L’energia a vapore è nel tuo futuro?

Di Skip Goebel

Il numero 43 – Gennaio/Febbraio, 1997

Se state pensando che il vapore sia fuori moda, considerate questo: Quasi un secolo fa, auto e navi a vapore raggiungevano velocità ed efficienze che sono ancora difficili da raggiungere, anche con i moderni motori a combustione interna di oggi.

Il vapore è una delle forme più potenti e più pericolose di energia indipendente. È così potente che qui a Tiny Power, produttori di motori a vapore, almeno una volta alla settimana riceviamo una chiamata da qualcuno che sta per salvare il mondo con il vapore. Di solito, bastano pochi minuti di conversazione per rivelare che il chiamante ha bisogno di più educazione nelle basi dell’ingegneria del vapore.

Questo articolo è un tentativo di rispondere ad alcune delle molte domande che la gente ha sul vapore. E credo che la prima domanda sia: può salvare il mondo, almeno per quanto riguarda le vostre esigenze energetiche personali? Dipende.

Per l’investimento iniziale in questa forma più laboriosa di energia domestica, potresti probabilmente comprare un generatore diesel e 5-10 mila galloni di carburante senza cambiamenti significativi nel tuo stile di vita. Se avete intenzione di bruciare la legna, dovete sapere che è una scienza molto consolidata quella di gassificare la legna e bruciarla in un motore a combustione interna. Questa potrebbe essere un’applicazione più pratica per te.

Se hai bisogno di grandi quantità di calore controllabile, ad esempio per riscaldare una grande casa, un pollaio, o anche un forno, gli impianti a vapore eccellono in quanto il calore residuo (scarico) di un motore a vapore ti darà una quantità eccessiva di BTU con cui giocare.

Che cos’è il vapore? “L’acqua impazzita per il calore” è una risposta come un’altra. L’acqua si trasforma in vapore nel vuoto se la sua temperatura si mantiene sui 40 gradi F. Al contrario, ad una pressione di 3200 libbre per pollice quadrato, e una temperatura intorno ai 720 gradi, il vapore diventa “supercritico” e ha effettivamente una densità uguale a quella dell’acqua. I moderni sistemi a vapore funzionano a queste pressioni perché il vapore, che è un gas “super-radiante”, assorbe e cede calore molto più velocemente dell’acqua.

Solo il vapore “secco” produce lavoro utilizzabile. Il vapore è un gas secco, chiaro e insapore. La roba torbida che puoi vedere uscire da un bollitore è in realtà solo vapore acqueo e non ha alcuna utilità per i nostri bisogni perché se puoi vederlo, tutto il lavoro è andato via.

Uno dei piccoli motori a vapore di alta qualità prodotti dall’azienda dell’autore, Tiny Power, Inc.

Una volta che l’acqua è trasformata in vapore, puoi aumentare la temperatura del gas e immagazzinare più energia/lavoro in esso. Chiamiamo questo vapore “surriscaldato” e sebbene sia una condizione desiderabile, è raramente usato in impianti a vapore su piccola scala.

Quello che vogliamo fare con il vapore è estrarre lavoro da esso. Il lavoro è meglio descritto come il movimento o il cambiamento di velocità di una massa. Ci vuole energia per fare lavoro. Impartire energia a una massa è una cosa, e trasmettere e usare quell’energia è un’altra. L’acqua, sotto forma di vapore, è un mezzo eccellente per trasmettere energia.

L’acqua è una sostanza chimica non organica pratica, sicura ed efficace che assorbe e trasmette facilmente l’energia. Per capire come questo accade, provate a pensare in differenziali, cioè differenze di temperatura, differenze di pressione, o più specificamente, differenze di volume. Quando il vapore passa da un volume ad un altro, viene fatto del lavoro. Un esempio di questo è un pistone che scende in un cilindro creando più spazio o volume (espansione). Quando si verificano cambiamenti volumetrici, devono verificarsi anche cambiamenti di temperatura e pressione. Queste sono leggi della natura che non si possono cambiare. Abbiamo unità per misurare le proprietà della massa. Generalmente, la pressione si misura in libbre per pollice quadrato, il volume in piedi cubici e la temperatura in gradi Fahrenheit. (Non sono ancora metrico, gente.)

