La machine à vapeur

Il existe beaucoup de types de machines à vapeur. En modélisme, vous trouverez la machine à cylindre oscillant à simple ou double effet. La machine à simple, double ou triple expansion, à tiroirs, à clapets ou à soupapes. Elles seront réalisées en bronze hormis quelques pièces qui pourront être en acier. Le bronze a l'avantage de ne pas s'oxyder et ne demande pas un système de graissage sophistiqué. Toutes fonctionnent suivant le même principe.

- la machine alternative

- la machine à pilon ou Compound

Les Compound ont 2 cylindres, 3 ou 4 pour les triple et quadruple expansion. Le principe de fonctionnement est à double effet. La vapeur travaille des deux cotés du piston. Ceci implique un condenseur qui condense la vapeur et crée du vide à l'échappement. Ça accroît la puissance et diminue la consommation tout en augmentant le fonctionnement.

Remerciement à Mr Boyer et à sa collaboration pour nous montrer son projet d'un bi-cylindre double effet avec distribution par coulisse de Stephenson. Nous ne pouvons que rester admiratifs devant le travail accompli par Mr Boyer. Pour en savoir plus sur ce moteur et voir les plans n'hésitez pas à aller sur le site : http://perso.orange.fr/jean-luc.soumard/moteur_vapeur.htm

Mais comment celà fonctionne-t-il ?

- le mini-moteur haute pression

Ces micro-cylindrés exigent une haute qualité d'usinage voire professionnel. Qui dit petite machine, dit petit poids, faible cylindrée, chaudière moindre. Le but est de réduire la cylindrée et d'obtenir le gain en puissance en augmentant le timbre. Ces petites merveilles affectionnent les 7 bars. Pour un piston de 1cm2, pour chaque tour émis, il appuie de 7 kg sur la soie de l'arbre à manivelle ! Par rapport à la basse pression, la même cylindrée donne une charge cumulée de 2,5 fois supérieure. L'enjeu vaut bien la peine de forcer sur la chauffe.

- Le moteur Stirling

La spécificité est que la vapeur est remplacée par l'air. Plus de chaudière ! Le principe est d'utiliser la dilatation due au réchauffement et au refroidissement rapide de l'air déplacé par un piston d'éviction. La " chambre " contient en son extrémité la paille de fer, appelé régénérateur.

Le cycle thermodynamique du moteur Stirling comprend quatre période où le gaz utilisé subit des dilatations.

- 1er temps : une flamme chauffe le volume de gaz. La pression et la température augmentent.

- 2ème temps : le volume de gaz s'accroît alors que la pression diminue. C'est la phase de détente et c'est le moment de la production d'énergie mécanique.

- 3ème temps : la source de chauffe est supprimée et remplacer par une source froide. La température et la pression diminue pendant cette période.

- 4ème temps : la pression du gaz diminue au fur et à mesure que son volume diminue. C'est la période compression.

La réalisation d'un moteur sur ce principe poserait des difficultés : allumer une flamme, l'éteindre, refroidir le gaz, chocs thermiques successifs.... Nous utiliserons un artifice pour rendre plus facile la réalisation et l'utilisation de ce moteur. C'est le déplaceur.

Le moteur Stirling a une vitesse de rotation de 2000 à 2500 tours par minute et un poids faible, de l'ordre de 700 grammes à un kilo. Son autonomie avec un brûleur à alcool est d'environ 45 minutes. L'inconvénient, c'est sa faible puissance !

Les auxiliaires

- Les tubes et les raccords

Commençons par les pertes calorifiques. Quel tube utiliser et choix du métal ?

Ouvrons un livre d'école et regardons les spécificités du métal.

Métal
Coefficient de conductibilité thermique du métal à 18°C
Coefficient de chaleur nécessaire pour élever de 1°C 1Kg de métal
Température de fusion
Cuivre
333 Kcal/m2/h
0,093
1090°C
Laiton
85Kcal/m2/h
0,087
940°C
Fer
56 Kcal/m2/h
0,120
1535°C
Acier doux
39 Kcal/m2/h
0,110
1400°C

A la lecture de ces données, une constatation s'impose. Le travail et les soudures du fer et de l'acier sont difficiles pour un modéliste même si les coefficients peuvent nous intéresser. Au diable la difficulté et contournons-la en utilisant le laiton pour l'admission de vapeur dans la machine (moindre dissipation de chaleur que le cuivre) et le cuivre pour la chauffe de l'eau et l'échappement de la machine.

Ouvrons à nouveau notre livre pour le calorifuge de nos tubes et chaudières.

Isolant
Coefficient de conductibilité thermique pour 1 mètre d'épaisseur à 150°C
Plâtre
0,400 Kcal/m2/°C
Feutre
0,080 Kcal/m2/°C
Amiante
0,095 Kcal/m2/°C
Laine de roche
0,040 Kcal/m2/°C
Laine de verre
0,030 Kcal/m2/°C
Air
0,022 Kcal/m2/°C

Il faut se rendre à l'évidence. L'air est le meilleur isolant. L'amiante est à proscrire pour notre santé. Reste la laine. Placez celle-ci, moelleuse, autour du tube, la maintenir avec une bande de gaze de 1 cm entourée sur la laine mais sans trop serrer (il faut conserver au maximum l'air) et enduire d'une fine couche de plâtre. Après séchage, vous obtenez un bon compromis isolant.

