Machine à Vapeur: Comment ça marche?

(description originale trouvée sur le net)
Généralités :
Une machine à vapeur est constituée de deux parties distinctes :
* Une chaudière dont le rôle consiste à produire de la vapeur,
* Une machine qui va utiliser la force expansive de cette vapeur et la transformer en mouvement.
Tout le reste ne constitue qu'une série d'objets qui ne sont là qu'afin d'améliorer le rendement global de la machine ou contribuent à sa bonne marche ou à la sécurité de la conduite.



Dans la machine ci-dessus, nous verrons le principe du circuit fermé et des éléments nécessaires à sa réalisation.

La chaudière :


La chaudière à donc pour rôle de produire de la vapeur. Elle est constituée d'un réservoir clos contenant de l'eau et de la vapeur. Sous ce réservoir, un foyer alimenté en charbon, gaz, pétrole, bois... crée une chaleur vive permettant de vap oriser l'eau et de l'amener à une pression suffisante.
La chaudière ci-contre est dite à tubes de fumée du fait que la fumée produite par le foyer passe dans des tubes autour desquels se trouve l'eau à chauffer. D'autres chaudières, dite à tubes d'eau, sont construites de telle manière que l'eau circule dans des tubes qui sont chauffés par les gaz chauds du foyer.


Le moteur :


Le moteur sert à convertir la force expansive de la vapeur en une force mécanique. La vapeur, en appuyant sur les pistons, les oblige à se déplacer, entraînant le vilebrequin, par un dispositif de type bielle/manivelle.
Le moteur ci-contre est un moteur triple expansion, c'est à dire que la vapeur, ayant été utilisée dans un premier cylindre ne va pas être perdue ou recyclée mais réutilisée dans un deuxième, puis dans un troisième cylindre. Cette disposition permet d'utiliser au maximum, les ressources de la vapeur produite.


Le condenseur :


Certaines machines rejettent la vapeur utilisée, directement dans l'atmosphère (ex. les locomotives).
Sur la machine ci dessus, la vapeur traverse un condenseur, où elle va se condenser pour être réutilisée dans la chaudière. Ce procédé à le double avantage de fournir de l'eau déjà tiède à la chaudière et d'économiser l'eau douce (impératif sur les bateaux navigant en mer.


La pompe à air :


A la sortie du condenseur, une pompe particulière (dite pompe à air) permet d'aspirer, au point le plus bas du condenseur, les résultats de la condensation.
Ces condensas sont envoyés dans une bâche (réservoir) à eau qui sert de réserve tampon pour la chaudière.


La pompe alimentaire :


Enfin, pour fermer la boucle, une pompe alimentaire, couplée mécaniquement au moteur, puise l'eau dans la bâche à eau et l'injecte dans la chaudière.
Organe de sécurité s'il en est, cette pompe est généralement couplée à une autre pompe (à main sur les petites unités) afin de palier à toute défaillance.


La propulsion :

Le moteur peut entraîner soit une ou plusieurs roues, soit une hélice, afin de transmettre sa puissance au bateau.
Si les roues ont eu la part belle au début de la propulsion à vapeur, l'hélice les a vite supplantées, offrant un meilleur rendement et une vulnérabilité réduite en cas de combat.

La chaudière




Généralités :

Le but de la chaudière est de fournir de la vapeur sous pression à un moteur. Le principe est donc simple : il sufit de chauffer de l'eau.

Pour cela, tous les moyens sont bons : bois, charbon, gaz, pétrole, fission d'atomes... bref, tout ce qui peut brûler et donc qui est susceptible de fournir de la chaleur.

La chaleur ainsi produite est communiquée à de l'eau contenue dans un réservoir clos.

Afin d'optimiser le rendement de la chaudière, il est nécessaire d'avoir la plus grande surface de contact possible entre le foyer et l'eau, ce que l'on appelle la surface de chauffe.

La chaudière est donc divisée en deux parties distinctes :
Le foyer dans lequel sera créée la chaleur,
Un réservoir clos enfermant l'eau et la vapeur.

Le foyer :


Le foyer va varier en fonction du type de combustible.

