Le carnet du CFC
Rendement du moteur à vapeur
Dans un précédent article, j’ai donné quelques indications sur le rendement de production de vapeur dans la chaudière, on peut retenir que, dans de bonnes conditions de fonctionnement, une chaudière de locomotive produit environ 8 kg de vapeur à 180°C (température de la vapeur saturée à 10 bars) par kilogramme de charbon brûlé, ce qui représente un rendement de 2/3, soit environ 657%.
1. Rendement théorique d’une machine thermique
Une machine thermique ne peut produire du travail que si elle possède une source de chaleur pour amener l’agent moteur (ici la vapeur) à la température T (source chaude) et une source froide pour l’abaisser à la température T’.
Le travail fourni par la vapeur résulte de l’utilisation de la chaleur (C) qu’elle peut céder entre sa sortie de la source chaude (à ce moment, elle contient une quantité de chaleur Q = k*T) et son arrivée à la source froide (elle ne possède plus qu’une quantité Q’= k*T’).
k = coefficient énergétique, qui ne dépend que de la nature de l’agent moteur, pour la vapeur, il est de l’ordre de 6 kilojoules par kilogramme et par Kelvin.
On a :
C=Q–Q’=k*(T-T’)
Dans le cas d’une locomotive à vapeur dont la pression de service est de 10 bars, un kilo de vapeur peut donc théoriquement produire :
C = 6*(453–373) =480 kilojoules
En considérant qu’à 10 bars la température de l’eau est de 180°C soit 453 K (source chaude) et que la source froide qui est l’atmosphère (pression 1 bar) reçoit de la vapeur à 100°C (soit 373 K).
On voit bien qu’on ne récupère au maximum théorique qu’une fraction de l’énergie fournie par la source chaude puisque la production d’un kilogramme de vapeur à 180°C nécessite 2762 kilojoules.
Le rendement théorique R=C/Q se calcule directement car R=Q–Q’=k*(T-T’)=T-T’
Q k*T T
Ou encore R=1– (T’/T), rendement thermique du moteur.
On en déduit que plus T est élevée, plus le rendement augmente, de même si T’ est abaissée. Cependant, dans les locomotives, sauf usage d’un condenseur, qui reste rare, T’ est fixée à 100°C par la pression atmosphérique. Quant à T elle est limitée par le timbre de la chaudière. On voit par contre qu’il est intéressant de faire travailler la locomotive au plus près de son timbre, toute baisse de pression, correspondant à une baisse de température de la vapeur, se traduira par une baisse du rendement. Dans le cas des machines du CFC qui fonctionnent aux alentours de 10 bars, le rendement thermique est donc R = 1 – (373 / 453) =18%.
2. Rendement réel de l’utilisation de la vapeur dans une locomotive
Dans la pratique, il n’est pas possible d’utiliser entièrement l’énergie thermique de la vapeur à cause de différentes pertes :
La vapeur qui arrive aux cylindres a traversé un circuit de tubulures et d’organes de contrôle dans lesquels il y a des frottements, sa pression est inférieure à celle de la chaudière.
Les organes de contrôle sont les tiroirs de distribution et le régulateur.
On a cherché à réduire les pertes de charge dans les tubulures et les tiroirs par une géométrie appropriée de ceux-ci, ces améliorations ont été poussées à l’extrême par l’ingénieur André Chapelon avec des résultats fort intéressants sur les machines de la S.N.C.F. en utilisant des tubulures de forte section et des tiroirs cylindriques à larges lumières.
On peut aussi chercher à réduire la perte de charge au régulateur en utilisant de préférence la réduction des crans de marche à la fermeture du régulateur pour contrôler la puissance de la machine. La réduction des crans de marche permet d’utiliser plus efficacement la vapeur en provoquant une détente plus complète. Le même travail est alors obtenu en consommant une moindre quantité de vapeur, donc une moindre quantité d’eau et de charbon.
Cependant, même avec des crans réduits, la vapeur ne peut se détendre entièrement dans les cylindres, il faut en effet lui conserver une certaine pression afin de permettre l'échappement. Cette pression résiduelle représente une fraction de l’énergie inutilisable pour la traction du train. On estime que l’imperfection du cycle fait que 60% seulement de l’énergie de la vapeur est utilisable.
Le mécanisme, enfin, est imparfait et il s’y produit différents frottements que l’on cherche à réduire par un entretien et une lubrification appropriés. On envisage qu’un mécanisme en bon état a un rendement de 75% environ.
2. Bilan
Reprenons les valeurs de rendement des différentes étapes de la transformation de l’énergie calorifique du combustible en énergie mécanique dans le cas d’une locomotive :
| rendement de la chaudière : | 67% |
| rendement thermique : | 18% |
| rendement du cycle : | 60% |
| rendement mécanique : | 75% |
Le rendement global maximum d’une locomotive telle que celles qui fonctionnent au C.F.C., à condition qu’elle soit entretenue et conduite dans les conditions optimales est donc d’environ :
0,67*0,18*0,60*0,75 =0,054
soit 5,4%
Sans commentaires…
Ouvrage consulté : MOULAN, Cours de mécanique élémentaire, 6ème édition