Machine à vapeur

Machine à vapeurContenuetHistoire [ modifier ]
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Un modèle de poutre avec la tringlerie parallèle de James Watt pour une double action. [une]
Un moteur de moulin de Stott Park Bobbin Mill , Cumbria, Angleterre
Une locomotive à vapeur de l'Allemagne de l' Est . Cette classe de moteur a été construite en 1942-1950 et a fonctionné jusqu'en 1988.

Une machine à vapeur est une machine thermique qui effectue un travail mécanique en utilisant la vapeur comme fluide de travail . La machine à vapeur utilise la force produite par la pression de la vapeur pour pousser un piston d' avant en arrière à l'intérieur d'un cylindre. Cette force de poussée est transformée, par une bielle et un volant , en force de rotation pour le travail . Le terme «moteur à vapeur» est généralement appliqué uniquement aux moteurs à piston comme on vient de le décrire, et non à la turbine à vapeur .

Les moteurs à vapeur sont des moteurs à combustion externe , [1] où le fluide de travail est séparé des produits de combustion. Le cycle thermodynamique idéal utilisé pour analyser ce processus est appelé cycle de Rankine .

Un moteur de labour à vapeur de Kemna

Dans l'usage général, le terme machine à vapeur peut se référer soit à des usines à vapeur complètes (y compris les chaudières, etc.) telles que les locomotives à vapeur de chemin de fer et les moteurs portables , soit à la machine à piston ou à turbine seule, comme dans la machine à poutre et la machine à vapeur stationnaire. .

Bien que les appareils à vapeur fussent connus dès l' aeolipile au premier siècle après JC, avec quelques autres utilisations enregistrées aux XVIe et XVIIe siècles, Thomas Savery est considéré comme l'inventeur du premier appareil à vapeur utilisé dans le commerce, une pompe à vapeur. qui utilisait une pression de vapeur opérant directement sur l'eau. Le premier moteur à succès commercial capable de transmettre une puissance continue à une machine a été développé en 1712 par Thomas Newcomen . James Watt a apporté une amélioration critique en évacuant la vapeur usée vers un récipient séparé pour la condensation, améliorant considérablement la quantité de travail obtenue par unité de combustible consommée. Au 19e siècle, les machines à vapeur stationnaires alimentaient les usines de la révolution industrielle. Les moteurs à vapeur ont remplacé la voile pour les navires et les locomotives à vapeur exploitées sur les chemins de fer.

Les moteurs à vapeur à piston alternatif étaient la principale source d'énergie jusqu'au début du XXe siècle, lorsque les progrès dans la conception des moteurs électriques et des moteurs à combustion interne ont progressivement abouti au remplacement des moteurs à vapeur alternatifs (à piston) dans l'utilisation commerciale. Les turbines à vapeur ont remplacé les moteurs à piston dans la production d'électricité, en raison d'un coût inférieur, d'une vitesse de fonctionnement plus élevée et d'un rendement plus élevé. [2]

Histoire [ modifier ]

Les premières expériences [ modifier ]

Le premier «moteur» à vapeur rudimentaire enregistré était l' éolipile décrit par Héros d'Alexandrie , un mathématicien et ingénieur grec de l'Égypte romaine au premier siècle de notre ère. [3] Au cours des siècles suivants, les quelques "moteurs" à vapeur connus étaient, comme l'aeolipile, [4] des dispositifs essentiellement expérimentaux utilisés par les inventeurs pour démontrer les propriétés de la vapeur. Un dispositif rudimentaire de turbine à vapeur a été décrit par Taqi al-Din [5] en Egypte ottomane en 1551 et par Giovanni Branca [6] en Italie en 1629. [7] Jerónimo de Ayanz y Beaumonta reçu des brevets en 1606 pour 50 inventions à vapeur, y compris une pompe à eau pour drainer les mines inondées. [8] Denis Papin , un huguenot , a fait quelques travaux utiles sur le digesteur à vapeur en 1679 et a utilisé pour la première fois un piston pour soulever des poids en 1690. [9]

Les moteurs de pompage [ modifier ]

Le premier appareil commercial à vapeur était une pompe à eau, développée en 1698 par Thomas Savery . [10] Il a utilisé de la vapeur de condensation pour créer un vide qui a soulevé l'eau d'en bas et a ensuite utilisé la pression de vapeur pour l'augmenter plus haut. Les petits moteurs étaient efficaces alors que les modèles plus grands posaient problème. Ils avaient une hauteur de levage limitée et étaient sujets aux explosions de chaudières . Le moteur de Savery était utilisé dans les mines, les stations de pompage et l'approvisionnement en eau des roues hydrauliques qui alimentaient les machines textiles. [11] Le moteur de Savery était de faible coût. Bento de Moura Portugal a introduit une amélioration de la construction de Savery "pour la rendre capable de fonctionner elle-même", comme décrit parJohn Smeaton dans les Transactions Philosophiques publiées en 1751. [12] Il a continué à être fabriqué jusqu'à la fin du 18ème siècle. [13] Un moteur était encore connu pour fonctionner en 1820. [14]

Machines à vapeur à piston [ modifier ]

Machine à vapeur de Jacob Leupold , 1720

Le premier moteur commercialement réussi qui pouvait transmettre une puissance continue à une machine était le moteur atmosphérique , inventé par Thomas Newcomen vers 1712. [b] [16] Il a amélioré la pompe à vapeur de Savery, en utilisant un piston comme proposé par Papin. Le moteur de Newcomen était relativement inefficace et principalement utilisé pour pomper de l'eau. Cela fonctionnait en créant un vide partiel en condensant de la vapeur sous un piston dans un cylindre. Il a été utilisé pour drainer les chantiers miniers à des profondeurs initialement impraticables en utilisant des moyens traditionnels, et pour fournir de l'eau réutilisable pour entraîner des roues hydrauliques dans des usines situées loin d'une «tête» appropriée. L'eau qui passait sur la roue était pompée dans un réservoir de stockage au-dessus de la roue. [17] [18]En 1780, James Pickard a breveté l'utilisation d'un volant et d'un vilebrequin pour fournir un mouvement de rotation à partir d'un moteur Newcomen amélioré. [19]

En 1720, Jacob Leupold décrit une machine à vapeur à haute pression à deux cylindres. [20] L'invention a été publiée dans son ouvrage majeur "Theatri Machinarum Hydraulicarum". [21] Le moteur utilisait deux pistons lourds pour fournir un mouvement à une pompe à eau. Chaque piston a été soulevé par la pression de la vapeur et ramené à sa position d'origine par gravité. Les deux pistons partageaient une vanne rotative à quatre voies commune connectée directement à une chaudière à vapeur.

Moteur de pompage Early Watt

La prochaine étape majeure s'est produite lorsque James Watt a développé (1763–1775) une version améliorée du moteur de Newcomen, avec un condenseur séparé . Les premiers moteurs de Boulton et Watt utilisaient deux fois moins de charbon que la version améliorée de John Smeaton de Newcomen. [22] Les premiers moteurs de Newcomen et Watt étaient "atmosphériques". Ils étaient alimentés par une pression d'air poussant un piston dans le vide partiel généré par la condensation de la vapeur, au lieu de la pression de la vapeur en expansion. Les cylindres du moteur devaient être grands car la seule force utilisable agissant sur eux était la pression atmosphérique .[17] [23]

Watt a développé son moteur plus loin, en le modifiant pour fournir un mouvement rotatif adapté à la conduite de machines. Cela a permis aux usines d'être éloignées des rivières et d'accélérer le rythme de la révolution industrielle. [23] [17] [24]

Les moteurs à haute pression [ modifier ]

La signification de la haute pression, associée à une valeur réelle au-dessus de la température ambiante, dépend de l'époque à laquelle le terme a été utilisé. Pour une utilisation précoce du terme Van Reimsdijk [25] se réfère à la vapeur étant à une pression suffisamment élevée pour qu'elle puisse être évacuée dans l'atmosphère sans dépendre d'un vide pour lui permettre d'effectuer un travail utile. Ewing 1894 , p. 22 indique que les moteurs à condensation de Watt étaient connus, à l'époque, comme étant à basse pression par rapport aux moteurs à haute pression sans condensation de la même période.

