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Jan 13, 2024

Colonne : conceptions initiales de machines à vapeur destinées à l'exploitation minière

13 mai 2023 Quand Thomas Savery a reçu un brevet britannique pour sa machine à vapeur

13 mai 2023

Lorsque Thomas Savery a reçu un brevet britannique pour sa machine à vapeur en 1689, ce n'était pas entièrement son invention. Selon de nombreux historiens, Savery a basé sa conception sur une idée antérieure d'Edward Somerset, deuxième chapiteau de Worcester. Selon le Royal Collection Trust, l'idée de Somerset, qu'il appelait un "moteur à commande d'eau, était un précurseur de la machine à vapeur. Le Trust déclare qu'il s'agissait d'un moteur hydraulique construit à partir du canon d'un canon et Worcester espérait qu'il pourrait être utilisé dans l'agriculture pour accélérer l'irrigation.

Savery a conçu son moteur, non pas pour l'irrigation, mais pour pomper l'eau d'une mine à Cornwall.

Il y a une ironie dans le fait que le moteur de Savery, qu'il a conçu pour les mines, n'a pas été utilisé pour pomper les mines, mais sa pompe à vapeur était utile pour fournir de l'eau aux domaines et aux maisons de campagne, elle n'a trouvé aucun intérêt parmi les propriétaires de mines, déclare l'American Physical Society, dans son juillet 2018, vol. 27, édition numéro 7 d'APS News. L'article, « 2 juillet 1698 : Thomas Savery brevète une ancienne machine à vapeur »,

Le magazine universitaire en ligne, l'article du 31 juillet 2022 de Economic Historian, "Steam Engine", déclare que le moteur de Savery était destiné à utiliser le feu pour pomper l'eau des mines. Il fonctionnait en remplissant un réservoir de vapeur, puis en isolant le réservoir de la source de vapeur. Lorsque la température dans le réservoir rempli de vapeur a chuté en raison de l'isolement, la vapeur s'est condensée, créant un vide dans le réservoir. Le vide est formé par la différence de volume entre les phases liquide et gazeuse de l'eau. L'eau des mines s'est précipitée pour remplir le vide, et bien que le système de vide ait réussi, il ne pouvait fonctionner efficacement qu'à faible profondeur. L'eau aspirée dans le réservoir était ensuite expulsée ou forcée plus haut jusqu'à 80 pieds en utilisant la pression de la vapeur.

Le moteur avait plusieurs défauts, déclare APS News. Il n'était pas efficace pour soulever l'eau, en partie parce que la technologie n'existait pas encore pour usiner des joints hermétiquement scellés. Toutes les pièces étaient en laiton, en cuivre et en bronze, assemblées à partir de moulages ou de pièces moulées, puis soudées ou rivetées ensemble. L'étanchéité imparfaite signifiait que les moteurs étaient susceptibles d'exploser. Il consommait également trop de carburant pour le rendre économiquement viable pour les applications minières.

Thomas Newcomen était un forgeron (quincaillier), engagé par Savery pour forger son propre moteur. NPS déclare que Savery a autorisé Newcomen à falsifier une copie de la machine pour ses propres recherches dans le jardin. En 1712, Newcomen a construit sa propre machine à vapeur basée sur la conception de Savery, mais la machine à vapeur atmosphérique de Newcomen était de loin supérieure à celle de Savery, dit NPS. Le moteur de Newcomen a montré des performances considérablement améliorées, des différences mécaniques importantes, n'avait pas besoin de pression de vapeur et utilisait un vide différemment.

Le moteur Newcomen utilisait un piston fonctionnant dans un cylindre à dessus ouvert, déclare le National Museums Scotland, qui abrite un moteur Newcomen original. Le piston était relié par des chaînes à une poutre oscillante. À l'autre extrémité, la poutre était reliée aux pompes de la mine par une tige. Lors de la course ascendante, le cylindre est rempli de vapeur provenant de la chaudière, puis de l'eau froide est injectée dans le cylindre pour transformer la vapeur en eau et créer un vide (lorsque l'eau se transforme en vapeur, elle se dilate 1 500 fois, donc un volume contenu de la vapeur, si elle est recondensée en eau, créera un vide). Le vide a ensuite tiré le piston vers le bas et, via la poutre oscillante, a soulevé le piston de la pompe à eau.

L'utilisation d'une poutre à bascule dans le moteur de Newcomen était la façon dont le moteur est devenu plus tard appelé moteur à poutre.

Comme le souligne l'historien de l'économie, le principal défaut du moteur Newcomen était qu'il consommait trop de vapeur pour réchauffer le piston lors de chaque course de chauffage et de refroidissement. pour l'époque, cependant, c'était le meilleur design disponible.

