Machine à vapeur : principes de fonctionnement, constructions à faire soi-même et utilisations courantes

Les machines à vapeur ont propulsé les industries, les trains et les navires, transformant ainsi le monde pendant des siècles. Nous vous expliquerons les bases de la machine à vapeur, notamment son histoire, et son fonctionnement grâce à des faits scientifiques intéressants. Nous vous proposerons également un tutoriel étape par étape pour assembler une maquette de machine à vapeur à l'aide d'un kit de bricolage.

1) Qu'est-ce qu'une machine à vapeur ?

« Comme son nom l'indique, dans ce moteur, la combustion de combustibles fossiles (principalement du charbon et du gaz) est utilisée pour faire bouillir de l'eau et produire de la vapeur, qui est pressurisée et dirigée dans un cylindre dans lequel elle déplace le piston et produit de l'énergie mécanique, qui entraîne des locomotives, des trains, etc. »

Il est important de noter que dans les machines à vapeur, la combustion du charbon/gaz ainsi que la chaudière à eau (qui produit la vapeur) sont situées à l'extérieur du moteur. Les machines à vapeur sont donc également appelées moteurs à combustion externe.

• Histoire de la machine à vapeur

Avant le développement des moteurs à combustion interne en 1860 (aujourd'hui, les moteurs de voiture, de jet, de bateau et de train), les moteurs à vapeur (moteurs à combustion externe) étaient considérés comme la pointe de la technologie et étaient utilisés partout.

L'histoire de la machine à vapeur remonte au Ier siècle après J.-C., lorsque Héron d'Alexandrie inventa l' éolipile, un dispositif de déplacement utilisant la vapeur, mais sans utilité pratique. Plus tard, la forme la plus simple d'une turbine à vapeur fut répertoriée en Égypte ottomane par Taqi al-Din en 1551.

En 1606, Jerónimo de Ayanz y Beaumont fit breveter sa création, la première pompe à eau à vapeur utilisée pour l'exploitation minière. Mais ses découvertes ne furent ni documentées ni partagées avec le monde.

Plus tard, en 1698, Thomas Savery créa la première pompe à vapeur commerciale destinée à extraire l'eau des mines. Par la suite, Thomas Newcomen améliora la conception de Savery en 1712 avec une machine à vapeur atmosphérique plus performante , qui gagna en popularité dans l'industrie minière.

Le véritable tournant se produisit lorsque James Watt, à partir de 1765, ajouta un condensateur séparé au moteur de Newcomen, ce qui augmenta considérablement sa puissance et sa capacité de travail.

L'histoire ne s'arrête pas là ; dans les années 1800, Richard Trevithick a eu l'idée de la machine à vapeur à haute pression et a ensuite créé la première locomotive à vapeur.

George Stephenson a continué à améliorer la construction des locomotives en 1814 et, en 1829, sa célèbre locomotive à vapeur « Rocket » est devenue la norme pour tous les futurs trains à vapeur.

2) Comment fonctionne une machine à vapeur ?

Avant d’aborder le fonctionnement d’une machine à vapeur, commençons par comprendre ses pièces ;

• Chaudière : C'est un réservoir cylindrique qui chauffe l'eau pour créer de la vapeur à haute pression.

• Cylindre à vapeur : Il s'agit d'une chambre creuse en forme de tube dans laquelle la vapeur pousse un piston d'avant en arrière.

• Piston : Il ressemble à une tige cylindrique solide qui entre et sort du cylindre, entraînée par la pression de la vapeur.

• Bielle : Il s'agit d'une longue barre métallique droite qui relie le piston au vilebrequin, transformant le mouvement de va-et-vient en mouvement rotatif.

• Vilebrequin/Volant d'inertie : Il s'agit d'une roue rotative avec un bras de manivelle qui stocke et transmet en douceur la puissance rotative du moteur.
  

• Vanne à tiroir/mécanisme de vanne : elle ressemble à une pièce coulissante plate ou cylindrique qui contrôle le moment et la direction de la vapeur entrant et sortant du cylindre.
  

• Condenseur : Structure en forme de boîte ou tubulaire qui refroidit la vapeur usagée en eau pour la recycler et améliorer l'efficacité.
  

• Régulateur : Mécanisme à bille rotative avec bras qui ajustent le débit de vapeur pour maintenir une vitesse de moteur stable.
  