Le brevet de Watt a empêché d'autres personnes de fabriquer des moteurs à haute pression et composés. Peu de temps après l'expiration du brevet de Watt en 1800, Richard Trevithick et, séparément, Oliver Evans en 1801 [24] [26] ont introduit des moteurs utilisant de la vapeur à haute pression; Trevithick a obtenu son brevet de moteur à haute pression en 1802, [27] et Evans avait fait plusieurs modèles fonctionnants avant alors. [28]Celles-ci étaient beaucoup plus puissantes pour une taille de cylindre donnée que les moteurs précédents et pouvaient être suffisamment petites pour les applications de transport. Par la suite, les développements technologiques et les améliorations des techniques de fabrication (en partie grâce à l'adoption de la machine à vapeur comme source d'énergie) ont abouti à la conception de moteurs plus efficaces qui pourraient être plus petits, plus rapides ou plus puissants, selon l'application envisagée. [17]

Le moteur Cornish a été développé par Trevithick et d'autres dans les années 1810. [29] C'était un moteur à cycle composé qui utilisait de la vapeur à haute pression de manière expansive, puis condensait la vapeur à basse pression, ce qui la rendait relativement efficace. Le moteur Cornish avait un mouvement et un couple irréguliers tout au long du cycle, le limitant principalement au pompage. Les moteurs de Cornouailles ont été utilisés dans les mines et pour l'approvisionnement en eau jusqu'à la fin du 19e siècle. [30]

Horizontal moteur stationnaire [ modifier ]

Les premiers constructeurs de machines à vapeur fixes considéraient que les cylindres horizontaux seraient soumis à une usure excessive. Leurs moteurs étaient donc disposés avec l'axe du piston vertical. Avec le temps, la disposition horizontale est devenue plus populaire, permettant d'installer des moteurs compacts mais puissants dans des espaces plus petits.

Le point culminant du moteur horizontal était le moteur à vapeur Corliss , breveté en 1849, qui était un moteur à contre-courant à quatre soupapes avec des soupapes d'admission et d'échappement de vapeur séparées et une coupure de vapeur variable automatique. Lorsque Corliss a reçu la médaille Rumford , le comité a déclaré que "aucune invention depuis l'époque de Watt n'a autant amélioré l'efficacité de la machine à vapeur". [31] En plus d'utiliser 30% de vapeur en moins, il a fourni une vitesse plus uniforme en raison de la coupure variable de la vapeur, ce qui le rend bien adapté à la fabrication, en particulier au filage du coton. [17] [24]

Véhicules routiers [ modifier ]

Locomotive à vapeur d'Angleterre

Les premiers véhicules routiers à vapeur expérimentaux ont été construits à la fin du XVIIIe siècle, mais ce n'est qu'après que Richard Trevithick eut développé l'utilisation de la vapeur à haute pression, vers 1800, que les moteurs à vapeur mobiles sont devenus une proposition pratique. La première moitié du XIXe siècle a vu de grands progrès dans la conception des véhicules à vapeur et, dans les années 1850, il devenait viable de les produire sur une base commerciale. Ces progrès ont été freinés par une législation limitant ou interdisant l'utilisation des véhicules à vapeur sur les routes. Les améliorations de la technologie des véhicules se sont poursuivies des années 1860 aux années 1920. Les véhicules routiers à vapeur ont été utilisés pour de nombreuses applications. Au 20e siècle, le développement rapide du moteur à combustion internela technologie a conduit à la disparition de la machine à vapeur en tant que source de propulsion des véhicules sur une base commerciale, avec relativement peu de véhicules encore en service au-delà de la Seconde Guerre mondiale . Beaucoup de ces véhicules ont été acquis par des passionnés à des fins de conservation, et de nombreux exemples existent toujours. Dans les années 1960, les problèmes de pollution de l'air en Californie ont suscité une brève période d'intérêt pour le développement et l'étude des véhicules à vapeur comme moyen possible de réduire la pollution. Mis à part l'intérêt des amateurs de vapeur, la réplique occasionnelle du véhicule et la technologie expérimentale, aucun véhicule à vapeur n'est actuellement en production.

Moteurs marins [ modifier ]

Un moteur à vapeur marin à triple expansion sur le remorqueur océanique Hercules de 1907

Vers la fin du 19e siècle, les moteurs composés se sont généralisés. Les moteurs composés évacuaient la vapeur dans des cylindres successivement plus grands pour accueillir les volumes plus élevés à des pressions réduites, ce qui améliorait l'efficacité. Ces étapes étaient appelées des expansions, les moteurs à double et triple expansion étant courants, en particulier dans le transport maritime où l'efficacité était importante pour réduire le poids du charbon transporté. [17] Les moteurs à vapeur sont restés la source d'énergie dominante jusqu'au début du 20e siècle, lorsque les progrès dans la conception de la turbine à vapeur , des moteurs électriques et des moteurs à combustion internea progressivement entraîné le remplacement des moteurs à vapeur alternatifs (à piston), la navigation au XXe siècle reposant sur la turbine à vapeur. [17] [2]

Les locomotives à vapeur [ modifier ]

Image vintage du train à vapeur

Au fur et à mesure que le développement des machines à vapeur progressait au XVIIIe siècle, diverses tentatives ont été faites pour les appliquer à l'utilisation de la route et du chemin de fer. [32] En 1784, William Murdoch , un inventeur écossais , a construit une locomotive modèle de route à vapeur. [33] Un modèle de travail précoce d'une locomotive à vapeur a été conçu et construit par le pionnier des bateaux à vapeur John Fitch aux États-Unis probablement pendant les années 1780 ou 1790. [34] Sa locomotive à vapeur utilisait des roues à aubes intérieures [ clarification nécessaire ] guidées par des rails ou des voies.

Train à vapeur [Grand Trunk 600] et opérateurs, comté de Glengarry, Ontario, [entre 1895 et 1910]

La première locomotive à vapeur de chemin de fer à grande échelle a été construite par Richard Trevithick au Royaume-Uni et, le 21 février 1804, le premier voyage ferroviaire au monde a eu lieu lorsque la locomotive à vapeur sans nom de Trevithick a tiré un train le long du tramway du Pen-y-darren sidérurgie, près de Merthyr Tydfil à Abercynon dans le sud du Pays de Galles . [32] [35] [36] La conception a incorporé un certain nombre d'innovations importantes qui ont inclus l'utilisation de vapeur à haute pression qui a réduit le poids du moteur et a augmenté son efficacité. Trevithick a visité la région de Newcastle plus tard en 1804 et les chemins de fer de la minedans le nord-est de l'Angleterre est devenu le principal centre d'expérimentation et de développement de locomotives à vapeur. [37]

Trevithick a poursuivi ses propres expériences en utilisant un trio de locomotives, en concluant avec le Catch Me Who Can en 1808. Quatre ans plus tard, le succès bicylindre locomotive Salamanca par Matthew Murray a été utilisé par le bord fulminé crémaillère Middleton Railway . [38] En 1825, George Stephenson a construit la locomotion pour le chemin de fer Stockton et Darlington . Ce fut le premier chemin de fer à vapeur public au monde, puis en 1829, il construisit The Rocket qui fut engagé et remporta les Rainhill Trials . [39] LeLiverpool and Manchester Railway a ouvert ses portes en 1830, utilisant exclusivement l'énergie à vapeur pour les trains de passagers et de marchandises.

