Y^ -0,6692. log 4, jAp

avait indiqué directement le même effet utile, 0,26.

La même machine fonctionnant sans refroidissement dans la pompe alimenlaire, nous avait fourni un coefficient d'effet utile de 0,34, mais, dans ces conditions, sa puissance théorique n'était que de 69,07 chevaux, au lieu de 107,57 qu'elle pourrait J produire en appliquant la refroidissement de l'air dans lit I pompe. I

Nous devons faire observer que ce refroidissement doit êtts.J produit dans la pompe elle-même et non au-dolà de cette" pt)Qipe, par exemple dans un réservoir placé entre elle et le J foyer, parce qu'il s'agit de diminuer le travail d'alimentation J qui ne serait point amoindri par un refroidissement qui ne se I produirait qu'après* la compression et après l'expulsion de l'air J par le piston alimentaire. Une machine dans laquelle l'air ne 1 serait refroidi que dans le trajet de la pompe au foyer, ne pré-l senteraît que la puissance qu'elle développerait sans refroidis- 1 sèment et elle consommerait inutilement toute la chaleur supplémentaire que le foyer devrait fournir pour reproduire la température perdue dans co trajet.

Nous avons réuni, dans le tableau suivant, tous les résultats que l'on obtiendrait théoriquement des diverses machines qui sont citées dans le tableau précédent, si on leur appliquait le ^

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Oa voit, d'après ce tableau : 1°, que la puissance effective des machines de cette catégorie qui fonctionnent avec la même masse d'aii- et dans lesquelles on refroidit l'air pendant sa compression, augmente d'une manière continue avec la pression, tout en ne consommant qu'une quantité constante de chaleur; 2", que la puissance effective de ces machines, quand on ne leur applique pas le principe du refroidissement, augmente jusqu'à 3 à 4^""- , puis diminue ensuite rapidement à mesure que la tension s'élève, pour se réduire à zéro lorsque la compression dans la pompe porte la température de l'air jusqu'à la limite maxima compatible avec le bon entretien et la durée de toutes les parties frottantes exposées à ce maximum de température; 3°, que le coefficient d'effet utile augmente moins rapidement quand on refroidit l'air pendant la compression que lorsqu'on ne le refroidit pas ; mais cet inconvénient est largement compensé par l'accroissement de puissance effective qui permet de diminuer la dimension des appareils pour produire un travail déterminé, et par la diminution desrésistances passives qui endoit résulter; 4°, que jusqu'à 3 à 4a"n-, il est possible, à la rigueur, d'hésiter entre les deux • systèmes suivant l'importance relative que l'on veut attribuer à la puissance absolue, aux dimensions des appareils et à l'économie de combustible, mais qu'au-delà de cette limite on ne peut plus balancer et que le principe du refroidissement doit être appliqué sous peine de ne produire que des quantités de travail insignifiantes à l'aide d'appareils de dimensions considérables, dont les résistances passives pourraient exiger plus de travail que ces appareils n'en pourraient produire.

Le principe du refroidissement de l'air dans la pompe alimentaire présente encore uu autre avantage pratique important ; il permet d'établir sans risquer de perdre de la chaleur, un résecïoir entre la pompe et le foyer, et ce réservoir qui peut être aussi grand qu'on le voudra sans qu'il présente d'antre inconvénient que d'occuper beaucoup de place, peut contenir une grande masse d'air comprimé, pendant les intervalles de repos des machines. Cet air servirait à mettre en

tram les appareils trop puissants, pour être mis en mouve* ment à la main, puis il ferait office de régulateur du travail en reportant sur un volume d'air considérable tout Taccroisseraent de tension qu'un foyer momentanément trop actif, peut produire BUT la portion de cet air qui le traverse. Un réservoir audelà du foyer deviendrait inévitablement une cause de perte de chaleur dans les intervalles de repos, et de perte de chaleur et de pression pendant la marche des appareils ; le seul avantage qu'il pourrait offrir serait de permettre à l'air qui vient de trayerser le foyer, de déposer une grande partie des particules solides qu'il emporte avec lui, avant de passer dans le cylindre moteur.

Depuis quelques années, un grand nombre d'inventeurs se sont occupés de la machine à air chaud et les expositions universelles ont été une excellente occasion de les produire au grand jour et d'essayer de les faire adopter définitivement dans l'industrie ; mais malgré les brillantes réclames de ces inventeurs, nous n'avons pas appris qu'elles aient été adoptées d*ane manière un peu générale.

Toutes ces machines reposent sur les mêmes principes d'action que celles que nous avons examinées ci-dessus. Les unes, à cylindre fermé, présentent deux capacités dont l'une est destinée au refroidissement de l'air et l'autre à son réchauflement par un foyer extérieur ; cet air ainsi dilaté puis contracté successivement transmet à l'extérieur une certaine quantité de travail. Quelques-unes de ces machines contiennent encore uu régénérateur un peu modifié ;, au lieu de le composer de toiles métalliques superposées, il est souvent formé de feuilles de tôle de fer ou de cuivre, maintenues à très petite distance les unes des autres et percées de trous ; cette disposition présente peut être moins de chances d'obstruction que la disposition primitive, mais elle nous semble se prêter plus encore que celle-ci à l'établissement d'une certaine température approximativement uniforme dans toute l'étendue de cet organe, ce qui amoindrit son efficacité. Les autres, et celles-ci sont les

plus nombreuses, reposent tout simplement sur le principe de la machine de ISelou et n'en diffèrent que par la, disposition relative des différents organes. Plusieurs de celies-ci sontti simple effet et, pour régulariser le travail, on en fait agir deux sur un ■même aibre de transmission, mais elles ne présentent aucun avantage théorique sur celle de Belou ; comme celle-ci, elles fonctionnent à une pression qui no dépasse pas une atmosphère la au-dessuB de pression extérieure, et elles abandonnent l'air à une température d'autant plus élevée que la détente n'y est pas toujours appliquée. Dans aucune, nous n'avons tuappliquer le principe de refroidissement dans la pompe al taire qui permettrait d'accroitre leur puissance sous les mêmes> dimensions, ou d'obtenir la même puissance avec des dimea-x sions moindres, eu consommant, peut-être, un peu pins i combustible.

