Čeká vás v budoucnu parní pohon?

Podle Skipa Goebela

Číslo 43 – leden/únor 1997

Pokud si myslíte, že pára je staromódní, zvažte toto: Před téměř sto lety dosahovaly parní automobily a lodě rychlosti a účinnosti, které jsou i s dnešními moderními spalovacími motory stále obtížně dosažitelné.

Pára je jednou z nejvýkonnějších a nejnebezpečnějších forem nezávislé energie. Je tak mocná, že nám ve společnosti Tiny Power, výrobci parních motorů, alespoň jednou týdně zavolá někdo, kdo se chystá pomocí páry zachránit svět. Obvykle stačí jen několik minut rozhovoru, aby se ukázalo, že volající potřebuje více vzdělání v základech parní techniky.

Tento článek je pokusem odpovědět na některé z mnoha otázek, které lidé o páře mají. A asi první otázka zní: může zachránit svět, alespoň co se týče vašich osobních energetických potřeb? To záleží na tom,

Za počáteční investici do této nejpracnější formy domácí energie byste si pravděpodobně mohli pořídit dieselový generátor a 5-10 tisíc litrů paliva, aniž byste výrazně změnili svůj životní styl. Pokud plánujete spalovat dřevo, měli byste vědět, že zplynování dřeva a jeho spalování ve spalovacím motoru je velmi zavedenou vědou. To pro vás může být praktičtější využití.

Pokud potřebujete velké množství regulovatelného tepla, například k vytápění velkého domu, kurníku nebo dokonce pece, parní elektrárny vynikají tím, že odpadní teplo (výfukové plyny) parního stroje vám poskytne nadměrné množství BTU, se kterými si můžete hrát.

Co je pára?

Co je pára? „Voda se zbláznila z tepla“ je stejně dobrá odpověď jako kterákoli jiná. Voda se ve vakuu skutečně změní v páru, pokud se její teplota udrží na 40 stupních F. Naopak při tlaku 3200 liber na čtvereční palec a teplotě kolem 720 stupňů se pára stává „nadkritickou“ a ve skutečnosti má stejnou hustotu jako voda. Moderní parní systémy pracují při těchto tlacích, protože pára, která je „superradiačním“ plynem, absorbuje a odevzdává teplo mnohem rychleji než voda.

Použitelnou práci vytváří pouze „suchá“ pára. Pára je suchý, čirý plyn bez chuti. Zakalená hmota, kterou můžete vidět vycházet z konvice, je ve skutečnosti jen vodní pára a pro naše potřeby nemá žádné využití, protože pokud ji vidíte, veškerá práce z ní již zmizela.

Jeden z malých, vysoce kvalitních parních strojů vyráběných autorovou společností Tiny Power, Inc.

Pokud se voda změní na páru, můžete zvýšit teplotu plynu a uložit v něm více energie/práce. Tomuto stavu říkáme „přehřátá“ pára, a přestože je žádoucí, v malých parních elektrárnách se používá jen zřídka.

To, co chceme s párou dělat, je získat z ní práci. Práce se nejlépe popisuje jako pohyb nebo změna rychlosti hmoty. K vykonání práce je zapotřebí energie. Předat energii hmotě je jedna věc a přenést a využít tuto energii je věc druhá. Voda ve formě páry je vynikajícím médiem pro přenos energie.

Voda je praktická, bezpečná a účinná neorganická chemická látka, která snadno absorbuje a přenáší energii. Chcete-li pochopit, jak k tomu dochází, zkuste přemýšlet v diferencích, tj. rozdílech teplot, rozdílech tlaků, nebo přesněji v rozdílech objemů. Při přechodu páry z jednoho objemu do druhého se koná práce. Příkladem může být píst, který jde ve válci dolů a vytváří větší prostor nebo objem (expanze). Při objemových změnách musí docházet také ke změnám teploty a tlaku. To jsou přírodní zákony, které nelze změnit. K měření vlastností hmoty máme jednotky. Obecně se tlak měří v librách na čtvereční palec, objem ve stopách krychlových a teplota ve stupních Fahrenheita. (Ještě nejsem metrický, přátelé.)