Mécanisme de fonctionnement de la machine à vapeur

Le fonctionnement des machines à vapeur repose sur le cycle de Rankine. Ce cycle thermodynamique fondamental explique le processus de transformation de l'énergie thermique en travail mécanique par l'eau et la vapeur, en boucle continue et fermée. Il comporte généralement quatre étapes. Examinons-les donc une par une.

Étape 1) Compression isentropique (étage de pompage)

Ce cycle commence en fait avec de l'eau froide, mais le problème est que la pression de l'eau est basse. À ce stade, la pression de l'eau augmente, ce qui entraîne une augmentation de la chaleur dans la chaudière pour produire de la vapeur, permettant ainsi au moteur de fonctionner efficacement. Eh bien ! Une pompe assure cette fonction en effectuant une compression isentropique (compression de l'eau sans transfert de chaleur). C'est comme gonfler un pneu de vélo, à la différence que l'on utilise de l'eau. C'est clair !

Étape 2) Ajout de chaleur isobare (sous-phase chaudière)

Cette eau à haute pression est pompée dans un récipient métallique robuste appelé chaudière. Elle y est chauffée à pression constante (apport de chaleur isobare) grâce à des combustibles tels que le charbon, le bois ou le pétrole. Lorsque la température de l'eau dépasse 100 °C (212 °F), elle se transforme en vapeur.

Le point intéressant ici est que la vapeur occupe plus d'espace (16 000 fois plus que l'eau liquide) que l'eau. En effet, dans la vapeur, les molécules d'eau sont plus séparées les unes des autres, contrairement à l'eau liquide, qui est plus compacte. Cela augmente la pression à l'intérieur de la chaudière.

Étape 3) Détente isentropique (étage turbine ou moteur)

Lorsque la pression est suffisamment élevée, la vapeur est libérée dans un cylindre. Il faut savoir qu'un cylindre contient un piston (une pièce métallique solide qui peut coulisser d'avant en arrière). C'est la vapeur qui pousse le piston et le fait coulisser vers l'avant. C'est la transformation de l'énergie de la vapeur en mouvement, décrite par la deuxième loi de Newton (F = mA).

Le mouvement du piston n'est pas encore terminé. En effet, il est relié à un vilebrequin, qui convertit le mouvement de va-et-vient (alternatif) en mouvement rotatif pour entraîner des roues ou des machines. C'est cette section qui a une fonction mécanique utile.

Étape 4) Rejet de chaleur isobare (étape du condenseur)

Après le mouvement du piston, la vapeur utilisée passe dans le condenseur, où elle se refroidit et se liquéfie à pression constante. Ce refroidissement permet de restaurer le fluide de travail à son état initial et de le pomper à nouveau, améliorant ainsi le rendement.

Ainsi, le moteur répète continuellement le processus : la vapeur est introduite, le piston est poussé, le mouvement est généré et la vapeur est expulsée. Il s'agit d'un processus complet et constant de conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique, alimentant les moteurs des trains, des navires et des machines plus anciennes.

3) Utilisations courantes de la machine à vapeur

La machine à vapeur a été une invention scientifique et technologique d'une importance exceptionnelle. Elle a permis de travailler plus vite, de voyager plus loin et de construire davantage qu'auparavant. Examinons de plus près ses utilisations au quotidien !

i) Trains et chemins de fer

Avant l'avènement des machines à vapeur, voyager était incroyablement lent, fastidieux et pénible. On se déplaçait à cheval ou en chariot. Grâce à l'invention des machines à vapeur, les trains pouvaient désormais transporter passagers et marchandises sur de longues distances en un temps relativement court. Ce transport ferroviaire à vapeur reliait les villes et améliorait l'économie en permettant le transport rapide de marchandises en vrac.

ii) Navires et bateaux

Autrefois, les voiliers dépendaient du vent, qui pouvait être très irrégulier. Cependant, les navires à vapeur pouvaient naviguer même par temps calme. Cela leur permettait de maintenir leurs horaires quelles que soient les conditions météorologiques. De plus, le commerce transfrontalier connut un essor grâce au transport fiable et sûr des marchandises par fleuves et océans. De plus, les voyages vers de nouvelles terres devinrent plus rapides que jamais.

