que perte à dépasser

cette limite, pourvii que Foq eût soin d'empêcher les ren! d'air extérieur^ ce qui est malheureusement d'autant plus diffij cile que les condenseurs sont plus grands*

II y a longtemps qtie Ton a employé en Belgique, pourl" première fois, ces appareils de condensation indépendants des machines motrices* Le plus ancien paraît être celui qui a été appliqué aux machines qui desservaient le plan incliné du Haut-Pré à la porte de Liège et qui avaient été construits Seraing sur les plans de M. MauB.

Depuis cette époque, il est sorti des mêmes ateliers certain nombre de ces appareils destinés à recevoir la vapeur qui provient de plusieurs machines, en laissant à celles-ci tous les avanta*^es sans les embarras, de la condensation.

On en a construit un à Seraing qui recevait les vapeurs d'une machine d'extraction de 150 chevaux, d'une machine à comprimer l'air de 40 chevaux» d'une machine de ventilation de 25 chevaux et d'une petite machine auxiliaire de 16 chevaux.

On en a aussi construit plusieurs, annexes à des machines motrices de laminoirs, dont la marche est fort îrrégulièreetqui exigent impérieusement une grande simplicité de mécanisme*

Dans tous ces appareils, la capacité du condenseur était très grande et l'on n'a jamais trouvé que des avantages à Tagrandir, à la condition de le construire avec assez de soin pour évite^ les rentrées d'air extérieur.

Les dessins de Tun de ces appareils ont été publiés dans !1 Recueil des machines et outils de Seraing^ ouvrage bien conu^i des constructeurs. ^H

Plus récemment, un appareil semblable a été construit dan^^ les ateliers de Produits sous la direction de M. A, Halbrecq, pour la Société des charbonnai^es de Grand-Conty et Spinois à Gosselies ; il a été annexé à une machine d'extraction à mouvement irrégulîer et intermittant et à une machine puissante^ de ventilation à mouvement continu.

Les produits de la condensation sont extraits de ce condei? seur par une petite machine à deux cylindres dont les pistons agissent sur deux manivelles calées à angle droit sur Tarbre du volant régulateur de la vitesse dans chaque révolution. Le

CONDENSATIOÎS'S CENTRALES.

tiges des pistons moteurs se prolougent et se rattacbeiit directement aux pistons de deux pompes à air à double eflet. Le tout est placé verticalement et n'occupe que peu de place.

Dans cet appareil, la vitesse de rotation et, par Buitei le Dombre d'excursions des pistons de pompe, qui doit êtrepro* portionné à l'afflux de vapeur à condenser, sont réglés à l'aide d'un procédé assez ingénieux dont Tidôe appartient à M. Piton, directeur de ce charbonnage*

Le constructeur s'est servi des variations de tension dans le condenseur, pour régler le nombre des révolutions de la machine, et voici l'invention de M, Piton qui a servi à résoudre le problème.

Une espèce de baromètre C T (fig. 38) contenant du mercure, communique par le haut, en D, avec le condenseur, et sa cuvette C contient un flotteur en fer F qui monte ou qui descend suivant que le degré de vide, daos le condenseur, diminue ou augmente. Ce flotteur est relié par une communication de mouvement qu'indique le dessin, à une valve E qui étrangle le passage de la vapeur qui se rend aux deux cylindres moteurs lorsque le flotteur descend, et s'ouvre davantage, lorsque ce flotteur remonte. La différence des niveaux du mercure, eu C et en D, est réglée d'avance d'après le degré moyen de vide que l'on veut réaliser d'une manière permanente» Lorsque le vide disparaît, tout le mercure descend dans la cuvette C.

Toute la communication de mouvement du flotteur à la valve est équilibrée, de façon que le flotteur plonge à moitié quand la valve est dans sa position normale, et le mouvement de ce flotteur doit se produire avec la même facilité dans les deux sens de part et d'autre de cette position d'équilibre.

