Principes physiques de la machine a vapeur

En histoire, on a appris qu’au 19ème siècle le moteur à vapeur a joué un rôle très important dans la révolution industrielle : c’était un moteur puissant et efficace qui fonctionnait à partir de l’énergie calorifique du charbon, il transforme l’énergie thermique que possède la vapeur d’eau fournie par une ou des chaudières en énergie mécanique. . Le principe est simple : on fait chauffer de l’eau dans une chaudière, jusqu’à l’ébullition. La vapeur produite crée une pression qui agit sur un piston. Les mouvements du piston sont transmis à une manivelle qui fait tourner un volant monté sur l’axe du moteur En effet cet article discute les applications actuelles des moteurs à vapeur dans les systèmes industriels et de nouvelles technologies qui améliorent leurs performances. Par conséquent les principaux avantages du moteur à vapeur proviennent de l’utilisation des applications où les technologies actuelles sont soit pas approprié ou ne peuvent pas être réduites en taille.

PRINCIPES PHYSIQUES DE LA MACHINE A VAPEUR 

Généralités

Les machines à vapeur appartiennent à la famille des convertisseurs d´énergie, qui convertissent l´énergie chimique en chaleur, puis la chaleur en énergie mécanique. La production de chaleur s’effectue dans la plupart des cas par la combustion de combustibles solides, principalement de la houille (charbon). On classe la machine à vapeur parmi les machines à moteurs thermiques à combustion externe, car le combustible, est brûlé en dehors du corps de l´appareil. (Contrairement aux moteurs à combustion interne, où la combustion se produit à l’intérieur du cylindre de travail, comme dans le moteur de voiture) Les machines à combustion externes utilisent un fluide (ici la vapeur d´eau) pour véhiculer l’énergie calorifique produite. La transformation en énergie mécanique se fait en deux étapes.
• Dans la chaudière, l’énergie calorifique provoque la dilatation du gaz (vapeur d’eau)
• La partie mécanique transforme la dilatation en énergie mécanique en provoquant une baisse de pression.

Description

La machine à vapeur a joué un rôle historique dans l’utilisation à grande échelle de l’énergie thermique. Elle est maintenant supplantée par les turbines et les moteurs à combustion interne. Elle comporte essentiellement : le générateur de vapeur, l’appareil moteur et l’appareil de transformation.

a- Le générateur de vapeur : est constitué d’un foyer où brûlent le combustible et une chaudière où l’eau, chauffée par les gaz chauds de combustion, se vaporise. La tension maximale de vapeur augmentant rapidement avec la température, la pression dans la chaudière peut entraîner des risques d’explosion. D’où, des accessoires importants : alimentation automatique en eau, niveau d’eau, manomètre, soupape de sûreté, sifflet lié au flotteur d’alarme.
b- L’appareil moteur : comporte un cylindre où se meut un piston. La vapeur sous pression est distribuée alternativement sur chaque face du piston par divers dispositifs.
c- L’appareil de transformation : transforme le mouvement de va-et-vient de la tige du piston en mouvement de rotation par divers systèmes : vilebrequin ou bielle-manivelle.

ETUDES DES PRINCIPES DES FONCTIONNEMENT DE MOTEUR A VAPEUR

Description

Dans le but de connaitre un peu plus le moteur à vapeur, il est bon de connaitre aussi le principe de fonctionnement général d’une machine vapeur, ses implications techniques ainsi que quelques règles de base en physique, mécanique et les applications sur le fonctionnement de la machine vapeur en général.

Définition d’un moteur à vapeur

• Le moteur à vapeur est des moteurs à combustion externes
• Le moteur à vapeur est des machines qui emploient pression de la vapeur et condensation pour produire le mouvement.
• Le machine à vapeur se compose d’un cylindre dans lequel se déplace un piston et d’une chambre de distribution permettant l’alimenter le moteur de tel sorte que le piston effectue un va-et-vient dans le cylindre
• Plus vraiment les moteurs à vapeur c’est un appareil de transformation de l’énergie thermique en l’énergie mécanique et en énergie électrique .

Principe du moteur à vapeur

Le cycle thermodynamique mis en œuvre pour un moteur à vapeur est similaire à celui d’une turbine à vapeur. Par contre, la vapeur est détendue dans un ensemble de cylindre en permettant le mouvement de piston actionnant in fine un alternateur. Sa mise en œuvre nécessite la production de vapeur à une pression minimale de 15 bars .

