Machine à vapeur - Steam engine

Un modèle d'un moteur à faisceau comportant la tringlerie parallèle de James Watt pour une double action.
Un moteur de moulin de Stott Park Bobbin Mill , Cumbria, Angleterre
Une locomotive à vapeur d' Allemagne de l' Est . Cette classe de moteurs a été construite entre 1942 et 1950 et a fonctionné jusqu'en 1988.
Un moteur de labour à vapeur par Kemna

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 peut être transformée, par une bielle et un volant moteur , en force de rotation pour le travail . Le terme "moteur à vapeur" est généralement appliqué uniquement aux moteurs alternatifs tels qu'ils viennent d'être décrits, et non à la turbine à vapeur . Les moteurs à vapeur sont des moteurs à combustion externe , 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 . Dans l'usage général, le terme machine à vapeur peut désigner soit des centrales à vapeur complètes (y compris des chaudières, etc.), telles que des locomotives à vapeur ferroviaires et des moteurs portables , soit des machines à piston ou à turbine seules, comme dans le moteur à faisceau et la vapeur stationnaire. moteur .

Bien que les appareils à vapeur aient été connus dès l' éolipile au premier siècle de notre ère, avec quelques autres utilisations enregistrées aux XVIe et XVIIe siècles, Thomas Savery est considéré comme l'inventeur du premier appareil à vapeur à usage commercial, une pompe à vapeur. qui utilisait une pression de vapeur fonctionnant 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 enlevant la vapeur usée dans un récipient séparé pour la condensation, améliorant considérablement la quantité de travail obtenue par unité de carburant consommée. Au XIXe siècle, des machines à vapeur fixes alimentaient les usines de la révolution industrielle . Les machines à vapeur ont remplacé les voiles des navires sur les bateaux à aubes et les locomotives à vapeur circulaient 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 entraîné le remplacement progressif des moteurs à vapeur dans un usage commercial. Les turbines à vapeur ont remplacé les moteurs alternatifs dans la production d'électricité, en raison d'un coût inférieur, d'une vitesse de fonctionnement plus élevée et d'un rendement plus élevé.

Histoire

Premières expériences

Le premier « moteur » à vapeur rudimentaire enregistré était l' éolipile décrit par Hero of Alexandria , un mathématicien et ingénieur grec de l'Égypte romaine au premier siècle de notre ère. Au cours des siècles suivants, les quelques « moteurs » à vapeur connus étaient, comme l'éolipile, des dispositifs essentiellement expérimentaux utilisés par les inventeurs pour démontrer les propriétés de la vapeur. Un dispositif de turbine à vapeur rudimentaire a été décrit par Taqi al-Din en Égypte ottomane en 1551 et par Giovanni Branca en Italie en 1629. L'inventeur espagnol Jerónimo de Ayanz y Beaumont a reçu des brevets en 1606 pour 50 inventions à vapeur, dont une pompe à eau pour vidange des mines inondées. 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.

Moteurs de pompage

Le premier appareil commercial à vapeur était une pompe à eau, développée en 1698 par Thomas Savery . Il utilisait de la vapeur de condensation pour créer un vide qui faisait monter l'eau par le bas, puis utilisait la pression de la vapeur pour l'élever plus haut. Les petits moteurs étaient efficaces, mais les plus gros modèles étaient problématiques. Ils avaient une hauteur de levage très 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 alimentant les machines textiles. 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 par John Smeaton dans les Transactions philosophiques publiées en 1751. Elle a continué à être fabriquée jusqu'à la fin du XVIIIe siècle. Au moins un moteur fonctionnait encore en 1820.

Machines à vapeur à piston

La machine à vapeur de Jacob Leupold , 1720

Le premier moteur à succès commercial qui pouvait transmettre une puissance continue à une machine était le moteur atmosphérique , inventé par Thomas Newcomen vers 1712. Il a amélioré la pompe à vapeur de Savery, utilisant un piston comme proposé par Papin. Le moteur de Newcomen était relativement inefficace et principalement utilisé pour pomper de l'eau. Il 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 à l'origine impraticables à l'aide de 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. 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.