Les locomotives à vapeur ont continué à être fabriquées jusqu'à la fin du XXe siècle dans des endroits tels que la Chine et l'ancienne Allemagne de l'Est (où la classe DR 52.80 a été produite). [40]

Les turbines à vapeur [ modifier ]

La dernière évolution majeure de la conception de la machine à vapeur a été l'utilisation de turbines à vapeur à partir de la fin du 19e siècle. Les turbines à vapeur sont généralement plus efficaces que les moteurs à vapeur de type à piston alternatif (pour des puissances supérieures à plusieurs centaines de chevaux), ont moins de pièces mobiles et fournissent une puissance rotative directement au lieu de passer par un système de bielle ou des moyens similaires. [41] Les turbines à vapeur ont pratiquement remplacé les moteurs alternatifs dans les centrales électriques au début du 20e siècle, où leur efficacité, une vitesse plus élevée appropriée au service du générateur et une rotation en douceur étaient des avantages. Aujourd'hui, la plupart de l'énergie électriqueest fourni par des turbines à vapeur. Aux États-Unis, 90% de l'énergie électrique est produite de cette manière en utilisant diverses sources de chaleur. [2] Les turbines à vapeur ont été largement utilisées pour la propulsion de grands navires pendant la majeure partie du 20ème siècle.

Développement actuel [ modifier ]

Bien que la machine à vapeur alternative ne soit plus largement utilisée dans le commerce, diverses entreprises explorent ou exploitent le potentiel du moteur comme alternative aux moteurs à combustion interne. La société Energiprojekt AB en Suède a progressé dans l'utilisation de matériaux modernes pour exploiter la puissance de la vapeur. L'efficacité de la machine à vapeur d'Energiprojekt atteint environ 27 à 30% sur les moteurs à haute pression. Il s'agit d'un moteur à 5 cylindres à une seule étape (sans composé) avec de la vapeur surchauffée et consomme env. 4 kg (8,8 lb) de vapeur par kWh. [42] [ échec de la vérification ]

Composants et accessoires de machines à vapeur [ modifier ]

Il existe deux composants fondamentaux d'une centrale à vapeur: la chaudière ou générateur de vapeur et le «bloc moteur», appelé lui-même «machine à vapeur». Les machines à vapeur fixes dans les bâtiments fixes peuvent avoir la chaudière et le moteur dans des bâtiments séparés à une certaine distance l'un de l'autre. Pour une utilisation portable ou mobile, comme les locomotives à vapeur , les deux sont montés ensemble. [43] [44]

Le moteur alternatif largement utilisé se composait généralement d'un cylindre en fonte, d'un piston, d'une bielle et d'une poutre ou d'une manivelle et d'un volant, et de diverses liaisons. La vapeur était alternativement alimentée et évacuée par une ou plusieurs vannes. Le contrôle de la vitesse était soit automatique, à l'aide d'un régulateur, soit par une vanne manuelle. Le cylindre moulé contenait des orifices d'alimentation et d'échappement de vapeur.

Les moteurs équipés d'un condenseur sont d'un type distinct de ceux qui s'échappent dans l'atmosphère.

D'autres composants sont souvent présents; des pompes (comme un injecteur ) pour fournir de l'eau à la chaudière pendant le fonctionnement, des condenseurs pour faire recirculer l'eau et récupérer la chaleur latente de vaporisation, et des surchauffeurs pour élever la température de la vapeur au-dessus de son point de vapeur saturée, et divers mécanismes pour augmenter le projet pour les foyers. Lorsque du charbon est utilisé, un mécanisme de chargement à chaîne ou à vis et son moteur d'entraînement ou moteur peut être inclus pour déplacer le carburant d'un bac d'alimentation (bunker) à la chambre de combustion. [45]

Source de chaleur [ modifier ]

La chaleur nécessaire pour faire bouillir l'eau et d' élever la température de la vapeur peut être dérivé de différentes sources, le plus souvent de la combustion de matières combustibles avec une alimentation appropriée de l' air dans un espace fermé (par exemple, la chambre de combustion , chambre de combustion , four ). Dans le cas de modèles réduits de moteurs à vapeur ou de jouets et de quelques cas à grande échelle, la source de chaleur peut être un élément chauffant électrique .

Chaudières [ modifier ]

Une chaudière industrielle utilisée pour une machine à vapeur stationnaire

Les chaudières sont des récipients sous pression qui contiennent de l'eau à bouillir et des caractéristiques qui transfèrent la chaleur à l'eau aussi efficacement que possible.

Les deux types les plus courants sont:

  1. chaudière à tubes d'eau - l'eau passe à travers des tubes entourés de gaz chaud
  2. chaudière à tubes de fumée - le gaz chaud passe à travers des tubes immergés dans l'eau, la même eau circule également dans une chemise d'eau entourant la chambre de combustion et, dans les chaudières de locomotive à haut rendement, passe également à travers des tubes dans la chambre de combustion elle-même (syphons thermiques et circulateurs de sécurité )

Les chaudières à tube de feu étaient le principal type utilisé pour la vapeur à haute pression précoce (pratique typique des locomotives à vapeur), mais elles ont été dans une large mesure remplacées par des chaudières à tubes d'eau plus économiques à la fin du XIXe siècle pour la propulsion marine et les grandes applications stationnaires.

De nombreuses chaudières augmentent la température de la vapeur après qu'elle a quitté la partie de la chaudière où elle est en contact avec l'eau. Connu sous le nom de surchauffe, il transforme la « vapeur humide » en « vapeur surchauffée ». Il évite la condensation de la vapeur dans les cylindres du moteur et donne un rendement nettement supérieur . [46] [47]

Les unités motrices [ modifier ]

Dans une machine à vapeur, un piston ou une turbine à vapeur ou tout autre dispositif similaire pour effectuer un travail mécanique prend une alimentation en vapeur à haute pression et température et fournit une alimentation en vapeur à une pression et une température inférieures, en utilisant autant de différence de vapeur. énergie que possible pour effectuer des travaux mécaniques.

Ces «unités motrices» sont souvent appelées «machines à vapeur» à part entière. Les moteurs utilisant de l'air comprimé ou d'autres gaz ne diffèrent des moteurs à vapeur que par des détails qui dépendent de la nature du gaz, bien que l' air comprimé ait été utilisé dans les moteurs à vapeur sans changement. [47]

Évier froid [ modifier ]

Comme pour tous les moteurs thermiques, la majorité de l'énergie primaire doit être émise sous forme de chaleur perdue à une température relativement basse. [48]

Le puits froid le plus simple consiste à évacuer la vapeur dans l'environnement. Ceci est souvent utilisé sur les locomotives à vapeur pour éviter le poids et l'encombrement des condenseurs. Une partie de la vapeur libérée est évacuée par la cheminée afin d'augmenter le tirage au feu, ce qui augmente considérablement la puissance du moteur, mais réduit l'efficacité.

Parfois, la chaleur perdue du moteur est elle-même utile, et dans ces cas, une efficacité globale très élevée peut être obtenue.

Les moteurs à vapeur des centrales électriques fixes utilisent des condenseurs de surface comme puits de froid. Les condenseurs sont refroidis par l'écoulement de l'eau des océans, des rivières, des lacs et souvent par des tours de refroidissement qui évaporent l'eau pour permettre l'élimination de l'énergie de refroidissement. L'eau chaude condensée qui en résulte ( condensat ) est ensuite repompée à la pression et renvoyée vers la chaudière. Une tour de refroidissement de type sec est similaire à un radiateur d'automobile et est utilisée dans les endroits où l'eau est coûteuse. La chaleur résiduelle peut également être éjectée par des tours de refroidissement par évaporation (humide), qui utilisent un circuit d'eau externe secondaire qui évapore une partie du flux dans l'air.

