Is stoomkracht uw toekomst?

Door Skip Goebel

Issue #43 – januari/februari, 1997

Als u denkt dat stoom ouderwets is, bedenk dan dit: Bijna een eeuw geleden bereikten stoomauto’s en -schepen snelheden en rendementen die zelfs met de huidige moderne verbrandingsmotoren nog moeilijk te bereiken zijn.

Stoom is een van de krachtigste en gevaarlijkste vormen van onafhankelijke energie. Het is zo krachtig dat we hier bij Tiny Power, makers van stoommachines, minstens één keer per week een telefoontje krijgen van iemand die de wereld gaat redden met stoom. Meestal duurt het maar een paar minuten gesprek om te onthullen dat de beller meer onderwijs nodig heeft in de grondbeginselen van stoomtechniek.

Dit artikel is een poging om enkele van de vele vragen te beantwoorden die mensen hebben over stoom. En ik denk dat de eerste vraag is: kan het de wereld redden, althans voor zover het uw persoonlijke energiebehoeften betreft? Dat hangt ervan af.

Voor de initiële investering in deze meest arbeidsintensieve vorm van energievoorziening voor thuis, zou u waarschijnlijk een dieselgenerator en 5-10 duizend gallons brandstof kunnen kopen zonder noemenswaardige veranderingen in uw levensstijl. Als u van plan bent om hout te verbranden, moet u weten dat het vergassen van hout en het verbranden ervan in een verbrandingsmotor een zeer gevestigde wetenschap is. Dit kan een meer praktische toepassing voor u zijn.

Als u een behoefte heeft aan grote hoeveelheden beheersbare warmte, zeg om een groot huis, kippenhok, of zelfs een oven te verwarmen, dan blinken stoomcentrales uit in het feit dat de afvalwarmte (uitlaat) van een stoommachine u buitensporige hoeveelheden BTU’s geeft om mee te spelen.

Wat is stoom?

Wat is stoom? “Water dat gek wordt van de hitte” is een even goed antwoord als ieder ander. Water verandert in feite in stoom in een vacuüm als de temperatuur 40 graden F blijft. Omgekeerd, bij een druk van 3200 pond per vierkante inch, en een temperatuur van ongeveer 720 graden, wordt stoom “superkritisch” en heeft in feite een dichtheid die gelijk is aan die van water. Moderne stoomsystemen werken bij deze drukken omdat stoom, een “superstralend” gas, veel sneller warmte absorbeert en afgeeft dan water.

Alleen “droge” stoom levert bruikbare arbeid op. Stoom is een droog, helder, smaakloos gas. Het troebele spul dat je uit een ketel kunt zien komen, is eigenlijk gewoon waterdamp en heeft geen nut voor onze behoeften, want als je het kunt zien, is al het werk eruit verdwenen.

Een van de kleine stoommachines van hoge kwaliteit, gemaakt door het bedrijf van de auteur, Tiny Power, Inc.

Als water eenmaal in stoom is veranderd, kun je de temperatuur van het gas verhogen en er meer energie/werk in opslaan. We noemen dit “oververhitte” stoom en hoewel het een wenselijke toestand is, wordt het zelden gebruikt in kleinschalige stoomcentrales.

Wat we met stoom willen doen, is er arbeid aan onttrekken. Arbeid is het best te omschrijven als de beweging of verandering van snelheid van massa. Er is energie nodig om arbeid te verrichten. Energie aan een massa toedienen is één ding, en die energie overbrengen en gebruiken is iets anders. Water, in de vorm van stoom, is een uitstekend medium om energie over te brengen.

Water is een praktische, veilige en effectieve niet-organische chemische stof die gemakkelijk energie absorbeert en overbrengt. Om te begrijpen hoe dit gebeurt, probeer te denken in differentialen, d.w.z. verschillen in temperatuur, verschillen in druk, of meer specifiek, verschillen in volume. Wanneer stoom van het ene volume naar het andere gaat, wordt er arbeid verricht. Een voorbeeld hiervan is een zuiger die in een cilinder naar beneden gaat, waardoor meer ruimte of volume ontstaat (expansie). Wanneer volumeveranderingen optreden, moeten ook temperatuur- en drukveranderingen optreden. Dit zijn natuurwetten die je niet kunt veranderen. We hebben eenheden om de eigenschappen van massa te meten. Over het algemeen wordt druk gemeten in pounds per square inch, volume in kubieke feet, en temperatuur in graden Fahrenheit. (Ik ben nog niet metrisch, mensen.)