Il est clair, d'après cela que, si le vide dans le condenseur dépasse une certaine limite, quand il arrive trop peu de vapeur à condenser, le niveau du mercure doit baisser dans la cuvette et que le flotteur baissant avec lui, fermera plus ou moins la valve et ralentira la vitesse de la machine motrice. Le contraire 86 produira si, par suite d'un afllux considérable de vapeur» le vide vient à diminuer.

Cet appareil fonctionne d'une façon satisfaisante.

On peut, du reste, lui donner une puissance quelconque en adoptant un diamètre de flotteuc convenable. Ainsi, par exemple, ^vec un flotteur de 0",20 de diamètre, toute variation de niveau de 1 cent, de mercure dans la cuvette, dans un sens ou dans Tautre, donnera naissance à un effort de

0,785 (0",20)* . 0~,01 . lasge^^»- «= 4,27 kilogrammes.

13596 est le poids de 1 mètre cube de mercure.

Si la capacité D a le même diamètre que la cuvette C, chaque variation de niveau de 1 centimètre, dans cette cuvette, correspondra à une variation de 2 centimètres dans la tension du condenseur.

TRAVAri DE LA VAPEUR DANS LES MACHINES.

Nous avons longuement exposé, dans le septième chapitre de *cet ouvrage, les lois suivant lesquelles doit s^ effectuer le travail à détente de la vapeur dans certaines conditions nettement assignées; par exemple, quand elle est sèche ou ne contient point d'eau liquide et que les parois des capacités qui la renferme, sont imperméables à la chaleur; lorsqu'elle contient une certaine quantité bien définie d'eau liquide et que les parois des capacités opposent également une barrière insurmontable aux échanges de chaleur avec l'extérieur, et, enfin dans quelques autres circonstances, comme dans Thypo thèse d'une quantité déterminée de chaleur qui lui serait fournie à travers ces parois.

La science des machines à vapeur qui fonctionneraient dans ces conditions purement théoriques, est fort avancée et elle doit tout au principe moderne de Féquivalence de la chaleur et du travail; mais, dans rapplication effective delà vapeur aux besoins de rindustrie, les problèmes à résoudre se présentent avec un degré de complication tel, que leur solution a priori avec Taîde des lumières fournies par la science nouvelle, devient extrêmement difficile; on peut même dire impossible, au moins avec une certaine exactitude.

La vapeur qui arrive dans le cylindre d'une machine, a emporté de la chaudière, une certaine quantité d'eau liquide dont on ne peut connaître a priori, rimportance, et cette vapeur en pénétrant dans le cylindre, y rencontre des parois refroidies qui en condensent une partie plus ou moins considérable pour réU- I blîr Tuniformité de température entre elles et le fluide ; pendant la détente, cette quantité inconnue d'eau liquide qui s'est déposée contre les surfaces métalliques internes, et qui possède une température égale à celle de la vapeur, se vaporise aux dépens de sa propre température quand la tension baisse, et aux dépens de la chaleur emmagasinée par la masse métallique

nt; ou I

qui constitue le cylindre et son piston, et produit un refroidis* sèment très marqué de cette masse métallique; puis, quand Torifice d'échappement se découvre pour permettre à la vapeur de se rendre dans l'atmosphère extérieure ou dans un condenseur où règne ooe tension plus basse que celle de cette vapeur, il se forme une nouvelle vaporisation d*une partie de l'eau rest liquide, aussi aux dépens de sa propre chaleur et de celle des paroisdu cylindre qui cnéprouvcot un nouveau refroidissement cette dernière vaporisation transporte dans le condenseur, ou dans Tatraosphère^ une partie plus ou moins grande de la chaleur que l'eau liquide et les parois métalliques avaient emmagasinée au déhut de ropêration,et ces parois métalliques en empruntent de nouveau à la vapeur venant de la chaudière au commenc^H ment de la course suivante. ^M

Cette action périodique, tantôt réchauffante, tantôt refroidissante, de la masse métallique au sein de laquelle s'accomplissent les phénomènes de la transformation de la chaleur en travail, est considérable, très Tariable suivant la nature des appareils, et elle apporte dans les questions à résoudre, des éléments dont nous sommes loin de posséder la connaissance a priori, avec quelque précision, ■l

