HISTOIRE DES MACHINES A VAPEUR : amélioration du rendement

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Mesures des performances

Au 19ième siècle les moyens de mesure sont limités : il est très difficile de comprendre ce qui ce passe dans le cylindre.
L'indicateur de Watt permet de mesurer la pression dans le cylindre en fonction de la position du piston.
Inventé par Watt puis redécouvert et utilisé vers 1840.
Pas très précis, difficile de mesurer la surface pour calculer le travail de la vapeur.
Le frein de Prony (1821) qui permet de mesurer le couple de la machine (donc sa puissance en connaissant la vitesse).
En serrant les mâchoires on augmente le couple M que l'on mesure en modifiant l ou F pour rétablir l'équilibre (ce qui n'est pas très facile).
Il y a eu des améliorations pour permettre un fonctionnement dans la durée en utilisant des lubrifiants, de la plombagine ...

Pour mesurer le rendement il faut mesurer :
- le travail effectué (quantité d'eau pompée d'une hauteur donnée, nombre de tours avec un couple donné).
- la chaleur fournie (au début mesure de la quantité de charbon puis quantité de vapeur ce qui élimine le rendement de la chaudière).
Le rendement étant le rapport des 2.

Mais il n'y a pas de capteur à réponse rapide permettant se suivre l'état de la vapeur en cours de cycle.

Exemple : Mesures effectuées par G Hirn

Citation de G Hirn : "La moindre expérience sur une machine à vapeur, pour être concluante, pour embrasser les divers phénomènes variés et simultanés qui s'y présentent, exige la présence de trois observateurs au moins, doués d'une patience à toute épreuve."

Exemple de mesures très précises et sur longue durée  (1 semaine) : Voir les détails ↓

Cheval vapeur :

Une brasserie de Londres utilisait un manège de chevaux. Pour vendre sa machine Watt devait dire combien de chevaux elle remplaçait. Il mesura la puissance des chevaux du manège en mesurant la vitesse de levée d'un poids. Leurs chevaux étaient plus puissant que la moyenne, aussi le cheval vapeur est supérieur (d'un tiers environ) à la puissance moyenne d'un cheval.

Rq : un homme qui lève une pelle de 3 kg à 1 mètre de haut toutes les 5 secondes (17 tonnes en 8 heures de travail) développe une puissance de 6 watts (= mgh/t = 3 * 9.81 * 1 / 5).
Un cycliste en forme développe 150 watts (400 w maxi pour un coureur professionnel).

Anomalies constatées

Eau manquante

En mesurant la consommation d'eau on constate que le volume de vapeur absorbé est très supérieur (de 20 à 40 %) au volume théorique (calculé à partir du volume du cylindre et du nombre de tours de la machine). On parle alors "d'eau manquante".
Certains émettent l'hypothèse d'un entraînement d'eau dans la vapeur (petites gouttes) : cette idée fut longtemps admise car la seule qui expliquait le phénomène. En fait Hirn, en prélevant de la vapeur avant le cylindre et en l'analysant avec un calorimètre a montré que cette eau entraînée ne représentait qu'au plus 5%  de l'eau manquante.

Courbe de détente

La courbe de détente de la vapeur vue par l'indicateur de Watt suit la loi de Mariotte (PV = cste). Cela voudrait dire que la vapeur se détend à température constante donc avec apport de chaleur (mais d'où viendrait cette chaleur ?).

Espace mort :

Quand le piston est en fin de course, il y a un espace entre le piston et le fond du cylindre. Ce volume, ajouté à celui de la conduite qui relie le fond de cylindre au tiroir est appelé espace mort. Au début de l'admission, ce volume est rempli de vapeur qui ne travaille qu'en participant à la détente (elle ne bouge pas directement le piston). Cette vapeur travaille moins, d'où une perte à chaque cycle.

