Er dampkraft i din fremtid?

Af Skip Goebel

Udgave nr. 43 – januar/februar 1997

Hvis du tror, at dampkraft er gammeldags, så tænk på dette: For næsten hundrede år siden opnåede dampbiler og -skibe hastigheder og virkningsgrader, som det stadig er vanskeligt at opnå, selv med nutidens moderne forbrændingsmotorer.

Damp er en af de mest kraftfulde og farligste former for uafhængig energi. Den er så kraftfuld, at vi her hos Tiny Power, der fremstiller dampmotorer, mindst én gang om ugen får et opkald fra en person, der vil redde verden med damp. Som regel tager det kun et par minutters samtale at afsløre, at den, der ringer, har brug for mere undervisning i det grundlæggende i dampteknik.

Denne artikel er et forsøg på at besvare nogle af de mange spørgsmål, som folk har om damp. Og jeg tror, at det første spørgsmål er: Kan den redde verden, i hvert fald hvad angår dit personlige energibehov? Det kommer an på det.

For den indledende investering i denne mest arbejdskrævende form for strøm til hjemmet kunne du sandsynligvis købe en dieselgenerator og 5-10 tusind galloner brændstof uden væsentlige ændringer i din livsstil. Hvis du planlægger at brænde træ, skal du vide, at det er en meget etableret videnskab at forgasse træ og brænde det i en forbrændingsmotor. Dette er måske en mere praktisk anvendelse for dig.

Hvis du har behov for store mængder kontrollerbar varme, f.eks. til opvarmning af et stort hjem, et hønsehus eller endog en ovn, udmærker dampanlæg sig ved, at spildvarmen (udstødningsvarmen) fra en dampmaskine giver dig overdrevne mængder BTU’er at lege med.

Hvad er damp?

Hvad er damp? “Vand, der er gået amok med varmen” er et lige så godt svar som noget andet. Vand bliver faktisk til damp i et vakuum, hvis dets temperatur opretholder 40 grader F. Omvendt bliver damp ved et tryk på 3200 lbs. pr. kvadrattomme og en temperatur på omkring 720 grader “superkritisk” og har faktisk en massefylde, der er den samme som vand. Moderne dampsystemer kører ved disse tryk, fordi damp, som er en “superstrålende” gas, absorberer og afgiver varme meget hurtigere end vand.

Kun “tør” damp producerer brugbart arbejde. Damp er en tør, klar og smagsneutral gas. Det uklare stof, man kan se komme ud af en kedel, er faktisk bare vanddamp og har ingen nytte for vores behov, for hvis man kan se det, er alt arbejdet gået ud af det.

En af de små dampmaskiner af høj kvalitet, der fremstilles af forfatterens firma, Tiny Power, Inc.

Når vand er omdannet til damp, kan man hæve gassens temperatur og lagre mere energi/arbejde i den. Vi kalder dette “overophedet” damp, og selv om det er en ønskværdig tilstand, anvendes det sjældent i små dampværker.

Det, vi ønsker at gøre med damp, er at udvinde arbejde af den. Arbejde beskrives bedst som bevægelsen eller hastighedsændringen af en masse. Det kræver energi at udføre arbejde. At overføre energi til en masse er én ting, og at overføre og bruge denne energi er en anden ting. Vand i form af damp er et glimrende medium til at overføre energi.

Vand er et praktisk, sikkert og effektivt ikke-organisk kemikalie, der let absorberer og overfører energi. For at forstå, hvordan dette sker, skal man forsøge at tænke i differentialer, dvs. forskelle i temperatur, forskelle i tryk, eller mere specifikt forskelle i volumen. Når damp går fra et volumen til et andet, udføres der arbejde. Et eksempel herpå er et stempel, der går nedad i en cylinder og skaber mere plads eller volumen (ekspansion). Når der sker volumetriske ændringer, skal der også ske temperatur- og trykændringer. Det er naturlove, som man ikke kan ændre. Vi har enheder til at måle masseegenskaberne. Generelt måles tryk i pund pr. kvadrattomme, volumen i kubikfod og temperatur i grader Fahrenheit. (Jeg er ikke metrisk endnu, folkens.)