iii) Usines et machines

Au cœur de la révolution industrielle se trouvait la machine à vapeur. Elle alimentait les machines à filer et à couper le bois et le métal dans les usines. Auparavant, ces tâches étaient effectuées à la main, avec l'aide d'animaux, voire inexistantes. Grâce aux machines à vapeur, le travail est devenu plus rapide. Les machines pouvaient effectuer ce que de nombreux ouvriers devaient auparavant faire, ce qui a permis la généralisation de produits bon marché.

iv) Travaux miniers

De même, l'exploitation minière, comme le levage du charbon ou de lourdes charges à la surface, ainsi que l'inondation des tunnels, étaient lentes et dangereuses. Cependant, grâce à l'invention des machines à vapeur, ce problème a été résolu. En effet, ces moteurs alimentent les pompes qui évacuent l'eau et aident les treuils à soulever le charbon. Ces technologies ont permis aux mineurs d'obtenir davantage de ressources, alimentant ainsi les industries dépendantes du charbon et des minéraux.

v) Outils agricoles

En agriculture, les machines à vapeur ont remplacé les animaux pour tirer les outils lourds et imposants. Elles alimentaient également des outils permettant de récolter et de dégrossir les cultures beaucoup plus rapidement que les humains. Cela a permis aux agriculteurs de cultiver de plus grandes superficies et de produire beaucoup plus de nourriture avec moins de main-d'œuvre. Grâce à une agriculture plus efficace, l'approvisionnement alimentaire des villes en pleine croissance, notamment à l'ère industrielle, s'est considérablement amélioré.

4) Comment construire une machine à vapeur ?

Vous vous demandez peut-être s'il est possible de créer une maquette de machine à vapeur à la maison. Que vous soyez amateur ou étudiant, nous savons que votre curiosité est grande. C'est pourquoi, chez engineDIY, nous avons développé un kit de maquette de machine à vapeur à monter soi-même, comprenant tous les outils et équipements nécessaires pour concevoir une maquette de machine à vapeur fonctionnelle chez soi.

Il vous suffit de suivre les instructions et vous pourrez commencer l'assemblage. Pour ceux qui souhaitent un peu plus d'aide, nous vous proposons un tutoriel détaillé étape par étape. En suivant la structure fournie, vous éviterez tous les problèmes et laisserez libre cours à votre imagination !

Pièces incluses dans le kit de modèle de machine à vapeur DIY

• plaque de base

• Cylindre

• Piston

• Volant

• Chaudière

• Gouverneur

• Joints/joints toriques

• Brûleur ou lampe à alcool

• Tuyaux ou tubes à vapeur

• Vilebrequin et bielle

• Vis, boulons et écrous pour l'assemblage

Autres outils dont vous pourriez avoir besoin

• Tournevis (petit cruciforme et plat)
  

• Clés Allen/Clés hexagonales
  

• Pinces ou brucelles
  

• Mini ensemble de limes (pour lisser les bords)
  

• Lubrifiant ou huile légère pour machine (pour pièces mobiles)
  

• Eau distillée (pour la chaudière afin d'éviter l'accumulation de minéraux)
  

• Gants et lunettes de protection (pour la sécurité pendant le chauffage)
  

Tutoriel d'assemblage étape par étape

Étape 1) Tout d'abord, vous devez déballer le kit de modélisme. Dans la boîte, vous trouverez un manuel contenant toutes les instructions d'assemblage. Vous devez vérifier que toutes les pièces du kit sont bien alignées avec le manuel afin de vérifier s'il manque des pièces.

Étape 2) Commencez par placer le cylindre sur la plaque de base en acier inoxydable du moteur. Insérez également le piston dans le cylindre. Cependant, comme le piston bouge d'avant en arrière, il est conseillé d'ajouter de l'huile pour faciliter son mouvement et éviter toute résistance.

Étape 3) L'étape suivante consiste à fixer le vilebrequin et la bielle. Ensuite, fixez le volant moteur à l'extrémité du vilebrequin. Assurez-vous que le volant moteur tourne. Vous pouvez le vérifier en le faisant tourner à la main. Vous pouvez également ajouter de l'huile pour plus de facilité.

Étape 4) Ensuite, placez la chaudière solidement sur son socle. Utilisez les supports ou les pinces fournis. Vérifiez que la chaudière est stable et légèrement surélevée afin que le brûleur puisse être placé juste en dessous.

