Une chaudière à tubes de fumées est un type de chaudière à vapeur dans laquelle des gaz chauds sortent d'un foyer à travers plusieurs tubes traversant un récipient d'eau étanche. La chaleur des gaz est transférée à travers les parois des tubes par conduction thermique, chauffant l'eau pour créer de la vapeur.
En 1824, Marc Seguin choisit de chauffer les tubes d'une chaudière par l’intérieur, l'eau étant autour de ceux-ci, multipliant ainsi par six la puissance de la machine à vapeur. La chaudière tubulaire de Marc Seguin, conçue à l'origine pour équiper un bateau de halage sur le Rhône, trouve sa première application pratique sur la locomotive à vapeur qu'il utilise sur le chemin de fer de Saint-Étienne à LyonAmédée Fayol, Marc SÉGUIN et les Chaudières tubulaires (1786-1875) , Technica, n° 68, août-septembre 1945, CNRS, « Figures d’autrefois », p. XV-XIX et XXXVIII (consulté le )..
La chaudière à tubes de fumées est le troisième des quatre grands types historiques de chaudières : les chaudières à réservoir basse pression ou « botte de foin » (haystack), les chaudières à tube de fumée unique avec un grand conduit, les chaudières à tubes de fumée multiples avec de nombreux petits tubes et les chaudières à tubes d'eau haute pression. L'avantage des chaudières à tubes multiples est que les nombreux petits tubes offrent une surface de chauffe beaucoup plus grande pour un même volume de chaudière. La construction générale consiste en un réservoir d'eau pénétré par des tubes qui transportent les gaz de combustion chauds provenant d'un foyer. Le réservoir est généralement cylindrique - soit la forme pratique la plus résistante pour un récipient sous pression - horizontal ou vertical.
Ce type de chaudière était utilisé sur pratiquement toutes les locomotives à vapeur de forme horizontale avant l'invention de la chaudière à tubes d'eau. Elle comporte un baril cylindrique contenant les tubes à feu, mais aussi une extension pour abriter la « boîte à feu ». Ce foyer a une base ouverte pour offrir une grande surface de grille de foyer et s'étend souvent au-delà du baril cylindrique pour former une enceinte rectangulaire ou conique. La chaudière à tubes de fumées horizontaux est également typique des applications marines, utilisant la chaudière écossaise communément appelées chaudières « écossaise-marine » ou « marine ». Des chaudières à tubes de fumée multiples verticales ont également été construites, bien qu'elles soient relativement rares ; la plupart des chaudières verticales étaient soit à tubes de fumée, soit à tubes d'eau croisés.
Fonctionnement
Dans la chaudière de type « locomotive », le combustible est brûlé dans un foyer pour produire des gaz de combustion chauds. Le foyer est entouré d'une chemise d'eau de refroidissement reliée à la longue coque cylindrique de la chaudière. Les gaz chauds sont dirigés vers une série de tubes de fumées, ou conduits, qui pénètrent dans la chaudière et chauffent l'eau, générant ainsi de la vapeur saturée (« humide »). La vapeur monte jusqu'au point le plus élevé de la chaudière, le « dôme à vapeur », où elle est recueillie. Le dôme est le siège du régulateur qui contrôle sa sortie.
Dans la chaudière de la locomotive, la vapeur saturée passe très souvent dans un surchauffeur, en revenant par les grands conduits de fumée au sommet de la chaudière, pour sécher la vapeur et la surchauffer. Elle est dirigée vers les cylindres de la machine à vapeur ou, très rarement, vers une turbine pour produire un travail mécanique. Les gaz d'échappement sont évacués par une cheminée et peuvent être utilisés pour préchauffer l'eau d'alimentation afin d'augmenter le rendement de la chaudière.
Le tirage des chaudières à tubes de fumée, en particulier dans les applications maritimes, est généralement assuré par une haute cheminée. Dans toutes les locomotives à vapeur depuis la Rocket de George Stephenson, un tirage supplémentaire inventé par Richard Trevithick est fourni en dirigeant la vapeur d'échappement des cylindres dans la cheminée par un tuyau de soufflage, afin de créer un vide partielTrains: une aventure humaine et technologique, Éditions PRISMA. Les chaudières industrielles modernes utilisent des ventilateurs pour assurer le tirage forcé ou induit de la chaudière.
Types Chaudière cornouaillaise
La forme la plus ancienne de chaudière à tube de fumées est la chaudière haute pression de Richard Trevithick. Il s'agit d'un long cylindre horizontal avec un grand conduit unique contenant le feu. Le feu lui-même se trouvait sur une grille de fer placée en travers de ce conduit, avec un cendrier peu profond en dessous pour recueillir les résidus incombustibles. Bien qu'elle soit considérée comme basse pression aujourd'hui (peut-être par pouce carré []), l'utilisation d'une coque de chaudière cylindrique permettait une pression plus élevée que les chaudières « en meule de foin » de l'époque de Thomas Newcomen. Comme la chaudière dépendait du tirage naturel (flux d'air), une haute cheminée était nécessaire à l'extrémité du conduit pour favoriser un bon apport d'air (oxygène) au feu.
Pour plus d'efficacité, la chaudière était généralement entourée d'une chambre construite en briques. Les gaz de combustion étaient acheminés à travers cette chambre, à l'extérieur de l'enveloppe en fer de la chaudière, après avoir traversé le tube de fumées, jusqu'à une cheminée placée à l'avant de la chaudière.
Chaudière Lancashire La chaudière Lancashire est similaire à la cornouaillaise, mais possède deux grands conduits contenant les feux. Elle est l'invention de William Fairbairn en 1844, à partir d'une réflexion théorique sur la thermodynamique des chaudières plus efficaces qui l'a conduit à augmenter la surface de la grille du foyer par rapport au volume d'eau.