En 1720, Jacob Leupold décrivit une machine à vapeur haute pression à deux cylindres. L'invention a été publiée dans son ouvrage majeur "Theatri Machinarum Hydraulicarum". Le moteur utilisait deux pistons lourds pour fournir un mouvement à une pompe à eau. Chaque piston était 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 reliée directement à une chaudière à vapeur.

Moteur de pompage Early Watt

La prochaine étape importante a eu lieu 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. Les premiers moteurs de Newcomen et Watt étaient « atmosphériques ». Ils étaient alimentés par la pression de l'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 gros car la seule force utilisable agissant sur eux était la pression atmosphérique .

Watt a développé son moteur plus loin, le modifiant pour fournir un mouvement rotatif adapté à la conduite de machines. Cela a permis aux usines d'être situées loin des rivières et a accéléré le rythme de la révolution industrielle.

Moteurs haute pression

La signification de haute pression, ainsi qu'une valeur réelle au-dessus de la température ambiante, dépend de l'époque à laquelle le terme a été utilisé. Pour l'utilisation précoce du terme Van Reimsdijk fait référence à la vapeur étant à une pression suffisamment élevée pour qu'elle puisse être évacuée dans l'atmosphère sans recourir à 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 empêchait les autres 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 ont introduit des moteurs utilisant de la vapeur à haute pression ; Trevithick a obtenu son brevet de moteur à haute pression en 1802, et Evans avait déjà fabriqué plusieurs modèles fonctionnels. Ceux-ci étaient beaucoup plus puissants pour une taille de cylindre donnée que les moteurs précédents et pouvaient être suffisamment petits pour les applications de transport. Par la suite, les développements technologiques et les améliorations des techniques de fabrication (en partie provoqués par l'adoption du moteur 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.

Le moteur Cornish a été développé par Trevithick et d'autres dans les années 1810. 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 XIXe siècle.

Moteur stationnaire horizontal

Les premiers constructeurs de machines à vapeur stationnaires considéraient que les cylindres horizontaux seraient soumis à une usure excessive. Leurs moteurs étaient donc disposés avec l'axe des pistons en position verticale. 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 automatique de vapeur variable. 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 ». En plus d'utiliser 30 % de vapeur en moins, il offre une vitesse plus uniforme grâce à une coupure de vapeur variable, ce qui le rend bien adapté à la fabrication, en particulier à la filature du coton.

Véhicules routiers

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 19ème siècle a vu de grands progrès dans la conception de 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 qui limitait ou interdisait l'utilisation des véhicules à vapeur sur les routes. Les améliorations dans 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 20ème siècle, le développement rapide de la technologie des moteurs à combustion interne a conduit à la disparition du moteur à vapeur en tant que source de propulsion des véhicules sur une base commerciale, avec relativement peu d'utilisation après la Seconde Guerre mondiale . Beaucoup de ces véhicules ont été acquis par des passionnés pour la conservation, et de nombreux exemples existent encore. Dans les années 1960, les problèmes de pollution de l'air en Californie ont donné lieu à 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, les répliques occasionnelles de véhicules et la technologie expérimentale, aucun véhicule à vapeur n'est actuellement en production.

Moteurs marins

Une machine à vapeur marine à triple expansion sur le remorqueur de haute mer Hercules de 1907

Vers la fin du 19ème siècle, les moteurs composés sont devenus largement utilisés. Les moteurs composés évacuaient la vapeur dans des cylindres de plus en plus gros pour s'adapter aux volumes plus élevés à des pressions réduites, offrant une efficacité améliorée. Ces étapes étaient appelées 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. Les moteurs à vapeur sont restés la principale source d'énergie jusqu'au début du XXe siècle, lorsque les progrès dans la conception de la turbine à vapeur , des moteurs électriques et des moteurs à combustion interne ont progressivement entraîné le remplacement des moteurs à vapeur alternatifs (à pistons), avec l'expédition au XXe siècle. s'appuyant sur la turbine à vapeur.