Les organes du moteur à vapeur et leur fonction 

Les organes du moteur à vapeur se divisent en deux parties :

A- Partie fixe :
❖ Le cylindre
C’est une chambre de volume balayé par les pistons lors de la course d’aspiration et cependant un tour de l’arbre manivelle
● Rôle
– Il sert de glissière au piston.
– Il contient les gaz et permet leur évolution.
– Il détermine la cylindrée unitaire.
❖ Chambre de distribution
C’est une chambre de volume balayé par le tiroir lors de la course d’aspiration et cependant un tour de l’arbre d’excentrique
● Rôle
– Il sert de glissière du tiroir.
– Il contient les gaz et permet leur évolution.
❖ Palier (support)
C’est organe mécanique supportant et guidant un arbre tournant.
● Rôle :
Pour réduire les frottements, les surfaces en contact sont polies et les paliers sont généralement pourvus de coussinets en bronze ou en téflon, une matière plastique qui favorise le glissement.

B- Partie mobile :
❖ Piston
En mécanique, un piston est une pièce rigide de section généralement circulaire coulissant dans un cylindre de forme complémentaire. Le piston est un élément de forme cylindrique qui se déplace en va et vient a pour but de comprimer un liquide ou gaz dans le cylindre
● Rôle
Il doit supporter la pression des gaz créée par la combustion et la transmettre par l’intermédiaire de la bielle au vilebrequin ; Il doit résister aux forces latérales qu’il exerce sur la paroi du cylindre ; Il doit conduire la chaleur aussi rapidement que possible à la paroi du cylindre.
❖ Tiroir
Un tiroir est un organe mécanique animé d’un mouvement de translation et assurant la distribution d’un fluide (par exemple la vapeur dans la machine à vapeur)
● Rôle
Le tiroir est distribué la vapeur dans une chambre de distributeur.
❖ Bielle
C’est une barre rectiligne destinée à transmettre un mouvement entre deux pièces articulées à ses extrémités suivant des axes parallèle La bielle est la pièce mécanique dont une extrémité est liée au piston par l’axe de piston et l’autre extrémité au maneton du vilebrequin.
● Rôle
Elle permet la transformation du mouvement rectiligne alternatif du piston en mouvement circulaire continu du vilebrequin.
❖ Manivelle (Généralement appelée vilebrequin)
Arbre qui transforme un mouvement rectiligne alternatif, notamment celui de l’ensemble piston-bielle d’un moteur thermique, en mouvement circulaire.
● Rôle
Il reçoit l’effort transmis par les pistons et les bielles et fournit un mouvement circulaire en sortie du moteur.
❖ Excentrique
Mécanisme destiné à transformer le mouvement de rotation d’une pièce en un mouvement alternatif aussi.
● Rôle
Commande le mouvement de va et vient du tiroir qui est assuré l’ouverture et fermeture de l’admission et d’échappement.
❖ Volant d’inertie
C’est un organe tournant d’une machine, constitué par un solide ayan un grand moment d’inertie par rapport à son axe et destiné à en régulariser la marche. C’est une masse d’inertie servant à régulariser la rotation du vilebrequin.
● Rôle
Elles servant à régulariser la vitesse de rotation de l’arbre.
❖ Arbre moteur
C’est un axe qui transmet un mouvement (arbre came).

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Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE I : PRINCIPES PHYSIQUES DE LA MACHINE A VAPEUR
1. GENERALITES:
1.1. DESCRIPTION
1.2. ETUDE THEORIQUE D’UN MOTEUR A VAPEUR
A. Evolution d’un moteur à vapeur
B. Les techniques de James Watt
2. DESCRIPTION
2.1. Définition d’un moteur à vapeur
Excentrique
2.2. Caractéristique d’un moteur à vapeur
2.3. Choix du model a étudier
2.4. schéma de fonctionnement du moteur à tiroir cylindrique double effet
2.5. Choix des mécanismes de transmission de l’appareil
PARTIE II : CHOIX DE MODE FONCTIONNEMENT DE CET APPAREIL
3.1. Les éléments de calcul de base
3.2. Étude théorique de l’air
3.3. Dimensionnement du moteur à vapeur à simple effet
3.4. Dimensionnement d’un moteur à vapeur à tiroir double effet
3.5. Eude d’une chambre de distribution
3.2. Dimensionnement du cylindre
3.4. Dimensionnement des éléments de transmission
3.5. LA MANIVELLE
3.6. Dimensionnement du volant d’inertie
3.7. Dimensionnement de roulement
PARTIE III : LA REALISATION PLUS ESSAIS DE CET APPAREIL
4.1. Indications pour la réalisation
4.3. MATERIAUX UTILES
4.4. Les essais
Partie IV : IMPLICATION PEDAGOGIQUE
5.1. Etude Cinématique d’un système bielle-manivelle
5.2. Etude dynamique
CONCLUSION

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