En faisant le calcul, les pertes en calories pour un tube de 6 mm sont de 45 Kcal/m2/h avec 3 mm d'épaisseur d'isolant ainsi constitués.

Poursuivons par les pertes de pression.

Sans être un ténor en physique, chacun sait que pour une pression d'entrée fixe, plus le diamètre d'un tube est gros et plus la longueur augmente, plus la pression diminue. Vos tubes ne sont jamais en liaison directe et rectiligne. Sur leurs parcours, les obstacles sont nombreux : Coudes, robinets, dérivations et piquages, etc. Sans rentrer dans la mécanique des fluides, il faut savoir qu'un tube de 1 m de long et de 10 mm de diamètre, équipé de 2 coudes à 90° correspond à augmenter sa longueur de 80% alors qu'en utilisant des coudes à 45°, cette augmentation se réduit à 25%. Même constatations avec un piquage à 90°, l'augmentation est de 50% contre 30% s'il est réalisé à 45°.

Qui dit allongement de tube, dit pertes thermiques ! Nous rechercherons donc le plus court chemin entre la chaudière et la machine, nous éliminerons au maximum toutes les dérivations en T et réaliserons des courbes à grand rayon au lieu de coudes à 90° du commerce.

En résumé, le tube d'alimentation sera en laiton de faible diamètre, isolé et la distance, entre la chaudière et la machine, la plus courte possible en tenant compte des explications ci dessus. Installez, chaque fois que c'est possible, un surchauffeur en sortie de chaudière. Le tube d'échappement sera en cuivre de plus gros diamètre, non isolé.

- Le condenseur

Il est situé à la sortie de l'échappement. Son rôle est de condenser la vapeur et de créer du vide. La vapeur est transformée dans cet appareil en eau. Cette eau est refoulée pour être repris par la pompe alimentaire dans la bâche ou la chaudière.

La consommation d'eau diminue. Le vide accroît la puissance et aspire la vapeur d'eau d'échappement. Le rendement des machines à double effet en est amélioré.

Nota : avec une machine oscillante, nous n'avons pas besoin du condenseur.

Conclusion

Nous voici arrivés à l'envie de réaliser une machinerie de bateau.

Pour les férus de mécanique et de bateaux de grande taille, vous privilégierez une machine à double ou triple expansion, équipée d'un condenseur.

Pour les créateurs à la recherche de rendement, les machines monocylindres à tiroirs ou soupapes permettent un fonctionnement à très haut régime mais avec de la haute pression.

Pour les aventureux dans la vapeur, peu outillés, une machine simple à cylindre oscillant, alimentée par une bonne chaudière pas trop sophistiquée, offre une très bonne satisfaction aux nombreux " vaporistes " amateurs.

Enfin, pour ceux que la vapeur effraie un peu mais amateurs de belle mécanique, le moteur Stirling offre de belle perspective pour des petits modèles.

A l'instant T, le piston du tiroir et le piston sont en opposition

L'alimentation de la vapeur ( en rouge ) qui est ouverte par le tiroir j entre dans le cylindre k et pousse le piston.

Celui-ci actionne la bielle l dans le cycle de travail et fait tourner la soie de manivelle m.

Cette dernière mue le tiroir en sens inverse fermant progressivement l'admission de la vapeur.

En fin de course, l'alimentation de la vapeur est fermée et l'échappement ( en bleu ) est ouvert par le piston.

Durant la phase de retour, la vapeur s'échappe et la pression baisse dans le cylindre.

Dans le même temps, le tiroir rouvre progressivement l'alimentation de la vapeur. L'arbre aura fait un tour et le cycle recommence.

Le piston est dans le sens aller.

L'air sort du régénérateur aidé par la chaleur d'une flamme.

La pression interne est supérieure à la pression ambiante, le piston pousse la bielle.

Le piston arrive dans le sens retour.

L'air se déplace vers le régénérateur en cédant des calories à la paille de fer.

La pression interne devient inférieure à la pression atmosphérique, le piston tire la bielle.

La paille de fer " décale " dans le temps les variations de pression par rapport au déplacement de l'air du au mouvement du piston. Elle agit comme un condensateur électrique qui déphase l'intensité par rapport à la tension.

A l'instant T, le tiroir, par la coulisse de Stephenson, est en position ¾ gauche et le piston entièrement à gauche.

j La phase d'admission commence et la vapeur pousse le piston durant ¼ de sa course.

k L'alimentation est grande ouverte et la phase de détente amène le piston à mi-course.

l L'admission se ferme et la phase d'échappement commence avec le piston qui continue sa course, maintenant au ¾ du cylindre.

m La dernière phase est la compression. Le piston en fin de course comprime la vapeur résiduelle et la coulisse de Stephenson commence l'admission en sens inverse.

Durant ce processus, la soie de manivelle n'a tourné que de un demi-tour.

Pendant que le piston reçoit la vapeur du coté gauche et est en phase de travail, le coté droit est en phase d'échappement.

Au retour du piston, le cycle s'inverse de coté.