Leau le feu Lhomme a toujours connu leau

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

De l’eau à la vapeur Quand on chauffe de l’eau, elle se transforme en vapeur Dans le fond du récipient des bulles se forment et remontent vers la surface L’eau chante Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 2

L’ébullition Différence 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. Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 3

L’influence de la pression L’eau bout à 100° à la pression atmosphérique de 760 mm de mercure. 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° Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 4

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 Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 5

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). Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 6

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, 91 mm 0, 0723 60° 148, 79 mm 0, 1957 80° 354, 62 mm 0, 4666 100° 760 mm 1, 000 120° 149, 28 mm 1, 962 160° 4651, 62 mm 6, 120 200° 111689, 00 mm 15, 380 Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 7

Héron d’Alexandrie 120 Av. JC Héron d’Alexandrie fabrique l’éolipyle Lampe à éoplipyle sur chariot (fin 18ème siècle) r. Ats & Métiers Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 8

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 Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 9

La Renaissance Milieu du XVIème S. Jérôme Cardan invente le tournebroche mu par la vapeur En 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 » Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 10

La Renaissance Agostino Ramelli écrit un livre à Paris en 1588 sur la vapeur (descriptions de machines et dessins) Le canon à vapeur de Léonard de Vinci Blasco de Garay (Espagne 1543) tente de faire fonctionner un vaisseau par le moyen de roues à aubes mues par une machine non décrite G. B. della Porta décrit l’élévation d’une colonne d’eau par la vapeur et parle du vide créé par la condensation Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 11

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 Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 12

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

Le Capitaine Th. Savery En 1698, il présente une machine à élever l’eau des mines au moyen de la vapeur Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 14

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 » Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 15

Humphrey Potter Il était chargé d’ouvrir et de fermer les robinets d’une machine de Newcomen Il 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. Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 16

La machine de James Watt Les machines antérieures étaient à simple effet 1776 Watt crée la machine à double effet et y apporte des améliorations : le volant le régulateur à boules Le tiroir de distribution Le balancier avec son parallélogramme Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 17

La machine de Watt Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 18

Le volant il régule la vitesse de fonctionnement il accumule une partie de l’énergie il restitue à la machine son énergie cinétique mais il ne limite pas la vitesse de la machine qui peut s’emballer Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 19

Le régulateur à boules permet à la machine de régler sa vitesse par elle-même naissance des systèmes d’asservissement Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 20

Le manomètre à Hg le manomètre à mercure sert à mesurer la tension de la vapeur dans la chaudière et dans le condenseur Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 21

Le parallélogramme articulé permet de transformer le mouvement de translation du piston en mouvement de rotation Le moteur universel est inventé Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 22

La machine à double effet créée en 1779 brevetée en 1882 la vapeur est utilisée des deux cotés du piston J. Watt laisse une machine moderne à la veille du 19ème siècle, machine qui continuera à être améliorée Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 23

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. Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 24

Olivier Evans L’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). Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 25

La machine d’Arthur Woolf utilise la double expansion la vapeur est admise dans le cylindre HP puis s’échappe dans le cylindre BP où elle continue sa détente elle est ensuite libérée dans le condenseur ou dans l’atmosphère 1804 Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 26

Chronologie Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 27

La chaudière Un récipient clos et résistant Il existe des types variés de chaudières Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 28

Les éléments constitutifs Le foyer, la grille, le cendrier Les 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 Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 29

Les caractéristiques La surface de chauffe la surface des parois en contact avec les gaz (flammes ou fumées) en rapport avec la surface de la grille Le volume d’eau Le volume de vapeur La réserve calorifique croît avec ces volumes Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 30

Les accessoires Les soupapes Le niveau d’eau Le manomètre L’injecteur ou la pompe alimentaire Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 31

Le danger : l’explosion Lorsque la pression de la vapeur est supérieure à la résistance du générateur Vérifier le niveau d’eau la pression (le fonctionnement des soupapes) les incrustations La surproduction de vapeur due à la vaporisation instantanée Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 32