Na tomto místě mi dovolte, abych vás seznámil s britskou tepelnou jednotkou (Btu). Je to měrná jednotka Spojených států, která je podobná kalorii metrického systému. Není to nic jiného než jednotka tepla. Jedna Btu je množství tepla, které je potřeba ke zvýšení jedné libry vody o jeden stupeň Fahrenheita. A naopak, klesne-li váha vody o jeden stupeň, uvolní se jeden Btu.

Při spalování jakéhokoli paliva se uvolňuje energie ve formě tepla a toto teplo lze měřit buď v Btu, nebo v kaloriích. Budeme používat jednotky Btu. Příkladem je dubové dřevo, které má 6-11 tisíc Btu na libru. Považujte ho za potenciální energii nebo energii, která čeká na uskutečnění. Při oxidaci (spalování) uvolňuje energii, a pokud z ní vyrobíme páru, můžeme ji použít k přenosu této energie někam jinam a vykonat užitečnou práci.

Spouštění páry Santa Cruz II, Echo Lake, Kalifornie

Dalším zdrojem Btu’s může být horký pramen nebo slunce. Nezapomeňte, že to, co hledáme, je rozdíl teplot; čím vyšší teplotu vody můžeme zvýšit, tím více práce můžeme z vody získat. Bohužel čím menší je rozdíl teplot, tím větší musí být objem vody. Například jedna libra páry o teplotě 800 stupňů má v sobě určité množství práce; k vytvoření stejného množství práce při teplotě 400 stupňů potřebujeme mnohem větší množství vody.

Převedeme tedy jednu libru vody z 60 na 212 stupňů a k tomu potřebujeme 152 Btu. (212 – 60 = 152) Nyní přidáme ještě jeden Btu a vše se při atmosférickém tlaku změní na páru. Je to tak?

Zvýšit teplotu vody je snadné; změnit vodu na páru je úplně jiná hra. Ke změně fyzikálního stavu hmoty je potřeba hodně energie. Nezapomeňte, že se zde neplýtvá, ale ukládá.

Přeměna jedné libry vody z 212 stupňů vody na 212 stupňů páry (stále jedna libra hmotnosti) při atmosférickém tlaku vyžaduje dalších 970 Btu. Pokud to vše zadržíme, jako v kotli, získáme tlakový rozdíl (uvnitř oproti vnějšku). Tato libra vody při teplotě 212 stupňů zabírala pouze 0,2 krychlové stopy. Pára při teplotě 212 stupňů a při atmosférickém tlaku (neboli 14,7 libry na čtvereční palec) zabere 27 krychlových stop.

Nyní, pokud tato pára nemůže expandovat do těchto objemů, protože je uzavřena, dostaneme zvýšení tlaku. Právě tento tlak využijeme k naší práci.

Jaký typ kotle?

Nádoba, ve které budeme vyrábět páru, se nazývá kotel. V zásadě existují tři typy kotlů.

Kotel s žárovou trubkou. Ten je nejstarší, nejjednodušší a vytváří nejstálejší produkci páry. Je také nejnebezpečnější (má tendenci vybuchovat). Proto se jím již nebudeme zabývat. Zapomeňte na něj, nada, v žádném případě atd. Nalepte si tuto nálepku na mozek:

Vodní trubice: V galonu vody je tyčinka dynamitu. Je to účinnější, bezpečnější, běžnější, snadno se to staví atd. V podstatě tato konstrukce zahrnuje řadu trubek, které vycházejí z bubnu směrem dolů a obklopují spalovací komoru (ohniště). Pára je pak odváděna z horní části bubnu, odkud je potrubím vedena k zamýšlenému použití. (Viz obrázek 1.)

