marc andré dubout – 13 mars 2007 histoire de la vapeur1 leau, le feu lhomme a toujours connu leau...

Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 1

L’eau, le feu

L’homme a toujours connu l’eau (4,5 milliards d’années)

Il découvre le feu, il y a 700 000 à 800 000 ans en Europe (grotte de l'Escale - Durance)


De l’eau à la vapeur

Quand on chauffe de l’eau, elle se transforme en vapeurDans le fond du récipient des bulles se forment et remontent vers la surfaceL’eau chante


L’ébullitionDifférence entre la vaporisation et l’évaporation (surface d’eau à l’air libre)A 100° l’eau rentre en ébullition et se transforme en vapeur. A l’air libre, elle reste à cette température pendant toute la durée de l’ébullition. La chaleur toute entière est occupée à cette opération du passage de l’état liquide à l’état gazeux.


L’influence de la pression

L’eau bout à 100° à la pression atmosphérique de 760 mm demercure.La température d’ébullition dépend de la pression (84,4° au sommet du Mont Blanc)

Plus on s’élève en altitude plus la pression diminue et plus l’eau bout à une température inférieure à 100°Dans le vide absolu, l’eau bout à 0°


La force élastique de la vapeur

La tension de la vapeur est toujours égale à la pression extérieure (pression atmosphérique)La température de l’eau reste constante pendant toute la durée de la vaporisation si la pression extérieure reste constante


Dans un récipient clos

Dans un récipient clos l’eau bout à 100°, se transforme en vapeur et exerce une tension sur les parois du récipient.Sa température augmente bien au delà de 100°La tension ou pression exercée est fonction de la température (soupape).


On mesure la tension de la vapeur

Temp. De l’eau Tension (mm de Hg)

Pression (en atmosphères)

0° 4,60 mm 0,0060

10° 9,16 mm 0,0120

20° 17,39 mm 0,0228

40° 54,91mm 0,0723

60° 148,79 mm 0,1957

80° 354,62 mm 0,4666

100° 760 mm 1,000

120° 149,28mm 1,962

160° 4651,62 mm 6,120

200° 111689,00 mm 15,380


Héron d’Alexandrie

120 Av. JC Héron d’Alexandrie fabrique l’éolipyle

Lampe à éoplipyle sur chariot (fin 18ème siècle) rAts & Métiers


Du Moyen Age à la Renaissance

La force de la vapeur était connue, mais les biographes et historiens ne la mentionnent pas 1125 en l’église de Reims l’horloge de Gerbert et l’orgue fonctionnaient à l’air sortant d’un vase


La RenaissanceMilieu du XVIème S. Jérôme Cardan invente le tournebroche mu par la vapeurEn 1571 Mathésius parle du « formidable effet que peut produire l’action volcanique d’une petite quantité d’eau confinée »Jacob Besson (Orléans 1569) décrit « la production de la vapeur par échauffement de l’eau, et ses propriétés particulières »


La RenaissanceAgostino Ramelli écrit un livre à Paris en 1588 sur la vapeur (descriptions de machines et dessins)Le canon à vapeur de Léonard de VinciBlasco de Garay (Espagne 1543) tente de faire fonctionner un vaisseau par le moyen de roues à aubes mues par une machine non décriteG.B. della Porta décrit l’élévation d’une colonne d’eau par la vapeur et parle du vide créé par la condensation


Worcester et Salomon de Caus

En 1624, Salomon de Caus, architecte et ingénieur du Roy : L’eau montera à l’aide du feu plus haut que son niveau


Denis Papin

En 1681 il invente le digesteur, la soupape se lève sous l’action de la vapeur

En 1690 il crée le vide dans un cylindre par condensation de l’eau


Le Capitaine Th. Savery

En 1698, il présente une machine à élever l’eau des mines au moyen de la vapeur


Newcomen & Cawley

En 1712 Newcomen crée la machine atmosphérique. C’est la pression de l'air extérieur qui est à l'origine de la force motrice du système. Cette machine portera le nom de « Pompe à feu »


Humphrey Potter

Il était chargé d’ouvrir et de fermer les robinets d’une machine de NewcomenIl imagina un système de ficelles qui convenablement fixées au balancier ouvraient et fermaient les robinets. La machine de Newcomen donnait ses 15 ou 16 coups de piston par minute de manière automatique. Humphrey avait inventé la distribution.


La machine de James WattLes machines antérieures étaient à simple effet1776 Watt crée la machine à double effet et y apporte des améliorations :

le volantle régulateur à boulesLe tiroir de distributionLe balancier avec son parallélogramme


La machine de Watt


Le volant

il régule la vitesse de fonctionnementil accumule une partie de l’énergieil restitue à la machine son énergie cinétiquemais il ne limite pas la vitesse de la machine qui peut s’emballer


Le régulateur à boules

permet à la machine de régler sa vitesse par elle-même

naissance des systèmes d’asservissement


Le manomètre à Hg

le manomètre à mercure sert à mesurer la tension de la vapeur dans la chaudière et dans le condenseur


Le parallélogramme articulépermet de transformer le mouvement de translation du piston en mouvement de rotation

Le moteur universel est inventé


La machine à double effet

créée en 1779brevetée en 1882la vapeur est utilisée des deux cotés du pistonJ. Watt laisse une machine moderne à la veille du 19ème siècle, machine qui continuera à être améliorée


La détente en application

La vapeur produit le maximum de son effet, si au lieu d’établir la communication avec la chaudière pendant toute la durée de la course du piston, on interrompt cette communication lorsque le piston est au tiers de sa course, les deux tiers restants sont animés par la seule détente de la vapeur.


Olivier EvansL’apprenti charron de Philadelphie après avoir expérimenté la force de l’eau chauffée par le feu, crée la machine haute pression en 1797 (7, 8, 10 fois supérieure à la pression atmosphérique).Il supprime le condenseur et l’eau froide, la vapeur est libérée dans l’atmosphère après usage.La tige du piston est reliée à une bielle qui fait tourner une roue (1801).


La machine d’Arthur Woolf

utilise la double expansionla vapeur est admise dans le cylindre HP puis s’échappe dans le cylindre BP où elle continue sa détenteelle est ensuite libérée dans le condenseur ou dans l’atmosphère

1804


Chronologie


La chaudière

Un récipient clos et résistantIl existe des types variés de chaudières


Les éléments constitutifs

Le foyer, la grille, le cendrierLes carneaux et la cheminée (tirage)Le(s) bouilleur(s) qui contiennent l’eau (calcul de l’épaisseur des tôles du générateur)e = 3 mm + (1,8 mm * d * p)

Les tubes (d’eau ou à fumée)Le dôme de prise de vapeur


Les caractéristiques

La surface de chauffela surface des parois en contact avec les gaz (flammes ou fumées) en rapport avec la surface de la grille

Le volume d’eauLe volume de vapeurLa réserve calorifique croît avec ces volumes


Les accessoires

Les soupapes

Le niveau d’eau

Le manomètre

L’injecteur ou la pompe alimentaire


Le danger : l’explosion

Lorsque la pression de la vapeur est supérieure à la résistance du générateurVérifier

le niveau d’eaula pression (le fonctionnement des soupapes)les incrustations

La surproduction de vapeur due à la vaporisation instantanée


Différents types de machines

Machines à cylindre oscillant Machines verticalesAprès le double effet, apparaissent les machines horizontalesMachines locomotiveLocomobilesMachine marineMachines à vapeur rotativesLes turbines


La vapeur en navigation

Un siècle entre Newcomen et Fulton1695 idée de D. Papin « force de la vapeur à ramer contre le vent »1707 D. Papin fait construire un bateau avec une machine à vapeur. Il est détruit par les bateliers.1775 bateau des frères Périer sur la Seine1778 Jouffroy d’Abbans sur le Doubs1807 Fulton construit « Le Clermont »


Les grands inventeurs

Salomon de Caus avait évoqué cette idée dans un ouvrage dédié au roi Louis XIIIDenis PapinFrères PérierJouffroy d’AbbansFrançois CavéRobert FultonCharles Dallery


Denis PapinMédecine à AngersTravaille avec Huygens, LeibnitzCalviniste, il part pour Londres, rencontre Robert Boyle (machine à faire le vide)Dans Actes, il veut substituer la machine à vapeur au travail des galériensFait des recherches sur les sous-marinsEn 1707, à Marbourg, il construisit un bateau à roues à aubes sur la Fulda.