På dette tidspunkt vil jeg gerne præsentere dig for den britiske varmeenhed (Btu). Det er den amerikanske måleenhed, som svarer til det metriske systems kalorie. Det er intet andet end en enhed for varme. En Btu er den mængde varme, der er nødvendig for at hæve et pund vand en grad Fahrenheit. Omvendt, hvis et pund vand falder en grad, frigøres der en Btu.

Når et hvilket som helst brændstof forbrændes, afgiver det energi i form af varme, og denne varme kan måles i enten Btu’er eller kalorier. Vi vil bruge Btu’er. Et eksempel er egetræ, som har 6-11 tusind Btu’er pr. pund. Betragt det som potentiel energi eller energi, der venter på at ske. Når det oxideres (brændes), frigøres der energi, og hvis vi laver damp med denne energi, kan vi bruge dampen til at overføre denne energi et andet sted hen for at udføre nyttigt arbejde.

Dampstart Santa Cruz II, Echo Lake, Californien

Andre kilder til Btu’er kan være en varm kilde eller solenergi. Husk, at det vi leder efter er en forskel i temperaturerne; jo højere vi kan hæve vandets temperatur, jo mere arbejde kan vi få ud af vandet. Desværre er det sådan, at jo mindre temperaturforskellen er, jo større skal vandmængden være. For eksempel har et pund damp ved 800 grader en vis mængde arbejde i sig. For at producere den samme mængde arbejde ved 400 grader skal du bruge en meget større mængde vand.

Så, vi tager et pund vand fra 60 til 212 grader, og det tager 152 Btu’er. (212 – 60 = 152) Nu tilføjer vi en Btu mere, og det hele bliver til damp ved atmosfærisk tryk. Ikke sandt? Forkert!

Det er let at hæve vandtemperaturen, men at ændre vand til damp er en helt anden sag. Det kræver en masse energi at ændre stoffets fysiske tilstand. Husk, at den ikke er spildt her; den er snarere lagret.

For at omdanne et pund vand fra 212 grader vand til 212 grader damp (stadig et pund i vægt) ved atmosfærisk tryk kræver det yderligere 970 Btu’er. Hvis vi indeholder alt dette, som i en kedel, får vi et trykdifferentiale (indenfor i forhold til udenfor). Dette pund vand ved 212 grader havde kun optaget 0,2 kubikfod. Dampen ved 212 grader og ved atmosfærisk tryk (eller 14,7 lbs. per square inch) vil optage 27 kubikfod.

Nu, hvis denne damp ikke får lov til at udvide sig i disse volumener, fordi den er indesluttet, får vi en stigning i trykket. Det er dette tryk, som vi vil bruge til at udføre vores arbejde.

Hvilken type kedel?

Den beholder, som vi vil lave vores damp i, kaldes en kedel. Der findes grundlæggende tre typer kedler.

Fyrrørskedlen. Dette er den ældste, enkleste, og den, der skaber den mest stabile produktion af damp. Den er også den farligste (den har tendens til at sprænge i luften). Derfor ikke mere om denne. Glem det, nada, no way, osv. Klæb dette klistermærke på din hjerne: Der er en stang dynamit i en liter vand.

Vandrøret. Dette er mere effektivt, mere sikkert, mere almindeligt, let at bygge osv. Grundlæggende omfatter konstruktionen en række rør, der stammer nedad fra en tromle og omgiver forbrændingskammeret (ildkammeret). Dampen trækkes derefter fra toppen af tromlen, hvor den ledes til den tilsigtede anvendelse via et rør. (Se figur 1.)

