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Machines à vapeur et machines thermiques diverses

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610 pages

Historique. — Il faut remonter à deux mille ans, vers l’an 120 avant l’ère chrétienne, pour trouver le premier vestige d’emploi de la vapeur d’eau comme force motrice, dont l’histoire ait conservé la trace.

Dans un traité intitulé Spiritalia, Héron, savant de l’École d’Alexandrie, décrit des appareils destinés à manifester certains effets curieux de l’air et de l’eau. L’un d’eux, appelé boule d’Eole, ou éolipyle (porte d’Éole ou porte du vent), se compose () d’une sphère creuse en cuivre S, communiquant avec un vase fermé, plein d’eau, par deux tubes recourbés a, b, dont l’un, plein, sert de tourillon, et dont l’autre, creux, pénètre dans la sphère.

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Jules Dejust
Machines à vapeur et machines thermiques diverses
PREMIÈRE PARTIE
GÉNÉRALITÉS SUR LES MACHINES THERMIQUES
PRÉLIMINAIRES La chaleur transmise par le soleil est la source la plus importante d’énergie mise par la nature à la disposition de l’homme. C’est sous l’action de la chaleur solaire que s’éva porent les eaux des mers qui, transformées en nuages, retombent en pluie sur les continents où elles forment les fleuves et rivières, dont les forces vives sont utilisées dans lesmachines hydrauliques. C’est ici la pesanteur qui sert d’intermédiaire en provoquant l’écoulement de ces eaux vers les points bas. C’est aussi la chaleur solaire qui, chauffant inéga lement les masses gazeuses composant l’atmosphère de la terre, provoque le déplacement des couches d’air et crée la puissance motrice du vent, que l’on utilise dans les divers systèmes demoteurs à vent ouéoliens. C’est la chaleur solaire enfin, qui, emmagasinée pa r les végétaux pendant leur vie, a formé les différentes variétés de combustibles natu rels résultant de leur carbonisation. Cette source d’énergie, que constituent les combustibles, est une des plus importantes dont on puisse disposer. Pour l’utiliser, il faut à nouveau dégager la chaleur emmagasinée dans le combustible et la transformer e n travail ; les appareils chargés d’opérer cette transformation portent le nom demachines thermiques. Transformation de la chaleur en travail. — Interméd iaires - employés. — La chaleur une fois produite par la combustion n’est pas imméd iatement utilisable comme travail mécanique. Une transformation doit avoir lieu ; elle nécessite un intermédiaire. Dans les machines thermiques, cet intermédiaire est un gaz ou une vapeur. La méthode employée consiste à donner à ce gaz ou à cette vapeur, sous l’influence de la chaleur, une force élastique déterminée d’apr ès le travail à produire. Cette force élastique est ensuite utilisée de façons diverses, par exemple pour vaincre un obstacle, tel qu’une paroi mobile, de quelque nature ou de qu elque forme qu’elle soit d’ailleurs. C’est cet appareil d’utilisation de la force élasti que de la vapeur ou. du gaz pour la transformation en travail mécanique qui constituera la machine thermique. Les intermédiaires qu’on emploie ou qu’on a tenté d’employer sont très variés ; mais il en est un qui prime tous les autres et qui est de b eaucoup le plus répandu : c’est la vapeur d’eau. Les iaire portent le nommachines thermiques qui emploient cet interméd de machines à vapeur. Les autres intermédiaires qui ont tour à tour été employés avec ou sans succès sont : l’air, l’alcool, l’éther, le chloroforme, le gaz am moniac, l’acide carbonique, le gaz d’éclairage, le pétrole, etc. Parmi ces derniers, les moteurs à gaz et à pétrole ont pris, dans ces dernières années, une extension considérable. Les transformations physiques subies par ces différents gaz pendant qu’ils jouent leur rôle de transformateurs de la chaleur en travail sont régies par des lois communes dont l’ensemble constitue lathermodynamiqueouthéorie mécanique de la chaleur.
L’étude des machines thermiques se trouve alors naturellement tracée : une première partie, comprenant desgénéralités sur les machines thermiques,l’historique contiendra rapide de ces dernières et un rappel de la partie d e la thermodynamique qui leur est applicable ; une deuxième partie, renfermant l’étude desmachines à vapeur ; enfin une troisième partie, comprenant l’étude desmachines thermiques diversesque la autres machine à vapeur, et dans laquelle seront plus spécialement traitées les machines à air, à gaz et à pétrole.
* * *
CHAPITRE I
HISTORIQUE DES MACHINES THERMIQUES
§ 1. — LA MACHINE A VAPEUR
Historique. — Il faut remonter à deux mille ans, ve rs l’an 120 avant l’ère chrétienne, pour trouver le premier vestige d’emploi de la vape ur d’eau comme force motrice, dont l’histoire ait conservé la trace.