Mag ik u nu voorstellen aan de Britse thermische eenheid (Btu). Het is de meeteenheid van de Verenigde Staten, die lijkt op de calorie van het metrieke stelsel. Het is niets anders dan een eenheid van warmte. Eén Btu is de hoeveelheid warmte die nodig is om één pond water één graad Fahrenheit te laten stijgen. Omgekeerd, als een pond water één graad zakt, komt er één Btu vrij.

Wanneer een brandstof wordt verbrand, geeft hij energie af in de vorm van warmte, en die warmte kan worden gemeten in Btu’s of in calorieën. We gebruiken Btu’s. Een voorbeeld is eikenhout, dat 6-11 duizend Btu’s per pond heeft. Beschouw het als potentiële energie of energie die wacht om te gebeuren. Als het wordt geoxideerd (verbrand), komt er energie vrij, en als we stoom maken met die energie, kunnen we de stoom gebruiken om die energie ergens anders heen te brengen om nuttig werk te doen.

Stoomlancering Santa Cruz II, Echo Lake, Californië

Andere bronnen van Btu’s kunnen een warmwaterbron of zonne-energie zijn. Vergeet niet dat we op zoek zijn naar een verschil in temperatuur; hoe hoger we de temperatuur van het water kunnen verhogen, hoe meer werk we uit het water kunnen halen. Helaas is het zo dat hoe kleiner het temperatuurverschil is, hoe groter het volume van het water moet zijn. Bijvoorbeeld, een pond stoom van 800 graden heeft een bepaalde hoeveelheid arbeid in zich; om dezelfde hoeveelheid arbeid te produceren bij 400 graden, heb je een veel grotere hoeveelheid water nodig.

Dus, we nemen een pond water van 60 naar 212 graden en dat kost 152 Btu’s. (212 – 60 = 152) Nu voegen we nog een Btu toe en alles verandert in stoom bij atmosferische druk. Toch? Fout!

De temperatuur van water verhogen is makkelijk; water in stoom veranderen is een heel ander verhaal. Het kost veel energie om de fysieke toestand van materie te veranderen. Denk eraan, het wordt hier niet verspild, maar opgeslagen.

Om één pond water om te zetten van 212 graden water in 212 graden stoom (nog steeds één pond in gewicht) bij atmosferische druk is nog eens 970 Btu’s nodig. Als we dit alles insluiten, zoals in een ketel, krijgen we een drukverschil (binnen vs. buiten). Dat pond water, bij 212 graden, had slechts 0,2 kubieke voet in beslag genomen. De stoom bij 212 graden en bij atmosferische druk (of 14,7 pond per vierkante inch) zal 27 kubieke voet innemen.

Nu, als die stoom niet mag uitzetten in die volumes omdat hij is ingesloten, krijgen we een drukverhoging. Het is deze druk die we zullen gebruiken om ons werk te doen.

Wat voor soort ketel?

Het vat waarin we onze stoom zullen maken, wordt een ketel genoemd. Er zijn in principe drie soorten ketels.

De vlampijpketel. Dit is de oudste, eenvoudigste, en degene die de meest constante stoomproductie levert. Het is ook de gevaarlijkste (heeft de neiging op te blazen). Daarom, niets meer over deze ketel. Vergeet het maar, nada, no way, enz. Plak deze sticker op je hersenen: Er zit een staaf dynamiet in een gallon water.

De Waterslang. Deze is efficiënter, veiliger, gangbaar, makkelijk te bouwen, enz. In principe bestaat het ontwerp uit een reeks buizen die vanuit een trommel naar beneden lopen en de verbrandingskamer (vuurkist) omgeven. De stoom wordt dan van de bovenkant van het vat afgetapt, waar hij via een pijp naar het beoogde gebruik wordt geleid. (Zie figuur 1.)