Locomotives 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 une utilisation routière et ferroviaire. En 1784, William Murdoch , un inventeur écossais , construisit un modèle de locomotive à vapeur. Un premier modèle fonctionnel d'une locomotive à vapeur a été conçu et construit par le pionnier du bateau à vapeur John Fitch aux États-Unis, probablement dans les années 1780 ou 1790. Sa locomotive à vapeur utilisait des roues à aubes intérieures guidées par des rails ou des voies.

Union Pacific 844 une locomotive à vapeur de type "FEF-3" 4-8-4 "Northern"

La première locomotive à vapeur ferroviaire fonctionnelle 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 alors que la locomotive à vapeur sans nom de Trevithick a tiré un train le long du tramway du Pen-y-darren ferronnerie, près de Merthyr Tydfil à Abercynon dans le sud du Pays de Galles . La conception incorporait un certain nombre d'innovations importantes, notamment l'utilisation de vapeur à haute pression qui réduisait le poids du moteur et augmentait son efficacité. Trevithick a visité la région de Newcastle plus tard en 1804 et les chemins de fer de la mine du nord-est de l'Angleterre sont devenus le principal centre d'expérimentation et de développement des locomotives à vapeur.

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 . En 1825, George Stephenson a construit la Locomotion pour le Stockton and Darlington Railway . Ce fut le premier chemin de fer à vapeur public au monde, puis en 1829, il construisit The Rocket qui fut inscrit et remporta les Rainhill Trials . Le chemin de fer de Liverpool et de Manchester a ouvert ses portes en 1830, utilisant exclusivement la vapeur pour les trains de voyageurs 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 DR Class 52.80 a été produite).

Turbines à vapeur

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

Développement actuel

Bien que le moteur à vapeur alternatif ne soit plus largement utilisé 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 fait des progrès 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 5 cylindres en une seule étape (sans composé) avec de la vapeur surchauffée et consomme env. 4 kg (8,8 lb) de vapeur par kWh.

Composants et accessoires de machines à vapeur

Il y a deux composants fondamentaux d'une centrale vapeur : la chaudière ou générateur de vapeur , et le « bloc moteur », appelé lui-même « machine à vapeur ». Les machines à vapeur fixes dans des 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.

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 d'inertie, et de diverses liaisons. La vapeur était alternativement fournie 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 moulage du cylindre contenait des orifices d'alimentation en vapeur et d'échappement.

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

D'autres composants sont souvent présents ; des pompes (comme un injecteur ) pour alimenter en eau 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 la tirage pour les foyers. Lorsque du charbon est utilisé, un mécanisme d'alimentation à chaîne ou à vis et son moteur d'entraînement peuvent être inclus pour déplacer le combustible d'un réservoir d'alimentation (bunker) à la chambre de combustion.

Source de chaleur

La chaleur requise pour faire bouillir l'eau et élever la température de la vapeur peut provenir de diverses sources, le plus souvent de la combustion de matériaux combustibles avec une alimentation en air appropriée dans un espace clos (par exemple, chambre de combustion , foyer , four ). Dans le cas des moteurs à vapeur miniatures ou jouets et de quelques cas à grande échelle, la source de chaleur peut être un élément chauffant électrique .

Chaudières

Une chaudière industrielle utilisée pour une machine à vapeur fixe

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

Les deux types les plus courants sont :

Chaudière à tubes d'eau
L'eau passe à travers des tubes entourés de gaz chaud.
Chaudière à tubes de fumée
Le gaz chaud passe par des tubes immergés dans l'eau, la même eau circule également dans une chemise d'eau entourant le foyer et, dans les chaudières de locomotive à haut rendement, passe également par des tubes dans le foyer lui-même (siphons thermiques et circulateurs de sécurité).