On peut donc affirmer que, dans l'état actuel de la science des machines à vapeur, une véritable théorie du travail pratique de la vapeur, n'existe pas, parce que ce travail s'accomplit dans des conditions que l'on ignore a priori, que l'on ne détermine encore que fort ditïicileraent dans les machines qui fonctionnent et en appliquant à cette recherche toutes le^| notions vraiment scientifiques acquises sur la chaleur. Il y a obligation de recourir à Texpérience directe sur certaines machines, pour déterminer avec plus ou moins de probabilité, la loi suivant laquelle le travail de la vapeur s'accomplira dans d'autres appareils de ta même catégorie. On rentre ainsi dans l'empirisme dont Tancienne théorie des machines à vapeur, croyait fort mai à propos, être sortie; mais c'est un empirisme d'une espèce particulière, il constate les phénomènes et leur raison d'être, après qu'ils sont accomplis, tandis que l'ancienne théorie ne constatait rien et admettait a priori une Icii

qui pouvait se vérifier dans certains cas^ pour d'autres motifs que ceux qu'elle alléguait, mais qui, dans un très grand nombre de circonstances, ne pouvait se réaliser, sans que cette théorie pût rendre compte des énormes écarts que l'expérience permettait de constater.

A Taide des nouvelles théories, on ne peut prévoir avec beaucoup de précision, les résultats que Ton obtiendra dans certaines applications déterminées, parce que Ton ne possède pas a priori, tous les éléments d'appréciation; mais quand les phénomènes sont accomplis, elle permet de reconnaître leur raison d'être. Avec Fancienne théorie, qui consistait à appliquer sans discernement, la loi de Mariotte ou, selon M, de Pambour, la loi de détente d'une quantité constante de vapeur saturée, au calcul du travail qui pouvait résulter de cette détente, rien n'était expliqué, même après constatation expérimentale, et les nombreux écarts signalés entre les prévisions et la réalité pratique, ne constituaient plus que des faits incompréhensibles.

Depuis un petit nombre d'années seulement, quelques personnes dévouées à la science, ont eu Fidée d'étudier sur les machines mêmes en état de fonctionnement régulier, tous les phénomènes si complexes qui s'accomplissent sous l'action de la chaleur destinée à se transformer en travail dans nos machines à vapeur ordinaires.

En tête de ces hommes utiles et doués de beaucoup de clairvoyance unie à une connaissance aussi étendue que possible des lois nouvelles qui concernent la chaleur, nous devons placer M, Hirn du Logelbach qui a inauguré ce genre d'étude et qui en a imaginé tous les principaux moyens d'observations. Après lui, viennent ses principaux collaborateurs MM. Leloutre, Hullauer et Grosseteste auxquels s'adjoignit plus tard M. Dwelshauvers de FUniversité de Liège. Grâce aux travaux de cette très utile association, la lumière commence à se faire dans ces questions pratiques de la transformation de la chaleur en travail, dans nos machines, et réciproquement du travail en chaleur.

ém

Voici Fiilée fondamentale sur laquelle reposent toutes ces observatioos :

On s'assuro d'abord, par des moyens dont on peut trouver Texposition dans les mémoires origioaux, que le piston d'une machine et les organes de distribution, tiennent bieo la vapeur; on mesure exactement la capacité des espaces nuisibles, la course et le diamètre du piston. On détermine ensuite par des observations spéciales, la quantité d'eau liquide que la vapeur emporte des chaudières, avec elle ; la quantité de vapeur qui se condense par le refroidissement extérieur de la macliine motrice; le poids do vapeur qui reste dans les espaces nuisibles à la fin de chaque course; puis ron dispose les moyens de déterminer la quantité totale d'eau et de vapeur envoyée au cylindr^ dans un temps donné. ■