Le perfectionnement le plus important qui ait été introduit dans la construction de la plupart des macliines modernea, consiste à reporter la garniture des pistons loin du contacfe immédiat de l'air chaud, ce qui permet de conserver aisément^ cette garniture en bon état nonobstant la haute température de l'air. (Fig. 24.) Pour cela, le piston se fait comme celui des pompes à eau du système aspirant et foulant ; la garniture se place en CD et le bas du cylindre plongeur ne se meut que de m en m. Ce cylindre plongeur est creux et ouvert par la haulp pour qu'il puisse se refroidir par l'intérieur, et son diamètri est tel qu'il reste le moins d'intervalle possible enlre lui et L paroi interne du cylindre-enveloppe qui reçoit l'air chaud 11 est clair que l'air chaud qui arrive périodiquement dans h cylindre A ne peut pénétrer qu'en très petite quantité dans l'ia tervallo des deux cylindres et qu'il peut y être rapidemenl refroidi par la surface extérieure du cylindre- enveloppe ; oi peut encore accélérer ce refroidissement en maintenant do 1' froide autour de ce cylindre-enveloppe, dans la région qui contient la garniture. C'est là, certainement une idée ingénieuse et bien appropriée aux exigences des machines dans lesquelles le fluide élastique fonctionne à si haute température, et il est évident qu'elle peut être appliquée à des machines S

double effet aussi bien qu'à des machines à simple effet ; elle n'a d'autre inconvénient que d'exiger des cylindres moteurs plus longs que quand on emploie les pistons ordinaires. Malgré ce perfectionnement pratique et quelques autres de moindre importance qui ont été apportés dans la construction des machines à air chaud les plus récentes, elles ne paraissent pas encore avoir pris définitivement place dans les applications industrielles, même pour les faibles puissances qui sont les pins faciles à réaliser et pour lesquelles les inconvénients propres à ce genre d'appareils se manifestent avec le moins d'intensité.

Voici quels sont, parmi ces inconvénients, ceux qui sont con* sidérés comme les principaux :

1* Pour une même puissance, ces machines sont beaucoup pins coûteuses et exigent des dimensions bien plus considérables que les machines à vapeur, surtout celles qui appartiennent à la catégorie des machines dites à cylindre fermé, à cause des grandes surfaces indispensables au refroidissement et au réchauffement de l'air par des réfrigérants et des foyers extérieurs.

2^ n est difficile de les faire fonctionner avec régularité, parce que le travail de chaque coup de piston dépend de la quantité de chaleur que vient d'emprunter au foyer, le volume d'air qui fournit ce coup de piston. Comme il est difficile de donner une grande régularité à la combustion, surtout quand les foyers sont intérieurs, par exemple dans les machines qui fonctionnent d'après le même principe que celle de Belou, il en résulte que la quantité de travail de chacun des coups de piston est entièrement dépendante du degré d'activité de la combustion pendant qu'il s'effectue, et que l'allure générale de la machine subit pour ainsi dire instantanément, toutes les variations correspondantes aux variations d'activité de cette combustion. Il faut donc pour diriger la marche de ces Inachines un chauffeur intelligent, dont la surveillance ne se mlentit jamais, et les ouvriers de cette espèce sont rares. Beaucoup de ces machines qui avaient fonctionné convenablement 80U8 la conduite intéressée des inventeurs n'ont plus marché

178 CHAPITRE DEOXièME.

que fort irrégulièrement sous la conduite des chaufFeura qui les remplaçaient et qui devaient, plus tard, diriger tous leS joursiamarchede cesappareils.Dans les machines à vapeur, au contraire, il y a des chaudières qui contiennent une Rrande masse d'eau dont la température ne peut varier que de quantités très faibles pour des irrégularités de combustion dans les foyers, se manifestant tantôt dans un sens, tantôt en sens contraire, et comme la tension de la vapeur dépend uniquement de la température de l'eau qui îa fournit, il en résultfl que des irrégularités, même considérables, dans l'activité de la. combustion, n'entraînent que de faibles variations dans lar tension de la vapeur et qu'il devient facile de conserver aux appareils une marche très régulière. Les chaudières font ici office de puissants régulateurs du travail et annulent les prinoip.tux inconvénients des irrégularités de la combustion. Cett» propriété régularisatrice des chaudières est évidemment d'autant plus grande qu'elles contiennent une plus grande masse d'eau 3° Les machines à air chaud produisent ordinairement dans. les chambres où elles sont placées, une température très éli qui est excessivement incommode. Cet inconvénient est assez, grave pour les petites industries qui s'exercent dans les grandes villes et dans des locaux très restreints, oii l'on s'est efforcé, par raison d'économie, de ne pas perdre un pouce de terrain. Plusieurs chefs d'industrie travaillant dans ces conditions ont été oliligés, pour ce motif, de remplacer de petites machin air chaud dont le travail pouvait leur suffire, à la rigueur, par des machines à vapeur.

4° Le plus grave de tous les inconvénients des machines à air chaud, au moins dans l'état actuel de la question, est leur rapide détérioration. La haute température à laquelle l'air y est porté, l'état d'excessive siccité de cet air, sont cj que les graisses qui servent à adoucir les frottements, disparaissent avec rapidité ; le moindre ralentissement dans le graissage des garnitures de piston, malgré l'important perfectionnement que nous avons signalé, un instant d'oubli ou de paresse chez l'ouvrier chargé d'entretenir les surfaces frottantes en bon état, peuvtsnt entraîner de graves conséquences et

occasionner de profondes détériorations dans les parties essentielles des appareils. Quelques minutes d'activité anormale dans la combustion, peuvent devenir une cause d'accroissement de température telle, que les organes les plus importants en soient portés au rouge sombre ; le graissage devient alors impossible, les soupapes de distribution elles-mêmes en sont gravement altérées, et les garnitures réfractaires des foyers intérieurs doivent être renouvelées à chaque instant. Un grand nombre de machines à air chaud ont été abandonnées pour ces motifs après avoir fonctionné pendant quelque temps d'une manière satisfaisante sous la conduite d'ouvriers d'élite que Ton avait ensuite remplacés par d'autres.