A questo punto, lasciate che vi presenti l’unità termica britannica (Btu). È l’unità di misura degli Stati Uniti, simile alla caloria del sistema metrico. Non è altro che un’unità di calore. Un Btu è la quantità di calore necessaria per alzare una libbra d’acqua di un grado Fahrenheit. Al contrario, se una libbra d’acqua scende di un grado, rilascia un Btu.

Quando un qualsiasi combustibile viene bruciato, emette energia sotto forma di calore, e questo calore può essere misurato in Btu o calorie. Useremo i Btu. Un esempio è il legno di quercia, che ha 6-11 mila Btu per libbra. Considerala come energia potenziale o energia in attesa di accadere. Quando viene ossidato (bruciato), rilascia energia, e se facciamo vapore con quell’energia, possiamo usare il vapore per trasmettere quell’energia da qualche altra parte per fare un lavoro utile.

Lancio di vapore Santa Cruz II, Echo Lake, California

Altre fonti di Btu possono essere una sorgente calda o solare. Ricordate, quello che stiamo cercando è una differenza di temperatura; più in alto possiamo alzare la temperatura dell’acqua, più lavoro possiamo ottenere dall’acqua. Sfortunatamente, minore è la differenza di temperatura, maggiore deve essere il volume d’acqua. Per esempio, una libbra di vapore a 800 gradi ha una certa quantità di lavoro; per produrre la stessa quantità di lavoro a 400 gradi, è necessaria una quantità d’acqua molto maggiore.

Quindi, portiamo una libbra d’acqua da 60 a 212 gradi e ci vogliono 152 Btu. (212 – 60 = 152) Ora aggiungiamo un altro Btu e si trasforma tutto in vapore a pressione atmosferica. Giusto? Sbagliato!

Alzare la temperatura dell’acqua è facile; cambiare l’acqua in vapore è tutta un’altra cosa. Ci vuole molta energia per cambiare lo stato fisico della materia. Ricordate, non è sprecata qui; piuttosto è immagazzinata.

Convertire una libbra d’acqua da 212 gradi d’acqua a 212 gradi di vapore (sempre una libbra in peso) a pressione atmosferica richiede altri 970 Btu. Se conteniamo tutto questo, come in una caldaia, otteniamo un differenziale di pressione (interno contro esterno). Quella libbra d’acqua, a 212 gradi, aveva occupato solo 0,2 piedi cubi. Il vapore a 212 gradi e alla pressione atmosferica (o 14,7 libbre per pollice quadrato) occuperà 27 piedi cubi.

Ora, se quel vapore non può espandersi in quei volumi perché è contenuto, otteniamo un aumento di pressione. È questa pressione che useremo per fare il nostro lavoro.

Che tipo di caldaia?

Il contenitore in cui faremo il nostro vapore si chiama caldaia. Ci sono fondamentalmente tre tipi di caldaie.

La caldaia a tubi di fuoco. Questa è la più antica, la più semplice e quella che crea la produzione più costante di vapore. È anche la più pericolosa (tende a saltare in aria). Pertanto, basta con questa. Dimenticalo, nada, non se ne parla, ecc. Incolla questo adesivo sul tuo cervello: C’è un candelotto di dinamite in un gallone d’acqua.

Il tubo dell’acqua. Questo è più efficiente, più sicuro, comune, facile da costruire, ecc. Fondamentalmente, il design incorpora una serie di tubi che partono da un tamburo verso il basso e circondano la camera di combustione (focolare). Il vapore viene poi estratto dalla parte superiore del tamburo dove viene instradato verso il suo uso previsto da un tubo. (Vedi figura 1.)