Obrázek 1. Vodotrubný kotel

Běžným příkladem těchto typů je kotel pro vytápění domácností. Tato provedení používají i velké lodě a elektrárny. Na našem 23′ parníku máme jeden, který spaluje dřevo, a funguje poměrně dobře. Dovolím si zde namítnout, že pokud spalujete tuhá paliva (dřevo nebo uhlí), budete svůj kotel navštěvovat neustále. Pokud to nedokážete, od celé myšlenky upusťte. Pokud můžete, připravte se na věčné blaho.

Základní uspořádání je takové, jak je znázorněno na obrázku. V žádném případě nepoužívejte toto vyobrazení pro návrh vlastního kotle. Kdybyste se měli vzdělávat čtením tohoto článku, nemůžete, nechcete a nebudete žádný takový stavět. Pamatujte, že smrt je konečná (a bolestivá).

Existuje nespočet plánů, které jsou schválené, certifikované a dobře otestované. Pára je rozhodně „finalizovaná“ věda. Když se podíváte do žlutých stránek, najdete certifikované kotláře, kteří udělají práci správně. Technicky vzato, stavbou necertifikovaného kotle porušujete zákon.

Monotrubkové nebo bleskové kotle. Jedná se o zdaleka nejúčinnější, nejlehčí a nejbezpečnější kotel. Jeho konstrukce je snadná a levná. Nejlépe fungují při nepřetržitém, stálém provozu. Díky malé rezervní kapacitě jsou však citlivé na výkyvy v dodávkách paliva a vody, nemluvě o zatížení. Nejběžnějšími verzemi jsou přenosné parní čističe. Moderní motely používají jejich variantu jako ohřívače vody.

Větší parní člun

Zásadně se skládají z jednoho souvislého svitku trubek nebo potrubí v různých konfiguracích. Odtud název „monotrubka“. Pokud dokážeme zajistit přesnou regulaci přívodu paliva/vody, pak máme ideální kotel na domácí pohon. Ideálním typem paliva pro monotrubky jsou plynná a kapalná paliva, protože je lze snadno regulovat. A ano, existují schválené konstrukce pro monotrubky a profesionál je může postavit poměrně levně.

Fakta o spalování

Dané množství paliva potřebuje k hoření dané množství vzduchune více a ne méně. Ke svému hoření potřebuje také správné množství prostoru. Při nedostatku vzduchu dochází k neúplnému spalování. Příliš mnoho vzduchu a ohříváte vzduch.

Jestliže se vzduch setká s palivem příliš rychle, získáme příliš horký plamen. To je špatně, protože při teplotách nad 1800 stupňů začne dusík ve vzduchu a některé další chemické látky oxidovat. Nejenže je to jedovaté, ale navíc se tím plýtvá energií.

Prostor pro hoření je důležitý, protože když je ho málo, plamen zadusíme. Podržte zapálenou svíčku tak, aby se plamen dotýkal kostky ledu, a když se podíváte opravdu zblízka, je tam neviditelná vrstva plynu, která izoluje plamen od povrchu. Tato vrstva jsou nespálené plyny, například oxid uhelnatý, a vzniká proto, že teplota povrchu byla nižší než teplota vznícení hořlavých plynů. Pravidlo zní: Plamen se nesmí dotýkat kovu.

Také příliš velký prostor a můžeme ztratit koeficienty záření. Obecně lze říci, že kotel získává 60-70 % přenosu energie ze sálavé energie, nikoliv z horkých plynů.

Parní traktor v měřítku jedné poloviny

Jde o to, aby se vzduch a palivo jemně spojily dohromady a poskytly dostatek prostoru nebo času pro svou činnost. Pro všechny tyto faktory existují stanovené vzorce a váš kotlář bude vědět, co má dělat, jakmile mu řeknete, jaké jsou vaše potřeby.

Obrovský točivý moment

Když už máme páru, pojďme ji použít. Práci z páry získáme tak, že ji necháme expandovat v řízeném prostředí, například pomocí pístu ve válci nebo trysky v turbíně.