Figuur 1. Waterpijpketel

Een veel voorkomend voorbeeld van deze types is een verwarmingsketel voor thuis. Grote schepen en energiecentrales gebruiken deze ontwerpen ook. Wij hebben er een in onze 23′ stoomboot die op hout brandt, en het werkt vrij goed. Laat me hier tussenvoegen dat als u vaste brandstof (hout of steenkool) brandt, u uw boiler te allen tijde zult bijwonen. Als u niet kunt, laat enkel het gehele idee vallen. Als u dat wel kunt, bereid u dan voor op eeuwigdurende gelukzaligheid.

De basisopzet is zoals afgebeeld in de figuur. Gebruik deze illustratie in geen geval om uw eigen ketel te ontwerpen. Als u uzelf zou moeten onderwijzen door dit artikel te lezen, kunt, zult en zult u niet een van deze bouwen. Denk eraan, de dood is definitief (en pijnlijk).

Er zijn talloze plannen beschikbaar die zijn goedgekeurd, gecertificeerd en goed getest. Stoom is zeker een “gefinaliseerde” wetenschap. Als u in de gele pagina’s kijkt, zult u gecertificeerde ketelmakers vinden die het werk goed zullen doen. Technisch gezien overtreedt u de wet door een niet-gecertificeerde ketel te bouwen.

Monotube of flash boilers. Dit is verreweg de meest efficiënte, lichtste en veiligste ketel. Hij is gemakkelijk en goedkoop te bouwen. Ze werken het best bij continue, gelijkmatige werking. Omdat zij echter weinig reservecapaciteit hebben, zijn zij gevoelig voor schommelingen in de brandstof- en watervoorziening, om nog maar te zwijgen van de belasting. De meest voorkomende versies zijn draagbare stoomreinigers. Moderne motels gebruiken een variant als boiler.

Een grotere stoomboot

In principe bestaan ze uit één ononderbroken spiraal van buizen of pijpen in verschillende configuraties. Vandaar de naam “Monotube”. Als we de toevoer van brandstof en water nauwkeurig kunnen regelen, hebben we de ideale ketel voor thuisgebruik. Brandstoffen van het type gas en vloeistof zijn ideaal voor monobuizen omdat ze gemakkelijk te regelen zijn. En ja, er zijn goedgekeurde ontwerpen voor monobuizen, en een vakman kan ze vrij goedkoop bouwen.

Verbrandingsfeiten

Een gegeven hoeveelheid brandstof heeft een gegeven hoeveelheid lucht nodig om te branden, niet meer en niet minder. Het heeft ook de juiste hoeveelheid ruimte nodig om te verbranden. Niet genoeg lucht en je krijgt een onvolledige verbranding. Te veel lucht en je verhit lucht.

Ook, als we de lucht te snel bij de brandstof laten komen, krijgen we een te hete vlam. Dat is slecht omdat bij temperaturen boven de 1800 graden, de stikstof in de lucht en sommige andere chemicaliën beginnen te oxideren. Dat is niet alleen giftig, maar het is ook energieverspilling.

Verbrandingsruimte is belangrijk, want te weinig en we doven de vlam. Houd een brandende kaars zo dat de vlam een ijsblokje raakt en als je heel goed kijkt, is er een onzichtbare gaslaag die de vlam van het oppervlak isoleert. Die laag bestaat uit onverbrande gassen zoals koolmonoxide en wordt veroorzaakt doordat de oppervlaktetemperatuur lager was dan de ontbrandingstemperatuur van de brandbare gassen. De regel luidt: De vlam mag geen metaal raken.

Ook te veel ruimte en we kunnen onze stralingscoëfficiënten verliezen. Over het algemeen krijgt een ketel 60-70% van de energieoverdracht uit stralingsenergie, in plaats van hete gassen.

Een stoomtractor op halve schaal

Het idee hier is om lucht en brandstof voorzichtig samen te brengen en het veel ruimte of tijd te geven om zijn ding te doen. Er zijn vaste formules voor al deze factoren, en uw ketelbouwer zal weten wat te doen zodra u hem vertelt wat uw behoeften zijn.

Enormaal koppel

Nu we onze stoom hebben, laten we hem gebruiken. We halen het werk uit stoom door het te laten uitzetten in een gecontroleerde omgeving, zoals met een zuiger in een cilinder of een mondstuk in een turbine.

