Machines à vapeur

Usage de la Pompe

Les Romains, autrefois, utilisaient des « siphones », des sortes de grandes seringues qu’ils remplissaient d’huile bouillante pour asperger leurs ennemis. L’idée leur vint un jour de se servir d’un tel « siphon » pour éteindre les incendies.

Le système fut perfectionné par Ctesibius (d’Alexandrie), dans les années 130 avant Jésus-Christ : une grande pompe aspirante et refoulante, composée de deux corps de pompe cylindriques avec des pistons verticaux. Des barres manœuvrées par plusieurs hommes permettaient d’abaisser et de relever alternativement les pistons.

Il a fallu attendre le XVIIe siècle pour que la seringue soit perfectionnée. Mais c’est un allemand, Hautsch de Nuremberg qui mit au point la première machine à laquelle le hollandais Jan Van der Heide apporta un complément important : une tuyauterie de cuir flexible permettant de fournir de l’eau à distance. Ainsi naquirent les « pompes à bras » dites « pompes hollandaises

Pompe à bras conçue par des artisans rouennais en 1721 est exposée au musée des sapeurs Pompier de Montville (76).

Pompes entrainées par une machine à feu.

En 1601, Gambattista de la Porte et en 1615, Salomon de Caus décrivirent une machine à feu capable de chasser l’eau d’un récipient. En 1630, David Ramseye dépose un brevet sur un modèle de pompe.

En 1663, Edward Soumerset améliore le projet de pompe décrit par Salomon de Caus en équipant la chambre à vapeur d’un refroidisseur

Denis Papin (1647 - 1714) élève de Huygens, s'intéresse aux questions de vide et de pression atmosphériques, en 1679 il crée sa fameuse marmite : dans un cylindre de fonte, hermétiquement fermé, il fait chauffer de l'eau de façon à faire monter la pression de la vapeur, sans redouter une explosion, grâce à la soupape de sûreté de son invention.

Papin voit dans son invention qu'il appelle Digesteur un outil pour lutter contre la faim. En effet, le Digesteur rend comestibles les bas morceaux de viande, y compris les os qu'il transforme en gelée.

En 1705, Papin ayant constaté l'énergie que développe la vapeur en déduit qu'elle peut pousser un piston qui reviendrait à son point de départ ladite vapeur disparaissant. C'est ainsi qu'il inventa la machine à vapeur selon la description ci-dessous :

Dan un cylindre vertical coulisse un piston d'où sort une tige à l'extrémité de laquelle est attachée une corde suspendue à une poulie et attachée, à l'autre bout, à un contrepoids. Papin place, dans le cylindre, de l'eau qu'il fait chauffer. La tension de la vapeur devient bientôt égale à la pression atmosphérique, et le piston remonte, provoquant la chute du contrepoids. Lorsque le piston est arrivé au haut de sa course, on enlevait le feu, la vapeur se condense tandis que le contrepoids s'élève. Pour assurer la sécurité la machine est munie d'une soupape.

C'est ce mouvement de va et vient que Papin se consacrera, sans succès, à transformer en mouvement rotatif.


Papin construit, à titre d'essais, un modèle réduit de pompe, (voir ci-dessous) composée d'une chaudière(1) , d'un vase (2)et d'un réservoir rempli d'eau (4). Des robinets coordonnent les opérations entre les trois éléments : la vapeur, injectée dans le vase (2), se condense et crée le vide. Sous l'effet de la pression atmosphérique, l'eau du réservoir (4) monte dans le vase (2). En fin, par une nouvelle admission de vapeur dans (2), l'eau recueillie est chassée dans un conduit d'évacuation (5).La pompe de Papin ne dépassera pas le stade expérimental. Mais Savery conçoit une machine semblable. Papin, à son tour, construit une pompe de dimension normale mais n'aura aucune suite.

En 1704, Papin construit un bateau à vapeur sur lequel des roues à palettes remplacent les rames. Une pompe à vapeur les fera tourner en rejetant sur chacune l'eau puisée dans la rivière. En réalité, ces roues sont provisoirement entraînées à bras d'homme, tandis que Papin cherche, sans succès, des capitaux pour construire ses pompes. Dès lors, Papin abandonne ses projets de navigation à vapeur.

Thomas Savery (1650-1715), reprend, en 1698, le même principe, que Papin, pour construire une pompe à vapeur pour puiser l'eau des galeries des mines.

La vapeur est produite dans un vase séparé (1) qui constitue la chaudière. Cette vapeur pousse et replace l'eau du réservoir (2) et de a colonne (5), en même temps qu'elle chasse l'air contenu dans ces deux parties.

A ce moment, on fermait le robinet (3) et on refroidit le réservoir (2) par de l'eau froide provenant du robinet (6). La vapeur se condense et un vide se crée dans le réservoir (2). L'eau du réservoir (4) est aspir3ée et remplit le réservoir (2). Enfin, l'ouverture du robinet (3) laisse la vapeur sous pression, et pousse l'eau contenue dans le réservoir (2) et l'élève dans la colonne (5).

Thomas Newcomen (1663-1729) forgeron, construit, en 1711, sa machine à vapeur dite machine à feu pour pomper l'eau des mines, celles de charbon en particulier.

Avant la dite machine à feu, découvrons un modèle de pompe de cette époque retrouvé dans un puits ancien de Saint Nicolas : Le corps de pompe est fabriqué dans un gros tronc de sapin, dont l'intérieur a été vidé à l'aide d'une tarière. Grâce à des pistons en bois (pistons à disques rendus étanches par des intercalaires en cuir trempé dans la graisse ), munis d'un système élaboré de clapets anti-retour, la pompe aspirante et foulante fait remonter les eaux par paliers, du plus profond du puits jusqu'au jour, où elle sont évacuées.