Les bateaux fluviaux utilisaient initialement un condenseur à jet dans lequel l'eau froide de la rivière est injectée dans la vapeur d'échappement du moteur. Eau de refroidissement et mélange de condensat. Bien que cela ait également été appliqué pour les navires de mer, généralement après seulement quelques jours de fonctionnement, la chaudière était recouverte de sel déposé, ce qui réduisait les performances et augmentait le risque d'explosion de la chaudière. À partir de 1834 environ, l'utilisation de condenseurs de surface sur les navires a éliminé l'encrassement des chaudières et amélioré l'efficacité des moteurs. [49]

L'eau évaporée ne peut pas être utilisée à des fins ultérieures (autre que la pluie quelque part), tandis que l'eau de rivière peut être réutilisée. Dans tous les cas, l'eau d'alimentation de la chaudière de la centrale à vapeur, qui doit être maintenue pure, est maintenue séparée de l'eau ou de l'air de refroidissement.

Un injecteur utilise un jet de vapeur pour forcer l'eau dans la chaudière. Les injecteurs sont inefficaces mais suffisamment simples pour pouvoir être utilisés sur des locomotives.

Pompe à eau [ modifier ]

La plupart des machines à vapeur ont un moyen de fournir de l'eau de chaudière sous pression, de sorte qu'elles puissent fonctionner en continu. Les chaudières utilitaires et industrielles utilisent couramment des pompes centrifuges à plusieurs étages ; cependant, d'autres types sont utilisés. Un autre moyen de fournir de l'eau d'alimentation de chaudière à basse pression est un injecteur , qui utilise un jet de vapeur généralement fourni par la chaudière. Les injecteurs sont devenus populaires dans les années 1850 mais ne sont plus largement utilisés, sauf dans des applications telles que les locomotives à vapeur. [50] C'est la pressurisation de l'eau qui circule dans la chaudière à vapeur qui permet à l'eau d'être portée à des températures bien au-dessus de 100 ° C (212 ° F) du point d'ébullition de l'eau à une pression atmosphérique, et par ce moyen d'augmenter l'efficacité du cycle vapeur.

Suivi et contrôle [ modifier ]

Instrument indicateur de Richard de 1875. Voir: Schéma indicateur (ci-dessous)

Pour des raisons de sécurité, presque toutes les machines à vapeur sont équipées de mécanismes de surveillance de la chaudière, comme un manomètre et un voyant pour surveiller le niveau d'eau.

De nombreux moteurs, stationnaires et mobiles, sont également équipés d'un régulateur pour réguler la vitesse du moteur sans intervention humaine.

L'instrument le plus utile pour analyser les performances des machines à vapeur est l'indicateur de machine à vapeur. Les premières versions étaient utilisées en 1851, [51] mais l'indicateur le plus réussi a été développé pour l'inventeur et fabricant de moteurs à grande vitesse Charles Porter par Charles Richard et exposé à l'exposition de Londres en 1862. [24] L'indicateur de machine à vapeur trace sur le papier le pression dans le cylindre tout au long du cycle, qui peut être utilisée pour repérer divers problèmes et calculer la puissance développée. [52] Il était couramment utilisé par les ingénieurs, les mécaniciens et les inspecteurs des assurances. L'indicateur de moteur peut également être utilisé sur les moteurs à combustion interne. Voir l'image du diagramme de l'indicateur ci-dessous (dans la section Types d'unités de moteur ).

Régulateur centrifuge dans le moteur Boulton & Watt 1788 Lap Engine .

Gouverneur [ modifier ]

Le régulateur centrifuge a été adopté par James Watt pour être utilisé sur une machine à vapeur en 1788 après que le partenaire de Watt, Boulton, en ait vu un sur l'équipement d'un moulin à farine que Boulton & Watt construisait. [53] Le régulateur ne pouvait pas réellement maintenir une vitesse établie, car il supposerait une nouvelle vitesse constante en réponse aux changements de charge. Le régulateur était capable de gérer de plus petites variations telles que celles causées par la charge thermique fluctuante de la chaudière. De plus, il y avait une tendance à l'oscillation chaque fois qu'il y avait un changement de vitesse. En conséquence, les moteurs équipés uniquement de ce régulateur n'étaient pas adaptés aux opérations nécessitant une vitesse constante, comme le filage du coton. [54] Le régulateur a été amélioré au fil du temps et couplé à une coupure de vapeur variable, un bon contrôle de la vitesse en réponse aux changements de charge était possible vers la fin du 19e siècle.

Configuration du moteur [ modifier ]

Moteur simple [ modifier ]

Dans un moteur simple, ou "moteur à détente unique", la charge de vapeur traverse tout le processus d'expansion dans un cylindre individuel, bien qu'un moteur simple puisse avoir un ou plusieurs cylindres individuels. [55] Il est ensuite évacué directement dans l'atmosphère ou dans un condenseur. Au fur et à mesure que la vapeur se dilate en passant dans un moteur à haute pression, sa température baisse car aucune chaleur n'est ajoutée au système; ceci est connu sous le nom d' expansion adiabatique et conduit à la vapeur entrant dans le cylindre à haute température et en sortant à une température plus basse. Cela provoque un cycle de chauffage et de refroidissement du cylindre à chaque course, ce qui est une source d'inefficacité. [56]

La perte d'efficacité dominante dans les moteurs à vapeur alternatifs est la condensation et la réévaporation des cylindres. Le cylindre à vapeur et les parties / orifices métalliques adjacents fonctionnent à une température environ à mi-chemin entre la température de saturation d'admission de vapeur et la température de saturation correspondant à la pression d'échappement. Lorsque la vapeur à haute pression est admise dans le cylindre de travail, une grande partie de la vapeur à haute température est condensée sous forme de gouttelettes d'eau sur les surfaces métalliques, ce qui réduit considérablement la vapeur disponible pour un travail volumineux. Lorsque la vapeur en expansion atteint une basse pression (en particulier pendant la course d'échappement), les gouttelettes d'eau précédemment déposées qui venaient de se former dans le cylindre / les orifices bouillent maintenant (réévaporation) et cette vapeur ne travaille plus dans le cylindre. [ citation nécessaire]

Il existe des limites pratiques sur le taux de dilatation d'un cylindre de moteur à vapeur, car l'augmentation de la surface du cylindre a tendance à exacerber les problèmes de condensation et de réévaporation du cylindre. Cela annule les avantages théoriques associés à un taux de dilatation élevé dans un cylindre individuel. [57]

Moteurs composés [ modifier ]

Une méthode pour réduire l'ampleur de la perte d'énergie à un très long cylindre a été inventée en 1804 par l'ingénieur britannique Arthur Woolf , qui a breveté son moteur composé à haute pression Woolf en 1805. Dans le moteur composé, la vapeur à haute pression de la chaudière se dilate en un cylindre à haute pression (HP) puis entre dans un ou plusieurs cylindres à basse pression (BP) subséquents. L'expansion complète de la vapeur se produit maintenant à travers plusieurs cylindres, la chute de température globale dans chaque cylindre étant considérablement réduite. En dilatant la vapeur par étapes avec une plage de température plus petite (à l'intérieur de chaque cylindre), le problème d'efficacité de condensation et de réévaporation (décrit ci-dessus) est réduit. Cela réduit l'ampleur du chauffage et du refroidissement des cylindres, augmentant ainsi l'efficacité du moteur. En organisant l'expansion dans plusieurs cylindres, les variations de couple peuvent être réduites. [17] Pour obtenir un travail égal d'un cylindre à basse pression, il faut un plus grand volume de cylindre car cette vapeur occupe un plus grand volume. Par conséquent, l'alésage et, dans de rares cas, la course, sont augmentés dans les cylindres basse pression, ce qui entraîne des cylindres plus grands. [17]

Les moteurs à double détente (généralement appelés composés ) détendent la vapeur en deux étapes. Les paires peuvent être dupliquées ou le travail du grand cylindre basse pression peut être divisé avec un cylindre haute pression s'échappant dans l'un ou l'autre, donnant une disposition à trois cylindres où le diamètre du cylindre et du piston est à peu près le même, ce qui rend le mouvement alternatif masses plus faciles à équilibrer. [17]

Les composés à deux cylindres peuvent être disposés comme suit:

  • Composés croisés : les cylindres sont côte à côte.
  • Composés tandem : les cylindres sont bout à bout, entraînant une bielle commune
  • Composés angulaires : Les cylindres sont disposés en V (généralement à un angle de 90 °) et entraînent une manivelle commune.