Figur 1. Vandrørskedel

Et almindeligt eksempel på disse typer er en kedel til opvarmning af boliger. Store skibe og kraftværker anvender også disse konstruktioner. Vi har en i vores 23′ dampskib, der brænder træ, og den fungerer ret godt. Lad mig her indskyde, at hvis du brænder fast brændsel (træ eller kul), vil du hele tiden være til stede i din kedel. Hvis du ikke kan det, skal du bare droppe hele idéen. Hvis du kan, skal du være forberedt på evig lyksalighed.

Det grundlæggende layout er som illustreret i figuren. Du må på ingen måde bruge denne illustration til at designe din egen kedel. Hvis du skulle uddanne dig selv ved at læse denne artikel, kan, vil og skal du ikke bygge en sådan. Husk, at døden er endelig (og smertefuld).

Der findes utallige planer til rådighed, som er godkendt, certificeret og velafprøvet. Damp er afgjort en ‘færdigudviklet’ videnskab. Hvis du kigger i de gule sider, vil du finde certificerede kedelfabrikanter, der vil udføre arbejdet korrekt. Teknisk set bryder du loven ved at bygge en ikke-certificeret kedel.

Monotube- eller flashkedler. Dette er langt den mest effektive, letteste og mest sikre kedel. Den er let og billig at konstruere. De fungerer bedst ved kontinuerlig, jævn drift. Da de har en lille reservekapacitet, er de imidlertid følsomme over for udsving i brændsels- og vandforsyningen, for ikke at tale om belastninger. De mest almindelige udgaver er bærbare damprensere. Moderne moteller bruger en variant som vandvarmere.

En større dampbåd

Grundlæggende består de af én sammenhængende spole af slanger eller rør i forskellige konfigurationer. Deraf navnet “Monotube”. Hvis vi kan sørge for nøjagtig styring af vores brændstof/vandtilførsel, så har vi den ideelle hjemmekraftkedel. Brændstoffer af gas- og væsketypen er den ideelle brændselstype til monotube, fordi de er lette at regulere. Og ja, der findes godkendte konstruktioner til monorør, og en professionel kan bygge dem ret billigt.

Fakta om forbrænding

En given mængde brændstof har brug for en given mængde luft for at forbrændeikke mere og ikke mindre. Det har også brug for den rette mængde plads til at brænde. Ikke nok luft, og man får en ufuldstændig forbrænding. For meget luft, og du opvarmer luft.

Og hvis vi får luften til at møde brændstoffet for hurtigt, får vi også en for varm flamme. Det er dårligt, for ved temperaturer over 1800 grader begynder nitrogenet i luften og nogle andre kemikalier at oxidere. Det er ikke kun giftigt, men det er spild af energi.

Forbrændingsrummet er vigtigt, for for lidt, og vi slukker flammen. Hold et tændt stearinlys, så flammen rører en isterning, og hvis du ser rigtig godt efter, er der et usynligt lag af gas, der isolerer flammen fra overfladen. Dette lag består af uforbrændte gasser som kulilte og skyldes, at overfladetemperaturen var lavere end antændelsestemperaturen for de brændbare gasser. Reglen er: Flammen må ikke røre metal.

Der er også for meget plads, og vi kan miste vores strålingskoefficienter. Generelt får en kedel 60-70% af energioverførslen fra strålingsenergi, snarere end fra varme gasser.

Damptraktor i halv skala

Det gælder her om forsigtigt at forene luft og brændstof sammen og give det masser af plads eller tid til at gøre sit arbejde. Der findes faste formler for alle disse faktorer, og din kedelbygger vil vide, hvad han skal gøre, når du fortæller ham, hvad dine behov er.

Enormt drejningsmoment

Nu da vi har vores damp, skal vi bruge den. Vi udvinder arbejdet fra dampen ved at lade den udvide sig i et kontrolleret miljø som f.eks. med et stempel i en cylinder eller en dyse i en turbine.