Les chaudières à tubes de fumée étaient le type principal utilisé pour les premières vapeurs à haute pression (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 élèvent 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 vapeur dans les cylindres du moteur, et donne un rendement nettement supérieur .

Unités motrices

Dans une machine à vapeur, un piston ou une turbine à vapeur ou tout autre dispositif similaire pour effectuer un travail mécanique prélève 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 la différence de vapeur autant d'énergie que possible pour effectuer des travaux mécaniques.

Ces « unités motrices » sont souvent appelées « moteurs 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.

Évier froid

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

L'évier 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 dans la cheminée afin d'augmenter le tirage sur le 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, un rendement global très élevé peut être obtenu.

Les moteurs à vapeur des centrales électriques stationnaires utilisent des condenseurs de surface comme puits froid. Les condenseurs sont refroidis par le débit d'eau des océans, des rivières, des lacs et souvent par des tours de refroidissement qui évaporent l'eau pour éliminer l'énergie de refroidissement. L'eau chaude condensée qui en résulte ( condensat ), est ensuite pompée jusqu'à la pression et renvoyée à la chaudière. Une tour de refroidissement de type sec est similaire à un radiateur automobile et est utilisée dans des endroits où l'eau est coûteuse. La chaleur résiduelle peut également être éjectée par les tours de refroidissement par évaporation (humides), 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. Mélange d'eau de refroidissement et de condensat. Bien que cela ait également été appliqué pour les navires de mer, généralement après seulement quelques jours de fonctionnement, la chaudière devenait recouverte de sel déposé, réduisant les performances et augmentant le risque d'explosion de la chaudière. À partir de 1834 environ, l'utilisation de condenseurs de surface sur les navires élimine l'encrassement des chaudières et améliore l'efficacité des moteurs.

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

Pompe à eau

La plupart des moteurs à vapeur ont un moyen de fournir de l'eau de chaudière tout en étant sous pression, de sorte qu'ils 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 d'alimentation en eau d'alimentation de la 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. C'est la pressurisation de l'eau qui circule à travers la chaudière à vapeur qui permet à l'eau d'être portée à des températures bien au-dessus de 100 °C (212 °F) point d'ébullition de l'eau à une pression atmosphérique, et par ce moyen d'augmenter l'efficacité de le cycle vapeur.

Monitorage et contrôle

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

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

De nombreux moteurs, fixes 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 moteurs à vapeur est l'indicateur de moteur à vapeur. Les premières versions étaient utilisées en 1851, 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. L'indicateur de moteur à vapeur trace sur papier la pression dans le cylindre tout au long de la cycle, qui peut être utilisé pour repérer divers problèmes et calculer la puissance développée. 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 schéma de l'indicateur ci-dessous (dans la section Types d'unités motrices ).

Gouverneur

Le régulateur centrifuge a été adopté par James Watt pour une utilisation 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 construisaient. Le régulateur ne pouvait pas réellement maintenir une vitesse définie, car il assumerait 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, telles que la filature du coton. 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 19ème siècle.

Configuration du moteur

Moteur simple

Dans un moteur simple, ou "moteur à simple expansion", 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. 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 chute car aucune chaleur n'est ajoutée au système ; c'est ce qu'on appelle la dilatation adiabatique et la vapeur pénètre dans le cylindre à haute température et en sort à une température plus basse. Cela provoque un cycle de chauffage et de refroidissement du cylindre à chaque course, ce qui est source d'inefficacité.

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 pièces/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. Au fur et à mesure que 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, réduisant considérablement la vapeur disponible pour les travaux étendus. 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 s'évapore maintenant (ré-évaporation) et cette vapeur ne fonctionne plus dans le cylindre.

Il existe des limites pratiques au 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. Ceci annule les avantages théoriques associés à un taux de dilatation élevé dans un cylindre individuel.