Turbines zijn leuk, en ik heb er zelf ook een, maar in schaalgrootte voor thuis zijn ze erg inefficiënt. Het is gewoon een kwestie van fysica en kosten. Ik weet dat er veel mensen zijn die dit punt zullen aanvechten, maar als ze met een efficiënte turbine op thuisschaal kunnen komen en die voor een redelijke prijs kunnen verkopen, zal ik hem kopen.

Dus, we zitten vast aan de zuigermotor (zuigermotor). Neem hart. Ze werken, ze gaan lang mee, en ze zijn er al heel lang. Stoommachines zijn stil, zwaar, gaan lang mee, en als ze modern zijn, gemakkelijk te onderhouden (onze grotere modellen gebruiken afgedichte kogellagers).

U kunt veel gebruikte motoren vinden op oude scheepswerven, raffinaderijen, oude fabrieken, mijnen, en spoorwegen. Of u kunt een nieuwe kopen.

Beschouw stoommachines als verwant aan een snelwerkende hydraulische cilinder met een automatische klep. De ram is verbonden met een krukas die draait en nuttig werk geeft. Het is belangrijk op te merken dat de meeste stoommachines zijn ontworpen om stoom aan beide zijden van de zuiger op te nemen, waardoor het een “ééntakt” motor is. Dat maakt ook dat zuigermotoren een enorm koppel produceren bij bijna elk toerental. U kunt dit koppel berekenen door de vierkante duim van de zuiger te nemen, die te vermenigvuldigen met de gemiddelde cilinderdruk, en dat getal te vermenigvuldigen met de lengte van de slag gemeten in voet gedeeld door 2. Een voorbeeld zou zijn: Een motor met één cilinder heeft een boring van 3 duim en een slag van 4 duim en draait met 100 pond gemiddelde cilinderdruk of “gemiddelde” druk. Een zuiger van drie duim heeft ongeveer 7 vierkante duim (3 x 3 x .7854) en een slag van .33 voet. (4/12). 7 x .33 = 2.31. Vermenigvuldig dat met 100 pond druk x 2,31 = 231 en deel dat door 2, en je krijgt 115,5 voet-pond koppel. In werkelijkheid zijn er echter wrijvings- en rendementsverliezen.

De rendementen worden gemeten aan de hand van hoeveel stoom/water een motor verbruikt om een bepaalde hoeveelheid werk te verrichten. Dit wordt meestal gemeten in ponden stoom/water per pk-uur. In het Engels betekent dit dat voor elke paardenkracht die gedurende een uur wordt geproduceerd, een bepaalde hoeveelheid stoom/water door de motor gaat.

Onze winkelunit is de laatste 18 jaar in gebruik geweest en produceert 4000 watt per uur. Het verbruikt ongeveer 250 pond water (dat in stoom is veranderd) in een uur. 750 watt wordt beschouwd als één paardenkracht, en wanneer u efficiëntieverliezen rekent, komt dat neer op ongeveer 47 pond per paardenkracht-uur (250 pond gedeeld door ruwweg 5,3 paardenkracht). Anders gezegd, voor elke paardenkracht die de motor produceerde, hebben we 47 pond water tot stoom verdampt en door de motor geleid.

Er zijn motoren die veel efficiënter zijn, maar die kosten veel meer dan je wilt betalen. Efficiëntie is mooi, maar als de brandstof gratis is, waarom zou je er dan om geven? Want hoe minder hout je verbrandt, hoe minder je hoeft te kappen. Ik heb wel eens een koord hout in 10 dagen gebruikt, en voor mij is dat te veel werk.

Dat alles brengt ons terug bij de vraag waarom stoom vs. andere vormen van onafhankelijke energie? Omdat, als je een gebruik hebt voor grote hoeveelheden warmte, de uitlaat van de motor geeft je precies dat.

Stoommachines en ketels zijn meestal het meest efficiënt op volle standen, alle kleppen open, vol vuur, enz… dus dat brengt ons bij het volgende onderwerp:

AC vs. DC

In een huiselijke omgeving, elektriciteit is de meest voorkomende vorm van energie. Daarom blijkt een stoommachine/generator de meest praktische toepassing.