Avec les composés à deux cylindres utilisés dans les travaux ferroviaires, les pistons sont reliés aux manivelles comme avec un simple à deux cylindres à 90 ° déphasé les uns par rapport aux autres (en quatre ). Lorsque le groupe à double expansion est dupliqué, produisant un composé à quatre cylindres, les pistons individuels à l'intérieur du groupe sont généralement équilibrés à 180 °, les groupes étant réglés à 90 ° les uns par rapport aux autres. Dans un cas (le premier type de composé Vauclain ), les pistons travaillaient dans la même phase entraînant une traverse et une manivelle communes, à nouveau réglées à 90 ° comme pour un moteur à deux cylindres. Avec l'agencement composé à trois cylindres, les manivelles BP étaient soit réglées à 90 ° avec celle HP à 135 ° par rapport aux deux autres, soit dans certains cas, les trois manivelles étaient réglées à 120 °. [ citation nécessaire ]

L'adoption de la composition était courante pour les unités industrielles, pour les moteurs routiers et presque universelle pour les moteurs marins après 1880; il n'était pas universellement populaire dans les locomotives de chemin de fer où il était souvent perçu comme compliqué. Cela est en partie dû à l'environnement d'exploitation ferroviaire difficile et à l'espace limité offert par le gabarit de chargement (en particulier en Grande-Bretagne, où la composition n'a jamais été courante et n'a pas été utilisée après 1930). Cependant, bien que jamais dans la majorité, il était populaire dans de nombreux autres pays. [58]

Moteurs multiples extension [ modifier ]

Une animation d'un moteur à triple expansion simplifié. La vapeur haute pression (rouge) entre de la chaudière et passe à travers le moteur, s'échappant sous forme de vapeur basse pression (bleu), généralement vers un condenseur.

C'est une extension logique du moteur composé (décrit ci-dessus) pour diviser l'expansion en encore plus d'étapes pour augmenter l'efficacité. Le résultat est le moteur à expansion multiple . Ces moteurs utilisent trois ou quatre étages d'expansion et sont connus sous le nom de moteurs à triple et quadruple expansion.respectivement. Ces moteurs utilisent une série de cylindres de diamètre progressivement croissant. Ces cylindres sont conçus pour diviser le travail en parts égales pour chaque étage d'expansion. Comme avec le moteur à double expansion, si l'espace est limité, deux cylindres plus petits peuvent être utilisés pour l'étage basse pression. Les moteurs à expansion multiple avaient généralement les cylindres disposés en ligne, mais diverses autres formations étaient utilisées. À la fin du XIXe siècle, le «système» d'équilibrage Yarrow-Schlick-Tweedy était utilisé sur certains moteurs marins à triple expansion.. Les moteurs YST répartissaient les étages d'expansion basse pression entre deux cylindres, un à chaque extrémité du moteur. Cela a permis au vilebrequin d'être mieux équilibré, ce qui a donné un moteur plus souple et plus réactif qui a fonctionné avec moins de vibrations. Cela a rendu le moteur à quatre cylindres à triple expansion populaire auprès des grands paquebots de passagers (tels que la classe olympique ), mais il a finalement été remplacé par le moteur à turbine pratiquement sans vibrations . [la citation nécessaire ] Il est noté, cependant, que les moteurs à vapeur alternatifs à triple expansion ont été utilisés pour conduire les navires Liberty de la Seconde Guerre mondiale, de loin le plus grand nombre de navires identiques jamais construits. Plus de 2700 navires ont été construits, aux États-Unis, à partir d'une conception d'origine britannique. [ citation nécessaire ]

L'image de cette section montre une animation d'un moteur à triple expansion. La vapeur traverse le moteur de gauche à droite. Le coffre de soupape de chacun des cylindres se trouve à gauche du cylindre correspondant. [ citation nécessaire ]

Les moteurs à vapeur terrestres pouvaient évacuer leur vapeur dans l'atmosphère, car l'eau d'alimentation était généralement facilement disponible. Avant et pendant la Première Guerre mondiale , le moteur d'expansion dominait les applications marines, où la vitesse élevée des navires n'était pas essentielle. Elle a cependant été remplacée par la turbine à vapeur de l' invention britannique où la vitesse était requise, par exemple dans les navires de guerre, tels que les cuirassés dreadnought et les paquebots . Le HMS  Dreadnought de 1905 a été le premier grand navire de guerre à remplacer la technologie éprouvée du moteur alternatif par la nouvelle turbine à vapeur. [59]

Types d'unités motrices [ modifier ]

Piston alternatif [ modifier ]

Moteur stationnaire à double effet . C'était le moteur de moulin commun du milieu du 19e siècle. Remarquez le tiroir avec une face inférieure concave, presque en forme de «D».
Schéma Diagramme indicateur montrant les quatre événements dans une course à double piston. Voir: Surveillance et contrôle (ci-dessus)

Dans la plupart des moteurs à pistons alternatifs, la vapeur inverse son sens d'écoulement à chaque course (contre-courant), entrant et sortant de la même extrémité du cylindre. Le cycle moteur complet occupe une rotation de la manivelle et deux courses de piston; le cycle comprend également quatre événements - admission, détente, échappement, compression. Ces événements sont contrôlés par des vannes fonctionnant souvent à l'intérieur d'un coffre à vapeur adjacent au cylindre; les vannes distribuent la vapeur en ouvrant et en fermant les orifices de vapeur communiquant avec la ou les extrémités du cylindre et sont entraînées par un engrenage de vanne , dont il existe de nombreux types. [ citation nécessaire ]

Les engrenages à soupapes les plus simples donnent des événements de longueur fixe pendant le cycle du moteur et font souvent tourner le moteur dans un seul sens. Beaucoup ont cependant un mécanisme d' inversion qui peut en outre fournir des moyens pour économiser de la vapeur à mesure que la vitesse et l'impulsion sont gagnées en "raccourcissant progressivement la coupure " ou plutôt, en raccourcissant l'événement d'admission; ceci allonge à son tour proportionnellement la période d'expansion. Cependant, comme une seule et même vanne contrôle généralement les deux flux de vapeur, une coupure courte à l'admission affecte négativement les périodes d'échappement et de compression qui devraient idéalement toujours être maintenues assez constantes; si l'événement d'échappement est trop bref, la totalité de la vapeur d'échappement ne peut pas évacuer le cylindre, l'étouffant et donnant une compression excessive ( "kick back" ).[60]

Dans les années 1840 et 1850, il y a eu des tentatives pour surmonter ce problème au moyen de divers engrenages de soupape brevetés avec un détendeur à coupure variable séparé monté à l'arrière du tiroir principal; ces derniers avaient généralement une coupure fixe ou limitée. La configuration combinée donnait une juste approximation des événements idéaux, au détriment d'une augmentation de la friction et de l'usure, et le mécanisme avait tendance à être compliqué. La solution de compromis habituelle a été de fournir un touren allongeant les surfaces de frottement de la soupape de manière à chevaucher l'orifice du côté admission, avec pour effet que le côté échappement reste ouvert plus longtemps après la coupure côté admission. Cet expédient a depuis été généralement considéré comme satisfaisant dans la plupart des cas et rend possible l'utilisation des mouvements plus simples de Stephenson , Joy et Walschaerts . Corliss , et plus tard, les engrenages à soupapes à champignon avaient des soupapes d'admission et d'échappement séparées entraînées par des mécanismes de déclenchement ou des camesprofilé de manière à donner des événements idéaux; la plupart de ces engrenages n'ont jamais réussi en dehors du marché stationnaire en raison de divers autres problèmes, notamment des fuites et des mécanismes plus délicats. [58] [61]