Turbiner er dejlige, og jeg har selv en, men i hjemmeskala-størrelser er de meget ineffektive. Det er bare et spørgsmål om fysik og omkostninger. Jeg ved, at der er masser af folk derude, der vil argumentere for dette punkt, men hvis de kan komme med en effektiv turbine i hjemmeskala og sælge den til en rimelig pris, så vil jeg købe den.

Så vi sidder fast med stempelmotoren (frem- og tilbagegående). Tag mod til dig. De virker, de holder, og de har eksisteret i lang tid. Dampmotorer er støjsvage, tunge, langtidsholdbare, og hvis de er moderne, er de nemme at vedligeholde (vores større modeller bruger forseglede kuglelejer).

Du kan finde masser af brugte motorer på gamle skibsværfter, raffinaderier, gamle fabrikker, miner og jernbaner. Eller du kan købe en ny.

Se på dampmaskiner som en hurtigtvirkende hydraulisk cylinder med en automatisk ventil. Stemplet er forbundet med en krumtap, som drejer rundt og giver nyttigt arbejde. Det er vigtigt at bemærke, at de fleste dampmaskiner er konstrueret til at tage damp på begge sider af stemplet, hvilket gør den til en “enkelttaktsmotor”. Det gør også, at stempelmotorer producerer et enormt drejningsmoment ved næsten alle omdrejninger. Du kan beregne dette drejningsmoment ved at tage stemplens kvadratcentimeter, multiplicere det med det gennemsnitlige cylindertryk og multiplicere dette tal med slaglængden målt i fod divideret med 2. Et eksempel ville være: En encylindret motor har en boring på 3 tommer og en slaglængde på 4 tommer og kører med et gennemsnitligt cylindertryk eller “gennemsnitligt” tryk på 100 lbs. Et stempel på 3 tommer har ca. 7 kvadrattommer (3 x 3 x 0,7854) og en slaglængde på 0,33 fod. (4/12). 7 x .33 = 2.31. Gang det med 100 pounds tryk x 2,31 = 231 og divider det med 2, og du får 115,5 foot-pounds drejningsmoment. I virkeligheden er der imidlertid friktionstab og effektivitetstab.

Effektiviteten måles ved, hvor meget damp/vand en motor bruger for at udføre en given mængde arbejde. Dette måles normalt i pund damp/vand pr. hestekrafttime. På engelsk betyder det, at for hver hestekraft, der produceres i en time, passerer der en vis mængde damp/vand gennem motoren.

Vores værkstedsanlæg har været i brug i de sidste 18 år og har produceret 4000 watt i timen. Den forbruger ca. 250 pund vand (der er blevet omdannet til damp) i løbet af en time. 750 watt betragtes som en hestekraft, og når man regner effektivitetstab med, svarer det til ca. 47 pund pr. hestetime (250 pund divideret med ca. 5,3 hestekræfter). Sagt på en anden måde: For hver hestekraft, som motoren producerede, fordampede vi 47 pund vand til damp og lod det passere gennem motoren.

Der findes motorer, der er meget mere effektive, men de koster meget mere, end du ønsker at betale. Effektivitet er dejligt, men hvis brændstoffet er gratis, hvorfor skulle man så bekymre sig om det? Fordi jo mindre træ du brænder, jo mindre skal du fælde. Jeg har brugt så meget som en snor træ på 10 dage, og for mig er det for meget arbejde.

Alt dette bringer os tilbage til spørgsmålet om, hvorfor damp vs. andre former for uafhængig energi? Fordi, hvis du har brug for store mængder varme, vil udstødningen fra motoren give dig netop det.

Dampmotorer og kedler er normalt mest effektive ved fuld indstilling, alle ventiler åbne, fuld ild osv… så det bringer os til det næste emne:

AC vs. DC

I et hjem er elektricitet den mest almindelige energiform. Derfor viser det sig, at en dampmaskine/generator er den mest praktiske anvendelse.