Explication avec la théorie expérimentale de G Hirn : influence des parois

Les citations ce cette page sont tirées du livre de Gustave Adolphe HIRN :
"Exposition analytique et expérimentale de la théorie mécanique de la chaleur" Chez Gauthier-Villars (1875 2 volumes)  (lien pour le livre en ligne)

Influence des parois du cylindre sur le cycle de la vapeur dans la machine ( Théorie de G Hirn)
- admission
En fin d'échappement, les parois du cylindre et du piston sont à une température proche de celle du condenseur. Lors de l'admission suivante, la vapeur chaude va se condenser sur les parois pour les réchauffer.
C'est ce qui explique l'eau manquante (en plus, les surfaces mouillées conduisent mieux la chaleur de la vapeur !!).
- détente
la pression diminuant, l'eau sur les parois va se vaporiser en prenant leur chaleur pour la redonner à la vapeur. C'est ce qui explique la courbe de détente proche de la loi de Mariotte. Mais le piston en se déplaçant découvre des parois froides où il peut y avoir condensation.
- échappement
la pression tombe subitement. Si les parois sont sèches leurs température baisse lentement, mais si elles sont mouillées, l'eau en s'évaporant va prendre la chaleur des parois et cette chaleur va partir, avec la vapeur, en pure perte vers le condenseur ( ce que Hirn appel "refroidissement au condenseur").
En 1900 grâce au révélateur de M Bryan Donkin on peut voir la vapeur se condenser (grâce à des tubes en verre) dans une machine en fonctionnement.

Citation de Hirn pour répondre aux objections sur le temps des condensations/évaporations : Voir la citation ↓

Démonstration de Hirn à partir des mesures : Voir les détails ↓

Solutions :

Enveloppe de vapeur :

On crée une enveloppe autour du cylindre dans laquelle circule de la vapeur (issue directement de la chaudière) pour maintenir les parois à une température supérieure.
Créée par Watt elle fut abandonnée (à tort) car l'enveloppe augmente la surface de contact vapeur/air extérieur d'où un refroidissement supérieur (en fait le bénéfice pendant la détente compense largement cette perte).
Elle sera réintroduite surtout sur les machines fixes et marines après 1850.
(Ci-contre le cylindre d'une machine Farcot).
enveloppe

Citation de Hirn
"Avec l'enveloppe, les parois ne cèdent pour ainsi dire ni plus ni moins de chaleur que sans elle, mais elles la cèdent en temps opportun à la vapeur pendant la détente et augmentent ainsi considérablement et gratis le travail rendu, tandis que, sans l'enveloppe, elles la cèdent en pure perte à la vapeur qui se jette au condenseur."

Surchauffe :

La vapeur est chauffée au dessus de la température d'ébullition. Sur les machines à piston elle a pratiquement le même effet que l'enveloppe à vapeur : elle limite la condensation sur les parois.
Ainsi la surchauffe améliore nettement le rendement pratique (le manuel de l'ingénieur de locomotive Henschel indique une économie en charbon de 21 % pour une surchauffe à 400°C). Cette amélioration pratique est très supérieure à celle théorique sur une machine parfaite.

(Ci-contre le surchauffeur d'une locomotive)
Au début l'idée était de sécher la vapeur (évaporation de l'eau "entraînée").
Problèmes : la température ne doit pas être trop élevée pour ne pas détruire l'huile, tenue des tubes surchauffeurs (la décomposition de l'eau entraîne la formation de petites particules d'oxydes de fer qui abîment la machine).
Utilisé dans la marine dans les années 1860, abandonnée au profit des enveloppes de vapeur avec les machines à expansion multiple.
1898 surchauffeur Schmidt pour les locomotives. Ces machines tournent vite et dans ce cas la surchauffe est plus efficace que l'enveloppe.
Les turbines n'ont pas de problème de parois et permettent de détendre complètement la vapeur et donc d'exploiter tout le potentiel de la vapeur surchauffée. La surchauffe procure un gain de rendement thermodynamique (voir page Energie dans les machines).

Admission et échappement séparés, diminution au maximum des espaces morts  :

Le tiroir à l'avantage d'être simple, mais le conduit qui relie le cylindre à la lumière du tiroir augmente l'espace mort et il est soumis tantôt à la température de la chaudière (admission), tantôt à celle du condenseur (échappement) d'où des condensations et des pertes.
D'où l'idée d'utiliser 4 tiroirs (ou soupapes) : 2 de chaque coté (un pour l'admission l'autre pour l'échappement).