Les pompes en profondeur étaient actionnées à partir de la surface par une roue hydraulique et un système à came relier à plusieurs grandes perches mises bout à bout jusqu'au piston en bois du corps de la pompe aspirante et foulante.

Description de la machine à feu :

Cette machine à balancier est constituée d'une grande poutre de bois se balançant autour d'un pivot central. D'un côté de ce balancier (H) part une tige reliée au piston de la pompe en fond de mine, et de l'autre côté (F), une chaîne (E) est reliée à la tige d'un piston (D) pouvant se déplacer à l'intérieur d'un cylindre(B) vertical ouvert à son extrémité supérieure. L'étanchéité est assurée par un joint primitif constitué d'une corde de chanvre enroulée autour du piston.

De la vapeur à basse pression, produite dans le ballon d'une chaudière (A), est admise dans le cylindre (B). La vapeur soulève le piston, le balancier descend entraînant la tige (I) vers la pompe au fond de la mine. Lors de l'injection d'eau froide en (B), la vapeur se condense, il se crée un vide et la pression atmosphérique qui s'exerce sur la face supérieure du piston le fait descendre. De l'autre côté la tige (I) se relève. La vapeur est alors à nouveau admise sous le piston et le mouvement se perpétue.

Au début, les vannes d'admission de vapeur et de l'eau d'aspersion étaient manœuvrées manuellement. En 1718, Henry Beighton, les remplace par un jeu de soupapes solidaires des oscillations du balancier. Cette pompe était assez puissante pour puiser l'eau qui se trouvait à 45 mètres de profondeur.

Bientôt, les commandes affluèrent de mines en terrain humide de toute l'Angleterre. La machine à vapeur de Newcomen sera largement utilisée à l'exhaure des mines du sud-ouest de l'Angleterre, en particulier dans les mines d'étain de Cornwall.

À sa mort, Newcomen avait installé plus d'une centaine de ses machines, au sud-ouest de l'Angleterre, dans les Midlands, au nord du Pays de Galles et en Cumbrie, partout en Europe

James Watt (1736 - 1819) dès l'age de 19 ans travaille chez un fabricant d'instrument où il apprend les principes de la mécanique. Très vite il est engagé par l'université de Glasgow pour entretenir les instruments de physique.

Un jour, en 1763, WATT a l'occasion de réparer une pompe à feu (Newcomen) schéma ci-dessus. Après l'avoir observée il y constate que le cylindre (B) est chauffé quand la vapeur y est admise pour soulever le piston, aussitôt refroidi par la condensation, puis de nouveau réchauffé par l'admission suivante de vapeur. Cette succession de chaud et de froid génère une perte d'énergie thermique. Watt en déduit : si la vapeur n'était pas condensée dans le cylindre (B), elle n'aurait pas à le réchauffer.

Au cour de l'année 1765, Watt apporte une première solution en créant le condenseur : (dessin ci-dessous E) c'est un second cylindre séparé, plongé dans l'eau froide. La vapeur qui arrive du cylindre (B) par un tuyau (T) passe dans le condenseur (E) où elle est refroidie par injection d'eau froide. Ce dispositif, apparemment simple se révéla difficile quant à synchroniser le transfert de la vapeur du cylindre (B) au condenseur(E). Un fois avoir mis au point son le condenseur Watt construit un prototype de cette machine Newcomen modifiée qui est installé aux mines de Kinneil et en dépose le brevet (1769)

En 1774, Watt crée une entreprise à Soho avec Matthew Boulton pour produire des machines à vapeur. En 1776, une machine fonctionne sur la mine de Bloomfield, une autre actionne la soufflerie de l'usine de Wilkinson. A l'usage, comme prévu elles consomment moins de charbon que celles de Newcomen.

En 1781, Watt fait breveter l'engrenage soleil et planète inventé William Murdoch pour convertir un mouvement vertical en mouvement de rotation.

En 1782, Watt modifie sa machine à simple effet, une seule poussée, de haut en bas, du piston. Il en construit une à double effet : le cylindre reçoit la vapeur, alternativement, par le bas et par le haut. Le piston devenant moteur à la fois dans les phases de compression et de détente. Watt imagine le parallélogramme (3-4-5-6) qui porte son nom pour transmettre la poussée dans les deux directions (haut et bas) tout en maintenant la tige du piston quasi-verticale.

En 1784, watt dépose un brevet sur une locomotive à vapeur

En 1788, sur une idée de Boulton, Watt adapte le “régulateur à boule”  déjà utilisé pour la régulation des moulins à vent et à eau, afin d’assurer la régulation de la vitesse de ses machines. Et introduit une nouvelle unité de mesure : le cheval vapeur.

Watt vient d'inventer le moteur à vapeur capable de faire tourner l'outillage d'une usine par courroie de transmission. Il supprime définitivement la roue hydraulique.

Boulton, dans son usine de Soho, où travaillent plus de mille ouvriers construira, (entre 1776 et 1800), quelque 500 machines à vapeur pour minoterie, mine, métallurgie, filature, tissage usinage etc.

Les frères Périer introduisent en France deux machines Watt L'une, en 1781, fait fonctionner la pompe de Chaillot qui alimente Paris. L'autre est installée, en 1783, à la fonderie de Chaillot, où Périer fabriquera des machines Watt. Celles-ci furent copiées avant que leur brevet tombe, en 1800, dans le domaine public.

En 1800, Watt laisse à ses fils le soin de poursuivre l'exploitation de sa machine ; il mourra en 1819.

En 1800, Richard Trevithick construit une machine à haute pression plus puissante et plus économique que celle de Watt.

En 1824 Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796 - 1832) observant la machine de Watt constata que les phénomènes exploités correspondes à des lois et en déduisit la théorie de la thermodynamique.