Moteurs composés

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 dans une bouteille haute pression (HP) et entre ensuite dans une ou plusieurs bouteilles basse pression (BP) suivantes . L'expansion complète de la vapeur se produit désormais sur plusieurs cylindres, la chute de température globale dans chaque cylindre étant considérablement réduite. En augmentant la vapeur par étapes avec une plage de température plus petite (dans 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 échelonnant l'expansion dans plusieurs cylindres, les variations de couple peuvent être réduites. 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 donne des cylindres plus gros.

Les moteurs à double détente (généralement appelés composés ) ont étendu 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.

Les composés à deux cylindres peuvent être arrangés comme :

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

Avec les composés bicylindres utilisés dans les travaux ferroviaires, les pistons sont reliés aux manivelles comme avec un bicylindre simple à 90° déphasé l'un par rapport à l'autre (en quartiers ). Lorsque le groupe à double expansion est dupliqué, produisant un composé à quatre cylindres, les pistons individuels au sein du groupe sont généralement équilibrés à 180°, les groupes étant réglés à 90° les uns des 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'arrangement composé à trois cylindres, les manivelles LP étaient soit réglées à 90 ° avec la HP à 135 ° par rapport aux deux autres, soit dans certains cas, les trois manivelles étaient réglées à 120 °.

L'adoption du compoundage 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 majoritaire, il était populaire dans de nombreux autres pays.

Moteurs à expansion multiple

Une animation d'un moteur à triple expansion simplifié. La vapeur haute pression (rouge) entre de la chaudière et traverse 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 plusieurs étapes pour augmenter l'efficacité. Le résultat est le moteur à expansion multiple . De tels moteurs utilisent trois ou quatre étages d'expansion et sont respectivement appelés moteurs à triple et quadruple expansion . Ces moteurs utilisent une série de cylindres de diamètre progressivement croissant. Ces cylindres sont conçus pour diviser le travail en parts égales pour chaque étape d'expansion. Comme pour le moteur à double détente, 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 divisaient les étages de détente basse pression entre deux cylindres, un à chaque extrémité du moteur. Cela a permis au vilebrequin d'être mieux équilibré, ce qui a permis d'obtenir un moteur plus doux et plus rapide qui fonctionnait avec moins de vibrations. Cela a rendu le moteur à triple expansion à quatre cylindres populaire auprès des grands paquebots (comme la classe olympique ), mais il a finalement été remplacé par le moteur à turbine pratiquement sans vibration . Il est à noter, cependant, que des 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 originale britannique.

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 valve pour chacun des cylindres est à gauche du cylindre correspondant.

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 à expansion dominait les applications marines, où la vitesse élevée des navires n'était pas essentielle. Il a cependant été remplacé 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 de l'époque.

Types d'unités motrices

Piston alternatif

Moteur stationnaire à double effet . C'était le moteur de moulin commun du milieu du 19ème siècle. Notez 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 complet du moteur 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 fermant des orifices de vapeur communiquant avec la ou les extrémités du cylindre et sont entraînées par des engrenages de vannes , dont il existe de nombreux types.

Les engrenages de soupape les plus simples donnent des événements de durée 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'élan sont gagnés en « raccourcissant progressivement la coupure » ou plutôt, en raccourcissant l'événement d'admission ; ceci à son tour allonge proportionnellement la période d'expansion. Cependant, comme une seule et même vanne contrôle généralement les deux débits de vapeur, une coupure courte à l'admission nuit aux 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" ).

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; ce dernier avait généralement une coupure fixe ou limitée. La configuration combinée a donné une bonne approximation des événements idéaux, au détriment d'une friction et d'une usure accrues, et le mécanisme avait tendance à être compliqué. La solution de compromis habituelle a été de prévoir un recouvrement par allongement des surfaces de frottement de la soupape de manière à chevaucher l'orifice côté admission, avec pour effet que le côté échappement reste ouvert plus longtemps après la coupure sur l'admission. côté s'est produit. Cet expédient a depuis été généralement considéré comme satisfaisant pour la plupart des applications et rend possible l'utilisation des mouvements plus simples de Stephenson , Joy et Walschaerts . Corliss , et plus tard, les engrenages de soupapes à champignon avaient des soupapes d'admission et d'échappement séparées entraînées par des mécanismes de déclenchement ou des cames profilées 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.