Étape 5) Ensuite, vous devez connecter la buse de sortie de la chaudière à l'entrée de vapeur du cylindre. Heureusement, ce tuyau est transparent, ce qui permet d'observer la vapeur alimentant le cylindre. De plus, vous devez également connecter la vanne à spores pour contrôler manuellement le débit.

Étape 6) À ce stade, vous devez placer le brûleur sous la chambre de chauffe de la chaudière. Il servira de source de chaleur pour produire de la vapeur. N'oubliez pas qu'une lampe à alcool ou un brûleur à combustible solide sont principalement utilisés dans les kits de bricolage. Évitez d'allumer pour l'instant, mais effectuez d'abord des tests approfondis.

Étape 7) Nous venons d'assembler toutes les pièces de la machine à vapeur. Cependant, avant d'utiliser la vapeur, vérifiez d'abord le mouvement mécanique. Par exemple, faites tourner manuellement le volant et observez le mouvement alternatif du piston dans le cylindre. Vérifiez également que le vilebrequin et la tige de piston tournent sans à-coups ni à-coups.

Étape 8) Vous êtes maintenant prêt à produire de la vapeur ; remplissez donc la chaudière d'eau. Pour éviter les débordements, utilisez un entonnoir. Évitez également de remplir excessivement d'eau et respectez la ligne de remplissage maximale indiquée dans le manuel de votre kit.

Étape 9) Il est maintenant temps de faire fonctionner la vapeur et le moteur à plein régime ! À l'aide d'une longue allumette ou d'un briquet, allumez délicatement le brûleur. Attendez quelques minutes que la pression de la vapeur se développe dans la chaudière. Une fois prête, la vapeur devrait pousser le piston, faire tourner le volant et faire tourner le moteur.

Conseils recommandés pour un fonctionnement fluide et sûr

• Surveillez toujours le brûleur lorsque le moteur est en marche.

• Pendant le fonctionnement, vous devez porter des gants de protection lors de la manipulation de la chaudière ou du brûleur.

• Avant de remplir ou de démonter le moteur, assurez-vous qu'il a refroidi.

• Évitez de remplir avec un excès d'eau pour éviter la corrosion.

• Conserver dans un endroit frais et sec.

5) Conclusion

La machine à vapeur est une invention incroyable qui a marqué l'histoire de l'industrie et des transports modernes. Comprendre sa construction et son fonctionnement permet d'appréhender concrètement le génie mécanique et la thermodynamique.

Si vous avez envie de donner vie à cette merveille historique, un kit de machine à vapeur DIY d' engineDIY pourrait bien être fait pour vous ! Nous proposons une gamme de kits de qualité pour les passionnés de vapeur débutants comme expérimentés, rendant l'apprentissage et la construction agréables. Alors, contactez-nous dès aujourd'hui !

6) FAQ relatives à la machine à vapeur

Q1 : Comment fonctionne une machine à vapeur ?

La machine à vapeur utilise à la fois la chaleur et le mouvement pour fonctionner. Lorsque la chaudière chauffe l'eau et la transforme en vapeur, la pression monte. Cette vapeur pousse ensuite un piston qui tourne, créant ainsi un mouvement qui alimente à son tour les pièces mécaniques de la machine.

Q2 : Existe-t-il des problèmes de sécurité pour les débutants qui construisent une machine à vapeur DIY ?

La plupart des kits sont destinés aux débutants, les problèmes de sécurité sont donc minimes. Construire votre machine à vapeur peut être sûr et amusant si vous suivez les étapes fournies, portez un équipement de protection et utilisez le brûleur avec prudence. Prendre plaisir à utiliser votre machine à vapeur est possible en suivant ces quelques conseils simples.

Q3 : Quels carburants sont disponibles pour être utilisés dans les kits de machines à vapeur ?

Pour les machines à vapeur, les carburants à base d'alcool et les comprimés de combustible solide sont les plus répandus et alimentent la plupart des kits DIY. Grâce à leur grande disponibilité et à leur facilité d'utilisation, ces combustibles constituent un excellent choix, produisant la quantité de chaleur nécessaire à une production de vapeur sûre.

Si vous souhaitez en savoir plus sur le moteur, n'hésitez pas à cliquer sur le lien ci-dessous pour plus de détails

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