En résumé, la machine à air chaud, du moins dans son état actuel, ne peut faire une concurrence sérieuse à la machine à vapeur et il en sera ainsi tant que Ton n'aura pas trouvé une disposition qui annule les inconvénients industriels d'une trop haute température, tout en amoindrissant les dimensions, aujourd'hui trop considérables, des appareils, pour une puissance déterminée.

L'exposition universelle de 1878, comme ses devancières, a présente quelques spécimens de machines à air chaud parmi lesquelles on a surtout remarqué la machine de Martin Hock, devienne, et celle de l'Américain Rider. Ces machines, construites pour développer de faibles puissances (1 à 2 chevaux), 1^6 reposent sur aucun principe nouveau et ne diffèrent des précédentes que par la disposition de leurs organes qui nous a paru très judicieuse.

Comme principe d'action, la machine de Hock n'est qu'une machine de Belou à cylindre ouvert ; elle fonctionne à simple effet.

La machine de Rider est une machine à cylindre fermé du système de Stirling, fonctionnant toujours avec le même air ot portant un régénérateur. Elle n'est alimentée d'air nouveau que dans la mesure nécessitée par les pertes à travers les joints des parties mobiles.

La rnachine de Hock est organisée de manière à occuper peu de place, toutes ses parties sont ûxées à un même bâti qui peut être porté d'un lieu dans uo autre comme un gros poèlc, et sans qu'il soit nécessaire d'établir des fondations. Son i'oyer est eu fonte garni intérieurement d'une couche épaisse de terre réfractaire, il est habituellement alimenté avec du coke de gaz qui produit peu de poussière L'air comprimé qui lui est envoyé parla pompe alimentaire, passe en partie autour du fojer et en partie à travers la couche de combustible, comme dans la machine de Beiou. Le cylindre dans lequel l'air chaud produit le travail moteur, est placé au pied du bâti, à côté du foyer pour éviter le refroidissement de l'air ; la pompe aUmentaire est placée au sommet de ce bâti et en forme le couronnement. Le piston moteur et le piston de la pompe alimentaire fourniasent et reçoivent le travail utile pendant la course montante.

Le travail disponible pour un usa^e industriel quelconque, dans un appareil ainsi disposé, est très irrégulier, aussi l'arbre moteur porte deux volants assez forts relativement à la puissance de la machine, quoique celle-ci fasse de 80 à 110 révolutions par minute.

Pendant l'allumage, le foyer peut verser directement lea produits de la combustion dans une cheminée que l'on ferme ensuite.

Ces appareils n'exigent poiat d'eau et, d'après M. le professeur Julius de Vienne et M. Arraengaud de Paris qui ont assisté à des expériences faites à l'aide du freio de Prony, elles consomment moyennement 4^"i' ,2 de coke de gaz par cheval d'effet utile transmis à l'arbre des volants. C'est là un résultat satisfaisant, d'autant plus que ces messieurs ont constaté en même temps que le graissage avec du suif se faisait assez économiquement et à intervalles assez éloignés.

Il faut observer, d'autre part, que ces expériences étaient faites avec l'aide de chauffeurs exercés et que, dans ce cas, les résultats que l'on obtient sont toujours plus favorables que ceux que fournissent les mêmes appareils entre les mains du premier chauffeur venu. De plus, M. Armengaud a constaté qu'une feuille de plomb placée à l'extrémité du tuyau de

décharge de la machine entrait en fusion après quelque temps démarche, ce qui indiquait une température assez élevée dans l'intérieur de l'appareil, la température de fusion de ce métal étant de 332^ centigrades.

Cette machine fonctionne habituellement à une pression effective inférieure à une atmosphère, mais il y aurait un bénéfice notable à la faire fonctionner à une pression plus élevée afin d'y introduire une détente adiabatique qui présenterait le triple avantage d'abaisser la température moyenne dans le cylindre moteur, de tirer plus d'effet utile de la chaleur dépensée et d'obtenir plus de puissance d'un même appareil.

M. Jean Robert, de Liège, qui a acheté le brevet belge de M. Hock, a fait des essais de marche à la pression de 1 ^ atmosphères au-dessus de la pression atmosphérique, avec détente adiabatique jusqu'à une atmosphère absolue, et il a trouvé une notable économie de chaleur à fonctionner dans ces conditions ; la consommation de coke s'est abaissée à 2^^^- par cheval d'effet utile mesuré sur l'arbre des volants et par heure, puis le bruit de l'échappement s'est amoindri ; ce bruit est toujours très fort lorsque l'air conserve une tension plus élevée que la tension atmosphérique à Tinstant de l'échappement.

Quoi qu'il en soit, et malgré les avantages spéciaux qu'offre une machine qui n'a pas besoin d'eau et qui n'expose pas aux risques d'explosion, il convient d'attendre pour formuler un avis définitif sur l'appareil de M. Hock, qu'il ait fait ses preuves d'une manière plus complète et pendant plus longtemps.

•Les dispositions de cette machine ont été reproduites, avant et après l'exposition universelle, dans tous les journaux périodiques consacrés à la vulgarisation des progrès de la mécanique appliquée.

La machine de Rider à cylindre fermé, quoique semblable à celle de Stirling par le principe d'utilisation de la chaleur, en diffère considérablement par le mode de transmission du travail à l'arbre moteur.

Cette curieuse machine n'a point d'organes de distribution, comme celle de Stirling ou celle de Lemoine, et nous avons représenté sa, disposition générale par ses lignes primitives seulement, dans la ti^^ure (25].

Deux pistons plongeurs A et E de mêmes diamèires et de mêmes courses, sont reliés par deux bielles aux manivelles placées aux deux extrémités de l'arbre moteur qui porte, en outre, le volant et la poulie ou l'engrenage de transmission du travail. Comme l'indique la figure, les garnitures mn et xy des pistons sont reportûcs à une grande distance de la région qui peut être occupée par l'air chaud, de sorte que ces garnitures ont pu, sans inconvénient, être formées de bandes de cuir semblables à celles des pistons de machines soutHantes ordinaires.