Ces renseignements étant acquis avec toute Texactitude que comportent les moyens actuels d'observation, on relève plusieurs diagrammes avec un bon indicateur de Watt, pendant que la machine fonctionne dans ses conditions ordinaires de marche régulière, ou dans les conditions spéciales de marche sur les* quelles on veut faire porter ses observations. Si ces diagrammes ne se superposent pas tout à fait exactement, on construit avec eux un diagramme moyen ; puis on détermine la quantité totale d'eau envoyée à la chaudière pendant la période d*observation qui doit être assez longue pour fournir des résultats de quelque valeur, et on la divise par le nombre de courses qui ont été fournies pendant cette période, pour connaître la quantité d'eau qui a été envoyée au cylindre sous forme de vapeur et d'eau liquide, pour chacune de ces courses.

Il est évident que le niveau de Teau dans la chaudière doit être le même, au début et à la fin de la période d'observation.

Le diagramme indiquant la tension de la vapeur en chacun des points de la course étant connu, et la quantité d'eau contenue dans le cylindre sous forme de vapeur et d'eau liquide étant également connue et constante, il est clair qu'il devient possible d'évaluer en chacun de ces points, le volume occupé par ce mélan;^e de vapeur et d'eau et de déterminer la fraction du poids total de fluide qui s y trouve à l'état de vapeur et la fraction qi

existe à Tétat liquide. La table fondamentale fournit tous les éléments de ces calculs.

C'est ainsi que Ton a reconnu que la fraction à l'état liquide est très variable et que tantôt elle augmente et tantôt diminue, par suite de condeosatioo d'une partie de la vapeur ou de vaporisation d'une partie de l'eau liquide*

Dans les périodes de condensation de la vapeur, toute la chaleur interne dégagée par la condensation, qui n'est pas neutralisée par lo travail, est emmagasinée par les parois métalliques et, dans les périodes de vaporisation , la chaleur nécessaire à cette vaporisation , est empruntée aux parois métalliques et à la partie de Teau qui reste liquide.

Toutes ces recherches ont démontré que, dans le cylindre des machines ordinaires, l'eau liquide à haute température se transforme parliellement en vapeur, quand la tension vient à diminuer sur sa surface, avec une extrême rapidité, absolument comme dans les explosions de chaudières où il se vaporise, presque instantanément , une partie considérable du liquide contenu dans ces chaudières lorsque, par suite de leur rupture, la tension qui pèse sur la surface du liquide, vient à diminuer brusquement. Elles ont également mis en évidence la rapidité arec laquelle la vapeur se condense quand elle se trouve eu contact avec des surfaces métalliques à plus basse température qu'elle, jusqu'à ce que l'équilibre de température se soit rétabli, et la rapidité avec laquelle l'eau se transforme en vapeur sous la double action d'une tension qui diminue sur sa surface et du contact d'une paroi métallique à plus haute température. La rapidité avec laquelle tous ces phénomènes de transformation de Feau en vapeur et de la vapeur en eau, s'accomplissent, est telle qu'elle touche à l'instantanéité, et c'est sur ce fait que repose aujourd'hui rerplication de la plupart des phénomènes souvent très singuliers que l'on constate dans les machines en marche.

Nous allons essayer d^exposer aussi succinctement que possible, les résultats de ces très curieuses et très utiles observations.

Travail de la vapeur dans les machines à un cylindre

La vapeur qui passe d'une chaudière dans un cyliadre, emporte avec elle une quantité d'eau liquide assez variable et qui peut devenir considérable; par exemple, lorsque la surfai du liquide dans la chaudière u^a qu'une faible étendue, ce augmente la vivacité de Fébullition qui résulte de la formatii d^uue quantité déterminée de vapeur; lorsque la chambre vapeur est trop petite et que cette vapeur n'y séjourne pas assez longtemps avant de passer au cylindre ; lorsque la consommation do vapeur est momentanément plus grande que la production, comme dans les machines à longue détente, ce qui provoque la formation de vapeur en tous les points de la masse liquide que contient la chaudière et boursouffle cette masse ; lorsque le tuyau de prise de vapeur se trouve au dessus du point de U surface liquide par lequel se dégage la vapeur venant dea bouilleurs dans le corps principal de la chaudière, et enfin lorsque le liquide est sans cesse agité par le transport irré» gulier de la chaudière, comme dans les locomotives.