Compression

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 alors que sa vitesse diminue rapidement ; il évite en outre les chocs de pression et de température, qui seraient autrement provoqués par l'admission brutale de la vapeur haute pression au début du cycle suivant.

Mener

Les effets ci-dessus sont encore renforcés en fournissant du plomb : comme on l'a 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 du plomb aux soupapes de sorte que l'admission se produise un peu avant la fin de la course d'échappement afin de remplir le volume de jeu comprenant les lumières et les extrémités de cylindre (ne faisant pas partie du volume balayé par le piston) avant que la vapeur ne commence à exercer un effort sur le piston.

Moteur Uniflow (ou unaflow)

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

Les moteurs Uniflow tentent de remédier aux difficultés résultant du cycle à contre-courant habituel où, à chaque course, l'orifice et les parois du cylindre seront refroidis par la vapeur d'échappement passant, tandis que la vapeur d'admission entrante plus chaude gaspillera une partie de son énergie à rétablir 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 faisant circuler la vapeur dans un seul sens. Par ce moyen, le moteur uniflow à simple expansion 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 aux turbines pour les moteurs plus petits de moins de mille chevaux. Cependant, le gradient de dilatation thermique que produisent les moteurs à flux unique le long de la paroi du cylindre pose des difficultés pratiques.

Moteurs à turbine

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

Une turbine à vapeur se compose 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 la turbine. Les rotors ont un agencement de pales semblable à une 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 de rotor suivant. Une turbine à vapeur évacue souvent dans un condenseur de surface qui 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 de vapeur spécifiques, donnant lieu à une série d'étages haute et basse pression de taille variable. Les turbines ne sont efficaces que si elles tournent à une vitesse relativement élevée, elles sont donc généralement connectées à un réducteur pour entraîner des applications à basse vitesse, telles que l'hélice d'un navire. Dans la grande majorité des grandes centrales électriques, les turbines sont directement connectées à des générateurs sans réducteur. Les vitesses typiques sont de 3600 tours par minute (RPM) aux États-Unis avec une puissance de 60 Hertz et de 3000 RPM 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 RPM et 1500 RPM. Un rotor de turbine n'est également capable de fournir de l'énergie que lorsqu'il tourne dans un seul sens. Par conséquent, un étage d'inversion ou une boîte de vitesses est généralement requis lorsque la puissance est requise dans la direction opposée.

Les turbines à vapeur fournissent une force de rotation directe et ne nécessitent donc pas de mécanisme de liaison pour convertir le 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 d'entretien et à réduire l'usure des machines qu'ils alimentent par rapport à un moteur alternatif comparable.

Turbinia - le premiernavire à turbine à vapeur

Les turbines à vapeur sont principalement utilisées dans la production d'électricité (dans les années 90, environ 90 % de la production électrique mondiale était assurée par des turbines à vapeur), mais l'application récente et généralisée de grandes turbines à gaz et de centrales électriques à cycle combiné typiques a entraîné une réduction de ce pourcentage au régime de 80 % pour les turbines à vapeur. Dans la production d'électricité, la vitesse élevée de rotation des turbines correspond bien à la vitesse des générateurs électriques modernes, qui sont généralement directement connectés à leurs turbines motrices. Dans le service maritime (pionnier du Turbinia ), les turbines à vapeur avec réducteur (bien que le Turbinia ait des turbines directes à hélices sans réducteur) ont dominé la propulsion des grands navires tout au long de la fin du 20e siècle, étant plus efficaces (et nécessitant beaucoup moins d'entretien) que les moteurs à vapeur alternatifs. 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.

