Moteur à vapeurdit
Voir aussi: Efficacité du moteur à vapeur # Voir aussi: Chronologie de la puissance à vapeur
Moteur à pistonsdit
Les moteurs à vapeur et les turbines fonctionnent selon le cycle de Rankine qui a un rendement maximal de Carnot de 63% pour les moteurs pratiques, les centrales à turbine à vapeur pouvant atteindre un rendement de l’ordre de 40%.
L’efficacité des machines à vapeur est principalement liée à la température et à la pression de la vapeur et au nombre d’étages ou de dilatations. L’efficacité des machines à vapeur s’est améliorée au fur et à mesure que les principes de fonctionnement ont été découverts, ce qui a conduit au développement de la science de la thermodynamique. Voir graphique: Efficacité des machines à vapeur
Dans les premières machines à vapeur, la chaudière était considérée comme faisant partie du moteur. Aujourd’hui, ils sont considérés comme séparés, il est donc nécessaire de savoir si l’efficacité déclarée est globale, ce qui inclut la chaudière, ou simplement le moteur.
Les comparaisons de l’efficacité et de la puissance des premières machines à vapeur sont difficiles pour plusieurs raisons: 1) il n’y avait pas de poids standard pour un boisseau de charbon, qui pouvait aller de 82 à 96 livres (37 à 44 kg). 2) Il n’y avait pas de valeur calorifique standard pour le charbon, et probablement aucun moyen de mesurer la valeur calorifique. Les charbons avaient une valeur calorifique beaucoup plus élevée que les charbons à vapeur d’aujourd’hui, avec 13 500 BTU / livre (31 mégajoules / kg) parfois mentionnés. 3) L’efficacité a été déclarée comme « devoir », c’est-à-dire combien de livres de pied (ou newton-mètres) d’eau de levage de travail ont été produites, mais l’efficacité du pompage mécanique n’est pas connue.
La première machine à vapeur à piston, développée par Thomas Newcomen vers 1710, était un peu plus d’un demi-pour cent (0,5%) d’efficacité. Il fonctionnait avec de la vapeur à pression atmosphérique proche aspirée dans le cylindre par la charge, puis condensée par un jet d’eau froide dans le cylindre rempli de vapeur, provoquant un vide partiel dans le cylindre et la pression de l’atmosphère entraînant le piston vers le bas. L’utilisation du cylindre comme récipient dans lequel condenser la vapeur a également refroidi le cylindre, de sorte qu’une partie de la chaleur de la vapeur entrante lors du cycle suivant a été perdue lors du réchauffement du cylindre, réduisant ainsi l’efficacité thermique. Les améliorations apportées par John Smeaton au moteur Newcomen ont augmenté l’efficacité à plus de 1%.
James Watt a apporté plusieurs améliorations au moteur Newcomen, dont la plus importante était le condenseur externe, qui empêchait l’eau de refroidissement de refroidir le cylindre. Le moteur de Watt fonctionnait avec de la vapeur légèrement au-dessus de la pression atmosphérique. Les améliorations de Watt ont augmenté l’efficacité d’un facteur supérieur à 2,5.Le manque de capacités mécaniques générales, y compris des mécaniciens qualifiés, des machines-outils et des méthodes de fabrication, a limité l’efficacité des moteurs réels et leur conception jusqu’en 1840 environ.
Les moteurs à haute pression ont été développés par Oliver Evans et indépendamment par Richard Trevithick. Ces moteurs n’étaient pas très efficaces mais avaient un rapport puissance / poids élevé, ce qui leur permettait d’être utilisés pour alimenter des locomotives et des bateaux.
Le régulateur centrifuge, qui avait d’abord été utilisé par Watt pour maintenir une vitesse constante, fonctionnait en étranglant la vapeur d’entrée, ce qui abaissait la pression, entraînant une perte d’efficacité sur les moteurs à haute pression (au-dessus de l’atmosphère). Des méthodes de contrôle ultérieures ont réduit ou éliminé cette perte de pression.
Le mécanisme de soupape amélioré de la machine à vapeur Corliss (breveté. 1849) était mieux en mesure d’ajuster la vitesse avec une charge variable et d’augmenter l’efficacité d’environ 30%. Le moteur Corliss avait des soupapes et des collecteurs séparés pour la vapeur d’entrée et d’échappement, de sorte que la vapeur d’alimentation chaude n’a jamais contacté les orifices d’échappement et les soupapes du refroidisseur. Les vannes étaient à action rapide, ce qui a réduit la quantité d’étranglement de la vapeur et a entraîné une réponse plus rapide. Au lieu de faire fonctionner une vanne d’étranglement, le régulateur a été utilisé pour ajuster le calage de la vanne pour donner une coupure de vapeur variable. La coupure variable était responsable d’une grande partie de l’augmentation du rendement du moteur Corliss.