Il est à peu près impossible d'assigner d'avance la quantité d^eau que la vapeur peut emporter avec elle, dans ces circonstances, mais quand une chaudière est judicieusement établie et que Ton a évité les écueils que nous venons de signaler, on peut compter que ce transport d'eau liquide ne dépassera pas 3 à 6 % de la dépense totale d'eau d'alimentation de la chaudière.

Cet excès de dépense d'eau par la chaudière, n*est ni le seul ni le plus important* A son arrivée dans le cylindre, la vapeur à l'état gazeux se met en contact avec des parois métalliques qui peuvent avoir été un peu refroidies par un rayonnement extérieur de chaleur, lorsque ce cylindre n'a point d'enveloppe réchauffante, mais qui Font été beaucoup pendant la période de détente, s'il y a eu détente et, dans tous les cas, pendant la période d'échappement. L'abaissement de température de la vapeur qui correspond à son abaissement de tension pendant ces deux périodes, et surtout la vaporisation d'une fraction plus ou moins considérable de l'eau liquide qui tapisse les parois du

cyliudrei ont enlevé à ce§ parois une quantité considérable de chaleur qui devra leur être restituée pendant la période d'admission qui suivra. P!us il y aura d'eau liquide dans le cylindre, à la température corres pondante à la tension de la vapeur à la fin de Tadmission, plus il j aura d'eau vaporisée pendant la détente et pendant réchappemeiit, plus les parois du cylindre en seront refroidies, et plus il se condensera de vapeur pendant la période d'admission qui suivra, au moins toutes choses étant égales d'ailleurs, La quantité de vapeur qui se condense ainsi dans le cylindre pendant la période d'admission, varie entre des limites extrêmement étendues et il est à peu près impossible d'en assigner a priori la valeur avec quelqu^exactitude.

On a rarement trouvé moins de 10 % du poids du mélange d'eau et de vapeur qui afflue dans le cylindre et on a trouvé quelquefois plus de 50 "o de ce poiils^ ce qui, réuni à Teau liquide apportée directement de la chaudiàre, porte de 13 à 55 ou 60 ''lo la quantité d'eau que contient la vapeur à la fin de la période d'admission. C'est principalement daus les cylindres qui n'ont point d'enveloppes de vapeur, dans lesquels la détente est très prolongée et qui sont exposés à un refroidissement extérieur énergique, que cette condensation atteint sa plus grande valeur. Ces chiffres, évidemment, n'ont rien d'absolu, mais ils résultent d'observations directes faites sur des machines en marche régulière, en comparant la quantité d'eau introduite dans la chaudière à la quantité qu'elle devrait débiter 8Î la vapeur restait saturée et sèche depuis cette chaudière jusqu'à son passage dans l'atmosphère ou dans un condenseur.

En présence de cette incertitude coucernant la quantité d'eau liquide que contient la vapeur à la fin de la période d'admission, et concernant Tintervention plus ou moins énergique des parois des cylindres agissant tantôt comme cause de réchauffement, tantôt comme cause de refroidissement, il est aisé de comprendre rimpossibilité d'une évaluation rigoureuse a priori, du travail effectif que produira la vapeur dans ces cylindres pendant la période de détente. D'excellents constructeurs ont résolu la question empiriquement et avec plus on moins d'exactitude ;

ils relèvent des diagrammes à l'aide de Tindicateur de Watt» sur toutes les machines qu'ils ont Tbabitude de construire et ils admettent que !a loi de {léteute dans celles qu'ils vont exécuter sera la même que dans celles qu'ils ont établies à peu près dans les mêmes conditions. Le rapport du travail à pression pleine an travail à détente^ mesuré directement sur les diagrammes par évaluation de leurs surfaces, est supposé devoir se reproduire danâ les machines semblables à construire. C'est bien là un des meilleurs moyens de sortir d'embarras et s'il ne conduit pas à un résultat tout à fait rigoureux, il ne comporte au moins que des erreurs qui peuvent être annulées pendant la marche des machines, par quelques modifications dans les conditions prévues de leur fonctionneraent. Ce procédé tient compte implicitement du degré de^perfeetion que chaque atelier apporte habituellement dans rajustement des garnitures de pistons et des organes de distribution.