Turbíny jsou pěkné a sám jednu mám, ale v domácích měřítkách jsou velmi neefektivní. Je to jen otázka fyziky a nákladů. Vím, že se najde spousta lidí, kteří se s tím budou hádat, ale pokud vymyslí účinnou turbínu v domácím měřítku a budou ji prodávat za rozumnou cenu, tak si ji koupím.

Takže jsme zůstali u pístového (pístového) motoru. Vezměte si odvahu. Fungují, vydrží a jsou tu už dlouho. Parní motory jsou tiché, těžké, mají dlouhou životnost, a pokud jsou moderní, snadno se udržují (naše větší modely používají utěsněná kuličková ložiska).

Spoustu použitých motorů najdete ve starých loděnicích, rafineriích, starých továrnách, dolech a na železnici. Nebo si můžete koupit nový.

Považujte parní stroje za něco podobného jako rychle působící hydraulický válec s automatickým ventilem. Beran je spojen s klikou, která se otáčí a dává užitečnou práci. Je důležité si uvědomit, že většina parních strojů je konstruována tak, aby odebírala páru na obou stranách pístu, což z nich činí „jednokotoučové“ motory. Díky tomu také pístové motory vyvíjejí obrovský točivý moment při téměř jakýchkoli otáčkách za minutu. Tento točivý moment zjistíte tak, že vezmete čtvereční palce pístu, vynásobíte je průměrným tlakem ve válci a toto číslo vynásobíte délkou zdvihu měřenou ve stopách děleno 2. Příkladem může být: Jednoválcový motor má vrtání 3 palce a zdvih 4 palce a pracuje při průměrném nebo „středním“ tlaku ve válci 100 liber. Třípalcový píst má přibližně 7 čtverečních palců (3 x 3 x 0,7854) a zdvih 0,33 stopy. (4/12). 7 x .33 = 2.31. Vynásobte to tlakem 100 liber x 2,31 = 231 a vydělte to dvěma a získáte 115,5 stopové libry točivého momentu. Ve skutečnosti však dochází ke ztrátám třením a účinností.

Účinnost se měří podle toho, kolik páry/vody motor spotřebuje na vykonání daného množství práce. Obvykle se měří v librách páry/vody na hodinu výkonu. V angličtině to znamená, že na každou koňskou sílu vyrobenou za jednu hodinu projde motorem určité množství páry/vody.

Naše dílenské zařízení je v provozu již 18 let a vyrábí 4000 wattů za hodinu. Za jednu hodinu spotřebuje asi 250 liber vody (která byla přeměněna na páru). Výkon 750 wattů se považuje za jednu koňskou sílu, a když se započítají ztráty účinnosti, vychází to asi 47 liber na hodinu výkonu (250 liber děleno zhruba 5,3 koňské síly). Jinak řečeno, na každou koňskou sílu, kterou motor vyrobil, jsme odpařili 47 liber vody na páru a nechali ji projít motorem.

Existují motory, které jsou mnohem účinnější, ale stojí mnohem více, než chcete zaplatit. Účinnost je sice hezká, ale když je palivo zadarmo, proč by vás to mělo zajímat? Protože čím méně dřeva spálíte, tím méně budete muset kácet. Já jsem za 10 dní spotřeboval tolik dřeva, jako je pro mě šňůra, a to je pro mě příliš mnoho práce.

To vše nás přivádí zpět k otázce, proč pára oproti jiným formám nezávislé energie? Protože pokud máte využití pro velké množství tepla, výfukové plyny z motoru vám ho právě poskytnou.

Parní motory a kotle jsou obvykle nejúčinnější při plném nastavení, otevření všech ventilů, plném ohni atd… Takže to nás přivádí k dalšímu tématu:

Střídavý proud vs. stejnosměrný

V domácím prostředí je elektřina nejběžnější formou energie. Proto se jako nejpraktičtější použití ukazuje parní stroj/generátor.