1849 Corliss utilise des obturateurs rotatifs (repères 2 admission ouvert à gauche, 3 échappement ouvert à droite) avec un mécanisme de commande qui permet un réglage précis de la détente.
L'exposition de 1867 la rend célèbre et assure sa diffusion en Europe.
1867 L'entreprise Sulzer fabrique des machines avec soupapes double sièges (S1 et S2). La vapeur passe par 2 chemins (1 et 2) (extérieur et intérieur de la soupape) : grande section de passage pour un petit déplacement de la soupape.
Les 2 sièges ont des diamètres proches : il faut un faible effort pour ouvrir la soupape.
Un mécanisme de commande à déclic permet un réglage précis de la détente (voir chapitre distribution).
soupape
Les flèches indiquent
les tiges de soupapes

Les flèches indiquent
les tiges de soupapes

Machines à plusieurs expansions :

On détend la vapeur dans plusieurs cylindres en cascade (haute pression, puis moyenne pression puis basse pression). L'échappement de l'étage précédant sert d'admission de l'étage en cours. Ainsi il y a moins d'effet paroi car la chute de température est répartie : la température varie moins dans chaque cylindre. De même, le cylindre hp est plus petit, son espace mort l'est aussi.
Ces machines obtiennent ainsi un meilleur rendement.
En caricaturant, si on fait beaucoup d'étages on obtient une turbine  !!
Autre avantage : répartition des efforts.
A gauche machine de Woolf : l'échappement du cylindre HP sert d'admission au cylindre BP : les 2 pistons se déplacent en même temps. (plus simple mais moins performant)
A droite compound : il y a un réservoir intermédiaire : les 2 pistons sont indépendants. La pression du réservoir dépend du réglage des 2 distributions.

Pionniers : Woolf 1804 machine avec 3 bars de pression HP (voir ci dessus), Roentgen 1829 réalise 30 à 35 machines compound à 5 bars pour bateaux à roues avec de bons résultats mais sans suites.
1854 premiers essais en Angleterre : John Elder fabrique 111 machines (avec compound consommation passe de 2 à 1,5 kg de charbon / cheval heure).
1860 : besoin de machines puissantes et économes pour la marine : développement du compound.
1871 : amirauté britannique adopte la double expansion.
1875 : première locomotive compound Mallet. Il faut du temps pour accepter l'intérêt de cette technique plus complexe (certains réseaux, comme aux Usa, préfèrent garder la simplicité de la simple expansion (moindre coût de construction et d'entretien) quitte à consommer plus).
1885 : triple expansion (9 bars, consommation passe à 600 g / cv h).
1888 : tous les paquebots sont en triple expansion.
1900 : machines fixes pour produire de l'électricité utilisent l'expansion multiple (pression HP 10 bars).

Machine équicourant (flot unique) :

1900 : machine équicourant : la vapeur entre d'un coté du cylindre et sort au milieu (quand le large piston découvre la lumière d'échappement) ce qui limite l'effet de paroi.
(Au niveau de l'admission, de chaque coté, le cylindre est plus chaud qu'au milieu : il faut l'usiner en forme de barrique pour tenir compte de la dilatation différente).
L'échappement n'est ouvert qu'un court instant ce qui provoque une forte compression qui limite un peu le rendement.

Machine rapide :

1870 - 1890 : des machines rapides (200 à 600 tours/minute) à simple effet (la vapeur n'agit qu'au dessus du piston) furent construites. La vitesse limite l'effet des parois, mais les lois de l'écoulement des fluides n'étant pas établies les sections de passage de la vapeur n'étaient pas adaptées ce qui limite leur rendement.
Ces machines simples (pas  d'étanchéité  de la tige de piston à réaliser) ont une structure proche de celle d'un moteur à explosion.

Diffusion lente des solutions

La difficulté d'effectuer des mesures fiables, les lents progrès dans la compréhension théorique et pratique du fonctionnement, les habitudes, tout cela explique que des solutions, mise en place par des pionniers, n'ai pas été retenues immédiatement, mais parfois des dizaines d'années après.

Citation de G Hirn pour l'enveloppe :
"L'enveloppe permet une amélioration du rendement de 10 à 25 %. Dans les expériences soit dynamométrique, soit calorimétriques, qui ne sont conduites qu'avec un soin médiocre, des différences de 10% entre les résultats obtenus ne s'aperçoivent d'ordinaire plus.
Avec une machine dont l'enveloppe ne donne que 10% on pourra croire le résultat nul; avec une autre dont l'enveloppe donne 25% on pourra conclure 35%. Si, en outre, nous faisons maintenant une part indispensable à l'esprit d'exagération, plus fréquent qu'on ne croit, même chez des hommes sérieux et intelligents, on n'est plus étonné des résultats absolument nuls ou par trop élevés que les divers observateurs ont prêtés à l'action de l'enveloppe".