D’autres avant Corliss avaient au moins une partie de cette idée, y compris Zachariah Allen, qui a breveté la coupure variable, mais le manque de demande, l’augmentation des coûts et de la complexité et la technologie d’usinage peu développée ont retardé l’introduction jusqu’à Corliss.
Le moteur à grande vitesse Porter-Allen (env. 1862) fonctionnaient à une vitesse de trois à cinq fois supérieure à celle des autres moteurs de taille similaire. La vitesse plus élevée a minimisé la quantité de condensation dans le cylindre, ce qui a entraîné une efficacité accrue.
Les moteurs compound ont encore amélioré leur efficacité. Dans les années 1870, des moteurs à triple expansion étaient utilisés sur les navires. Les moteurs compound permettaient aux navires de transporter moins de charbon que de fret. Des moteurs compound ont été utilisés sur certaines locomotives mais n’ont pas été largement adoptés en raison de leur complexité mécanique.
Une locomotive à vapeur très bien conçue et construite permettait d’obtenir un rendement de 7 à 8% à son apogée. La conception de machine à vapeur alternative la plus efficace (par étage) était le moteur uniflow, mais au moment où il est apparu que la vapeur était déplacée par des moteurs diesel, qui étaient encore plus efficaces et avaient l’avantage de nécessiter moins de main-d’œuvre pour la manutention du charbon et du pétrole, étant un carburant plus dense, moins de cargaison déplacée.
À l’aide de statistiques collectées au début des années 1940, le Santa Fe Railroad a mesuré l’efficacité de son parc de locomotives à vapeur par rapport aux unités FT qu’il venait de mettre en service en nombre significatif. Ils ont déterminé que le coût d’une tonne de mazout utilisée dans les machines à vapeur était de 5,04 $ et que le réseau avait une largeur moyenne de 20,37 milles de train. Le carburant diesel coûtait 11,61 $ mais produisait 133,13 milles de train par tonne. En effet, les diesels roulaient six fois plus loin que les bateaux à vapeur utilisant du carburant qui ne coûtait que deux fois plus cher. Cela était dû à la bien meilleure efficacité thermique des moteurs diesel par rapport à la vapeur. De manière persistante, les trains utilisés comme norme de kilométrage étaient des marchandises de 4 000 tonnes, ce qui était le tannage normal l (sic) à l’époque.
— Jim Valle, « Quelle est l’efficacité d’une machine à vapeur? »
turbineEdit à vapeur
La turbine à vapeur est la machine à vapeur la plus efficace et est pour cette raison universellement utilisée pour la production électrique. La détente de la vapeur dans une turbine est presque continue, ce qui rend une turbine comparable à un très grand nombre d’étages de détente. Les centrales à vapeur fonctionnant au point critique ont un rendement de l’ordre de 40 %. Les turbines produisent un mouvement rotatif direct et sont beaucoup plus compactes et pèsent beaucoup moins que les moteurs alternatifs et peuvent être contrôlées à une vitesse très constante. Comme c’est le cas avec la turbine à gaz, la turbine à vapeur fonctionne le plus efficacement à pleine puissance, et mal à des vitesses plus lentes. Pour cette raison, malgré leur rapport puissance / poids élevé, les turbines à vapeur ont été principalement utilisées dans des applications où elles peuvent fonctionner à une vitesse constante. Dans la production électrique à courant alternatif, le maintien d’une vitesse de turbine extrêmement constante est nécessaire pour maintenir la fréquence correcte.
Moteurs Stirlingmodifier
Le moteur à cycle Stirling a le rendement théorique le plus élevé de tous les moteurs thermiques, mais son rapport puissance / poids est faible, de sorte que les moteurs Stirling de taille pratique ont tendance à être volumineux. L’effet de taille du moteur Stirling est dû à sa dépendance à la dilatation d’un gaz avec une augmentation de la température et à des limites pratiques sur la température de fonctionnement des composants du moteur. Pour un gaz idéal, l’augmentation de sa température absolue pour un volume donné n’augmente que proportionnellement sa pression, donc, lorsque la basse pression du moteur Stirling est atmosphérique, sa différence de pression pratique est contrainte par des limites de température et n’est typiquement pas supérieure à quelques atmosphères, ce qui rend les pressions de piston du moteur Stirling très faibles, d’où des zones de piston relativement importantes sont nécessaires pour obtenir une puissance de sortie utile.