FIG. 1.
Dans un traité intituléSpiritalia,savant de l’École d’Alexandrie, décrit des Héron, appareils destinés à manifester certains effets cur ieux de l’air et de l’eau. L’un d’eux, appeléboule d’Eole,mpose ou éolipyle (porte d’Éole ou porte du vent), se co (fig. 1) d’une sphère creuse en cuivre S, communiquant avec un vase fermé, plein d’eau, par deux tubes recourbésa, b,dont l’un, plein, sert de tourillon, et dont l’autre, creux, pénètre dans la sphère. Celle-ci porte, de plus, deux petits tubes coudés, placés aux extrémités d’un même diamètre vertical, et dont les ouvertures extérieur es sont dirigées en sens inverse. Le vase fermé étant chauffé, la vapeur arrive par le t ube creux dans la sphère, s’échappe par les deux tubulures el provoque un mouvement de rotation de la sphère dû à la réaction de la vapeur sur la paroi opposée. La vapeur agit donc dans cet appareil par sa puissance vive. Il démontre effectivement qu’on peut se servir de la. vapeur comme puissance motrice, mais il ne peut être considéré comme le germe d’où est sortie la machine à vapeur actuelle, dont le fonctionnement repose sur un principe différent. Cependant on retrouve l’application du principe de l’éolipyle de Héron dans les turbines à vapeur qui tendent à être employées aujourd’hui, surtout quand on a beso in de vitesses considérables. On verra, en effet, que ces appareils utilisent la réa ction de la vapeur comme puissance motrice. Pendant seize cents ans, l’histoire n’enregistre au cune recherche nouvelle sur la e vapeur d’eau ; il faut arriver au XVI siècle pour voir l’ItalienLéonard de Vinci (1452-1519) proposer de lancer des boulets au moyen de vapeur comprimée dans un canon. Il appelait sa machinearchitonnerre,et en rapportait l’invention à Archimède. En 1543, d’après Arago, l’EspagnolBlasco de Garayà Barcelone, un essai tente,
d’application de la vapeur à la propulsion des navires. Il s’agissait, selon toute probabilité, d’un éolipyle de grandes dimensions. En 1608,J.-B. Porta,Naples, dans sa de Pneumatique, propose de faire monter un liquide au-dessus de son niveau, par la pression de la vapeur d’eau sur sa surface. Ce principe est encore appliqué, de nos jours, dans les monte-jus. En 1615, le FrançaisSalomon de Caus, ingénieur de Louis XIII, dans son volumeles Raisons des forces mouvantes,indique les principales propriétés de la vapeur. Il connaît la condensation et sait que le volume d’eau produit par cette dernière est égal au volume qui avait été vaporisé. Il sait qu’une boule, rempl ie d’eau et fermée hermétiquement, éclate avec fracas quand elle est violemment chauffée. Enfin il décrit un appareil destiné à élever l’eau plus haut que son niveau, sous l’influence de la pression de la vapeur. L’appareil(fig. 2) se compose d’un ballon de cuivre à deux tubulures : l’une, munie d’un entonnoir et d’un robinet servant à l’introduction de l’eau ; l’autre, munie d’un tube vertical descendant près du fond du ballon. Si on chauffe le ballon plein d’eau, la vapeur produite, ne pouvant s’échapper, presse sur la surface du liquide et le force à jaillir par le tube vertical avec une force variable avec la pression.
FIG. 2.