Différents types de machines Machines à cylindre oscillant Machines verticales Après le double effet, apparaissent les machines horizontales Machines locomotive Locomobiles Machine marine Machines à vapeur rotatives Les turbines Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 33

La vapeur en navigation Un siècle entre Newcomen et Fulton 1695 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 Seine 1778 Jouffroy d’Abbans sur le Doubs 1807 Fulton construit « Le Clermont » Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 34

Les grands inventeurs Salomon de Caus avait évoqué cette idée dans un ouvrage dédié au roi Louis XIII Denis Papin Frères Périer Jouffroy d’Abbans François Cavé Robert Fulton Charles Dallery Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 35

Denis Papin Médecine à Angers Travaille avec Huygens, Leibnitz Calviniste, il part pour Londres, rencontre Robert Boyle (machine à faire le vide) Dans Actes, il veut substituer la machine à vapeur au travail des galériens Fait des recherches sur les sous-marins En 1707, à Marbourg, il construisit un bateau à roues à aubes sur la Fulda. Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 36

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 vapeur Il a inauguré l'ère de la navigation fluviale à vapeur Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 37

Robert Fulton Artiste peintre Considéré 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, Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 38

Charles Dallery Horloger, facteur d’orgues, bijoutier, mécanicien Il construit des machines à vapeur qu’il veut appliquer à la locomotion En 1803, il envisage la construction d’un bateau à vapeur propulsé par une hélice Devancé par Fulton qui lance son bateau sur la Seine Il invente le différentiel Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 39

L’hélice Vis d’Archimède (Duquest 1727) 1768 l’hélicoïde de Paucton 1803 Dallery deux vis mues par la vapeur 1838 Smith et Ericson 1858 sur « l’Archimède » Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 40

Roues à aubes ou hélice Roues à aubes Roues à manivelle entraînées par des hommes, animaux (Chine, Rome Carthagène) En rivière, en mer… Pb d’encombrement pour les bateaux militaires Marc André Dubout – 13 mars 2007 Hélice Elle est derrière la pièce d’étambot Propulseur toujours immergé Laisse libre la manœuvre à la voile Laisse de la place aux pièces d’artillerie Histoire de la vapeur 41

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 Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 42

Sources Jouffroy d'abbans http: //artic. ac-besancon. fr/lycee_jouffroy_d_abbans/abbans 1. html http: //fr. wikipedia. org/wiki/Claude_Fran%C 3%A 7 ois_Jouffroy_d'Abbans http: //artic. ac-besancon. fr/lycee_jouffroy_d_abbans/jouffroy. html Denis Papin http: //mendeleiev. cyberscol. qc. ca/chimisterie/9703/KAuclair. html http: //fr. wikipedia. org/wiki/Denis_Papin http: //www. aquadesign. be/news/article-1748. php http: //huguenots-france. org/france/celebrites/papin. htm James Watt http: //fr. wikipedia. org/wiki/James_Watt http: //visite. artsetmetiers. free. fr/watt. html http: //www. infoscience. fr/histoire/biograph. php 3? Ref=114 http: //216. 239. 59. 104/search? q=cache: Ti. Gq 9 -VFlaw. J: www. nvandewiele. com/Watt. PDF+james+watt&hl=fr&ct=clnk&cd=8&gl=fr Th. Savery http: //visite. artsetmetiers. free. fr/savery. h http: //www. geocities. com/Athens/Acropolis/6914/Saverye. htm Newcomen http: //visite. artsetmetiers. free. fr/newcomen. htm http: //gery. flament. free. fr/Fr/3 D/Newcomen. htm H. Potter http: //www. history. rochester. edu/steam/carnegie/ch 7. html Arthur Woolf http: //fr. wikipedia. org/wiki/Arthur_Woolf Robert Fulton http: //fr. wikipedia. org/wiki/Robert_Fulton Marc André Dubout – 13 mars 2007 Histoire de la vapeur 43