Figura 1. Caldaia a tubi d’acqua

Un esempio comune di questi tipi è una caldaia per il riscaldamento domestico. Anche le grandi navi e le centrali elettriche usano questi modelli. Ne abbiamo una nel nostro battello a vapore 23′ che brucia legna, e funziona piuttosto bene. Lasciatemi dire qui che se bruciate combustibile solido (legno o carbone), assisterete alla vostra caldaia in ogni momento. Se non potete, abbandonate l’idea. Se puoi, preparati alla beatitudine perpetua.

Lo schema di base è quello illustrato nella figura. Non usate assolutamente questa illustrazione per progettare la vostra caldaia. Se doveste istruirvi leggendo questo articolo, non potete, non volete e non dovete costruire una di queste. Ricordate, la morte è definitiva (e dolorosa).

Ci sono innumerevoli piani disponibili che sono approvati, certificati e ben testati. Il vapore è sicuramente una scienza “finalizzata”. Se cercate nelle pagine gialle, troverete dei calderai certificati che faranno bene il lavoro. Tecnicamente, stai infrangendo la legge costruendo una caldaia non certificata.

Caldaie monotubo o flash. Questa è di gran lunga la caldaia più efficiente, più leggera e più sicura. È facile e poco costosa da costruire. Funzionano meglio con un funzionamento continuo e costante. Tuttavia, con poca capacità di riserva, sono sensibili alle fluttuazioni delle forniture di carburante e di acqua, per non parlare dei carichi. Le versioni più comuni sono pulitori a vapore portatili. I motel moderni ne usano una variante come scaldabagno.

Un battello a vapore più grande

Fondamentalmente, sono costituiti da una bobina continua di tubi o tubazioni in varie configurazioni. Da qui il nome “Monotubo”. Se siamo in grado di fornire un controllo esatto della nostra fornitura di combustibile/acqua, allora abbiamo la caldaia ideale per la potenza domestica. I combustibili di tipo gas e liquido sono il tipo di combustibile ideale per i monotubi perché sono facili da regolare. E sì, ci sono progetti approvati là fuori per i monotubi, e un professionista può costruirli piuttosto a buon mercato.

Fatti sulla combustione

Una data quantità di combustibile ha bisogno di una data quantità di aria per bruciare, né più né meno. Ha anche bisogno della giusta quantità di spazio per bruciare. Non c’è abbastanza aria e si ha una combustione incompleta. Troppa aria e si sta riscaldando l’aria.

Inoltre, se facciamo incontrare l’aria con il combustibile troppo velocemente, otteniamo una fiamma troppo calda. Questo è male perché a temperature superiori ai 1800 gradi, l’azoto nell’aria e alcune altre sostanze chimiche iniziano a ossidarsi. Non solo questo è velenoso, ma è energia sprecata.

Lo spazio di combustione è importante perché troppo poco e spegniamo la fiamma. Tieni una candela accesa in modo che la fiamma tocchi un cubetto di ghiaccio e se guardi molto da vicino, c’è uno strato invisibile di gas che isola la fiamma dalla superficie. Quello strato è costituito da gas incombusti come il monossido di carbonio ed è causato dal fatto che la temperatura della superficie era inferiore alla temperatura di accensione dei gas combustibili. La regola è: La fiamma non deve toccare il metallo.

Inoltre, troppo spazio e possiamo perdere i coefficienti di radiazione. In generale, una caldaia ottiene il 60-70% del trasferimento di energia dall’energia radiante, piuttosto che dai gas caldi.

Un trattore a vapore in mezza scala

L’idea qui è di unire delicatamente insieme aria e combustibile e dargli molto spazio o tempo per fare le sue cose. Ci sono formule fisse per tutti questi fattori, e il vostro costruttore di caldaie saprà cosa fare una volta che gli avrete detto quali sono le vostre necessità.

Coppia enorme

Ora che abbiamo il nostro vapore, usiamolo. Estraiamo il lavoro dal vapore permettendogli di espandersi in un ambiente controllato come con un pistone in un cilindro o un ugello in una turbina.