Pour un chauffage au bois ou au charbon, il est nécessaire d'avoir une grille sur laquelle sera placée le combustible et un cendrier permettant d'une part la récupération des cendres et, d'autre part, le passage de l'air frais permettant la combustion.

Pour un chauffage au gaz ou au pétrole, un ou plusieurs gicleurs entraîneront la création d'une torche. L'arrivée d'air devra, bien sur, être prévue en conséquence afin d'éviter une combustion incomplète.


La boîte à feu :


La boîte à feu n'existe à proprement parler que sur les chaudières à retour de flamme, c'est à dire dans lesquelles les gaz chauds suivent un chemin en "S" dans la chaudière.

Elle a pour rôle de récupérer les gaz chauds, issus de la combustion, et de les répartir dans tous les tubes constituant le faisceau de tubes chauffant (voir ci-dessous).

Entourée d'eau, elle contribue à la surface de chauffe et ce principe permet d'éviter que les paroies de la chaudière ne soient trop chaudes et risquent de mettre le feu à la coque.


Le faisceau de tubes :


Le faisceau de tubes est constitué d'un grand nombre de tubes parallèles, reliés entre eux par deux plaques à trous.

Les gaz chauds, en passant par l'intérieur des tubes les réchauffent et ainsi permettent de communiquer la chaleur du foyer à l'eau sur une très grande surface.

Soudés ou dudgeonnés aux plaques à trous, il arrive, que l'un d'eux se perce provoquant une avarie à la chaudière nécessitant son remplacement.


La boîte à fumées :


La boîte à fumées récupère les gaz chauds à la sortie du faisceau de tubes pour l'orienter vers la cheminée.

Son rôle est capital dans ce que l'on appel le tirage, c'est à dire, la force, engendrée par une différence de pression entre le foyer et la cheminée, qui va permettre de "tirer" les gaz chauds à travers le faisceau de tubes.

Sa forme et la variation de sa section depuis la plaque à trous jusqu'à son débouché dans la cheminée entrent pour une grande part dans ce calcul.


L'eau :


L'eau contenue dans la chaudière doit être la plus pure possible afin d'éviter un encrassement de la chaudière.

Sur un petit moteur d'environ un cheval vapeur, la consommation d'eau (donc la quantité d'eau évaporée) est de l'ordre de 30 à 40 litres à l'heure. Si cette eau contenait 36 grammes de sel par litre (ex. eau de mer), ce ne seraient pas moins de 1,2 kilogrammes de sel qui se retrouveraient dans la chaudière par heure, avec les inconvénients que l'on peut supposer.

Le niveau de l'eau devra aussi être surveillé en permanence afin d'éviter tout risque d'explosion. L'indication de niveau se fait à travers un tube en verre, cet indicateur doit être purgé régulièrement pour éviter toute indiaction érronée.


La vapeur :


La vapeur est enfermée dans le même vase clos que l'eau, mais en partie haute.

Il est utile de préciser ici que seule de la vapeur doit se trouver dans cet espace et que la présence d'air doit être évitée au maximum afin d'éviter, d'une part, une corrosion rapide de la chaudière et, d'autre part, des à-coups de pression dus à l'élasticité de l'air.


La prise de vapeur :


La présence de fines goutellette d'eau dans la vapeur rend indispensable l'utilisation d'une espèce de crépine pour prélever la vapeur dans la chaudière, en effet, la présence d'eau est fortement déconseillée dans les cylindres (son incompressibilité pouvant aboutir à une destruction du moteur).

C'est le rôle de la prise de vapeur qui sera, la plupart du temps, un simple tube percé de petits trous en nombres suffisants afin de ménager un passage à la vapeur compatible avec la consommation du moteur.


La vanne d'arrêt :


La vanne d'arrêt doit être située le plus près possible de la chaudière.

Elle permet d'interrompre ou de rétablir le flux de vapeur alimentant le moteur.

Dans certains cas (rupture de canalisation par exemple) elle permettra d'isoler la chaudière de manière à éviter tout risque de brûlures.

Les canalisations qui transportent la vapeur sont calorifugées pour éviter toutes pertes et aussi pour ce protéger encore des brulures, car elles circulent autour du moteur, et sur un bateau qui bouge on a vite fait de s'y accrocher!