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 soit une turbine à vapeur directement pour la propulsion principale, avec des générateurs fournissant de l'énergie auxiliaire, soit utilisent une transmission turbo-électrique , où la vapeur entraîne un turbogénérateur dont la propulsion est assurée par des moteurs électriques. Un nombre limité de locomotives de chemin de fer à turbine à vapeur ont été fabriqués. Certaines locomotives à entraînement direct sans condensation ont rencontré un certain succès pour les opérations de fret longue distance en Suède et pour le travail express de passagers en Grande - Bretagne , mais n'ont pas été répétées. Ailleurs, notamment aux États-Unis, des conceptions plus avancées avec transmission électrique ont été construites expérimentalement, mais non 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.

Fonctionnement d'une simple machine à vapeur à cylindre oscillant

Machines à vapeur à cylindre oscillant

Une machine à vapeur à cylindre oscillant est une variante de la machine à vapeur à simple détente 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 réduits, en raison de leur simplicité, mais ont également été utilisés dans des moteurs de travail de taille normale, principalement sur des navires où leur compacité est appréciée.

Machines à vapeur rotatives

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 soupapes d' un moteur à vapeur alternatif conventionnel. De nombreux moteurs de ce type ont été conçus, de l'époque de James Watt à nos jours, mais relativement peu ont été réellement construits et encore moins sont entrés en production en série ; voir le lien au bas de l'article pour plus de détails. Le problème majeur est la difficulté d'obturer les rotors pour les rendre étanches à la vapeur face à l'usure et aux dilatations thermiques ; les fuites qui en résultaient les rendaient très inefficaces. Le manque de travail expansif, ou de tout moyen de contrôle de la coupure , est également un problème sérieux avec de nombreuses conceptions de ce type.

Dans les années 1840, il était clair que le concept présentait des problèmes inhérents et que les moteurs rotatifs étaient traités avec une certaine dérision dans la presse technique. Cependant, l'arrivée de l'électricité sur la scène 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 conceptions ont eu un succès limité.

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 la 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 . Elles ont finalement été remplacées dans ces applications de niche par des turbines à vapeur.

Dessin au trait d'une sphère suspendue entre deux montants formant un axe horizontal.  Deux bras de jet à angle droit à la circonférence expulsent la vapeur qui a été produite par l'eau bouillante dans un récipient fermé sous les deux montants, qui sont creux et laissent s'écouler la vapeur à l'intérieur de la sphère.
Un éolipile tourne en raison de la vapeur qui s'échappe des bras. Aucun usage pratique n'a été fait de cet effet.

Type de fusée

L' éolipile représente l'utilisation de la vapeur par le principe de réaction de fusée , mais pas pour la propulsion directe.

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 chute de pression fait immédiatement bouillir une partie de l'eau et la vapeur sort par une buse, créant une force de propulsion.

La voiture de Ferdinand Verbiest était propulsée par un éolipile en 1679.

Sécurité

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 déjà causé de grandes pertes de vie. Bien que des variations dans les normes puissent exister dans différents pays, des lois strictes, des tests, une formation, des soins de fabrication, d'exploitation et de certification sont appliqués pour assurer la sécurité.

Les modes de défaillance peuvent inclure :

  • surpressurisation de la chaudière
  • eau insuffisante dans la chaudière provoquant une surchauffe et une défaillance du récipient
  • 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 récipient sous pression de la chaudière en raison d'une construction ou d'un entretien inadéquats.
  • fuite de vapeur de la tuyauterie/chaudière provoquant des brûlures

Les machines à vapeur possèdent fréquemment deux mécanismes indépendants pour s'assurer 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 robinet à boisseau dans le haut d'une chaudière. Une extrémité du levier portait un poids ou un ressort qui retenait la vanne contre la pression de la vapeur. Les premières soupapes pouvaient être ajustées par les conducteurs de moteur, ce qui entraînait de nombreux accidents lorsqu'un conducteur fixait 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 sorte que les opérateurs ne puissent pas altérer son réglage à moins qu'un sceau ne soit illégalement brisé. Cette disposition est considérablement plus sûre.