Le développement suivant - et il était majeur - est venu d'un luthier écossais nommé James Watt. Watt n'a pas inventé une machine à vapeur ; il avait inventé un condenseur de vapeur. Il a étudié l'un des moteurs de Newcomen qu'on lui avait demandé de réparer, a vu ses défauts et les a améliorés, en utilisant sa propre invention. Il a révolutionné l'application de la vapeur.

Lorsque la vapeur du moteur de Newcomen a été condensée en eau, elle a également refroidi le cylindre. Parce que le cylindre devait constamment être réchauffé, il utilisait des quantités excessives de charbon.

Lors des tests de sa machine à vapeur récemment réparée, les auteurs, Nicholas Hatch, déclarent dans son article scientifique "La machine à vapeur de James Watt et le début de la révolution industrielle" (publié sur le site Web StMU Research Scholars) que Watt s'est rendu compte que plus d'un quart de la la vapeur créée par le moteur était libérée et gaspillée, ce qui la rendait inefficace lorsqu'elle était utilisée dans le champ de travail.

Finalement, l'une des inventions brevetées de Watt, le condensateur, éliminerait cette inefficacité.

Ben Russell, dans son article de janvier 2019 au Science Museum, "James Watt and the Separate Condenser", a déclaré: Le condenseur séparé a résolu le problème fondamental du moteur, à savoir que pour une économie de carburant maximale, le cylindre à vapeur devait rester aussi chaud que possible, tandis que pour efficacité thermique maximale, il doit être refroidi une fois par cycle de travail.

En condensant la vapeur dans un condenseur séparé maintenu frais en permanence, l'économie de carburant et l'utilisation efficace de la chaleur ont été maximisées, déclare Russell. Les machines à vapeur avec condenseur de Watt brûlaient deux tiers de charbon en moins, ce qui les rendait capables de fonctionner non seulement dans les mines, mais aussi dans les usines, les moulins, les ateliers et partout ailleurs qui avaient besoin d'énergie. Russell déclare que le brevet de condensateur de 1769 de Watts est désormais considéré comme l'un des brevets les plus importants jamais accordés au Royaume-Uni.

Non seulement le moteur était populaire dans l'exploitation minière, mais on s'est rapidement rendu compte qu'il pouvait également être appliqué à d'autres utilisations. En 1800, il y avait plus de moteurs de 500 watts dans les usines et les mines de toute la Grande-Bretagne, y compris les Cornouailles.

Les mineurs et les ingénieurs immigrants de Cornouailles ont importé la technologie cornique et britannique dans la région du cuivre du lac Supérieur à partir du milieu du XIXe siècle. Le Mining Magazine , en 1853, en discutant de la mine Cliff, près de Keweenaw Point, a déclaré:

"Le travail de pompage de la mine et d'élévation du minerai et de la roche est effectué par une machine à vapeur, tandis qu'une autre grande machine à levier, de forme verticale et de grande puissance, effectue le travail des tampons. Les tampons de cette mine portent vingt-quatre têtes, et sont les plus parfaites et les plus efficaces sur le lac Supérieur."

La même publication, en 1856, publie le rapport annuel de l'agent de la National Mining Company, dans lequel il est proposé de modifier le fonctionnement d'un moteur à faisceau de Cornouailles :

"Il est presque hors de doute qu'avec un cylindre de 40 pouces et une course de 12 pieds, qui est simplement un moteur de Cornouailles renversé, le cylindre reposant sur une semelle solide au-dessus de l'embouchure de l'arbre, et la tige de piston attachée directement La pompe à air est de petit diamètre, avec la même longueur de course que le moteur, supprimant ainsi la lourde poutre, le mouvement parallèle et la lourde maçonnerie du socle du cylindre, de la paroi du levier et du moteur. maison, et obtenir toute longueur de course souhaitable en ajoutant simplement à la longueur du cylindre et de la tige de piston, augmentant ainsi l'efficacité des pompes et obligeant les plus petites à faire le même travail.

Le rapport a ensuite décrit, en termes très techniques, le système de vide utilisé dans le fonctionnement du moteur. Lorsqu'il est simplifié en termes «profanes», l'agent décrivait l'application des vannes à tiroir.

À Cornwall, la volonté d'améliorer l'efficacité des machines à vapeur était constante, car les moteurs étaient nécessaires pour empêcher l'eau d'entrer dans les profondeurs des mines. Mais, en raison du coût élevé du charbon, qui était acheté aux houillères du Pays de Galles et expédié par voie maritime, l'efficacité des moteurs devait être améliorée pour être économique.

Les mines du district du lac Supérieur étaient confrontées au même problème, car les mines de cuivre du Michigan achetaient leur charbon principalement en Pennsylvanie, ce qui nécessitait également des expéditions sur de longues distances.

La semaine prochaine, nous poursuivrons notre discussion sur l'impact de l'énergie à vapeur sur les mines du lac Supérieur et leurs défis similaires partagés avec les mines de Cornwall.

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