あなたの未来は蒸気機関？

By Skip Goebel

Issue #43 – January/February, 1997

蒸気は古いと思っている人は、このことを考えてみてください。 ほぼ1世紀前、蒸気自動車や蒸気船は、今日の近代的な内燃機関でも到達するのが難しい速度と効率を達成しました。

蒸気は最も強力かつ最も危険な独立エネルギーの形態の1つです。 あまりに強力なので、蒸気機関のメーカーであるここタイニーパワー社では、少なくとも週に一度は、蒸気で世界を救おうとしている人から電話がかかってくるほどです。 通常、ほんの数分の会話で、その電話の主が蒸気工学の基礎についてもっと教育を必要としていることがわかります。

この記事は、人々が蒸気について持つ多くの質問のいくつかに答えようとするものです。 そして、最初の質問は、少なくとも個人的なエネルギーの必要性に関しては、それが世界を救うことができるのか、ということだと思います。 それは場合によるのです。

この最も労力のかかる家庭用電源への初期投資で、おそらくディーゼル発電機と 5-10,000 ガロンの燃料を購入しても、ライフスタイルに大きな変更はないでしょう。 もしあなたが木を燃やすつもりなら、木をガス化し、内燃機関で燃やすことは非常に確立された科学であることを知っておく必要があります。 これはあなたにとってより実用的なアプリケーションかもしれません。

あなたが大量の制御可能な熱を必要とする場合、例えば大きな家、鶏小屋、あるいはキルンを暖めるために、蒸気プラントは蒸気エンジンの廃熱（排気）があなたに遊ぶために過剰な量のBTUを与えるという点で優れている。 “水が熱でおかしくなった “というのが、最も良い答えです。 逆に、1平方インチあたり3200ポンドの圧力と720度前後の温度では、蒸気は「超臨界」となり、実際には水と同じ密度になります。 現代の蒸気システムがこの圧力で運転されるのは、「超放射性」気体である蒸気が水よりもはるかに速く熱を吸収して放出するからである

「乾燥した」蒸気だけが有用な仕事をすることができる。 蒸気は乾燥した透明で無味の気体である。 やかんから出てくる白濁したものは、実はただの水蒸気で、私たちのニーズには何の役にも立ちません。

著者の会社、タイニーパワー社が作った小型で高品質の蒸気機関の1つ。 これを「過熱蒸気」と呼び、望ましい状態であるが、小規模の蒸気プラントではあまり使われない。

蒸気でやりたいことは、蒸気から仕事を取り出すことである。 仕事は質量の移動または速度の変化と表現するのが最も適切である。 仕事をするためにはエネルギーが必要である。 質量にエネルギーを与えることと、そのエネルギーを伝達して利用することは別のことである。 水蒸気の形をした水は、エネルギーを伝達する優れた媒体です。

水は、エネルギーを容易に吸収し伝達する、実用的で安全かつ効果的な非有機化学物質です。 これがどのように起こるかを理解するには、差分、すなわち温度の差、圧力の差、もっと言えば体積の差で考えてみてください。 蒸気がある体積から別の体積へ移動するとき、仕事が行われる。 例えば、シリンダー内でピストンが下降し、空間や体積が増える（膨張する）ことが挙げられます。 体積が変化すると、温度や圧力も変化します。 これらは自然界の法則であり、変えることはできません。 私たちは、質量の特性を測定するための単位を持っています。 一般に、圧力はポンド毎平方インチ、体積は立方フィート、温度は華氏で測られます。 (皆さん、私はまだメートル法ではありません。)

ここで、イギリス熱量単位(Btu)を紹介しましょう。 これはアメリカ合衆国の単位で、メートル法のカロリーに近いものです。 熱量の単位にほかならない。 1Btuは、1ポンドの水を華氏1度上げるのに必要な熱量である。 逆に、1ポンドの水が1度下がると、1Btuを放出する。

どんな燃料でも燃焼すると、熱という形でエネルギーを放出し、その熱はBtuかカロリーのどちらかで測定することができる。 ここではBtu’sを使うことにします。 例えば、オーク材は1ポンドあたり6〜11,000Btuの熱量を持っています。 この熱は、位置エネルギー、つまりエネルギーが発生するのを待っている状態だと考えてください。 酸化（燃焼）するとエネルギーが放出され、そのエネルギーで蒸気を作れば、その蒸気でエネルギーをどこかに伝えて有用な仕事をすることができる。

蒸気発射サンタクルーズII、カリフォルニア州エコー湖

その他、温泉や太陽もBtuの源になることがある。 私たちが求めているのは温度差であり、水温を上げれば上げるほど、水からより多くの仕事を得ることができることを忘れないでください。 残念ながら、温度差が小さいほど、水の体積を大きくしなければならない。 たとえば、800度の1ポンドの蒸気には、ある量の仕事がある。400度で同じ量の仕事を出すには、もっと大量の水が必要だ。