Le diamètre des pistons plongeurs est plus petit que celui des cylindres dans lesquels ils se meuvent, et cette eonditioa est encore plus essentielle pour le piston A que pour le piston E, parce que l'air doit circuler entre le premier et son cylindre pendant le mouvement , tandis que pour le second, il suffit d'éviter le frottement. Le cylindre qui reçoit le piston A est entouré d'eau froide constamment renouvelée; celui qui reçoit le piaton E plonge dans une sorte de cuve à fond relevé, suspendue au-dessus du foyer C. La communication entre les deux cylindres est établie par un tuyau D qui contient un régénérateur formé d'un grand nombre de feuilles métalliques minces et percées de trous.

D'après cette disposition, l'air qui passe du cylindre E dans le cylindre A, traverse le régénérateur en se refroidissant, puis se trouve comme laminé entre le pistou A et son cylindre continuellement refroidi ; on a ainsi réalisé les meilleures conditions possibles pour produire un refroidissement rapide quand le courant se produit de E vers A.

Lorsque le courant se produit de A vers E, l'air se réchauffe d'abord eu traversant te régénérateur, puis il passe en couche mince entre les parois chauffées de la cuve qipsetles parois du cylindre ouvert par le bas, dans lequel se meut le piston E, On a ainsi multiplié, dans la mesure du possible, les points de contact entre l'air qui arrive dans ce cylindre E et les surfaces

chauffées directement par le foyer et renda très rapide Taccroissement de température de cet air.

Voici maintenant comment fonctionne cet appareil :

Les deux manivelles M et N sont calées sur Tarbre moteur de façon que leurs projections sur un plan perpendiculaire à cet arbre, fassent un angle de 95**.

Les deux cylindres A et £ étant toujours en libre communication, il ne peut exister de différence entre les tensions de Tair qu'ils contiennent que celle qui produit la vitesse de passage de cet air de Tune des capacités dans l'autre ; conmie cette différence ne peut être bien considérable dans un appareil judicieusement construit, on peut la négliger dans la recherche des conditions de marche de la machine, et admettre que la tension de Pair est la même dans toute retendue des capacités en libre communication et, par suite, que les pressions de bas en haut contre les deux pistons, sont égales dans toutes les phases du mouvement de cette machine.

Quant aux effets de la pression atmosphérique sur les faces supérieures des deux pistons, il est clair quHls se neutralisent réciproquement et que dans chaque révolution-, les travaux moteur et résistant dus à cette pression atmosphérique sont égaux; on peut donc la négliger entièrement et supposer que tout le travail qui se produit dans Tappareil, tant moteur que résistant, est uniquement dû à la tension absolue de Pair contenu dans cet appareil.

Les considérations qui suivent sur le mode de travail de Pair dans cette machine , reposent sur le principe de mécanique suivant qui a été démontré précédemment :

Ursqu^un gaz est enfermé dans- une capacité qui peut s'agrandir, h travail moteur transmis aux parties mobiles de la capacité et applicable à un usage extérieur, est égal au produit de la tension du gdi 'par V accroissement de volume de la capacité. Quand celle-ci diminue, le travail effectif est résistant et il se mesure par le produit de la tension multiplié par la diminution du volume.

Ceci posé, il y aura évidemment équilibre entre les pressions égales exercées par Tair contre les deux pistons, lorsque les bras de leviers des deux manivelles seront égaux.

La figure (26) représente en OA et OB, puis en OA'*' et OB'" ces deui positioDs d'équilibre, dans l'hypothèse où A" C' serait la ligne des points morts.

Noua supposerons les biellea assez longues pour que leur obliquité, relativement à la ligne des points morts, pendant le mouvement, puisse être né;;Iigée; dans cette hypothèse, les chemina parcourus par les pistons seront représentés par les projections dos arcs décrits, sur cette ligne des points morts, et nous admettrons que le mouvement commence dans le sens de la flèche à partir de la position d'équilibre OA et CE, la manivelle du piston à air chaud se trouvant en avance d'un angle de 95' sur la manivelle du piston à air froid. . Si R représente le rayon des manivelîes ou la moitié de la course des pistous, ceux-ci, dans cette position d'équilibre, seront à une distance de l'extrémité inférieure de leurs courses, égale à

R — R cos 47°,30' = 0,-^2441. R.

Désignons maintenant par :

S, la section des pistons;

V, ie volume total engendré par chacun d'eux dans une course entière ;

M, le volume de l'espace occupé par l'air dans la totalité de l'appareil, en dehors du volume total engendré par les pistons ; puis supposons que l'arbre moteur décrive, pour arriver à la seconde position d'équilibre OA'", OB'", les quatre angles suivants i

1". Un angle de 47",30' qui amènera la manivelle OB à son point mort B' ;

2". Un angle de 42°, 30' qui amènera les deux manivelles dans les positions OB" et OA" ofi elles ont le même bras de levier du même cdté de la ligne des points morts.

3°. Un angle de 42'',30' qui les amènera dans les positions OB"i et OA'" où la raanivelle'du pistou à air chaud se trouve à son point mort supérieur.

suivant, les manivelles passeraient par les positions symétriques, OB^, OA^ ; puis OB^', OA^ ; puis OB^', OAv", et enfin OB^'", OA^'" qui sont les positions de départ.

Au point d^ départ, le volume total occupé par Tair dans tout l'appareil, sera

M + 2 . 0,32441 . RS, et comme SR = ^,

ce volume aura pour expression :

En déterminant par le même procédé, le volume total occupé par Tair, à la fin de chacun des huit mouvements angulaires que nous avons indiqués, on arrive aux résultats consignés dansle tableau suivant.

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188 CHAPTTRS DEUXIÈME.

On voit qne, dans cette disposition, le yolnme de Tair coaipris dans la totalité de ranpareil, croît depuis la position d'équilibre inférieure des numÎTelIes jusqu'à leur position d^éqmlibre supërieore, puis décroît suivant la même loi pendant le demi-tour suivant.