Compression [ modifier ]

Avant que la phase d'échappement ne soit complètement terminée, le côté échappement de la soupape se ferme, fermant une partie de la vapeur d'échappement à l'intérieur du cylindre. Ceci détermine la phase de compression où se forme un coussin de vapeur contre lequel le piston travaille tandis que sa vitesse diminue rapidement; il évite en outre le choc de pression et de température, qui autrement serait provoqué par l'admission soudaine de la vapeur haute pression au début du cycle suivant. [ citation nécessaire ]

Lead [ modifier ]

Les effets ci-dessus sont encore renforcés en fournissant du plomb : comme cela a été découvert plus tard avec le moteur à combustion interne , il s'est avéré avantageux depuis la fin des années 1830 d'avancer la phase d'admission, en donnant le fil de la soupape de sorte que l'admission se produise un peu avant la fin du course d'échappement afin de remplir le volume de jeu comprenant les orifices et les extrémités du cylindre (ne faisant pas partie du volume balayé par le piston) avant que la vapeur ne commence à exercer un effort sur le piston. [62]

UniFLOW (ou unaflow) moteur [ modifier ]

Animation schématique d'une machine à vapeur uniflow .
Les soupapes à champignon sont contrôlées par l' arbre à cames rotatif en haut. La vapeur à haute pression entre, rouge, et s'échappe, jaune.

Les moteurs Uniflow tentent de remédier aux difficultés résultant du cycle à contre-courant habituel où, à chaque coup, l'orifice et les parois du cylindre seront refroidis par la vapeur d'échappement qui passe, tandis que la vapeur d'admission entrante plus chaude gaspillera une partie de son énergie à restaurer le fonctionnement. Température. Le but de l'uniflow est de remédier à ce défaut et d'améliorer l'efficacité en prévoyant un orifice supplémentaire découvert par le piston à la fin de chaque course ne faisant circuler la vapeur que dans un seul sens. Par ce moyen, le moteur uniflow à expansion simple offre une efficacité équivalente à celle des systèmes composés classiques avec l'avantage supplémentaire de performances supérieures à charge partielle et d'une efficacité comparable à celle des turbines pour les moteurs plus petits de moins de mille chevaux. Pourtant,le gradient de dilatation thermique que les moteurs uniflow produisent le long de la paroi du cylindre pose des difficultés pratiques.[ citation nécessaire ] .

Les moteurs à turbine [ modifier ]

Un rotor d'une turbine à vapeur moderne , utilisé dans une centrale électrique

Une turbine à vapeur est constituée d'un ou plusieurs rotors (disques rotatifs) montés sur un arbre d'entraînement, en alternance avec une série de stators (disques statiques) fixés au carter de turbine. Les rotors ont un agencement de pales en forme d'hélice sur le bord extérieur. La vapeur agit sur ces lames, produisant un mouvement de rotation. Le stator se compose d'une série d'aubes similaires mais fixes qui servent à rediriger le flux de vapeur vers l'étage du rotor suivant. Une turbine à vapeur s'échappe souvent dans un condenseur de surfacequi fournit un vide. Les étages d'une turbine à vapeur sont généralement agencés pour extraire le travail potentiel maximal d'une vitesse et d'une pression spécifiques de vapeur, donnant lieu à une série d'étages haute et basse pression de tailles variables. Les turbines ne sont efficaces que si elles tournent à une vitesse relativement élevée, par conséquent, elles sont généralement connectées à un engrenage de réduction pour piloter des applications à plus basse vitesse, comme l'hélice d'un navire. Dans la grande majorité des grandes centrales électriques, les turbines sont directement reliées à des générateurs sans réducteur. Les vitesses typiques sont de 3600 tours par minute (tr / min) aux États-Unis avec une puissance de 60 Hertz et de 3000 tr / min en Europe et dans d'autres pays avec des systèmes d'alimentation électrique de 50 Hertz. Dans les applications d'énergie nucléaire, les turbines fonctionnent généralement à la moitié de ces vitesses, 1800 tr / min et 1500 tr / min.Un rotor de turbine n'est également capable de fournir de l'énergie que lorsqu'il tourne dans un sens. Par conséquent, un étage d'inversion ou une boîte de vitesses est généralement nécessaire lorsque la puissance est requise dans la direction opposée.[ citation nécessaire ]

Les turbines à vapeur fournissent une force de rotation directe et ne nécessitent donc pas de mécanisme de liaison pour convertir un mouvement alternatif en mouvement rotatif. Ainsi, ils produisent des forces de rotation plus douces sur l'arbre de sortie. Cela contribue à réduire les besoins de maintenance et à réduire l'usure des machines qu'ils alimentent par rapport à un moteur à piston comparable. [ citation nécessaire ]

Turbinia - le premiernavire à turbine à vapeur

La principale utilisation des turbines à vapeur est la production d'électricité (dans les années 1990 à environ 90% de la production électrique était par l' utilisation de turbines à vapeur du monde) [2] Cependant la récente application généralisée de grandes unités de turbines à gaz et les centrales à cycle combiné typique a donné en réduction de ce pourcentage au régime de 80% pour les turbines à vapeur. Dans la production d'électricité, la vitesse de rotation élevée de la turbine correspond bien à la vitesse des générateurs électriques modernes, qui sont généralement directement connectés à leurs turbines motrices. En service maritime, (pionnier sur le Turbinia), les turbines à vapeur avec réducteur (bien que la Turbinia ait des turbines directes aux hélices sans réducteur) ont dominé la propulsion des grands navires tout au long de la fin du XXe siècle, étant plus efficaces (et nécessitant beaucoup moins d'entretien) que les moteurs à vapeur à pistons. Au cours des dernières décennies, les moteurs diesel alternatifs et les turbines à gaz ont presque entièrement supplanté la propulsion à vapeur pour les applications marines. [ citation nécessaire ]

Pratiquement toutes les centrales nucléaires produisent de l'électricité en chauffant de l'eau pour fournir de la vapeur qui entraîne une turbine reliée à un générateur électrique . Les navires et sous-marins à propulsion nucléaire utilisent une turbine à vapeur directement pour la propulsion principale, avec des générateurs fournissant une puissance auxiliaire, ou utilisent une transmission turbo-électrique , où la vapeur entraîne un groupe turbo-générateur avec propulsion fournie par des moteurs électriques. Un nombre limité de locomotives de chemin de fer à turbine à vapeur ont été fabriquées. Certaines locomotives à entraînement direct sans condensation ont rencontré un certain succès pour les opérations de fret long-courrier en Suède et pour le transport de passagers express en Grande-Bretagne., mais n'ont pas été répétés. Ailleurs, notamment aux États-Unis, des conceptions plus avancées avec transmission électrique ont été construites expérimentalement, mais pas reproduites. Il a été constaté que les turbines à vapeur n'étaient pas parfaitement adaptées à l'environnement ferroviaire et ces locomotives n'ont pas réussi à évincer l'unité à vapeur alternative classique comme l'a fait la traction diesel et électrique moderne. [ citation nécessaire ]

Fonctionnement d'une simple machine à vapeur à cylindre oscillant

Oscillantes machines à vapeur cylindre [ modifier ]

Une machine à vapeur à cylindre oscillant est une variante de la machine à vapeur à détente simple qui ne nécessite pas de soupapes pour diriger la vapeur dans et hors du cylindre. Au lieu de soupapes, le cylindre entier bascule, ou oscille, de sorte qu'un ou plusieurs trous dans le cylindre s'alignent avec des trous dans une face d'orifice fixe ou dans le support de pivot ( tourillon ). Ces moteurs sont principalement utilisés dans les jouets et les modèles, en raison de leur simplicité, mais ont également été utilisés dans des moteurs de travail pleine grandeur, principalement sur des navires où leur compacité est appréciée. [63]