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 du foyer augmente de manière significative, 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'échappement de vapeur a peu d'effet sur l'atténuation du feu. Les bouchons sont également trop petits pour abaisser la pression de vapeur de manière significative, dépressurisant la chaudière. S'ils étaient plus importants, le volume de vapeur qui s'échappe mettrait lui-même en danger l'équipage.

Cycle vapeur

Organigramme des quatre principaux dispositifs utilisés dans le cycle de Rankine . 1). Pompe d'alimentation en eau 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 tel qu'il est généralement utilisé pour la production d'électricité simple, et utilise le changement de phase de l'eau (eau bouillante produisant de la vapeur, condensation de la vapeur d'échappement, production d'eau liquide)) pour fournir un système de conversion chaleur/électricité pratique. La chaleur est fournie à l'extérieur d'une boucle fermée, une partie de la chaleur ajoutée étant convertie en travail et la chaleur résiduelle étant évacuée dans un condenseur. Le cycle de Rankine est utilisé dans pratiquement toutes les applications de production d'énergie à vapeur. Dans les années 1990, les cycles de vapeur Rankine ont généré environ 90% de l' énergie électrique utilisée dans le monde entier, y compris la quasi - totalité solaire , biomasse , charbon et nucléaire des centrales . Il porte le nom de William John Macquorn Rankine , un grand mathématicien écossais .

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 des processus isothermes ( température constante ) dans le cycle de Carnot théorique. 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 faible 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'une machine à vapeur alternative 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.

Le fluide de travail dans un cycle de Rankine peut fonctionner comme un système en boucle fermée, où le fluide de travail est recyclé en continu, ou peut être un système "à 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 .

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 d'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 machine 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. Les concepts thermodynamiques du cycle de Rankine ont donné aux ingénieurs la compréhension nécessaire pour calculer l'efficacité, ce qui a aidé au développement des chaudières modernes à haute pression et température et de la turbine à vapeur.

Efficacité

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

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 premiers modèles Newcomen . Le droit est le nombre de pieds-livres de travail fourni par la combustion d'un boisseau (94 livres) de charbon. Les meilleurs exemples de conceptions Newcomen avaient un droit d'environ 7 millions, mais la plupart étaient plus proches de 5 millions. Les conceptions originales à basse pression de Watt étaient capables de fournir un service allant jusqu'à 25 millions, mais en moyenne environ 17. C'était une amélioration de trois fois par rapport à la conception moyenne de Newcomen. Les premiers moteurs Watt équipés de vapeur à haute pression ont amélioré ce chiffre à 65 millions.

Aucun moteur thermique ne peut être plus efficace que le cycle de Carnot , dans lequel la chaleur est déplacée d'un réservoir à haute température vers 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 perdue à la température la plus basse possible.

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 faible ; dans les turbines à vapeur, les températures d'entrée des turbines sont typiquement 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 % contre un rendement réel de 42 % pour une centrale à charbon moderne. Cette faible température d'entrée de 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 .

L'un des principaux avantages du cycle de Rankine par rapport aux autres est que pendant la phase de compression, relativement peu de travail est nécessaire pour entraîner la pompe, le fluide de travail étant dans sa phase liquide à ce stade. En condensant le fluide, le travail demandé par la pompe ne consomme que 1% à 3% de la puissance de la turbine (ou du 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 inférieure. Les turbines à gaz , par exemple, ont des températures d'entrée de turbine proches de 1500 °C. Néanmoins, les rendements des grands cycles à vapeur réels et des grandes turbines à gaz modernes à cycle simple sont assez bien adaptés.

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

Une grande centrale électrique moderne (produisant plusieurs centaines de mégawatts de puissance électrique) avec réchauffage de vapeur , économiseur, etc. atteindra une efficacité de l'ordre de 40 %, les unités les plus efficaces approchant les 50 % d'efficacité thermique.

Il est également possible de capter la chaleur perdue en utilisant la 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.

Voir également

Remarques

Les références

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes