Chapitre 2
51
Un peu d’histoire :
le moteur compound
*
Dans les années 1830, le moteur à vapeur vient de
révolutionner le paysage et le réseau économique de
la Grande-Bretagne. Tout ou presque y voyage alors
par rail : passagers, récoltes, charbon, produits de
l’industrie. Ces trains sont tractés par des moteurs à
vapeur, aux dimensions monumentales et à l’efficacité déplorable — quatre-vingt-dix-sept pourcent de
l’énergie dégagée par le charbon est perdue dans les
cheminées. Ce n’est pas dramatique : le charbon et
l’eau abondent, et il suffit d’arrêts ponctuels le long
des lignes de chemin de fer pour réapprovisionner
les machines.
Sur les océans par contre, on utilise encore le vent
pour se déplacer. Pour pouvoir joindre deux continents au moteur (c’est-à-dire sans louvoyer !), il faut
résoudre deux problèmes.
Le premier est que les moteurs consomment beaucoup d’eau. L’eau de mer, certes abondante, est inutilisable en l’état car les dépôts de sel et de calcaire
provoqués lors de son ébullition étouffent les chaudières et entraînent un grave risque d’explosion. Il
faut donc la désaliniser si l’on veut l’insérer dans la
chaudière, ce qui est très coûteux en énergie.
Le problème sera résolu avec l’utilisation des
condenseurs, dont les locomotives étaient dispensées par économie de place. Désormais, lorsque la
vapeur a effectué son travail dans les cylindres, elle
n’est plus simplement jetée dans l’atmosphère, mais
refroidie dans de grands condenseurs avant d’être
comprimée puis ré-insérée dans la chaudière. L’eau
circule donc de façon cyclique à travers tout le moteur – il n’est plus besoin que de pallier les fuites.
Le second problème est plus grave et plus difficile à
résoudre : comment augmenter le rendement ? Ce
n’est pas qu’une question financière : le premier navire transatlantique à vapeur, le SS Savannah, est si
inefficace qu’il termine sa traversée à la voile, alors
qu’il n’était empli que du charbon de son moteur !
Pour augmenter le rendement d’un moteur de capacité donnée, on cherche à augmenter la quantité de
travail générée par chaque kilo de vapeur, qui peut
être approximée par la relation 2/10 :
Figure 2.16 – SS Savannah, première traversée atlantique
à vapeur en 1819, terminée à la voile.
Image par Hunter Wood (domaine public, 1819)
í µí±¤ A→B = − ∫
B
A
í µí± dí µí±£
La première chose à faire est d’augmenter la pression í µí± A de la vapeur, c’est-à-dire sa pression avant
qu’elle ne débute sa détente dans les cylindres. Ce
n’est pas chose facile : augmenter la pression de
la chaudière augmente les contraintes structurelles
qu’elle subit, donc son coût, et réduit son efficacité
car les parois doivent être épaissies et alourdies.
On peut ensuite tenter d’augmenter le Δí µí±£, c’est-àdire la variation totale de volume lors du mouvement du piston. Autrement dit, il faut augmenter le
volume balayé par les cylindres. Là encore, ce n’est
pas chose facile.
D’une part, lorsque l’on augmente le diamètre des
cylindres – ce qui augmente l’aire í µí°´ – on soumet
les pistons à une plus grande force í µí°¹ A , pour une
pression í µí± A donnée (2/5) :
í µí± ≡
í µí°¹
í µí°´
En augmentant la force transmise, on atteint rapidement les limites structurelles de la mécanique
motrice.
D’autre part, lorsque l’on augmente la longueur des
cylindres, on rallonge également le moteur et on
alourdit considérablement le mécanisme de bielle et
vilebrequin. D’autant que la pression et le volume
de la vapeur sont liés l’un à l’autre : ils suivent
approximativement une relation de type í µí±í µí±£ í µí± 1 = í µí± 2
pendant la détente. Autrement dit, plus le volume
augmente, plus la pression diminue : au fur et à
https://thermodynamique.fr – CC-by-sa Olivier Cleynen
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Un peu d’histoire :
le moteur compound
*
Dans les années 1830, le moteur à vapeur vient de
révolutionner le paysage et le réseau économique de
la Grande-Bretagne. Tout ou presque y voyage alors
par rail : passagers, récoltes, charbon, produits de
l’industrie. Ces trains sont tractés par des moteurs à
vapeur, aux dimensions monumentales et à l’efficacité déplorable — quatre-vingt-dix-sept pourcent de
l’énergie dégagée par le charbon est perdue dans les
cheminées. Ce n’est pas dramatique : le charbon et
l’eau abondent, et il suffit d’arrêts ponctuels le long
des lignes de chemin de fer pour réapprovisionner
les machines.
Sur les océans par contre, on utilise encore le vent
pour se déplacer. Pour pouvoir joindre deux continents au moteur (c’est-à-dire sans louvoyer !), il faut
résoudre deux problèmes.
Le premier est que les moteurs consomment beaucoup d’eau. L’eau de mer, certes abondante, est inutilisable en l’état car les dépôts de sel et de calcaire
provoqués lors de son ébullition étouffent les chaudières et entraînent un grave risque d’explosion. Il
faut donc la désaliniser si l’on veut l’insérer dans la
chaudière, ce qui est très coûteux en énergie.
Le problème sera résolu avec l’utilisation des
condenseurs, dont les locomotives étaient dispensées par économie de place. Désormais, lorsque la
vapeur a effectué son travail dans les cylindres, elle
n’est plus simplement jetée dans l’atmosphère, mais
refroidie dans de grands condenseurs avant d’être
comprimée puis ré-insérée dans la chaudière. L’eau
circule donc de façon cyclique à travers tout le moteur – il n’est plus besoin que de pallier les fuites.
Le second problème est plus grave et plus difficile à
résoudre : comment augmenter le rendement ? Ce
n’est pas qu’une question financière : le premier navire transatlantique à vapeur, le SS Savannah, est si
inefficace qu’il termine sa traversée à la voile, alors
qu’il n’était empli que du charbon de son moteur !
Pour augmenter le rendement d’un moteur de capacité donnée, on cherche à augmenter la quantité de
travail générée par chaque kilo de vapeur, qui peut
être approximée par la relation 2/10 :
Figure 2.16 – SS Savannah, première traversée atlantique
à vapeur en 1819, terminée à la voile.
Image par Hunter Wood (domaine public, 1819)
í µí±¤ A→B = − ∫
B
A
í µí± dí µí±£
La première chose à faire est d’augmenter la pression í µí± A de la vapeur, c’est-à-dire sa pression avant
qu’elle ne débute sa détente dans les cylindres. Ce
n’est pas chose facile : augmenter la pression de
la chaudière augmente les contraintes structurelles
qu’elle subit, donc son coût, et réduit son efficacité
car les parois doivent être épaissies et alourdies.
On peut ensuite tenter d’augmenter le Δí µí±£, c’est-àdire la variation totale de volume lors du mouvement du piston. Autrement dit, il faut augmenter le
volume balayé par les cylindres. Là encore, ce n’est
pas chose facile.
D’une part, lorsque l’on augmente le diamètre des
cylindres – ce qui augmente l’aire í µí°´ – on soumet
les pistons à une plus grande force í µí°¹ A , pour une
pression í µí± A donnée (2/5) :
í µí± ≡
í µí°¹
í µí°´
En augmentant la force transmise, on atteint rapidement les limites structurelles de la mécanique
motrice.
D’autre part, lorsque l’on augmente la longueur des
cylindres, on rallonge également le moteur et on
alourdit considérablement le mécanisme de bielle et
vilebrequin. D’autant que la pression et le volume
de la vapeur sont liés l’un à l’autre : ils suivent
approximativement une relation de type í µí±í µí±£ í µí± 1 = í µí± 2
pendant la détente. Autrement dit, plus le volume
augmente, plus la pression diminue : au fur et à
https://thermodynamique.fr – CC-by-sa Olivier Cleynen