Machines à vapeur Rotary [ modifier ]

Il est possible d'utiliser un mécanisme basé sur un moteur rotatif sans piston tel que le moteur Wankel à la place des cylindres et des engrenages de soupapes d' un moteur à vapeur alternatif classique. De nombreux moteurs de ce type ont été conçus, de l'époque de James Watt à nos jours, mais relativement peu ont été construits et encore moins sont allés à la production en série; voir le lien au bas de l'article pour plus de détails. Le problème majeur est la difficulté de sceller les rotors pour les rendre étanches à la vapeur face à l'usure et à la dilatation thermique ; la fuite qui en résulte les rend très inefficaces. Le manque de travail extensif, ou de tout moyen de contrôle de la coupure , est également un problème sérieux avec de nombreuses conceptions de ce type. [citation nécessaire ]

Dans les années 1840, il était clair que le concept avait des problèmes inhérents et les moteurs rotatifs étaient traités avec une certaine dérision dans la presse technique. Cependant, l'arrivée de l'électricité sur les lieux et les avantages évidents de conduire une dynamo directement à partir d'un moteur à grande vitesse ont conduit à un regain d'intérêt dans les années 1880 et 1890, et quelques modèles ont eu un succès limité. [ citation nécessaire ] .

Parmi les quelques modèles qui ont été fabriqués en quantité, ceux de la Hult Brothers Rotary Steam Engine Company de Stockholm, en Suède, et le moteur sphérique de la tour Beauchamp sont remarquables. Les moteurs de la tour étaient utilisés par le Great Eastern Railway pour entraîner des dynamos d'éclairage sur leurs locomotives et par l' Amirauté pour entraîner des dynamos à bord des navires de la Royal Navy . Ils ont finalement été remplacés dans ces applications de niche par des turbines à vapeur. [ citation nécessaire ]

Un aeolipile tourne en raison de la vapeur qui s'échappe des bras. Aucun usage pratique n'a été fait de cet effet. [ citation nécessaire ]

Type Rocket [ modifier ]

L' aeolipile représente l'utilisation de la vapeur par le principe de la réaction de fusée , mais pas pour la propulsion directe. [ citation nécessaire ]

Dans les temps plus modernes, l'utilisation de la vapeur pour les fusées a été limitée - en particulier pour les voitures-fusées. La fusée à vapeur fonctionne en remplissant un récipient sous pression avec de l'eau chaude à haute pression et en ouvrant une vanne menant à une buse appropriée. La baisse de pression fait immédiatement bouillir une partie de l'eau et la vapeur sort par une buse, créant une force de propulsion. [64]

Le chariot de Ferdinand Verbiest était propulsé par un aeolipile en 1679. [la citation nécessaire ]

Sécurité [ modifier ]

Les moteurs à vapeur possèdent des chaudières et d'autres composants qui sont des récipients sous pression qui contiennent une grande quantité d'énergie potentielle. Les fuites de vapeur et les explosions de chaudières (généralement des BLEVE ) peuvent et ont dans le passé causé de grandes pertes de vie. Bien que des variations de normes puissent exister dans différents pays, des réglementations strictes, des tests, des formations, des soins lors de la fabrication, de l'exploitation et de la certification sont appliqués pour garantir la sécurité. [ citation nécessaire ]

Les modes de défaillance peuvent inclure:

  • surpression de la chaudière
  • eau insuffisante dans la chaudière provoquant une surchauffe et une défaillance du réservoir
  • accumulation de sédiments et de tartre qui causent des points chauds locaux, en particulier dans les bateaux fluviaux utilisant de l'eau d'alimentation sale
  • défaillance du réservoir sous pression de la chaudière en raison d'une construction ou d'un entretien inadéquats.
  • fuite de vapeur de la tuyauterie / de la chaudière provoquant des brûlures

Les moteurs à vapeur possèdent souvent deux mécanismes indépendants pour garantir que la pression dans la chaudière ne monte pas trop haut; l'un peut être ajusté par l'utilisateur, le second est généralement conçu comme une sécurité ultime. De telles soupapes de sécurité utilisaient traditionnellement un simple levier pour retenir un clapet à boisseau en haut d'une chaudière. Une extrémité du levier portait un poids ou un ressort qui retenait la soupape contre la pression de la vapeur. Les premières soupapes pouvaient être ajustées par les conducteurs du moteur, entraînant de nombreux accidents lorsqu'un conducteur fermait la soupape pour permettre une plus grande pression de vapeur et plus de puissance du moteur. Le type le plus récent de soupape de sécurité utilise une soupape à ressort réglable, qui est verrouillée de telle sorte que les opérateurs ne peuvent pas altérer son réglage à moins qu'un joint ne soit illégalement brisé. Cette disposition est considérablement plus sûre.[ citation nécessaire ]

Des bouchons fusibles en plomb peuvent être présents dans la couronne de la chambre de combustion de la chaudière. Si le niveau d'eau baisse, de sorte que la température de la couronne de la chambre de combustion augmente considérablement, le plomb fond et la vapeur s'échappe, avertissant les opérateurs, qui peuvent alors éteindre manuellement le feu. Sauf dans la plus petite des chaudières, l'évacuation de la vapeur a peu d'effet sur l'atténuation du feu. Les bouchons ont également une surface trop petite pour abaisser la pression de vapeur de manière significative, ce qui dépressurise la chaudière. S'ils étaient plus grands, le volume de vapeur s'échappant mettrait lui-même l'équipage en danger. [ citation nécessaire ]

Cycle de vapeur [ modifier ]

Organigramme des quatre principaux appareils utilisés dans le cycle de Rankine . 1). Pompe à eau d'alimentation 2). Chaudière ou générateur de vapeur 3). Turbine ou moteur 4). Condenseur; où Q = chaleur et W = travail. La majeure partie de la chaleur est rejetée comme déchet.

Le cycle de Rankine est le fondement thermodynamique fondamental de la machine à vapeur. Le cycle est un agencement de composants qui est généralement utilisé pour la production d'énergie simple, et utilise le changement de phase de l'eau (eau bouillante produisant de la vapeur, condensation de la vapeur d'échappement, produisant de l'eau liquide)) pour fournir un système pratique de conversion chaleur / énergie. La chaleur est fournie de l'extérieur à une boucle fermée, une partie de la chaleur ajoutée étant convertie en travail et la chaleur perdue étant évacuée dans un condenseur. Le cycle Rankine est utilisé dans pratiquement toutes les applications de production d'énergie à vapeur. Dans les années 1990, les cycles à vapeur de Rankine ont généré environ 90% de toute l'énergie électrique utilisée dans le monde, y compris la quasi-totalité du solaire , de la biomasse , du charbon et du nucléaire. centrales électriques . Il porte le nom de William John Macquorn Rankine , un polymathe écossais . [ citation nécessaire ]

Le cycle de Rankine est parfois appelé cycle de Carnot pratique car, lorsqu'une turbine efficace est utilisée, le diagramme TS commence à ressembler au cycle de Carnot. La principale différence est que l'ajout de chaleur (dans la chaudière) et le rejet (dans le condenseur) sont des processus isobares (pression constante) dans le cycle de Rankine et isothermes ( température constante)) processus dans le cycle théorique de Carnot. Dans ce cycle, une pompe est utilisée pour pressuriser le fluide de travail qui est reçu du condenseur sous forme de liquide et non de gaz. Le pompage du fluide de travail sous forme liquide pendant le cycle nécessite une petite fraction de l'énergie pour le transporter par rapport à l'énergie nécessaire pour comprimer le fluide de travail sous forme gazeuse dans un compresseur (comme dans le cycle de Carnot ). Le cycle d'un moteur à vapeur alternatif diffère de celui des turbines en raison de la condensation et de la réévaporation se produisant dans le cylindre ou dans les passages d'entrée de vapeur. [56]

