Un moteur à combustion externe qui produit de l'énergie mécanique grâce à l'utilisation de vapeur d'eau est appelé un moteur à vapeur. En particulier, l'énergie thermique est transformée en vapeur génératrice d'énergie mécanique.
La chaleur est générée par la combustion de combustibles fossiles. Normalement, de grandes quantités de charbon sont utilisées, mais elles peuvent également provenir du bois, des réactions nucléaires ou même de l'énergie solaire.
C'est l'une des inventions les plus importantes de la révolution industrielle du XIXe siècle.
Comment fonctionne une machine à vapeur?
Le fonctionnement de base d'une machine à vapeur est basé sur les étapes suivantes:
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Générez une source de chaleur pour faire bouillir l'eau.
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L'eau se transforme en vapeur.
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Profitez de la pression de la vapeur pour activer un mécanisme mécanique.
Générateur de vapeur ou chaudière
Une partie essentielle du système est le générateur de vapeur ou la chaudière. Dans la chaudière, il est chauffé à l'eau et il est converti en vapeur par l'administration de chaleur. La vapeur est ensuite envoyée au moteur, qui peut être de deux types de base:
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Moteur alternatif, poussant un piston.
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Moteur rotatif, entraînant une turbine à vapeur.
Moteur alternatif d'une machine à vapeur
Dans le moteur alternatif, la vapeur déplace les soupapes d'actionnement qui permettent au piston d'être poussé des deux côtés. À chaque rotation du moteur, il a deux phases actives. Dans les moteurs thermiques à combustion interne, il y a généralement une expansion toutes les 4 phases (moteur 4 temps).
À partir de la seconde moitié de 1800, presque tous les moteurs à vapeur utilisaient deux, trois et même quatre cylindres en série pour les moteurs à double et triple expansion.
Turbines à vapeur
La turbine a complètement supplanté dans les moteurs marins alternatifs. Plus tard, les moteurs à combustion interne et les turbines à gaz ont été remplacés. Les turbines à vapeur restent utilisées, en particulier dans les centrales électriques, comme force motrice pour la conduite d'alternateurs triphasés.
Dans les applications traditionnelles, aujourd'hui la machine à vapeur a été presque entièrement remplacée par le moteur à combustion interne. Comparé à la machine à vapeur, le moteur thermique est plus compact et puissant et ne nécessite pas de phase de préchauffage pour mettre la chaudière sous pression.
Qui a inventé la machine à vapeur?
L'inventeur de la première machine à vapeur était Thomas Savery en 1698. Ce premier moteur était une pompe à eau.
L'inventeur de la machine à vapeur, tel que nous le connaissons aujourd'hui, était James Watt (1769).
Cette première machine à vapeur commerciale était une pompe à eau. Savery a utilisé de la vapeur de condensation pour créer un vide qui a permis à l'eau de remonter par le bas. Ensuite, une pression a été fournie pour le soulever davantage.
Le moteur de Savery était utilisé dans les mines, les stations de pompage et l'approvisionnement en eau des roues hydrauliques qui alimentaient les machines textiles. La machine à vapeur de Savery était peu coûteuse.
Plus tard, le premier moteur à vapeur à piston est apparu: Le premier moteur commercialement réussi qui pouvait transmettre une puissance continue à une machine était le moteur atmosphérique, inventé par Thomas Newcomen vers 1712. Newcomen a amélioré la pompe à vapeur Savery, en utilisant un piston comme Papin l'a suggéré.
La machine Newcomen est devenue le premier moteur à succès commercial utilisant le principe du piston et du cylindre. C'était le type fondamental de machine à vapeur utilisé jusqu'au début du 20e siècle.
Ce n'est qu'à la fin du XVIIIe siècle que des machines à vapeur fiables et efficaces ont vu le jour lors des premières tentatives sérieuses de propulsion navale par vapeur.
Machine à vapeur James Watt
La machine à vapeur de James Watt est le résultat des améliorations apportées par Watt à la machine Newcomen (1769).
Ces améliorations, en partie grâce aux recherches thermodynamiques de Joseph Black, ont conduit à la fabrication de la machine à vapeur d'aujourd'hui.
Wat était un ingénieur en mécanique écossais, inventeur et chimiste formé à l'Université de Glasgow. Avec le fabricant anglais Matthew Boulton, ils ont fondé la société Boulton and Watt. Cette entreprise a été l'une des premières à concevoir et fabriquer des moteurs à vapeur.
En l'honneur de James, l'unité d'énergie électrique est appelée le watt dans le système de mesure international.
Caractéristiques du moteur à vapeur Watt
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Il avait une chambre séparée pour la condensation de vapeur.
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Les coûts étaient inférieurs à ceux de la machine Newcomen.
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Il évitait la perte de vapeur produite à chaque cycle. Pour ce faire, Watt a isolé le cylindre afin qu'il reste à la température de la vapeur.
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La chambre de condensation séparée était refroidie par air.
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Dans la chambre de condensation comprenait une pompe pour faire un vide pour absorber la vapeur du cylindre au condenseur.
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Il a fonctionné avec la pression de vapeur au lieu de la pression atmosphérique pour obtenir le mouvement.
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Il a permis de convertir le mouvement linéaire des pistons en un mouvement circulaire.
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Il avait des vannes papillon pour limiter la vitesse. Il avait également des régulateurs qui maintenaient automatiquement une vitesse de fonctionnement stable.
La prochaine avancée majeure a été l'émergence de moteurs pratiques sans condensation. Cependant, Watt n'a pas réussi à perfectionner ces types de machines.
Qu'est-ce que la machine Papin?
La machine de Papin est une version améliorée des premières machines à vapeur.
La machine de l'inventeur français Denis Papin était constituée d'une chaudière à eau scellée. Tout d'abord, il a été soumis à une source de chaleur jusqu'à obtention de vapeur. La pression de la vapeur a poussé le piston.
Par la suite, la chaudière a été soumise à une source froide. De cette façon, la vapeur s'est condensée et le piston s'est abaissé.
Papin a inventé et utilisé pour la première fois une soupape de sécurité dans la conception d'une chaudière à vapeur.