Generatorer er enten vekselstrøm eller jævnstrøm, og begge har deres anvendelsesmuligheder. I Tiny Power’s butik er vores Winco på 4 kW A.C. Desværre kræver A.C. præcis hastighedskontrol i form af en delikat regulator og et tungt svinghjul. Jeg vil foreslå, at de fleste folk bør bruge jævnstrøm i stedet. D.C. er nemmere at lave og kontrollere, og vigtigst af alt, man kan gemme det. Ved at lave jævnstrøm og lagre den kan dampanlægget køre med maksimal kapacitet i en kort periode (mest effektivt) i stedet for at køre i tomgang hele dagen (ineffektivt). Det er praktisk, fordi man kan lave sin elektricitet tidligt og derefter gå i gang med sit arbejde.

Denne dampbåd, med dens typiske kraftværk,
blev brugt i filmen Maverick

Jeg drev et 1 kW DC-dampkraftværk som turistattraktion her i Branson, Missouri, i en periode og blev forelsket i højspændings-DC. Systemet drev lys og motorer ved 120 volt. Den eneste ulempe er, at jævnstrøm er hårdt for kontakter og afbrydere. Du er nødt til at købe de dyre afbrydere og afbrydere, der er beregnet til jævnstrøm.

Damp til hjemmestrøm

Tiny Power har 13 forskellige modeller af motorer plus tilbehør, og vi henvender os mest til hobbyister som f.eks. pensionerede maskinarbejdere og dampskibsførere over hele verden. Vores hjerte længes dog stadig efter selvforsyning.

Jeg er selv i færd med at starte et andet firma, der beskæftiger sig med damp som hjemmekraft. Jeg vil ikke bringe det på markedet, før systemet er idiotsikret, effektivt og overkommeligt.

Det følgende design vil vise et praktisk koncept for et dampgeneratorsystem i hjemmeskala. Det er ikke et egentligt blueprint, og jeg påtager mig intet ansvar for nogen, der bruger det som sådan. De folk, der tror, at de vil bruge deres brændeovn til at lave damp, bedes gøre følgende: Skriv mig på dit testamente, send børnene til at bo hos bedstemor, giv naboerne en rimelig advarsel og betal din ejendom ved havet i Arizona af.

Lad os starte med behovene. Vores hjem vil have brug for 2400 watt/timer elektricitet om dagen. Da vi kun får 75 % fra et batteri af det, vi sætter ind i det, skal vi sætte 3200 watt/time ind (2400 / .75 = 3200). Selv om 750 watt = 1 hestekraft, er der ineffektivitet i generatorer, remme osv. Et sikkert tal er et tab på 30 %, så 3200 watt over 70 % effektivitet = 4266 watt (3200 / .70 = 4571). Rund op til 4600. Vores hestekræftbehov er så 4600 watt/time divideret med 750, hvilket er 6,1 hestekræfter (4600 / 750 = 6,1).

Ved anvendelse af 47 lbs damp pr. hestetime, som vores motor skal forbruge, tager vi de 6.1 og multiplicerer det med 47, og vi får 286,7 eller grundlæggende 287 pund damp/vand er påkrævet.

Vi vil sige, at 1200 Btu’s pr. pund vand/dampe vil være påkrævet for at omdanne vandet til damp ved vores arbejdstryk på 120 psi. Så 287 pund damp/vand x 1200 Btu’er = 344.400 Btu’er er påkrævet (287 x 1200).

Vores kedel har en effektivitet på 70 %, så 344.400 Btu’er divideret med 70 % giver os tallet 492.000 Btu’er, der faktisk er påkrævet (344.400 / .70 = 492.000).

Vores træ indeholder en varmeværdi på 7.000 Btu’er pr. pund, så vi har brug for 70,3 pund træ (492.000 / 7.000 = 70,3). Lad os fordele belastningen over to timer, og vi kan se, at vi vil forbrænde 35,2 pund træ i timen (70,3 / 2 = 35,2), eller ca. 35 pund. For at sætte det i perspektiv er det en heftig armlæsning af træ.