Le fluide de travail dans un cycle Rankine peut fonctionner comme un système en boucle fermée, où le fluide de travail est recyclé en continu, ou peut être un système en «boucle ouverte», où la vapeur d'échappement est directement rejetée dans l'atmosphère, et une source d'eau séparée. l'alimentation de la chaudière est fournie. Normalement, l'eau est le fluide de choix en raison de ses propriétés favorables, telles que sa chimie non toxique et non réactive, son abondance, son faible coût et ses propriétés thermodynamiques . Le mercure est le fluide de travail dans la turbine à vapeur de mercure . Les hydrocarbures à bas point d'ébullition peuvent être utilisés dans un cycle binaire . [ citation nécessaire ]

La machine à vapeur a beaucoup contribué au développement de la théorie thermodynamique; cependant, les seules applications de la théorie scientifique qui ont influencé la machine à vapeur étaient les concepts originaux de l'exploitation de la puissance de la vapeur et de la pression atmosphérique et la connaissance des propriétés de la chaleur et de la vapeur. Les mesures expérimentales effectuées par Watt sur un modèle de moteur à vapeur ont conduit au développement du condenseur séparé. Watt a découvert indépendamment la chaleur latente , ce qui a été confirmé par le découvreur original Joseph Black , qui a également conseillé Watt sur les procédures expérimentales. Watt était également conscient du changement du point d'ébullition de l'eau avec la pression. Sinon, les améliorations apportées au moteur lui-même étaient de nature plus mécanique. [13]Les concepts thermodynamiques du cycle de Rankine ont donné aux ingénieurs les connaissances nécessaires pour calculer le rendement, ce qui a aidé au développement des chaudières modernes à haute pression et température et de la turbine à vapeur. [ citation nécessaire ]

Efficacité [ modifier ]

L'efficacité d'un cycle moteur peut être calculée en divisant la production d'énergie du travail mécanique produit par le moteur par l'énergie mise dans le moteur par le carburant brûlant. [ citation nécessaire ]

La mesure historique de l'efficacité énergétique d'une machine à vapeur était son «devoir». Le concept de devoir a été introduit pour la première fois par Watt afin d'illustrer à quel point ses moteurs étaient plus efficaces que les modèles Newcomen antérieurs . Le droit est le nombre de pieds-livres de travail fourni en brûlant un boisseau (94 livres) de charbon. Les meilleurs exemples de créations Newcomen avaient un droit d'environ 7 millions, mais la plupart étaient plus proches de 5 millions. Les conceptions basse pression originales de Watt étaient capables de fournir une charge aussi élevée que 25 millions, mais en moyenne environ 17. Il s'agissait d'une amélioration triple par rapport à la conception moyenne Newcomen. Les premiers moteurs Watt équipés de vapeur à haute pression l'ont amélioré à 65 millions. [65]

Aucun moteur thermique ne peut être plus efficace que le cycle Carnot , dans lequel la chaleur est transférée d'un réservoir à haute température à un réservoir à basse température, et l'efficacité dépend de la différence de température. Pour une efficacité maximale, les moteurs à vapeur doivent fonctionner à la température de vapeur la plus élevée possible ( vapeur surchauffée ) et libérer la chaleur résiduelle à la température la plus basse possible. [ citation nécessaire ]

L'efficacité d'un cycle de Rankine est généralement limitée par le fluide de travail. Sans que la pression n'atteigne des niveaux supercritiques pour le fluide de travail, la plage de température sur laquelle le cycle peut fonctionner est petite; dans les turbines à vapeur, les températures d'entrée des turbines sont généralement de 565 ° C (la limite de fluage de l'acier inoxydable) et les températures du condenseur sont d'environ 30 ° C. Cela donne un rendement Carnot théorique d'environ 63% par rapport à un rendement réel de 42% pour une centrale électrique au charbon moderne. Cette faible température d'entrée de la turbine (par rapport à une turbine à gaz ) est la raison pour laquelle le cycle de Rankine est souvent utilisé comme cycle de fond dans les centrales à turbine à gaz à cycle combiné . [ citation nécessaire]

Un avantage principal du cycle de Rankine par rapport aux autres est que pendant l'étape de compression, relativement peu de travail est nécessaire pour entraîner la pompe, le fluide de travail étant à ce stade dans sa phase liquide. En condensant le fluide, le travail requis par la pompe ne consomme que 1% à 3% de la puissance de la turbine (ou moteur alternatif) et contribue à un rendement beaucoup plus élevé pour un cycle réel. L'avantage de ceci est quelque peu perdu en raison de la température d'addition de chaleur plus basse. Les turbines à gaz , par exemple, ont des températures d'entrée de turbine approchant 1500 ° C. Néanmoins, les rendements des grands cycles de vapeur réels et des grandes turbines à gaz modernes à cycle simple correspondent assez bien. [ citation nécessaire ]

En pratique, un cycle de moteur à vapeur alternatif évacuant la vapeur dans l'atmosphère aura généralement un rendement (y compris la chaudière) dans la plage de 1 à 10%, mais avec l'ajout d'un condenseur, de vannes Corliss, de détente multiple et d'une pression de vapeur élevée. / température, elle peut être grandement améliorée, historiquement de l'ordre de 10 à 20%, et très rarement légèrement plus élevée. [ citation nécessaire ]

Une grande centrale électrique moderne (produisant plusieurs centaines de mégawatts de puissance électrique) avec réchauffage de vapeur , économiseur, etc. atteindra un rendement d'environ 40%, les unités les plus efficaces approchant le rendement thermique de 50%. [ citation nécessaire ]

Il est également possible de capturer la chaleur perdue par cogénération dans laquelle la chaleur perdue est utilisée pour chauffer un fluide de travail à point d'ébullition inférieur ou comme source de chaleur pour le chauffage urbain via de la vapeur saturée à basse pression. [ citation nécessaire ]

  • Une locomotive à vapeur - une GNR N2 Class No.1744 à Weybourne nr. Sheringham , Norfolk

  • Un vélo à vapeur par John van de Riet, à Dortmund

  • Camion de pompiers à cheval britannique avec pompe à eau à vapeur

Voir aussi [ modifier ]

  • la loi de Boyle
  • Locomotive à poulies
  • Cylindre
  • Locomotive à vapeur à engrenages
  • Histoire des véhicules routiers à vapeur
  • Journaliste Lean's Engine
  • Liste des foires à vapeur
  • Liste des musées de la vapeur
  • Liste des brevets de technologie vapeur
  • Vapeur en direct
  • Stoker mécanique
  • James Rumsey
  • Salomon de Caus
  • Avion à vapeur
  • Bateau à vapeur
  • Voiture à vapeur
  • Grue à vapeur
  • La vapeur pendant la révolution industrielle
  • Pelle à vapeur
  • Tracteur à vapeur
  • Tricycle à vapeur
  • Moteur encore
  • Chronologie de la puissance à vapeur
  • Moteur de traction

Notes [ modifier ]

  1. ^ Ce modèle a été construit par Samuel Pemberton entre 1880-1890.
  2. ^ Landes [15] se réfère à la définition de Thurston d'un moteur et Thurston appelle Newcomen's le "premier vrai moteur".

Références [ modifier ]

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Références [ modifier ]

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Pour en savoir plus [ modifier ]

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Liens externes [ modifier ]

  • Moteurs animés - Illustre une variété de moteurs
  • Howstuffworks - "Comment fonctionnent les moteurs à vapeur"
  • Vidéo de la machine à vapeur 1900 à bord du vapeur à aubes Unterwald