Si )( 3e réduisait à zéro, co volume passerait du minimom 0,32441 . V, au premier point d^équilibre, au maximim 1,67550 .V, au second point d'équilibre, c'est-àrdire de 1 à 5,16 environ. Plus M sera grand, plus la variation proportionnelle du volume sera &ible ^ il est évidoit que si Vtm, voulait &ire fonctionner Tappareil sans pre^ion constante, en fixant im maximum à l'accroisaanent de température moyenne de tonte la masse d^air, il Ëindrait donnor à X une valeur telle qne le rapport de 0,32441 . V -u M à 1,67559 . V -h M fut le même que celui que présenterait le volume de Tair avant son écbanffément à son volume après qu'il a reçu sa ploa haute température.

Ainsi, par exonple, ai la plus basse température moyenne de Tair était de 27" au point d^équilîbre inférieur, et que Ton s'imposât la conditiondenepasdépaasor une température moyenime de 300^ au point d'équilibre supârieur, Taccroissement de température moyenne, serait de 273^, ce qui suj£t pour doubler le volume de Tair sous tension constante ; on poserait alors Téquation

S:V + M=^^ d'où M = 1,02677.7;

et il faudrait encore, pour que la tension fût rigoureusement constante pendant toute la période d'accroissement de volume, que l'accroissement de température fût toujours proportionné à Taugmentation de volume correspondante à la combinaison du mouvement des deux manivelles.

Pour une' valeur de M inférieure à celle que nous venons de déterminer, la tension de Tair serait plus grande au second point d'équilibre qu'au premier, et pour toute valeur de M plus con8idéral)le, la tension y serait plus faible.

Si la tension moyenne pendant la période de diminution de volume était égale à celle qui se manifeste pendant la période d'accroissement de volume, il est clair que le travail résistant

pendant la première période serait égal au travail moteur pendant la deuxième, et qu'il ne se produirait, dans la machine, anenn travail applicable à des résistances extérieures ; il faut donc que pendant le passage de la position d'équilibre supérieure à la position d'équilibre inférieure, la tension moyenne «oit pins faible que pendant le passage de la position d'équilibre inférieure à la position d^équilibre supérieure, et c'est ce qui a lien effectivement.

On peut d'abord observer que, dans un appareil semblable, toutes les fois que le volume de l'air sera le même dans deux positions symétriques des manivelles pendant les deux périodes du mouvement, la tension sera plus élevée dans l'une de ces positions que dans l'autre, lorsque la température moyenne de Tair y sera plus haute, et cette température moyenne sera plus haute dans la première que dans la seconde, lorsque la portion duTolume total de l'air, contenue dans le cylindre à air chaud j«era plus grande que dans cette seconde position.

Or, d'après le tableau qui précède, on voit que le volume d'air compris dans le cylindre à air chaud est constamment plus grand que le volume compris dans le cylindre à air froid, pendant le passage de la position inférieure d'équilibre des manivelles à leur position d'équilibre supérieure, et que le volume compris dans le cylindre à air froid est constamment plus grand que celui qui reste dans le cylindre à air chaud pendant le demi-tour suivant ou pendant le passage de la position d'équilibre supérieure à la position d'équilibre inférieure.

Prenons, par exemple, dans le tableau, les deux positions symétriques des manivelles dans lesquelles le volume total de l'air compris dans l'appareil est égal à 1,00000 . V + M. Dans la première qui correspond à la période d'accroissement du ^olunae général ou de travail moteur, le volume d'air dans le cylindre à air chaud est de 1,73728 . SB, tandis qu'il n'est que de4,26272. SR dans le cylindre à air froid. Dans la seconde qui correspond à la période de travail résistant, le volume dans le cylindre à air froid est de 1,73728. SR, tandis qu'il n'est que de 0,26272. S.R dans le cylindre à air chaud. Il en résulte érid^nment que la tension de l'air sera plus élevée dans tout

190 CHAPITRE DEITXIÈME.

l'appareil, dans la première position des manivelles que dansU seconde.

La même vérification peut se faire pour toutes les autre positions symétriques.

La tension générale sera donc plus élevée pendant le premier demi-tour des manivelles qui correspond à la période de travail moteur que pendant le second qui correspond à la période de travail résistant, et il y aura plus de travail moteur produis pendant le premier que de travail résistant pendant le secoua

C'est la différence entre ces deux travaux qui devient disp(^ nible et qui s'applique aux résistances utiles et passives extérieures. La quantité de travail utilisable qu'un semblable appareil peut produire dépend de la grandeur de la capacité constante M, de la différence des températures dans les deux cylindres et aussi, dans une très grande mesure, de la tension moyenne de l'air enfermé dans la capacité totale; plus la température est basse dans le cylindre à air froid et plus elle est élevée dans le cylindre à air chaud, plus le travail moteur l'emporte sur le travail résistant; plus la capacité M, constante, est considérable, moins il y a de différence entre les tensions de l'air dans les positions symétriques des manivelles dans les deux périodes du travail, et plus l'excédant du travail moteur sur le travail résistant, dans ces deux périodes, devient faible; enfin plus la tension moyenne de l'air dans l'appareil est considérable, la différence de température dfins les deux cylindres demeurant constante, plus la différence entre les travaux moteur et résistant devient importante. En effet , lorsque de l'air à 1«""- et à la température 0° est porté à 273° sans changement de volume, sa tension est doublée et l'on gagne une atmosphère, tandis que si le même volume, à la même température, était pris à deux atmosphères et porté également à 273° sans changement de volume, sa tension serait portée à i»'""- et l'on gagnerait deux atmosphères ; mais il faudrait pour la 2* opération, deux fois plus de chaleur que pour la première.

On pourrait donc accroître considérablement la puissance de cet appareil, en le faisant fonctionner à haute pression, bous la même chute de température, à la condition d'augmenter

Faction da foyer et da réfrigérant ; mais il faudrait, à Faide d'une petite pompe foulante, lui restituer Tair qui pourrait s'échapper par les garnitures des pistons. Celui de M. Rider fonctionne sous une assez faible pression, de telle sorte qu'à l'époque où Tairy présente sa plus faible tension, celle-ci s'y abaisse à peu près jusqu'à la pression atmosphérique. Lorsqu'il se produit des fuites autour des pistons, cette tension s'abaisse même au-delà de cette limite (fig. 25). Pour ce cas, le constructeur a placé en E une soupape ou reniâard qui s'ou- Tre quand la tension intérieure devient trop faible, de sorte qne l'appareil s'alimente d'air automatiquement.