Generátory jsou buď střídavé, nebo stejnosměrné a oba mají své využití. V dílně Tiny Power je naše 4kW Winco střídavý proud. bohužel střídavý proud vyžaduje přesné řízení otáček v podobě jemného regulátoru a těžkého setrvačníku. Navrhoval bych, aby většina lidí používala raději stejnosměrný proud. Stejnosměrný proud je jednodušší na výrobu, ovládání a hlavně ho můžete skladovat. Vyráběním stejnosměrného proudu a jeho ukládáním může parní systém krátkodobě běžet na maximální výkon (což je nejefektivnější), nikoliv celý den běžet naprázdno (což je neefektivní). Je to praktické, protože elektřinu můžete vyrobit brzy a pak se věnovat své práci.

Tento parník s typickou elektrárnou
byl použit ve filmu Maverick

Nějakou dobu jsem provozoval 1kw stejnosměrnou parní elektrárnu jako turistickou atrakci zde v Bransonu ve státě Missouri a zamiloval jsem se do vysokého napětí stejnosměrného proudu. Jedinou nevýhodou je, že stejnosměrný proud je náročný na kontakty a spínače. Musíte si koupit ty drahé vypínače a jističe, které jsou dimenzované na stejnosměrný proud

Pára pro domácí napájení

Tiny Power má 13 různých modelů motorů plus příslušenství a uspokojujeme především hobbyisty, jako jsou vysloužilí strojníci a parníci po celém světě. Naše srdce však stále touží po soběstačnosti.

Sám jsem v procesu zakládání další společnosti věnující se páře jako domácímu pohonu. Neuvedu ji na trh, dokud nebude systém spolehlivý, účinný a cenově dostupný.

Následující návrh ukáže praktickou koncepci systému parního generátoru v domácím měřítku. Nejedná se o skutečný projekt a nepřebírám žádnou odpovědnost za nikoho, kdo jej jako takový použije. Pro ty lidi, kteří si myslí, že budou používat svá kamna na dřevo k výrobě páry, udělejte prosím následující: uveďte mě do závěti, pošlete děti bydlet k babičce, spravedlivě varujte sousedy a splaťte svůj pozemek u oceánu v Arizoně.

Začněme s potřebami. Náš dům bude potřebovat 2400 wattů/hodin elektřiny denně. Protože z baterie získáme pouze 75 % toho, co do ní vložíme, musíme do ní vložit 3200 watt/hod (2400 / 0,75 = 3200). I když 750 wattů = 1 koňská síla, existuje neefektivita generátorů, řemenů atd. Bezpečný údaj je 30% ztráta, takže 3200 wattů při 70% účinnosti = 4266 wattů (3200 / ,70 = 4571). Zaokrouhlete na 4600. Naše potřeba koňské síly je pak 4600 wattů/hod děleno 750, což je 6,1 koňské síly (4600 / 750 = 6,1).

Při 47 librách páry na hodinu koňské síly, kterou má spotřebovat náš motor, vezmeme hodnotu 6.1 a vynásobíme ji 47 a dostaneme 286,7 neboli v podstatě je zapotřebí 287 liber páry/vody.

Řekneme, že k přeměně vody na páru při našem pracovním tlaku 120 psi bude zapotřebí 1200 Btu’s na libru vody/páry. Takže je zapotřebí 287 liber páry/vody x 1200 Btu = 344 400 Btu (287 x 1200).

Náš kotel má účinnost 70 %, takže 344 400 Btu děleno 70 % nám dává číslo 492 000 Btu skutečně potřebných (344 400 / .70 = 492 000).

Naše dřevo obsahuje tepelnou hodnotu 7 000 Btu na libru, takže potřebujeme 70,3 libry dřeva (492 000 / 7 000 = 70,3). Rozložme zatížení na dvě hodiny a zjistíme, že za hodinu spálíme 35,2 libry dřeva (70,3 / 2 = 35,2), tedy asi 35 liber. Pro představu, to je pořádná náruč dřeva.