Survol de l'histoire de la thermodynamique

Après beaucoup d'expériences et de mesures (dilatation, changement de masse volumique des liquides, mélanges de liquides à différentes températures, plongé de masses de métaux chauds dans des liquides) les savants du 18ième siècle ont fait la différence entre température (intensité) et chaleur (quantité), ont mesuré (calorimétrie) la chaleur nécessaire pour élever la température d'un corps (chaleur spécifique, différent pour chaque matière), la chaleur pour évaporer un liquide ou condenser un gaz (chaleur latente), mesuré des points fixes (température de fusion, d'ébullition variables avec la pression).
La chaleur est considérée comme une substance (un fluide) sans masse, imbibant les corps, appelé le "calorique". Cette théorie (que l'on sait fausse aujourd'hui) permettait de prédire les comportements des corps face à la chaleur. Quelques savants minoritaires liaient plutôt la chaleur au mouvement (modèle cinétique de la chaleur).

Carnot étudie l'amélioration des machines thermiques :
Il étudie les relations (échange de chaleur et de travail) d'un système isolé avec l'extérieur. Les seuls paramètres observables sont la température, le volume et la pression d'une masse donnée de fluide. La machine est étudiée sur un cycle fermé (le système se retrouve à la fin dans le même état qu'au début). Il démontre (ce qui sera appelé 2ième principe)
- la chaleur n'engendre de puissance motrice qu'à la condition de passer d'un corps chaud à un corps froid. (S'il n'y a qu'une source de chaleur, il n'y a pas production de travail).
- le rendement est maximal sur un cycle réversible :
exemple de cycle réversible le cycle de Carnot : Voir les détails ↓
- ce rendement maxi ne dépend que des températures des 2 sources et non du fluide utilisé ou des transformations qu'il subit pourvu qu'elles soient réversibles.
Le travail de Carnot reste inconnu jusqu'à ce que Clapeyron le reprenne et le complète.

Vers 1830 grâce à la découverte des thermocouples on dispose de thermomètres sensibles : on montre que le rayonnement thermique des pièces chaudes se comporte comme la lumière (nature ondulatoire) ce qui entraîne (entre autre) la mort du "calorique" et le ralliement au modèle cinétique de la chaleur.

Vers 1850 Joule montre l'équivalence chaleur/travail (le travail d'un poids qui chute chauffe l'eau d'un calorimètre) : au début un poids entraîne un générateur électrique qui chauffe une résistance qui chauffe l'eau d'un calorimètre puis le poids entraîne des palettes qui tournent dans l'eau d'un calorimètre.

Clausius formule mathématiquement les 2 principes :
- 1 conservation de l'énergie : énergie interne = travail + chaleur U = W + Q
- 2 voir ci dessus Carnot. Le rendement maxi pour une machine réversible = 1 - T1/T2 ( = 1 - température source froide / température chaude)
entropie : ds = dq/t ; delta S=0 pour une transformation réversible si non delta S>0.

L'entropie peut être également considéré comme la mesure du désordre d'un système. Quand l'énergie est sous forme ordonnée (ex énergie  mécanique du volant sur une machine : toutes les molécules bougent en même temps dans la même direction, énergie électrique : les électrons forment un courant) il est facile de la transformer avec un bon rendement. Pour la chaleur qui est sous forme très désordonnée (les molécules bougent dans tous les sens) la transformation en énergie plus ordonnée se fait avec fuite de chaleur (le rendement est limité).

Fin 19ième : mécanique statistique : Maxwell, Boltzmann : en utilisant les probabilités, ils calculent, en moyenne, les chocs des molécules entre elles et avec les parois et établissent un lien entre la température et la "force vive" (un demi de m v au carré) des molécules.

Voir article détaillé Wikipedia : histoire de la thermodynamique classique

Page sur les changements de phases glace - eau - vapeur :
glace_eau_vapeur

Page sur l'énergie mise en oeuvre lors des transformations eau - vapeur :
Energie_vapeur-eau

Page sur les applications aux machines :
Energie_vapeur_machine