Generatoren zijn of A.C. of D.C. en beide hebben hun toepassingen. In de winkel van Tiny Power, is onze 4kw Winco A.C. Jammer genoeg, vereist A.C. nauwkeurige snelheidscontroles in de vorm van een gevoelige gouverneur en zwaar vliegwiel. Ik zou zeggen dat de meeste mensen beter gelijkstroom kunnen gebruiken. Gelijkstroom is gemakkelijker te maken, te regelen, en het belangrijkste, je kunt het opslaan. Door gelijkstroom te maken en op te slaan, kan het stoomsysteem gedurende een korte periode op maximale capaciteit draaien (het meest efficiënt) in plaats van de hele dag stationair te draaien (inefficiënt). Het is praktisch omdat u uw elektriciteit vroeg kunt opwekken en dan verder kunt gaan met uw werk.

Deze stoomboot, met zijn typische krachtcentrale,
werd gebruikt in de film Maverick

Ik heb een tijd lang een 1kw gelijkstroom stoomcentrale gebruikt als toeristische attractie hier in Branson, Missouri, en werd verliefd op hoogspanning D.C. Het systeem deed lichten en motoren branden op 120 volt. Het enige nadeel is D.C. is hard op contacten en schakelaars. U moet die dure schakelaars en onderbrekers kopen die voor D.C. worden geschat.

Steam voor huismacht

Tiny Power heeft 13 verschillende modellen van motoren plus toebehoren, en wij voorzien meestal aan hobbyisten zoals gepensioneerde machinisten en stoomboaters wereldwijd. Ons hart verlangt echter nog steeds naar zelfvoorziening.

Ik ben zelf bezig met het starten van een ander bedrijf gewijd aan stoom als thuiskracht. Ik zal het niet op de markt brengen voordat het systeem onfeilbaar, efficiënt en betaalbaar is.

Het volgende ontwerp zal een praktisch concept laten zien van een stoomgeneratorsysteem op thuisschaal. Het is geen werkelijke blauwdruk en ik neem geen aansprakelijkheid voor iedereen die het als zodanig gebruikt. Voor de mensen die denken dat ze hun houtkachel gaan gebruiken om stoom te maken, doe alsjeblieft het volgende: zet me in je testament, stuur de kinderen naar oma, waarschuw de buren eerlijk, en betaal je oceaan eigendom in Arizona af.

Laten we beginnen met de behoeften. Ons huis heeft 2400 watt/uur aan elektriciteit per dag nodig. Aangezien we maar 75% uit een batterij halen van wat we erin stoppen, moeten we er 3200 watt/uur in stoppen (2400 / .75 = 3200). Ook al is 750 watt = 1 paardenkracht, er zijn inefficiënties in generatoren, riemen, enz. Een veilig cijfer is een verlies van 30%, dus 3200 watt over 70% rendement = 4266 watt (3200 / .70 = 4571). Naar boven afronden op 4600. Onze benodigde paardenkracht is dan 4600 watt/uur gedeeld door 750, dat is 6.1 paardenkracht (4600 / 750 = 6.1).

Uitgaande van 47 pond stoom per door onze motor te verbruiken paardenkracht-uur, nemen we de 6.1 en vermenigvuldigen het met 47 en we krijgen 286.7 of in principe 287 pond stoom/water nodig is.

We zullen zeggen dat 1200 Btu’s per pond water/stoom nodig zal zijn om het water in stoom om te zetten bij onze werkdruk van 120 psi. Dus, 287 pond stoom/water x 1200 Btu’s = 344.400 Btu’s zijn nodig (287 x 1200).

Onze ketel is 70% efficiënt, dus 344.400 Btu’s gedeeld door 70% geeft ons het cijfer van 492.000 Btu’s die werkelijk nodig zijn (344.400 / .70 = 492.000).

Ons hout bevat een warmtewaarde van 7.000 Btu’s per pond, dus hebben we 70,3 pond hout nodig (492.000 / 7.000 = 70,3). Laten we de lading verdelen over twee uur, en we zien dat we 35,2 pond hout per uur zullen verbranden (70,3 / 2 = 35,2), oftewel ongeveer 35 pond. Om dat in perspectief te plaatsen, dat is een flinke armlading hout.