そこで、1ポンドの水を60度から212度にすると、152Btuの水が必要だ。 (212 – 60 = 152）ここで、もう1Btuを加えると、大気圧ですべて蒸気に変わります。 そうだろ？ 間違っている！

水の温度を上げるのは簡単ですが、水を蒸気に変えるのは全くの別物です。 物質の物理的な状態を変えるには、多くのエネルギーが必要です。

大気圧で1ポンドの水を212度の水から212度の蒸気に変えるには（やはり重量で1ポンド）、さらに970Btuのエネルギーが必要であることを忘れないでください。 もし、ボイラーのように、このすべてを含むと、圧力差（内側と外側）が生じます。 212度で1ポンドの水は、わずか0.2立方フィートしか占めませんでした。 212度で大気圧（または1平方インチあたり14.7ポンド）の蒸気は27立方フィートを占める。

さて、蒸気が封じ込められているためにこれらの体積に膨張しない場合、圧力が増加することになる。

What type of boiler?

蒸気を作る容器はボイラーと呼ばれます。 ボイラーは基本的に3種類あります。

火管式ボイラーです。 これは最も古く、最も単純で、最も安定した蒸気の生産を行うものである。 また、最も危険なものでもあります（爆発しやすい）。 したがって、これ以上は無理です。 忘れてください、ダメです、ありえません、など。 このステッカーを脳裏に貼り付けてください。 1ガロンの水の中に1本のダイナマイトがある」

水管。 これはより効率的で、より安全で、一般的で、簡単に作ることができる、などなど。 基本的には、ドラム缶から下向きに茎を伸ばし、燃焼室（火室）を取り囲む一連の管を組み込んだ設計である。 蒸気はドラム缶の上部から吸い上げられ、パイプで目的の場所に送られる。 (図1参照）

図1. 水管ボイラー

このタイプの一般的な例としては、家庭用の暖房用ボイラーが挙げられる。 大型船舶や発電所でもこのような設計のものが使用されている。 私たちの23′スチームボートにも薪を燃やすものがありますが、なかなかよくできています。 ここで断っておきますが、固形燃料（薪や石炭）を燃やす場合は、常にボイラーに立ち会うことになります。 あなたができない場合は、ちょうど全体のアイデアをドロップします。 6854>

基本的なレイアウトは図の通りです。 決して、この図解を使って自分のボイラーを設計しないでください。 この記事を読んで教育しなければならないとしたら、あなたはこれを1台も作れないし、作らないし、作らないであろう。 死は最終的なもの（そして苦痛）であることを忘れないでください。

承認され、認定され、よくテストされた無数のプランが利用可能です。 蒸気は間違いなく「確定」した科学である。 イエローページを見れば、ちゃんと仕事をしてくれる認定されたボイラー技師がいるはずです。 技術的に、あなたは非認証ボイラーを構築することによって、法律を破っている

単管またはフラッシュボイラー。 これは圧倒的に最も効率的で、最も軽量で、最も安全なボイラーです。 建設も簡単で安価である。 連続的な定常運転に最も適している。 しかし、予備容量が少ないので、負荷はもちろん、燃料や水の供給量の変動に敏感である。 最も一般的なものは、携帯用スチームクリーナーである。 現代のモーテルでは給湯器として使用されている。

より大きな蒸気船

基本的には、さまざまな構成のチューブまたはパイプの連続コイルで構成されています。 そのため、”Monotube “と呼ばれています。 燃料や水の供給を厳密にコントロールできれば、理想的な家庭用電力ボイラーが完成する。 ガスや液体燃料は、制御が容易なため、モノチューブには理想的な燃料の種類である。

燃焼の事実

ある量の燃料が燃焼するには、ある量の空気が必要で、それ以上でも以下でもない。 また、燃焼には適切な量の空間が必要です。 空気が足りないと不完全燃焼になります。

また、空気と燃料の出会いを早くしすぎると、炎が熱くなりすぎてしまう。 1800度以上になると、空気中の窒素や他のいくつかの化学物質が酸化し始めるから悪いんだ。

燃焼空間は重要で、狭すぎると炎が消えてしまうからです。 火のついたろうそくを持ち、炎が氷の塊に触れるようにして、本当に近くで見ると、炎を表面から絶縁している目に見えないガスの層があります。 この層は一酸化炭素などの未燃ガスで、表面温度が可燃性ガスの発火温度以下だったために発生したものです。 ルールはこうだ。 炎は金属に触れてはならない