Le turbine sono belle, e io stesso ne ho una, ma in scala domestica sono molto inefficienti. È solo una questione di fisica e di costi. So che c’è un sacco di gente là fuori che sosterrà questo punto, ma se possono trovare una turbina efficiente in scala domestica e venderla ad un costo ragionevole, la comprerò.

Quindi, siamo bloccati con il motore a pistoni (alternativo). Fatevi coraggio. Funzionano, durano e sono in giro da molto tempo. I motori a vapore sono silenziosi, pesanti, duraturi e, se moderni, di facile manutenzione (i nostri modelli più grandi usano cuscinetti a sfera sigillati).

Puoi trovare molti motori usati in vecchi cantieri navali, raffinerie, antiche fabbriche, miniere e ferrovie. Oppure puoi comprarne uno nuovo.

Considera i motori a vapore come un cilindro idraulico ad azione rapida con una valvola automatica. L’ariete è collegato ad una manovella che gira e dà un lavoro utile. È importante notare che la maggior parte dei motori a vapore sono progettati per prendere il vapore su entrambi i lati del pistone, il che lo rende un motore a “corsa singola”. Questo fa anche sì che i motori a pistoni producano una coppia enorme a quasi tutti i giri. Si può calcolare questa coppia prendendo i pollici quadrati del pistone, moltiplicandoli per la pressione media del cilindro, e moltiplicando questa cifra per la lunghezza della corsa misurata in piedi divisa per 2. Un esempio potrebbe essere: Un motore monocilindrico ha un alesaggio di 3 pollici e una corsa di 4 pollici e funziona a 100 libbre di pressione media del cilindro o “media”. Un pistone da tre pollici ha circa 7 pollici quadrati (3 x 3 x .7854) e una corsa di .33 piedi. (4/12). 7 x .33 = 2.31. Moltiplicatelo per 100 libbre di pressione x 2,31 = 231 e dividetelo per 2, e otterrete 115,5 foot-pounds di coppia. In realtà, tuttavia, ci sono perdite di attrito e di efficienza.

Le efficienze sono misurate da quanto vapore/acqua consuma un motore per fare una data quantità di lavoro. Questo è solitamente misurato in libbre di vapore/acqua per ora di potenza. In inglese, questo significa che per ogni cavallo prodotto per un’ora, una certa quantità di vapore/acqua passerà attraverso il motore.

La nostra unità di negozio è stata in uso per gli ultimi 18 anni producendo 4000 watt all’ora. Consuma circa 250 libbre di acqua (che è stata trasformata in vapore) in un’ora. 750 watt è considerato un cavallo di potenza, e quando si calcolano le perdite di efficienza, si arriva a circa 47 libbre per ora di potenza (250 libbre divise per circa 5,3 cavalli di potenza). In altre parole, per ogni cavallo prodotto dal motore, abbiamo fatto evaporare 47 libbre di acqua in vapore e l’abbiamo fatta passare attraverso il motore.

Ci sono motori che sono molto più efficienti, ma costano molto di più di quanto si voglia pagare. L’efficienza è bella, ma se il combustibile è gratis, perché dovrebbe interessarti? Perché meno legna bruci, meno ne devi tagliare. Ho usato fino a un cordone di legna in 10 giorni, e per me è troppo lavoro.

Tutto questo ci riporta alla domanda: perché il vapore contro altre forme di energia indipendente? Perché, se hai bisogno di grandi quantità di calore, lo scarico del motore ti darà proprio quello.

I motori a vapore e le caldaie sono di solito più efficienti con le impostazioni complete, tutte le valvole aperte, fuoco pieno, ecc… quindi questo ci porta al prossimo argomento:

AC vs. DC

In un ambiente domestico, l’elettricità è la forma più comune di energia. Pertanto, un motore/generatore a vapore risulta essere l’applicazione più pratica.