Cette machine ne présente aucune supériorité théorique sur les machines à cylindre fermé de Stirling ou de Lemoine ; le légénérateur n'y est pas plus efficace , la chaleur développée dans le foyer s*y perd en trop forte proportion par la cheminée, et le cycle correspondant à son mode de fonctionnement n'y est pas plus favorable ; mais on ne peut nier que sa disposition générale ne soit fort ingénieuse et, surtout, que les moyens de léchanfiér et de refroidir l'air n'y soient plus judicieuse^ient organisés que dans les autres machines de la même catégorie.

Les machines à gaz ont pris, depuis quelques aimées, une

place assej! importante dans les industries qui n'exigent que peu de force motrice, et la recherche des meilleurs moyens do recueillir le trayail que peut produire la combustion rapide ou l'explosion d'un mélange d'air et de gaz, est l'une des plus importantes questions à l'ordre du jour.

Avant d'aborder cette étude, nous exposerons quelques considérations préliminaires sur les propriétés principales de ces ■mélanges gazeux.

Cansidârations préliminaires.

Composition moyenne des gaz d'éclairage. — La composition des gaz d'éclairage provenant de la distillation des houilles, est assez variable, mais on peut adopter, comme moyenne, la suivante :

mètre cub«.

/ Hydrogène' protocarboné 0,59 Hydrogène bi-carbont Oxyde de carbone Hydrogène Azote

Par mètre cube de gaz.

La chaleur dégagée par la combustion de ce mètre cube de

de ces yolumes de gaz, d'après leur densité, et en multipliant chacun de ces poids par la quantité de chaleur que peut produire la combustion de 1^'^* du même gaz, ou par son pouvoir calorifique. Ces renseignements sont consignés dans tous les traités de physique et leur application donne, approximativement, 6000 calories pour quantité totale de chaleur produite par la combustion complète du mètre cube de gaz d'éclairage ayant la composition ci-dessus.

Nous avons inséré, au verso de cette page, les éléments de ce calcul.

Pour effectuer cette combustion, il faut environ 1,6 mètres cubes d'oxygène et comme Tair n'en contient que 0,21 de son volume, il faut 7,6 mètres cubes d'air pour brûler complètement le gaz. Le mélange de 8"''6 se compose alors de :

— =0,1162 de gaz d'éclairage

et de 1 — 0,1162 = 0,8838 d'air atmosphérique.

Après les réactions chimiques qui constituent la combustion, il reste approximativement :

Azote 6,0 mètres cubes.

Acide carbonique. 0,8 n

Vapeur d'eau . . 1,6 »

Total. . . 8,4 mètres cubes ramenés à la température O*' centigrade et à la tension de 0"^,76 de mercure.

A cette température et. à cette tension , les deux premiers gaz conservent leur forme de fluide élastique, mais la vapeur d'eau se condense. Le volume indiqué est celui qu'elle prendrait si elle ne se condensait pas ; ce n'est donc qu'un volume fictif, mais on peut admettre cette fiction pour déterminer le Yolume et la tension de cette vapeur à toutes les tensions et températures sous lesquelles elle peut conserver sa forme gazeuse, c'est-à-dire à toute température égale ou supérieure à celle qui correspond à sa tension dans le tableau des expériences de M. Begnault sur les conditions d'existence des

Chaleur totale

par la combustion

de chaque

élément dans le

mètre cube de gaz

d'éclairage.

Chaleur totale

produite

par la combualion

de l*"'- de chacun

des éléments.

Poids de chacun

des éléments

dans le mètre

cube de gras

d'éclairage.

5 Ci 1 1

Poids de un miiîre cube de chacun des gaz

composant le gaz d'éclairage.

Volume de chacun des éléments

dans un mètre cube.

lîi

vapeurs saturées. Dans ces dernières conditions, qui sont habituellement celles qui se rencontrent dans Texplosion des mélanges détonants , la vapeur se comporte comme un gaz permanent. On voit, diaprés les calculs ci-dessus^ que dans tous les cas oii la température de la vapeur, après la combustion, est assez élevée pour empêcher la condensation, le volume des gaz avant et après Texplosion, est à peu près le même à la même température, au moins on peut l'admettre dans la pratique; de sorte que, pour calculer la dilatation, il suffit de déterminer la température au moment de Texplosion. Plus tard, pendant la détente, il pourra y avoir une condensation partielle de cette vapeur si le refroidissement provenant de la production du travail , abaisse la température au-dessous de la limite correspondante à la tension dans les vapeurs saturées ; mais si la température reste supérieure à celle qui correspond à la tension dans les vapeurs saturées, il n^y aura point de condensation et le mélange tout entier se comportera comme Un gaz permanent.

Dans les machines à gaz, la température immédiatement

d-près l'explosion, serait trop élevée et peu compatible avec la

durée et le bon fonctionnement des appareils, si le mélange

était fait dans les proportions de combustion complète que nous

▼'eiions d'indiquer. On porte remède à cet inconvénient prati-

9.^6 en refroidissant à Taide d'une enveloppe d'eau renouvelée,

les capacités dans lesquelles se produit la combustion , puis on

^tigmente la proportion d'air mélangé au gaz, de façon à ne

brûler qu'une partie de cet air, sans toutefois descendre jus-

4.^'àla limite où le mélange cesserait d'être combustible. On est

&^vé ainsi à ne faire entrer dans les mélanges employés que

ie 4 à 7 ®/o de gaz d'éclairage , rarement plus. L'air qui n'est

point brûlé, dans ces conditions , s'échauffe avec le reste,

a-bsorbe une partie de la chaleur produite et prévient ainsi une

trop grande élévation de température.