また、空間が広すぎると、放射線の係数を失うことがあります。 一般にボイラーは高温のガスではなく、輻射エネルギーからエネルギー伝達の60～70％を得る。

1/2スケール スチームトラクター

ここで考えるのは、空気と燃料を静かに一体化させて、そのための空間や時間を十分に与えることである。

強大なトルク

さて、蒸気ができたので、それを使ってみよう。 シリンダー内のピストンやタービン内のノズルなど、制御された環境で蒸気を膨張させることで、蒸気から仕事を引き出します。

タービンはいいですし、私自身も持っていますが、家庭用サイズでは非常に効率が悪いのです。 これは物理学とコストの問題です。 この点を主張する人はたくさんいると思いますが、もし彼らが効率の良い家庭用規模のタービンを開発し、それをリーズナブルなコストで売ることができれば、私はそれを買いますよ。 心してかかってください。 動くし、長持ちするし、昔からあるんだから。 蒸気機関は静かで、重く、長持ちし、最新式ならメンテナンスも簡単です（私たちの大型モデルは密閉型ボールベアリングを使用しています）。

蒸気機関は、自動弁の付いた速効性の油圧シリンダーに似ていると考えてください。 ラムはクランクに接続され、これが回転して有用な仕事を与える。 ここで重要なのは、ほとんどの蒸気機関はピストンの両側で蒸気を受けるように設計されており、「シングルストローク」エンジンになっていることです。 そのため、ピストンエンジンはほぼどの回転数でも大きなトルクを発生する。 このトルクは、ピストンの平方インチをとり、それに平均シリンダー圧をかけ、フィートで測ったストロークの長さを2で割った数字をかければわかる。 例をあげると、次のようになる。 単気筒エンジンの場合、ボアが3インチ、ストロークが4インチで、平均シリンダー圧が100ポンドであったとする。 3インチのピストンは約7平方インチ（3×3×0.7854）、ストロークは0.33フィート（約3.5メートル）である。 (4/12). 7 x .33 = 2.31. これを100ポンド圧力×2.31＝231で割って2で割ると、115.5フットポンドのトルクが得られます。 しかし、現実には摩擦や効率の低下がある。

効率は、ある量の仕事をするために、エンジンがどれだけの蒸気や水を消費するかで測られる。 これは通常、1馬力時あたりの蒸気/水のポンドで測定される。

私たちのショップユニットは過去18年間使用され、1時間に4000ワットを生産しています。 それは1時間に約250ポンドの水（蒸気になったもの）を消費します。 750ワットを1馬力と見なし、効率の低下を考慮すると、1馬力あたり約47ポンド（250ポンド÷約5.3馬力）の計算になるのです。 別の言い方をすれば、エンジンが1馬力出すごとに、47ポンドの水を蒸発させてエンジンに通したことになる。

もっと効率のよいエンジンもあるが、それにはかなりのコストがかかる。 効率はいいのですが、燃料がタダなら、なぜ気にする必要があるのでしょうか。 燃やす薪が少なければ、切る量も少なくて済むからです。 10日間で1本の薪を使ったことがありますが、私にとっては手間がかかりすぎます。

以上のことから、なぜ蒸気対他の自立型エネルギーなのかという疑問に戻ります。

蒸気機関やボイラーは通常、全開、全バルブ開放、全火力などのフル設定で最も効率的であるため、次のテーマに移ります。 したがって、蒸気機関/発電機が最も実用的なアプリケーションであることがわかります。

発電機には、直流と交流があり、どちらにも用途があります。 残念ながら、A.C.は繊細なガバナーと重いフライホイールの形で正確な速度制御を必要とします。 私は、ほとんどの人が代わりにD.C.を使用することをお勧めします。 直流は作るのも制御するのも簡単だし、何より貯めておくことができる。 直流電力を作って蓄えておけば、蒸気システムは一日中アイドル状態（非効率）ではなく、短時間に最大限の能力を発揮することができます（最も効率的）。 早く電気を作って、早く仕事に取りかかることができるので、実用的です。

映画「マーベリック」で使われた典型的な発電所を持つ蒸気船

ここミズーリ州ブランソンの観光地で一時期1kw直流蒸気発電所を運営し、120ボルトで照明やモーターを動かす高圧直流に惚れ込んでしまいました。 唯一の欠点は、直流は接点やスイッチに負担がかかることだ。 そのため、DC用の高価なスイッチやブレーカーを購入しなければなりません。

家庭用電源の蒸気

Tiny Powerには13種類のエンジンと付属品があり、主に引退した機械工や蒸気船乗りなどの趣味の人たちを世界的に受け入れています。

私自身、家庭用電源としての蒸気に特化した別の会社を立ち上げようとしているところです。

以下の設計は、家庭規模の蒸気発生システムの実用的な概念を示すものです。 これは実際の設計図ではありませんし、これをそのように使用する人に対しては、私は何の責任も負いません。 薪ストーブを使って蒸気を作ろうと考えている人たちは、次のことを行ってください：私を遺言に残し、子供たちをおばあちゃんと暮らせるようにし、近所の人に公平に警告し、アリゾナの海に面した土地の代金を支払ってください