I generatori sono sia a corrente alternata che a corrente continua ed entrambi hanno le loro applicazioni. Al negozio di Tiny Power, il nostro Winco da 4kw è a corrente alternata. Sfortunatamente, la corrente alternata richiede un preciso controllo della velocità sotto forma di un delicato regolatore e un pesante volano. Suggerirei che la maggior parte della gente dovrebbe usare invece il DC. La corrente continua è più facile da produrre, controllare e, cosa più importante, si può immagazzinare. Producendo elettricità a corrente continua e immagazzinandola, il sistema a vapore può funzionare alla massima capacità per un breve periodo (più efficiente) piuttosto che stare al minimo tutto il giorno (inefficiente). È pratico perché si può produrre l’elettricità all’inizio e poi andare avanti con i propri affari.

Questo battello a vapore, con la sua tipica centrale elettrica,
è stato usato nel film Maverick

Ho gestito una centrale a vapore 1kw D.C. come attrazione turistica qui a Branson, Missouri, per un periodo e mi sono innamorato dell’alta tensione D.C. Il sistema faceva funzionare luci e motori a 120 volt. L’unico inconveniente è che la corrente continua è dura per i contatti e gli interruttori. Devi comprare quei costosi interruttori e interruttori che sono classificati per D.C.

Vapore per l’energia domestica

Tiny Power ha 13 diversi modelli di motori più accessori, e ci rivolgiamo soprattutto agli hobbisti come i macchinisti in pensione e i navigatori a vapore di tutto il mondo. Tuttavia, il nostro cuore anela ancora all’autosufficienza.

Io stesso sono in procinto di avviare un’altra azienda dedicata al vapore come energia domestica. Non la metterò sul mercato finché il sistema non sarà infallibile, efficiente e conveniente.

Il seguente disegno mostrerà un concetto pratico di un sistema di generatore di vapore su scala domestica. Non è un vero e proprio progetto e non mi assumo alcuna responsabilità per chiunque lo usi come tale. Per quelle persone che pensano di usare la loro stufa a legna per fare vapore, per favore fate quanto segue: mettetemi nel vostro testamento, mandate i bambini a vivere con la nonna, date un giusto preavviso ai vicini, e pagate la vostra proprietà di fronte all’oceano in Arizona.

Iniziamo con le necessità. La nostra casa avrà bisogno di 2400 watt/ora di elettricità al giorno. Dato che da una batteria otteniamo solo il 75% di quello che ci mettiamo dentro, dobbiamo mettere 3200 watt/ora (2400 / .75 = 3200). Anche se 750 watt = 1 cavallo, ci sono inefficienze nei generatori, nelle cinghie, ecc. Una cifra sicura è una perdita del 30%, quindi 3200 watt su 70% di efficienza = 4266 watt (3200 / .70 = 4571). Arrotondiamo a 4600. Il nostro fabbisogno di cavalli è quindi 4600 watt/ora diviso per 750, che è 6,1 cavalli (4600 / 750 = 6,1).

Utilizzando 47 libbre di vapore per cavallo/ora da consumare dal nostro motore, prendiamo il 6.1 e lo moltiplichiamo per 47 e otteniamo 286,7 o fondamentalmente sono necessarie 287 libbre di vapore/acqua.

Diremo che 1200 Btu per libbra di acqua/vapore saranno necessari per trasformare l’acqua in vapore alla nostra pressione di lavoro di 120 psi. Quindi, 287 libbre di vapore/acqua x 1200 Btu = 344.400 Btu sono richiesti (287 x 1200).

La nostra caldaia è efficiente al 70%, quindi 344.400 Btu diviso il 70% ci dà la cifra di 492.000 Btu effettivamente richiesti (344.400 / .70 = 492.000).

La nostra legna contiene un valore termico di 7.000 Btu per libbra, quindi abbiamo bisogno di 70,3 libbre di legna (492.000 / 7.000 = 70,3). Distribuiamo il carico su due ore, e possiamo vedere che bruceremo 35,2 libbre di legna all’ora (70,3 / 2 = 35,2), o circa 35 libbre. Per metterlo in prospettiva, questo è un pesante carico di legna.