Calcul des tempébatubes théobiques apbès l'explosion. -^ Dans la plupart des machines à gaz, l'explosion est assez soudaine pour que l'on puisse, dans beaucoup de circonstances et sans grave erreur, la considérer comme s'effectuant sous

Tolume constant et appliquer à la recherche de la température produite, les chiffres de capacité calorifique correspondants à cette condition d'accroissement de température. On obtiendra, dans cette hypothèse, un maximum de température et si, dans la pratique, il y a, pendant cette explosion, une quantité de travail transmis, plus ou moins considérable, la température restera plus ou moins inférieure à la limite supérieure ainsi assignée.

D'un autre côté, la densité des gaz d'éclairage variant entre des limites assez écartées, suivant la nature des bouilles qui les fournissent et suivant lo degré d'avancement de la distillation de ces houilles, nous ne pouvons ici baser noa calculs que sur des valeurs moyennes.

On peut admettre, d'après un grand nombre d'expériences, qu'un mètre cube de gaz d'éclairage ramené à 0° et aona la tension de O^jTe de mercure, pèse moyennement O*"'-, 6.

D'autre part, nous avons vu ci-dessus que la combustion de 1 mètre cube de ce gaz produisait environ 1,R mètre cube de vapeur d'eau ramenée à 0° sous la tension de 0",76.

Si nous admettons l'hypothèse d'un mélange de gaz et d'air dans la proportion de 0,07 de gaz pour 0,93 d'air, le volume de cette vapeur, pour un mètre cube du mélange, sera, après l'explosion, de :

0,07. r',6 =. 0,112 mètre cube.

Mais à 0" la vapeur saturée ne pèse que 0''"-,0054 le mètre cube et ne développe qu'une tension de 0",005 de mercure, d'après les expériences de M. Regnault ; il en résulte que les 0™', 112 ci-dessus qui sont supposés à la tension de 0^,76,

pèseront, par mètre cube, 0,0054 ^r-J--r= 0'"'-,821, et que le

poids de vapeur résultant do la combuF^tion du mètre cube de gaz d'éclairage, sera de :

0"SI12 . ^''^Sai = 0''i'-,092.

de sorte que le poids des produits gazeux non condensables doit être, après l'explosion, de

lkii-,2445 - 0ï'"-,0920 -= 1J'"-,1525.

En admettant que la combustion d'un kil. de gaz d'éclairage produise 6000 calories , que la capacité calorifique de l'air sous volume constant, soit 0<î*^-,1682 et celle de la vapeur d'eau,

de Ocai-,34 ou les r-rr- de 0^-,475 déterminée par M. Regnault

SOUS tension constante, on trouve successivement, en désignant par T la température après l'explosion :

Chaleur produite '0,07 . 6000^*1- =420 calories.

Chaleur pour porter la vapeur de

0^ à To ... 0^"-,092 . 0,34 . T = 0,0313 . T.

Chaleur pour porter l'air et les autres produits gazeux de

0« à To ... lkii.,1525 . 0,1682 . T = 0,1938 . T.

d'où T (0,0313 + 0,1938) = 420c»i-,

et T= 1865 degrés centigrades, ou 2138** absolus.

En déterminant, à l'aide des mêmes considérations, la température à laquelle serait porté, après l'explosion, un mélange de 0,04 de gaz d'éclairage et de 0,96 d'air atmosphérique, supposé pris à 0°, on trouve

1059 degrés centigrades.

Le mélange, dans ces proportions, se trouve à la limite inférieure des mélanges explosibles.

Tension théorique développée pae l'explosion. — Le volume des gaz ramenés à la même tension et à la même température, étant sensiblement le même avant et après Texplosion, et les tensions d'une même masse de gaz, sous volume constant, étant proportionnelles à la température absolue du

gaz, on aura, en désignant par H la tension en atmosphères, aprôs l'expIoBion :

l" Pour le mélange de 0,07 de gaz et de 0,93 d'air,

laim. : H = 273" + 0" : 273 + T ...(1 = 1865"),

d'où H = 7,83 atmhospèreB;

2° Pour le mélange de 0,04 de gaz et de 0,9f) d'air, jatm. : H = 273° + 0 : 273° + 1059° d'où H = 4,88 ntmosphères.

Dans la plupart des applications, les températures ainsi produites par l'explosion, sont troo éleyées et peu compatibles avec une longue durée et une bonne marche des appareils. On les abaisse à l'aide d'une enveloppe d'eau froide renouvelée que l'on maintient autour des capacités dans lesquelles la combustion se produit. Il en résulte une diminution dans la tension initiale et dans la tension pendant la détente qui s'effectue le plus souvent, suivant une courbe bien inférieure à la courbe adiabatique.

La densité des mélanges gazeux étant assez faible, la quantité de calories qu'ils contiennent n'est pas considérable et il n'est p.^s indispensable d'employer des moyens de refroidissement très énergiques pour les dépouiller de la petite quantité de chaleur nécessaire à un abaissement notable de tension et de température; mais il faut observer que la période d'explosion étant très courte et la période de détente, très longue relativement à celle-ci, les effets du refroidissement artificiel doivent être bien plus marqués sur l'abaissement de tension pendant la détente que sur la diminution de la tension théorique à l'instant de l'explosion. C'est, en effet, ce que l'expérience a permis de constater.

La disposition générale d'une machine à gaz ne diffère pas

Vexplosioa d'un mélange de gaz d'éclairage et d'air, lorsqu'elles Bont à double effet, et poussé toujours dans le même sens pendant une course, lorsqu'elles sont à simple effet. Le mélange détonant successivement admis des deux côtés du piston dans le premier cas, et périodiquement admis du même côté du piston dans le second cas, est enflammé soit par une étincelle électrique, comme dans la machine Lenoir, soit par un petit bec de gaz allumé qu'une disposition mécanique spéciale introduit brusquement dans le mélange à l'instant oii l'explosion doit se produire ; c'est ce dernier mode d'inflammation qui semble prévaloir dans les dernières machines à gaz parce que, comme on le dit vulgairement, il est moins sujet à rater, et n'exige pas l'entretien d'une pile électrique.