Pamatujte, že se jedná o čísla „z reálného světa“ a dramaticky se liší od toho, co vymyslí nějaký růžolící takzvaný „vzdělaný“ typ.

>Kliknutím na tento obrázek zobrazíte celostránkovou verzi (111K). Pro návrat na tuto stránku použijte tlačítko ZPĚT v prohlížeči.

Pokud budete sledovat obrázek na obrázku 2, všimněte si směru proudění paliva a vody. Jedná se o jednotrubkovou konstrukci a bude využívat elektrická čerpadla a dmychadla, což umožní snadné ovládání.

Spalovat bude dřevoplyn z „fermentorů“, které dřevo zahřejí na zápalnou teplotu, ale vyhladoví ho po kyslíku. Tento nespálený plyn se pak smísí s ohřátým vzduchem a spálí se na dně kotle. Spaliny procházejí přes trubky s vodou a pak přes ohřívač vzduchu a dále výfukovým komínem.

Voda bude vstupovat do venkovní spirály, nabírat teplo, přecházet do výměníku tepla (desuperheater) a do odlučovače. Pára vyjde z horní části odlučovače do vnitřní spirály, která funguje jako přehřívák. Příliš horká pára projde desuperheaterem, čímž se uvolní určité množství Btu do vstupující vody. Nyní „temperovaná“ pára zamíří k motoru, kde vykoná svou práci. Výfukové plyny z motoru se dostanou do spirály, která je uvnitř velké nádrže, a uvolní své zbývající teplo do vody. Poté naše pára zkondenzuje na vodu a je vytlačena vakuovým čerpadlem, které ji odvádí do „horkého prostoru“. Z tohoto místa je pomocí vysokotlakého napájecího čerpadla čerpána zpět do kotle, kde začne vše znovu.

Získat vzdělání

Nemohu dostatečně zdůraznit, jak je důležité získat vzdělání, než se pustíte do kutilství. Velké pily mají obvykle elektrárnu a inženýři jsou kongeniální lidé, kteří se vždy chtějí pochlubit svým „dítětem“. Prohlédněte si staré lodě nebo rafinerie a nebojte se ptát. Když se budete někoho ptát, získáte od něj víc, než když se mu budete snažit říct, co víte.

Nejlepším vzděláním je účast na výstavě parních klubů. Každoročně jich jsou doslova tisíce. Je pravděpodobné, že jste od nějaké vzdáleni méně než hodinu jízdy. Určitě s sebou vezměte děti. Výstavy jsou rozhodně rodinnou záležitostí. Každý hobby obchod by vám měl být schopen říct, kde v okolí nějaká je.

Také se podívejte na různé dostupné publikace. Existuje několik časopisů o parních strojích. Všechny mají velkou rubriku s inzeráty. Vřele doporučujeme jeden s názvem The Steam Show Directory, který obsahuje seznam více než 500 parních výstav v této zemi a Kanadě.

Vítejte v bratrstvu.

Pro další čtení

Live Steam
P.O. Box 629
Traverse City, MI 49685
(parní stroje všeho druhu, také na webu)

Model Engineer
4314 W. K., USA. 238th St.
Torrance, CA 90505
(Premiérový časopis pro modeláře, věnuje se i parním strojům na hraní)

Modeltec
P.O. Box 1226
St. Cloud, MN 56302
(Všechny druhy pracovních modelů – parní, plynové, horkovzdušné atd.)

Steamboating
Rt. 1, Box 262
Middlebourne, WV 26149
(Pro znalce parníků, všechny velikosti, skvělé čtení!)

Iron Men Album
P.O. Box 328
Lancaster, PA 17608
(Staré parní traktory a stacionární motory, velké inzeráty)

Engineers &Motory
1118 N. Raynor Ave.
Joliet, IL 60435
(Plno starých motorů a strojů, velké inzeráty)

Steam & Gas Show Directory
P.O. Box 328
Lancaster, PA 17603
(Seznam všech výstav v Kanadě a USA, toto je „must have“)