Le Marquis de Jouffroy d’Abbans

1778 il construit le Palmipède qui navigue sur le Doubs En 1783, il expérimente le Pyroscaphe, bateau à vapeur équipé de roues à aubes.En 1816, il lance sur la Seine le Charles-Philippe, bateau à vapeurIl a inauguré l'ère de la navigation fluviale à vapeur


Robert Fulton

Artiste peintreConsidéré comme l'inventeur du bateau à vapeur Il propose au Directoire un sous-marin baptisé Nautilus, 70 ans avant que Jules Verne n'écrive « Vingt mille lieues sous les mers »Le 9 août 1803, il fait fonctionner le premier bateau à vapeur sur la Seine,


Charles Dallery

Horloger, facteur d’orgues, bijoutier, mécanicienIl construit des machines à vapeur qu’il veut appliquer à la locomotionEn 1803, il envisage la construction d’un bateau à vapeur propulsé par une héliceDevancé par Fulton qui lance son bateau sur la SeineIl invente le différentiel


L’hélice

Vis d’Archimède (Duquest 1727)1768 l’hélicoïde de Paucton1803 Dallery deux vis mues par la vapeur1838 Smith et Ericson 1858 sur « l’Archimède »


Roues à aubes ou hélice

Roues à manivelle entraînées par des hommes, animaux (Chine, Rome Carthagène) En rivière, en mer…Pb d’encombrement pour les bateaux militaires

Elle est derrière la pièce d’étambotPropulseur toujours immergéLaisse libre la manœuvre à la voileLaisse de la place aux pièces d’artillerie

Roues à aubes Hélice


Le pop-pop

chaudière à vapeur dont la dilatation sert à expulser l'eau d'une conduite et que sa condensation sert à aspirer l'eau, par la dépression créée, dans la même conduite. Désiré Thomas Piot, (en 1891)C.J. Mc Hugh en 1924 améliore l'invention, en créant une chambre d'évaporation munie d'une membrane flexible


SourcesJouffroy d'abbanshttp://artic.ac-besancon.fr/lycee_jouffroy_d_abbans/abbans1.html

http://fr.wikipedia.org/wiki/Claude_Fran%C3%A7ois_Jouffroy_d'Abbans

http://artic.ac-besancon.fr/lycee_jouffroy_d_abbans/jouffroy.html

Denis Papinhttp://mendeleiev.cyberscol.qc.ca/chimisterie/9703/KAuclair.html

http://fr.wikipedia.org/wiki/Denis_Papinhttp://www.aquadesign.be/news/article-1748.phphttp://huguenots-france.org/france/celebrites/papin.htm

James Watt http://fr.wikipedia.org/wiki/James_Watthttp://visite.artsetmetiers.free.fr/watt.htmlhttp://www.infoscience.fr/histoire/biograph/biograph.php3?

Ref=114http://216.239.59.104/search?q=cache:TiGq9-VFlawJ:www.n-vandewiele.com/

Watt.PDF+james+watt&hl=fr&ct=clnk&cd=8&gl=fr

Th. Savery http://visite.artsetmetiers.free.fr/savery.hhttp://www.geocities.com/Athens/Acropolis/6914/Saverye.htm

Newcomen http://visite.artsetmetiers.free.fr/newcomen.htmhttp://gery.flament.free.fr/Fr/3D/Newcomen.htm

H. Potter http://www.history.rochester.edu/steam/carnegie/ch7.html

Arthur Woolf http://fr.wikipedia.org/wiki/Arthur_Woolf

Robert Fulton http://fr.wikipedia.org/wiki/Robert_Fulton

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