HISTOIRE DES MACHINES A VAPEUR : chaudières et condenseurs

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Les machines ayant un faible rendement, les chaudières doivent produire beaucoup de vapeur (pour un rendement de 10 %, la chaudière doit être 10 fois plus puissante que la machine, 20 fois pour 5 % de rendement...). De même pour les condenseurs, plus le rendement de la machine est faible plus le volume de vapeur à traiter est important.
Pour les machines fixes la principale contrainte est le prix (construction et fonctionnement), mais pour les machines mobiles il faut aussi diminuer le poids et le volume : augmentation des surfaces de contact gaz chauds / eau (tubes de fumée, tubes d'eau), augmentation du tirage (échappement dans la cheminée, ventilateur pour aspirer la fumée ou souffler l'air sous la grille).

Chaudière basse pression

Pour les premières machines atmosphériques la pression était faible dans la chaudière :
Utilisation de chaudière de brasserie : chaudière tombeau formé d'une cuve léchée par les flammes et les gaz chauds.
Sur les bateaux la chaudière est énorme mais nécessite peu d'entretien et a peu de fuite, elle utilise l'eau de mer avec soutirage régulier quand la concentration en sel est trop élevée.

Chaudière moyenne pression

Pour améliorer le rendement il faut augmenter la surface de chauffe (surface de contacte entre l'eau et les gaz chauds de combustion) :

Chaudière à tube à feu :

Le foyer est entouré d'eau

Chaudière à bouilleur :

Un tube rempli d'eau est ajouté sous la chaudière, près du foyer

Tubes de fumée :

Les gaz chauds de combustion passent dans des tubes entourées de l'eau de la chaudière.

Exemples :
à gauche : Chaudière marine à face plane et retour de flamme.

à droite : locomotive de Marc Seguin.

1840 Avec l'augmentation de la pression (2 à 5 bars) la forme cylindrique (ou sphérique) était la meilleure (pour résister à la pression).

scotch-boiler :

1838 début (1870 emploi courant en France dans la marine).
Le corps cylindrique résiste à la pression de part sa forme.
Les plaques planes de chaque coté sont maintenues par les tubes de fumée (sertis, rivé) et par des tirants.

chaudières de locomotive :

Chaudière à tubes d'eau

Tube de Gurney :

1823 Gurney étudie la vaporisation de l'eau dans un tube et la circulation qu'elle provoque : dans la partie chauffée, les bulles de vapeur remontent et entraînent l'eau, provoquant une circulation accélérée de l'eau et une meilleure efficacité de la vaporisation.

Les tubes d'eau en acier permettent de résister à la pression et de limiter le poids en eau de la chaudière.
Ces chaudières ne se développerons qu'avec les hautes pressions vers 1870 (là où elles offrent un avantage) car elles sont plus difficiles à réaliser.
3 catégories :

Circulation limitée :

Tubes en serpentin : le seul mouvement de l'eau est celui du remplacement de l'eau évaporée.

Exemple chaudière Belleville

Circulation libre :

Tubes presque horizontaux débouchant de chaque coté sur une lame d'eau.

Exemples :
à gauche : chaudière Babcock et Wilcox pour l'industrie
à droite : chaudière marine Niclausse

Circulation accélérée :

Tubes presque verticaux débouchant sur des réservoirs d'eau en haut et en bas reliés par des tubes de retour d'eau hors foyer.
Exemples :
à gauche : Stirling pour l'industrie,
à droite : Yarrow pour la marine.

Évaporation instantanée :

Un tube aplati est chauffé sur le feu. La quantité d'eau nécessaire à une cylindrée est injectée avec une pompe. Elle se vaporise instantanément.

Exemple chaudière Serpollet, utilisée pour les voitures à vapeur.

échappement :

Pour augmenter le tirage (et donc la puissance de la chaudière) les gaz d'échappement de la machine passent dans la cheminée pour aspirer les fumées.
A droite échappement Kylchap, à plusieurs étages, un des plus performant (développé par André Chapelon).

injecteur :

Système pour injecter l'eau dans la chaudière (même si la machine est arrêtée). Il n'y a pas de pièce mobile. La vapeur passe dans un cône convergent, sa vitesse augmente et sa pression diminue permettant d'aspirer l'eau. La vapeur entraîne l'eau et s'y condense (dans le cône de mélange). Cette eau a une vitesse qu'elle va perdre dans le cône divergent (d'injection) en augmentant de pression jusqu'à dépasser celle de la chaudière (et y entrer).

Condenseur

2 types de condenseur :
- à injection (type Watt) où de l'eau froide est injectée dans la vapeur (le plus simple).
- à surface où la vapeur se condense sur une surface refroidie avec de l'eau à l'extérieur.
Il permet de fonctionner en circuit fermé (développé pour la marine pour chaudière à eau douce en mer). 1860 Hall développe un condenseur où la vapeur passe et se condense dans des tubes plongés dans l'eau froide. La consommation de vapeur limitée des machines à expansion multiple permet l'utilisation de condenseur de taille acceptable.