En 1629, l’ItalienGiovanni Branca, dans son volume intituléle Machine del Sig. Branca,une machine consistant en une tête creuse servant de chaudière, dont la décrit bouche lance un jet de vapeur sur les augets d’une roue à palettes, qui prend un mouvement de rotation. Vers 1650, le beau-frère de Cromwell, évêque de Che ster,Jean Wilkins, modifie cet appareil et propose d’envoyer un jet de vapeur sur les voiles d’une roue destinée à mouvoir un tourne-broche. En 1663, le marquisde Worcester,les expériences de Salomon de Caus ; reprend c’est ainsi qu’il fait éclater, en le chauffant, un canon rempli d’eau et bouché, montrant, de cette façon, la force expansive de la vapeur. En 1670,Otto de Guericke,de Magdebourg, inventait la machine bourgmestre pneumatique, et, en 1676, le physicien anglaisRobert Boyle montrait la nature de la vapeur d’eau, tandis que, deux ans plus tard, en 1678, l’abbé françaisJean Hautefeuille proposait d’élever l’eau destinée aux bassins de Ve rsailles à l’aide d’une machine à poudre. Dans cette machine, la déflagration de la p oudre produisait le vide dans une caisse munie d’un tube plongeant dans le liquide, q ui s’élevait par suite de la pression atmosphérique. En 1680, le HollandaisHuyghens, fixé à Paris, où il avait été attiré par Colbert, construisit la première machine, dans laquelle un piston mobile pouvait se mouvoir dans un cylindre. Cette machine était une machine à poud re. Elle se composait (fig. 3) d’un cylindre vertical ouvert à sa partie supérieure, et dans l’intérieur duquel se mouvait un piston auquel était attachée une corde passant sur une poulie. A cette corde était fixé le poids à élever. A la partie supérieure étaient disp osées deux poches de cuir munies de
soupapes s’ouvrant de dedans en dehors et destinées à donner issue aux gaz de la combustion ; au bas du cylindre, une petite boîte é tait destinée à recevoir la poudre. L’explosion de celle-ci projetait le piston à la partie supérieure, rejetait par les poches l’air du cylindre ; les soupapes se refermaient aussitôt sous la pression atmosphérique, qui, agissant aussi sur le piston, provoquait la montée du poids. C’est alors que le FrançaisDenis Papin, qui avait aidé le célèbre Huyghens à construire sa machine, ayant remarqué que l’air ne pouvait jamais être chassé complètement de l’appareil, et qu’il en restait un cinquième environ, ce qui perdait la force et rendait décroissante la puissance de descente du piston, eut l’idée de remplacer la poudre à canon par de la vapeur d’eau, afin d’obten ir, après la condensation, un vide parfait. C’est cette idée véritablement géniale qui constitua le germe d’où est sortie la machine à vapeur moderne. Denis Papin, l’inventeur de la machine à vapeur, na quit en 1647, à Blois, de famille protestante. D’abord médecin à Paris, il fut en rap port avec Huyghens, puis partit pour Londres où il fut en relations avec le physicien Ro bert Boyle, qui le fit nommer membre de la Société royale de Londres (1680). Il quitta L ondres en 1681, pour se rendre à Venise, où il, fit partie d’une Académie de perfect ionnement des sciences, fondée par Sarroti, qu’il quitta deux ans plus tard pour retourner en Angleterre.
Fin. 3.
C’est en 1681 que Papin inventa sondigesteur, ou cuiseur de viandes, embryon des autoclavesactuels, et qu’il le munit de lasoupape de sûreté,telle qu’on la retrouve à peu de chose près aujourd’hui sur les chaudières à vapeur. Ne pouvant rentrer en France à cause de la révocation de l’édit de Nantes, il alla, en 1687, occuper à l’Université de Marbourg, en Allemagne, une chaire de mathématiques, que lui avait offerte le landgrave Charles, électeu r de Hesse. C’est là qu’il fit la
découverte qui immortalisa sa mémoire et qui fut publiée au mois d’août 1690, dans les actes de Leibnitz sous le titre de :Nouvelle méthode pour obtenir à bas prix des forces motrices considérables. Voici la description de cet appareil, qui renferme le principe de la machine à vapeur. Un cylindre de cuivre A(fig,4), ouvert par le haut et contenant un peu d’eau à sa partie inférieure, est parcouru par un piston B muni d’un peut troua permettant à l’air du cylindre de s’échapper et au piston de s’abaisser u ne première fois. Cet abaissement obtenu, on bouche ce trou avec la tiget.
FIG. 4.
L’eau, étant chauffée, se vaporise, soulève le piston et le pousse au haut de sa course. Cela fait, on pousse un cliquetequi, s’enfonçant dans une rainure de la tigeddu piston, maintient celui-ci soulevé. On enlève le feu, la vapeur se condense, et le vide se fait dans l’appareil ; on retire le cliquete, et le piston, sous l’influence de la pression atmosphérique, descend au fond du cylindre en entraînant les poids qui lui sont fixés. Il suffit de recommencer l’opération pour avoir un mouvement alternatif de bas en haut. La même eau peut servir indéfiniment. Cet appareil, accueilli par une indifférence générale, fut abandonné par Papin qui, en 1707, essaya sur la Fulda un mode de propulsion des bateaux basé sur l’élévation d’une certaine quantité d’eau par un procédé quelque peu analogue à celui que l’Anglais Savery avait imaginé. Cette eau retombait sur les a ubes d’une roue hydraulique qui devait servir à la propulsion. Les bateliers du Wes er détruisirent le bateau et l’appareil (25 septembre 1707). Il faut noter que c’est à cet appareil que Papin appliqua pour la première fois la soupape de sûreté qu’il avait imaginée pour son digesteur. Denis Papin mourut pauvre et ignoré, vers l’an 1714. On ne connaît ni la date exacte ni le lieu de sa mort. Il est à remarquer que des perfectionnements insignifiants, tels que la fabrication de la vapeur dans un récipient spécial et le refroidissement ultérieur de cette vapeur par un jet d’eau froide dans le cylindre, par exemple, auraien t suffi pour faire de l’appareil décrit plus haut le moteur le plus puissant de l’époque. Avec Papin est terminée la période d’essais, et la période d’application commence.