Husk, det er tal fra den “virkelige verden” og er dramatisk forskellige fra det, som nogle lyshårede såkaldte “uddannede” typer vil komme med.

>Klik på dette billede for at se den fulde sideversion (111K). Brug din browsers TILBAGE-knap for at vende tilbage til denne side.

Hvis du følger illustrationen i figur 2, skal du lægge mærke til strømningsretningen for brændstof og vand. Dette er et monorørdesign og vil bruge elektriske pumper og blæsere, hvilket giver nem styring.

Det vil brænde trægas fra “kogere”, som opvarmer træet til antændelsestemperatur, men som sulter det for ilt. Denne uforbrændte gas blandes derefter med opvarmet luft og forbrændes i bunden af kedlen. Forbrændingsgasserne passerer over vandrørene og derefter over luftvarmeren og videre ud gennem udstødningsskorstenen.

Vandet kommer ind i den udvendige spole, optager varme, går ind i varmeveksleren (desuperheater) og videre ud i separatoren. Dampen kommer ud øverst i separatoren og ind i den indre spole, der fungerer som en overopvarmer. Den overdrevent varme damp vil passere gennem afsupervarmeren og frigive nogle Btu’er til det indkommende vand. Den nu “hærdede” damp vil gå mod motoren, hvor den vil udføre sit arbejde. Motorens udstødning vil gå ind i en spole, der befinder sig i den store tank, og afgive den resterende varme til vandet. Når det er sket, vil vores damp være kondenseret til vand og blive tvunget gennem en vakuumpumpe, som udledes i “hotwell”. Fra dette punkt pumpes den tilbage til kedlen via en højtrykstilførselspumpe for at starte forfra igen.

Få en uddannelse

Jeg kan ikke understrege nok vigtigheden af at få en uddannelse, før du fifler. Store savværker har normalt et kraftværk, og ingeniører er sympatiske folk, som altid gerne vil vise deres “baby” frem. Tag på rundvisning på gamle skibe eller raffinaderier, og vær ikke bange for at stille spørgsmål. Du får mere ud af nogen, hvis du stiller spørgsmål, end hvis du forsøger at fortælle dem, hvad du ved.

Den ultimative uddannelse er at deltage i en dampklubudsudstilling. Der er bogstaveligt talt tusindvis hvert år. Der er stor sandsynlighed for, at du er mindre end en times kørsel fra et. Sørg for at tage børnene med. Udstillingerne er bestemt en familiesag. Enhver hobbyforretning burde kunne fortælle dig, hvor der er en i dit område.

Tjek også de forskellige publikationer, der findes. Der findes flere magasiner om dampmaskiner. Alle har en stor rubrik med rubrikannoncer. Vi anbefaler på det kraftigste et der hedder The Steam Show Directory med en liste over 500 dampudstillinger i dette land og Canada.

Velkommen til broderskabet.

For yderligere læsning

Live Steam
P.O. Box 629
Traverse City, MI 49685
(Dampmaskiner af alle slags, også på nettet)

Model Engineer
4314 W. 238th St.
Torrance, CA 90505
(Førsteklasses magasin til modelbygning, dækker også legetøjsdampmaskiner)

Modeltec
P.O. Box 1226
St. Cloud, MN 56302
(Alle former for arbejdende modellerdamper, gasmotorer, varmluft osv.)

Steamboating
Rt. 1, Box 262
Middlebourne, WV 26149
(Til dampbådskenderen, alle størrelser, god læsning!)

Iron Men Album
P.O. Box 328
Lancaster, PA 17608
(Gamle damptraktorer og stationære motorer, store rubrikannoncer)

Engineers & Engines
1118 N. Raynor Ave.
Joliet, IL 60435
(Fyldt med gamle motorer og maskiner, store rubrikannoncer)

Steam & Gas Show Directory
P.O. Box 328
Lancaster, PA 17603
(Angiver alle shows i Canada og USA. Dette er et “must have”)