Ricordate, queste sono cifre del “mondo reale” e sono drammaticamente diverse da quello che qualche mano rosa cosiddetto tipo “educato” verrà fuori con.

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Se segui l’illustrazione della figura 2, nota la direzione del flusso di carburante e acqua. Questo e’ un design monotubo e usera’ pompe e soffianti elettriche, dando un facile controllo.

Brucia il gas di legno dai “digestori” che riscaldano il legno alla temperatura di accensione ma lo privano dell’ossigeno. Questo gas incombusto viene poi mescolato con aria riscaldata e bruciato alla base della caldaia. I gas di combustione passano sopra i tubi d’acqua e poi sopra il riscaldatore d’aria e fuori dal camino di scarico.

L’acqua entra nella serpentina esterna, prende il calore, va nello scambiatore di calore (desurriscaldatore) e nel separatore. Il vapore uscirà dalla parte superiore del separatore e andrà nella serpentina interna che funge da surriscaldatore. Il vapore troppo caldo passerà attraverso il desurriscaldatore, rilasciando alcuni Btu nell’acqua in entrata. Il vapore ora “temperato” si dirigerà verso il motore, dove farà il suo lavoro. Lo scarico del motore viaggerà in una bobina che si trova all’interno del grande serbatoio e rilascerà il suo calore residuo nell’acqua. Fatto questo, il nostro vapore si sarà condensato in acqua e verrà forzato attraverso una pompa a vuoto che lo scaricherà nel “pozzo caldo”. Da questo punto, viene pompato di nuovo alla caldaia tramite una pompa di alimentazione ad alta pressione per ricominciare tutto da capo.

Farsi istruire

Non posso sottolineare abbastanza l’importanza di farsi istruire prima di armeggiare. Le grandi segherie di solito hanno una centrale elettrica, e gli ingegneri sono persone simpatiche che vogliono sempre mostrare il loro “bambino”. Visitate vecchie navi o raffinerie, e non abbiate paura di fare domande. Otterrete di più da qualcuno se fate domande che se cercate di dirgli quello che sapete.

L’ultima educazione è quella di partecipare ad una mostra del club del vapore. Ce ne sono letteralmente migliaia ogni anno. È probabile che siate a meno di un’ora di macchina da una di esse. Assicuratevi di portare i bambini. Gli spettacoli sono sicuramente un affare di famiglia. Qualsiasi negozio di hobbistica dovrebbe essere in grado di dirti dove si trova uno nella zona.

Inoltre, controlla le varie pubblicazioni disponibili. Ci sono diverse riviste sui motori a vapore. Tutte hanno una grande sezione di annunci. Noi raccomandiamo vivamente quella chiamata The Steam Show Directory che elenca oltre 500 spettacoli di vapore in questo paese e in Canada.

Benvenuto nella confraternita.

Per ulteriori letture

Live Steam
P.O. Box 629
Traverse City, MI 49685
(Motori a vapore di tutti i tipi, anche sul web)

Model Engineer
4314 W. 238th St.
Torrance, CA 90505
(La principale rivista di modellismo, copre anche i motori a vapore giocattolo)

Modeltec
P.O. Box 1226
St. Cloud, MN 56302
(Tutti i tipi di modelli funzionanti: vapore, motori a gas, aria calda, ecc.)

Steamboating
Rt. 1, Box 262
Middlebourne, WV 26149
(Per l’intenditore di battelli a vapore, tutte le dimensioni, ottima lettura!)

Iron Men Album
P.O. Box 328
Lancaster, PA 17608
(Vecchi trattori a vapore e motori stazionari, grandi annunci)

Engineers & Engines
1118 N. Raynor Ave.
Joliet, IL 60435
(Pieno di vecchi motori e macchine, grandi annunci)

Steam & Gas Show Directory
P.O. Box 328
Lancaster, PA 17603
(Elenca tutti gli spettacoli in Canada e Stati Uniti. Questo è un ‘must have’)