Bedenk dat dit “echte wereld” cijfers zijn en dat ze dramatisch verschillen van wat sommige roze handen zogenaamde “geschoolde” types zullen bedenken.

>Klik op deze afbeelding om de volledige pagina versie te bekijken (111K). Gebruik de BACK-knop van uw browser om terug te keren naar deze pagina.

Als u de illustratie in figuur 2 volgt, ziet u de stroomrichting van brandstof en water. Dit is een monobuisontwerp en maakt gebruik van elektrische pompen en ventilatoren, wat de controle vergemakkelijkt.

Het zal houtgas verbranden dat afkomstig is van “vergisters” die het hout tot ontbrandingstemperatuur verhitten, maar het verhongeren voor zuurstof. Dit onverbrande gas wordt dan gemengd met verwarmde lucht en verbrand aan de basis van de ketel. De verbrandingsgassen gaan over de waterbuizen en vervolgens over de luchtverwarmer en door de uitlaatpijp.

Het water komt in de buitenbatterij, neemt warmte op, gaat naar de warmtewisselaar (desuperheater) en in de afscheider. De stoom verlaat de top van de afscheider en komt in de binnenste spiraal die als oververhitter fungeert. De oververhitte stoom gaat door de desuperheater, waarbij wat Btu’s vrijkomen in het inkomende water. De nu “getemperde” stoom gaat naar de motor, waar hij zijn werk zal doen. De uitlaatgassen van de motor gaan in een spoel die zich in de grote tank bevindt, en geven de resterende warmte af aan het water. Daarna is de stoom gecondenseerd tot water en wordt hij door een vacuümpomp geperst die hem in de “hotwell” afvoert. Van dit punt, wordt het gepompt terug naar de boiler via een hoge druk toevoerpomp om helemaal opnieuw te beginnen.

Getting opgeleid

Ik kan niet genoeg benadrukken hoe belangrijk het is om opgeleid te worden voordat je gaat sleutelen. Grote zagerijen hebben meestal een krachtcentrale, en ingenieurs zijn sympathieke mensen die altijd willen pronken met hun “baby”. Bezoek oude schepen of raffinaderijen, en wees niet bang om vragen te stellen. Je krijgt meer van iemand als je vragen stelt, dan als je ze probeert te vertellen wat je weet.

De ultieme opleiding is het bijwonen van een stoomclub show. Er zijn er letterlijk duizenden per jaar. De kans is groot dat je minder dan een uur rijden van een. Zorg ervoor dat je de kinderen meeneemt. De shows zijn zeker een familieaangelegenheid. Elke hobbywinkel zou u moeten kunnen vertellen waar er een in de buurt is.

Ook, kijk eens naar de verschillende publicaties die er zijn. Er zijn verschillende tijdschriften over stoommachines. Alle hebben een grote rubriek met advertenties. We raden ten zeerste een genaamd The Steam Show Directory waarin meer dan 500 stoom shows in dit land en Canada.

Welkom bij de broederschap.

Voor verdere lectuur

Live Steam
P.O. Box 629
Traverse City, MI 49685
(Stoommachines van alle soorten, op het web, ook)

Model Engineer
4314 W. 238th St.
Torrance, CA 90505
(Eerste modelbouwtijdschrift, ook over speelgoedstoommachines)

Modeltec
P.O. Box 1226
St. Cloud, MN 56302
(Alle soorten werkende modellenstoom, gasmotoren, hete lucht, enz.)

Steamboating
Rt. 1, Box 262
Middlebourne, WV 26149
(Voor de stoombootkenner, alle maten, heerlijk om te lezen!)

Iron Men Album
P.O. Box 328
Lancaster, PA 17608
(Oude stoomtractoren en stationaire motoren, grote classifieds)

Engineers & Engines
1118 N. Raynor Ave.
Joliet, IL 60435
(Vol met oude motoren en machines, grote advertenties)

Steam & Gas Show Directory
P.O. Box 328
Lancaster, PA 17603
(Geeft een overzicht van alle shows in Canada en de V.S. Dit is een ‘must have’)