Des développements ultérieurs ont ajouté des tubes de Galloway (du nom de leur inventeur, brevetés en 1848), des tubes d'eau transversaux à travers le conduit de fumée, augmentant ainsi la surface chauffée. Comme il s'agit de tubes courts de grand diamètre et que la chaudière continue d'utiliser une pression relativement faible, elle n'est toujours pas considérée comme une chaudière à tubes d'eau. Les tubes sont coniques, simplement pour faciliter leur installation dans le conduit de fumée.
Chaudière marine écossaise
La chaudière marine écossaise se distingue radicalement de ses prédécesseurs par l'utilisation d'un grand nombre de tubes de petit diamètre. Cela permet d'obtenir une surface de chauffe beaucoup plus grande pour un volume et un poids identiques. Le foyer reste un seul tube de grand diamètre sur lequel sont disposés les nombreux petits tubes. Ils sont reliés entre eux par une chambre de combustion - un volume fermé entièrement contenu dans l'enveloppe de la chaudière - de sorte que le flux de gaz de combustion à travers les tubes de foyer se fait de l'arrière vers l'avant. Une boîte à fumée fermée recouvrant l'avant de ces tubes mène vers le haut à la cheminée ou à l'entonnoir. Les chaudières écossaises typiques avaient une paire de fours, les plus grandes en avaient trois. Au-delà de cette taille, comme pour les grands navires à vapeur, il était plus courant d'installer plusieurs chaudières.
Chaudière de locomotive
La chaudière d'une locomotive se compose de trois éléments principaux : une chambre de combustion à double paroi, un « tambour de chaudière » horizontal et cylindrique contenant un grand nombre de petits tubes de fumées, et une boîte à fumées avec cheminée pour les gaz d'échappement. La chaudière contient des tubes de fumées plus grands pour transporter les éléments de surchauffe, le cas échéant. Le tirage forcé est assuré dans la chaudière de locomotive par l'injection de la vapeur épuisée dans l'échappement via un tuyau de soufflage dans la boîte à fumée.
Les chaudières de type locomotive sont également utilisées dans les moteurs de traction, les rouleaux compresseurs, les moteurs portables et certains autres véhicules routiers à vapeur. La résistance inhérente de la chaudière permet de l'utiliser comme base du véhicule : tous les autres composants, y compris les roues, sont montés sur des supports fixés à la chaudière. Il est rare de trouver des surchauffeurs conçus dans ce type de chaudière, et ils sont généralement beaucoup plus petits (et plus simples) que les types de locomotives ferroviaires.
La chaudière de type locomotive est également une caractéristique du chariot à vapeur, l'ancêtre à vapeur du camion. Dans ce cas, toutefois, de lourdes poutres constituent le châssis porteur du véhicule et la chaudière y est fixée.
Chaudière conique Certaines chaudières de locomotives de chemin de fer sont effilées, passant d'un diamètre plus grand à l'extrémité du foyer à un diamètre plus petit à l'extrémité de la boîte à fumée. Cela permet de réduire le poids et d'améliorer la circulation de l'eau. De nombreuses locomotives de la Great Western Railway et de la London, Midland and Scottish Railway ont été conçues ou modifiées pour être équipées de chaudières coniques.
Chaudière à tubes de fumée verticaux
Une chaudière à tubes de fumées verticale, familièrement appelée « chaudière verticale », possède une coque cylindrique verticale, contenant plusieurs tubes de fumées verticaux.
Chaudière tubulaire à retour horizontal
La chaudière tubulaire à retour horizontal possède une enveloppe cylindrique horizontale, contenant plusieurs tubes de fumées horizontaux, le feu étant situé directement sous l'enveloppe de la chaudière, généralement dans un cadre maçonné.
Chaudière à tubes directs de type Admiralty Largement utilisée en Grande-Bretagne, avant et au début de l'ère des cuirassés, le seul endroit protégé était sous la ligne de flottaison, parfois sous un pont blindé, donc pour s'adapter aux ponts courts, les tubes n'étaient pas ramenés au-dessus du foyer mais continuaient directement à partir de celui-ci en gardant la chambre de combustion entre les deux. D'où le nom, et le diamètre considérablement réduit, comparé à l'omniprésente chaudière écossaise ou à tube de retour. Ce n'était pas un grand succès et son utilisation a été abandonnée après l'introduction d'un blindage latéral plus solide - « les couronnes du fourneau, étant très proches du niveau de l'eau, sont beaucoup plus susceptibles de surchauffer. De plus, en raison de la longueur de la chaudière, pour un angle d'inclinaison égal, l'effet sur le niveau d'eau est beaucoup plus important. Enfin, la dilatation inégale des diverses parties de la chaudière est plus prononcée, surtout en haut et en bas, en raison de l'augmentation du rapport entre la longueur et le diamètre de la chaudière ; les tensions locales sont également plus fortes en raison de la circulation comparativement faible dans les chaudières longues et basses. » Tous ces facteurs ont également entraîné une réduction de la durée de vie. De plus, la même longueur de chambre de combustion était beaucoup moins efficace sur une chaudière à tube direct que sur une chaudière à tube de retour, du moins sans chicane.
Chaudière à immersion La chaudière à immersion est une chaudière à tube de fumées à passage unique qui a été développée par Sellers Engineering dans les années 1940. Elle ne comporte que des tubes à feu, faisant également office de foyer et de chambre de combustion, avec de multiples buses de brûleurs injectant de l'air et du gaz naturel prémélangés sous pression. Elle revendique une réduction des contraintes thermiques et une absence totale de briques réfractaires en raison de sa construction.
Variations
Tubes à eau