ニーズから始めましょう。 私たちの家は、1 日に 2400 ワット/時間の電気を必要とします。 バッテリに入れた分の 75% しか得られないので、3200 ワット/時間 (2400 / 0.75 = 3200) の電気を入れる必要があります。 750ワット＝1馬力といっても、発電機やベルトなどには非効率な部分がある。 安全な数値は30％の損失なので、効率70％以上の3200ワット＝4266ワット（3200 / 0.70 = 4571）です。 切り上げて4600になります。 必要馬力は4600ワット/時間÷750で6.1馬力（4600 / 750 = 6.1）となる。1をとって47をかけると286.7となり、基本的には287ポンドの蒸気/水が必要です。

私たちの使用圧力120 psiで水を蒸気に変えるために、1ポンドの水/蒸気あたり1200 Btuが必要だとします。 そこで、287ポンドの蒸気/水×1200Btu’s＝344,400Btu’sが必要です（287×1200）。

このボイラーは効率が70％なので、344,400Btu’sを70％で割ると、実際に必要となるのは492,000Btuという数字になります（344,400 / .

薪の熱量は 1 ポンドあたり 7,000 Btu なので、薪は 70.3 ポンド必要です (492,000 / 7,000 = 70.3). この負荷を2時間に分散させると、1時間に35.2ポンド（70.3 / 2 = 35.2）、つまり約35kgの薪を燃やすことになります。

これは「現実の世界」の数字であり、ピンクハンドのいわゆる「教育的」なタイプが考え出すものとは劇的に異なることを覚えておいてください。

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図2のイラストを追っていくと、燃料と水の流れる方向に気がつきます。 これは単管式で、電動ポンプと送風機を使用し、簡単に制御できる。

これは「消化器」からの木材ガスを燃やし、木材を点火温度まで加熱するが、酸素は不足させる。 この未燃焼ガスは、加熱された空気と混合され、ボイラーの底部で燃焼される。 燃焼ガスは水の管の上を通り、空気ヒーターの上を通り、排気筒から排出されます。

水は外のコイルに入り、熱を拾い、熱交換器（デスーパーヒーター）に入り、セパレーターに入る。 蒸気はセパレーターの上部から出て、スーパーヒーターとして機能する内側コイルに入ります。 過剰に熱い蒸気はデスーパーヒーターを通過し、入ってくる水にいくらかのBtuを放出します。 これで「和らげられた」蒸気はエンジンに向かい、そこで仕事をすることになります。 エンジンの排気は大きなタンクの中にあるコイルに入り、残った熱を水に放出する。 そして、蒸気が凝縮して水となり、真空ポンプを通ってホットウェルに排出される。

Getting educated

いじり回す前に知識を得ておくことの重要性はいくら強調してもしきれません。 大きな製材所にはたいてい発電所があり、技術者は気さくな人たちで、いつも自分の “赤ちゃん “を見せびらかしたくなるものです。 古い船や製油所を見学して、遠慮なく質問してください。

究極の教育は、スチームクラブのショーに参加することです。 毎年、文字通り何千とあります。 車で1時間以内のところにある可能性が高いです。 必ず子供を連れてきてください。 ショーは間違いなく家族で楽しめるものです。

また、様々な出版物をチェックしてみてください。 蒸気機関車に関する雑誌は何冊かあります。 どれも大きな広告欄があります。

友愛会へようこそ

さらに読むには

Live Steam
P.O. Box 629
Traverse City, MI 49685
(Steam Engine of all kinds, on the Web, too)

Model Engineer
4314 W. JonesModel Engineer(Web もあり)。 238th St.
Torrance, CA 90505
(模型雑誌。おもちゃの蒸気機関車もあり)

Modeltec
P.O. Box 1226
St.Cloud, MN 56302
（蒸気、ガスエンジン、ホットエアーなど、働くモデルなら何でもあり。)

Steamboating
Rt. 1, Box 262
Middlebourne, WV 26149
(For the steamboat connoisur, all sizes, great reading!)

Iron Men Album
P.O. Box 328
Lancaster, PA 17608
(古い蒸気トラクターや固定エンジン、大型クラシファイド)

Engineers & Engines
1118 N. Raynor Ave.
Joliet, IL 60435
(古いエンジンや機械が多く、クラシファイドも充実)

Steam & Gas Show Directory
P.O. Box 328
Lancaster, PA 17603
(Canada とUSAでのショーを全て掲載、これは必携です)