Lorsque cette méthode empirique directe ne peut être appliquée, parce que Ton manque de renseignements sur le mode de travail de la vapeur dans la catégorie de machines dont fait partie celle que Ton veut construire, il faut bien avoir recours à une méthode plus générale* Pour cela on examine le plus grand nombfe possible de diagrammes de toutes provenances, relevés dans des conditions plus ou moins semblables à celle dans laquelle on se trouve, et Ton adopte un mode de travail , moyen entre tous ceux que l'on a constatés.

De semblables examens, sur les machines à un seul cylindre dans lequel s'effectue le travail à pression pleine et le travail à détente, il semble résulter que, dans les machines bien construites, c'est-à-dire dans celles dont les garnitures de pistons^ et les organes de distribution tiennent bien la vapeur, et dans lesquelles la quantité d'eau liquide emportée par la vapeur qui sort de la chaudière ne dépasse pas 3 à 6 7o du poids total du mélange qui passe au cylindre, ce qui est le cas ordinaire lorsque les chaudières sont judicieusement établies , il sembl^ résulter, disons-nous, que la loi de détente isothermîque encore celle dont l'adoption a priori expose au minimum de mécomptes. Les diagrammes si nombreux relevés sur des m^

chines en marche, depuis quelques années, accusent tantôt cette loi, tantôt une autre loi d*abaîssemeut moins rapide de la tension et tantôt une loi d'aimissement plus rapide, sans qu'il soit toujours aisé d'en assigner la cause dans sa mesure exacte, mais bien certainement soua Faction variable de l'eau liquide mêlée à la vapeur dans le cylindre et de Taction tantôt réchauffante tantôt refroidissante de lu masse métallique dans laquelle les phénomènes de détente s'accomplissent.

Toutes choses égales d'ailleurs , les courbes de détente sont d'autant plus relevées que la vapeur contient plus d'eau liquide; nous en avons exposé phis haut la raison. Avec la mêrae quantité dVau liqni^le au début de la détente et même avec une quantité moindre, elles sont plus relevées quand le cylindre a une enveloppe de vapeur que quand il n'en a pas; et quand la vapeur est surchauffée, ce qui diminue, dans des proportions considérahles, la condensation à Tar rivée dans le cylindre , les courbes de tensions sont généralement moins hautes qu'avec la vapeur saturée. Dans ce dernier cas, le bénéfice de la surchauffe ne peut se manifester que par la diminution du poids de vapeur à dépenser par coup de piston.

Pour faire comprendre avec plus de précision, la nature de l'intervention de la chaleur contenue dans l'eau liquide mêlée à la vapeur, et de la chaleur successivement reprise et cédée par la masse métallique du cylindre, dans les phénomènes de détente, nous étudierons un cas particulier qui ne sort pas des conditions les plus ordinaires de la pratique industrielle.

Nous supposerons qu'une machine fonctionnant sous la pression initiale de 6®^"i absolues, reçoive pendant la période d'admission, l*'^^" d'un mélange d'eau et de vapeur, contenant O'^'^Sd d'eau liquide et 0^"',65 de vapeur à 6»^"^-; nous admettrons encore que la détente soit prolongée jusqu'à la tension 1 de 1"**™*, et nous chercherons dans quelles proportions la chaleur du liquide et l'action des parois métalliques doivent intervenir pour que la détente s'accomplisse très approximativement suivant la loi isothermique.

D'après la table fondamentale, le volume de 1 •'**• de vapeur B 6^'"^', est de 0'''\3054,

(rVl985, 6 -= 11

Comme 1 '^^ de vapeur à 1 *^^^»* occu| le volume de 1"'\101 pèsera