La première idée des machines à gaz remonte assez haut ; un Anglais, John Barber, prit en 1791 une patente pour une sorte d'appareil à réaction analogue à un éolypile de Héron , dont le courant moteur serait alimenté par la combustion continue d'un mélange d'air et do gaz combustible. En 1799, le Français Lebon prit un brevet pour un moyen nouveau d'employer les combustibles à la production de la chaleur et de la lumière, et il donne immédiatement après, la description d'une machine fonctionnant par l'action d'un mélange d'air et de gaz et composée, comme les machines actuelles, d'un cylindre renfermant un piston poussé tantôt dans un sens, tantôt dans l'autre par Texplosion d'un mélange détonant.

Jusqu'en 1858, d'autres brevets furent encore pris par un assez grand nombre d'inventeurs, mais aucun d'eux ne parvint à construire et à faire accepter dans l'industrie un appareil de cette nature capable de satisfaire à toutes les conditions d'un bon service.

Les premiers moteurs à gaz qui aient fonctionné d'une manière satisfaisante, sont ceux de M. Hugon dont le brevet date de 1858 et ceux de M. Lenoir qui prit son brevet en 1860.

Après le moteur Lenoir, est venu le moteur à gaz et à pression (itmsphérique de MM. Otto et Langen qui ont eu le grand mérite de réduire notablement la dépense de gaz pour une production de travail déterminée, et enfin nous avons vu paraître

dans ces derniers temps les maciiineB de Olto de Cologne l'aacien associé de Langen, les mHChines de Bîsschop et d'autreï encore qui ne semblent pas présenter d'avantages sur ces dernières. Au reste ces machines sont encore susceptiblE perfectionnements et elles semblent promettre de prendre une place importante dans les industries qui n'exigent pas une force motrice considérable.

Nous nous contenterons, dans cette étude, d'examiner les( machines que nous venons de citer ; les considérations que nous exposerons au sujet de leur mode de fonctionnement, seront applicables à toutes les autres et permettront de les apprécier' à mesure qu'elles viendront au jour.

Des cycles fictifs de fonctionnement des machines à gaz de Lenoir et de Hugon.

Dans ces machines , qui fonctionnent à double effet , le piston aspire pendant la première partie de sa course, le mélange de gaz et d'air qui s'enflamme au point où finit l'aspiration et qui pousse le piston jusqu'à l'extrémité de cette course en se détendant jusqu'à ce que sa tension redevienne, approximativement, égale à la tension atmosphérique extérieure. Pendant 11! retour du piston à sa position de départ, les produits de l'explosion sont expulsés par un tuyau de décharge.

La même opération s'eflectue de l'autre côté du piston. A part la période d'aspiration au commencement de chaque course^

laquelle comprend de ^ à r de la course entière, ce mode d'ao

tion a une grande analogie avec l'action de la vapeur dans les machines à détente.

Le cycle fictif correspondant à ce mode de fonctionnement peut être ramené à un cycle de machine à cylindre fermé, de la manière suivante :

1" Le piston parcourt un chemin OA (fig. 27) et engendre un volume V eo aspirant le mélange détonant, sous une pressioi

que Ton peut supposer égale à la pression atmosphérique extérieure que nous représenterous par ;? et à une température t;

V Le mélange s'enflamme et élève la tension de ;? à P et la température de ^ à T. Cette explosion se produit avec une grande rapidité et il est probable qu'elle peut, sans grave erreur, être considérée comme ayant lieu sous volume constant; la figure (27) représente cette hypothèse. Mais si Texplosion n'est pas tout à fait instantanée, il se produit un accroissement de volume et un travail pendant la durée de la combustion et le long d'un chemin relativement très petit à cause de la rapidité du phénomène ; la figure ( 28 ) représente cette deuxième hypothèse. Pour une durée si courte, on peut sans erreur bien sensible, admettre que l'accroissement de volume pendant Texplosion, se produit sous tension constante P et que la température T au commencement de la combustion, s'est élevée à T' lorsque cette combustion est complète;

3" Les produits de la combustion se détendent adiabatiquement jusqu'à la fin de la course où la tension redevient égale à la tension initiale j) et où la température s'est abaissée à T'';

4® Le piston revient en arrière, comprime les gaz et les ramène au volume v. Pendant cette période, un réfrigérant abaisse la température de T'' à ^ en absorbant de la chaleur de façon à maintenir la tension p constante. Ceci est évidemment possible puisque c'est la même quantité de gaz qui occupe le volume 9 à la température t et le volume total engendré par le piston à la température T'', sans que la tension j9 soit changée;

5® Le piston expulse les produits gazeux à la température t et sous la pression j? maintenues constantes, le long du chemin AO.

Que la machine soit à simple ou à double effet, on peut négliger ce qui se passe de l'autre côté du piston, pour les mêmes motifs que ceux qui ont été exposés à l'occasion des machines À air chaud. Quant aux portions égales de courses OA qui correspondent à la période d'aspiration sous tension constante jf et à la période d'expulsion ou de compression sous la même tension constante, on peut les négliger, puisque la quantité de

202 CHAPITRE TRÔisîÈME.

chaleur consommée par le travail d'aspiration pu est égale à la quantité de chaleur produite parle même travail d'expulsion ; la période de compression ou d'expulsion sera considérée comme fournissant la quantité de chaleur nécessaire à l'aspiration.

Le cycle correspondant au fonctionnement de ces appareils sera donc représenté (fig. 27) par m ACD dans l'hypothèse d'une explofiion instantanée, et par m ACD z (fig, 28) dans l'hypothèse d'une explusion qui se prolonge plus ou moins.

Effet utile de la chaleub dans l'hypothèse d'ithb

EXPLOSION INSTANTANÉE , ET d'pNE ENVELOPPE QUI NE PEBD

POINT OB ciiAi.EUB. — Représentons par

Q la quantité de chaleur produite par l'explosion ; Q' la quantité de chaleur enlevée par le réfrigér.int. II viendra, en con8erva.nt aux lettres la même signification que dans les considérations relatives aux machines à air chaud et en supposant que l'on agisse sur !''"■ de produits gazeux :

Q = Cv{ï-0 et Q' = C, (T"-0 + kp (V~p).

Si nous admettons encore que les produits de la combustion possèdent la môme densité d que le mélange détonant, à la même température, nous aurons, comme nous l'avons démontré antérieurement :