Le carnet du CFC
Rendement d’une machine à vapeur
Une machine à vapeur produit un travail mécanique à partir de la chaleur produite pas la combustion. La transformation de l’énergie thermique en l’énergie mécanique se fait en deux étapes :
la vaporisation de l’eau dans la chaudière
Pour évaluer le rendement global de la machine, il faut considérer le rendement de chacune des étapes.
Les locomotives du CFC sont chauffées au charbon et fonctionnent à la vapeur saturée (non surchauffée) et sont à pistons à simple détente (par opposition aux machines à turbines et aux machines compound où la vapeur subit plusieurs détentes successives), c’est donc le cas de ces machines qui sera seul détaillé dans la suite.
1. Rendement de la chaudière, production de vapeur
Le rendement de production de vapeur correspond à la fraction de l’énergie fournie par la combustion du charbon qui se retrouve dans la vapeur.
Ainsi, la combustion d’un kilogramme de charbon produit en moyenne environ 8 000 calories, soit 33 480 kilojoules, permet en pratique de vaporiser environ 8 kg d’eau à 10 bars lorsque les conditions de fonctionnement de la chaudière sont bonnes.
Or, la vaporisation de ce kilogramme d’eau à 180°C à 10 bars nécessite environ 2 762 kilojoules (valeur donnée par les tables thermodynamiques) ; de ce fait, l’énergie du kilogramme de charbon permettrait en théorie de vaporiser 33 480 / 2 762, soit plus de 12 kg d’eau.
Le rendement de la chaudière, dans le cas évoqué est donc de 8/12 = 67%.
Ce rendement dépend :
de l’efficacité de la combustion du charbon
1.1. Efficacité de combustion
Cette efficacité dépend surtout de la façon de mener le feu, mais aussi en partie de l’adéquation du combustible au foyer. Le feu doit être conduit de façon à obtenir une combustion aussi parfaite que possible, condition pour utiliser la puissance calorifique du combustible et réduire la consommation au minimum.
L’efficacité de la combustion diminue si l’air arrive en quantité insuffisante, ce qui se traduit part des fumées noires à la cheminée contenant du carbone imbrûlé. Cela se produit si :
Une partie du combustible, surtout la fraction fine, peut être perdue sous forme d’escarbilles, soit parce que les menus morceaux de charbon passent à travers la grille avant d’avoir brûlé, ce qui se produit si on utilise un charbon trop fin pour la grille ou un charbon qui se désagrège en brûlant.
Des escarbilles peuvent aussi être entraînées par le courant d’air traversant le foyer, on les retrouvera alors dans la boîte à fumée ou au pire, elles traverseront le pare escarbilles et sortiront par la cheminée. Dans les deux cas, il peut résulter des inconvénients graves :
incendie dans la boîte à fumée, qui peut y provoquer des dégâts plus ou moins grave (déformation, voire fusion de parties de la boîte à fumée, notamment la porte)
Pour toutes ces raisons, il faut éviter au maximum l’entraînement des escarbilles, notamment en vérifiant soigneusement le pare escarbilles, mais aussi en évitant les coups de tirage par une ouverture trop brusque du régulateur, ou alors, faire en sorte d’avoir un feu bien stable au moment de faire appel à la puissance de la machine (éviter notamment d’avoir chargé le feu juste avant avec du charbon fin).
1.2. Efficacité du transfert de chaleur des gaz de combustion à l’eau
La chaleur est transférée à l’eau de la chaudière par rayonnement au niveau du foyer et par conduction au niveau des tubes.
Le rayonnement chauffe directement les tôles du foyer. Un foyer en cuivre, dont la conductibilité thermique est meilleure, est une bonne condition de rendement de ce mode de chauffage.
Sur une locomotive en voie de 60 dont le foyer fait environ 0,51 x 0,54 x 0,51 (l x h x p), la surface de foyer est environ 1,4 m² en négligeant les sections des tubes dans la plaque tubulaire et de la porte du foyer qui viennent en déduction de cette surface.
Les gaz de combustion chauds, en traversant le faisceau tubulaire, transfèrent leur chaleur par conduction à l’eau qui les entoure. Ce transfert est d’autant plus efficace que la surface de contact est grande et que la conduction est favorisée. La surface de contact des tubes est égale à :
S= n*l*d*p
où
n est le nombre de tubes,
l, la longueur du faisceau tubulaire
d, le diamètre des tubes
p = 3,14
Ainsi, pour une chaudière comportant 50 tubes de 1,40 m de long et 40 mm de diamètre la surface du faisceau tubulaire est de 8,8 m².
La surface de chauffe est la somme des surfaces de chaudière exposée au rayonnement du foyer (surface de chauffe directe) et de la surface des tubes (surface de chauffe indirecte), soit, pour notre machine en voie de 0,60 m, une surface de chauffe de : 1,4 + 8,8 = 10,2 m².
L’efficacité de transfert de chaleur par conduction est réduite si les tubes sont encrassés, de l’intérieur par de la suie, ou de l’extérieur par l’entartrage. Pour éviter ces inconvénients, il faut ramoner soigneusement les tubes avant chaque allumage et faire scrupuleusement le traitement de l’eau d’alimentation ainsi que l’extraction des boues.
L’efficacité de la conduction diminue aussi lorsque les gaz circulent trop vite dans le faisceau, ce qui advient lorsqu’on force le tirage. La chaudière est en effet calculée pour un fonctionnement moyen et son rendement est d’autant meilleur qu’on reste dans des conditions de fonctionnement proches. Les demandes importantes de puissance se font donc au détriment du rendement.
1.3. Pertes de chaleur
De la chaleur est perdue avec les gaz de combustion évacués par la cheminée, ainsi qu’il a été dit au 1.2., ces pertes sont augmentées lorsqu’on demande à la chaudière de fonctionner aux limites de ces possibilités de vaporisation.
Une autre cause de pertes de chaleur est la circulation d’air en excès dans le foyer, cet air est réchauffé par la combustion et contribue à la perte de chaleur par la cheminée. Cela se produit lorsque le feu ne couvre pas toute la grille et aussi lorsque la porte de foyer est ouverte. Pour ces raisons, un bon chauffeur doit couvrir entièrement la grille de foyer aussi régulièrement que possible et maintenir la porte ouverte le moins longtemps possible. Au contraire, cette perte peut être mise à profit lorsque la chaudière est trop chaude et ne peut être refroidie par un autre moyen (soupapes de sécurité levées et niveau d’eau au maximum) certains chauffeurs ouvrent alors la porte du foyer. On devra cependant en user avec parcimonie, car outre la perte de rendement, l’arrivée d’air frais soumet les tôles de chaudière à des écarts de température qui sont cause de fatigue et de vieillissement du métal. En tout état de cause, on ne maintiendra pas la porte grande ouverte, mais seulement entrebaîllée.
Enfin, il y a des pertes à l’extérieur de la chaudière, du fait de la différence de température entre les tôles et l’air ambiant. Ces pertes peuvent être réduites par la pose d’une enveloppe qui est soit maintenue à distance du corps cylindrique par des crinolines, soit garnie de calorifuge. Dans ce cas, on devra veiller avec soin à ne pas laisser ce calorifuge s’imprégner d’humidité, celle-ci étant responsable d’une grave corrosion des tôles de l’enveloppe et de la chaudière elle-même.