Finns ångkraft i din framtid?

av Skip Goebel

Upplaga nr 43 – januari/februari 1997

Om du tror att ångkraft är gammaldags, tänk då på detta: För nästan hundra år sedan uppnådde ångbilar och fartyg hastigheter och verkningsgrader som fortfarande är svåra att uppnå, även med dagens moderna förbränningsmotorer.

Dampa är en av de kraftfullaste och farligaste formerna av oberoende energi. Den är så kraftfull att vi på Tiny Power, som tillverkar ångmotorer, minst en gång i veckan får ett samtal från någon som ska rädda världen med ånga. Vanligtvis tar det bara några minuters samtal för att avslöja att den som ringer behöver mer utbildning i grunderna för ångteknik.

Denna artikel är ett försök att besvara några av de många frågor som folk har om ånga. Och jag antar att den första frågan är: kan den rädda världen, åtminstone när det gäller dina personliga energibehov? Det beror på.

För den initiala investeringen i denna mest arbetsintensiva form av hemkraft kan du förmodligen köpa en dieselgenerator och 5-10 tusen liter bränsle utan några större förändringar i din livsstil. Om du planerar att elda ved bör du veta att det är en mycket etablerad vetenskap att förgasa ved och förbränna den i en förbränningsmotor. Detta kan vara en mer praktisk tillämpning för dig.

Om du har behov av stora mängder kontrollerbar värme, till exempel för att värma upp ett stort hem, ett hönshus eller till och med en ugn, utmärker sig ångkraftverk genom att spillvärmen (avgaserna) från en ångmaskin ger dig överdrivna mängder BTU att leka med.

Vad är ånga?

Vad är ånga? ”Vatten som blivit galen av värmen” är ett lika bra svar som något annat. Vatten förvandlas faktiskt till ånga i ett vakuum om dess temperatur håller 40 grader F. Omvänt, vid ett tryck på 3200 pund per kvadrattum och en temperatur runt 720 grader blir ånga ”superkritisk” och har faktiskt samma densitet som vatten. Moderna ångsystem drivs vid dessa tryck eftersom ånga, som är en ”superstrålande” gas, absorberar och avger värme mycket snabbare än vatten.

Endast ”torr” ånga ger användbart arbete. Ånga är en torr, klar och smaklös gas. Det grumliga som du kan se komma ut ur en vattenkokare är i själva verket bara vattenånga och har ingen användning för våra behov, för om du kan se det har allt arbete gått ur det.

En av de små, högkvalitativa ångmaskinerna som tillverkas av författarens företag, Tiny Power, Inc.

När vatten väl förvandlats till ånga kan du höja temperaturen på gasen och lagra mer energi/arbete i den. Vi kallar detta för ”överhettad” ånga och även om det är ett önskvärt tillstånd används det sällan i småskaliga ångkraftverk.

Vad vi vill göra med ånga är att utvinna arbete ur den. Arbete beskrivs bäst som massans rörelse eller hastighetsförändring. Det krävs energi för att utföra arbete. Att överföra energi till en massa är en sak, och att överföra och använda denna energi är en annan. Vatten, i form av ånga, är ett utmärkt medium för att överföra energi.

Vatten är en praktisk, säker och effektiv icke-organisk kemikalie som lätt absorberar och överför energi. För att förstå hur detta sker, försök att tänka i differenser, dvs. skillnader i temperatur, skillnader i tryck, eller mer specifikt, skillnader i volym. När ånga går från en volym till en annan utförs arbete. Ett exempel på detta är en kolv som går nedåt i en cylinder och skapar mer utrymme eller volym (expansion). När volymförändringar inträffar måste även temperatur- och tryckförändringar inträffa. Detta är naturlagar som man inte kan ändra. Vi har enheter för att mäta massans egenskaper. I allmänhet mäts trycket i pund per kvadrattum, volymen i kubikfot och temperaturen i grader Fahrenheit. (Jag är inte metrisk än, gott folk.)

I det här läget vill jag presentera er för den brittiska värmeenheten (Btu). Det är den amerikanska måttenheten, som liknar det metriska systemets kalori. Det är inget annat än en enhet för värme. En Btu är den mängd värme som krävs för att höja ett pund vatten en grad Fahrenheit. Omvänt, om ett pund vatten sjunker med en grad släpper det ut en Btu.

När något bränsle förbränns avger det energi i form av värme, och den värmen kan mätas i antingen Btu eller kalorier. Vi använder Btu. Ett exempel är ek som har 6-11 000 Btu per pund. Betrakta det som potentiell energi eller energi som väntar på att hända. När det oxideras (förbränns) frigörs energi, och om vi gör ånga av den energin kan vi använda ångan för att överföra den energin någon annanstans för att utföra användbart arbete.

Dampstart Santa Cruz II, Echo Lake, Kalifornien

Andra källor till Btu’s kan vara en varm källa eller solenergi. Kom ihåg att det vi letar efter är en temperaturskillnad; ju högre vi kan höja vattentemperaturen, desto mer arbete kan vi få ut av vattnet. Tyvärr måste vattenvolymen vara större ju mindre temperaturskillnaden är. Till exempel har ett pund ånga vid 800 grader en viss mängd arbete i sig. För att producera samma mängd arbete vid 400 grader behöver du en mycket större mängd vatten.

Så, vi tar ett pund vatten från 60 till 212 grader och det tar 152 Btu. (212 – 60 = 152) Nu lägger vi till ytterligare en Btu och allt förvandlas till ånga vid atmosfäriskt tryck. Eller hur? Fel!

Det är lätt att höja vattentemperaturen, men att omvandla vatten till ånga är en helt annan sak. Det krävs mycket energi för att ändra materiens fysiska tillstånd. Kom ihåg att den inte slösas bort här, utan lagras.

För att omvandla ett pund vatten från 212 graders vatten till 212 graders ånga (fortfarande ett pund i vikt) vid atmosfäriskt tryck krävs ytterligare 970 Btu. Om vi innesluter allt detta, som i en panna, får vi en tryckskillnad (inuti jämfört med utanför). Detta pund vatten vid 212 grader hade endast upptagit 0,2 kubikfot. Ångan vid 212 grader och atmosfäriskt tryck (eller 14,7 pund per kvadrattum) kommer att uppta 27 kubikfot.

Om ångan inte tillåts expandera i dessa volymer eftersom den är innesluten, får vi en ökning av trycket. Det är detta tryck som vi kommer att använda för att utföra vårt arbete.

Vilken typ av panna?

Den behållare som vi kommer att göra vår ånga i kallas för en panna. Det finns i princip tre typer av pannor.

Fyrrörspannan. Detta är den äldsta, enklaste och den som skapar den jämnaste produktionen av ånga. Den är också den farligaste (tenderar att sprängas). Därför finns det inte mer att säga om den här. Glöm det, nada, inte en chans osv. Klistra in detta klistermärke på din hjärna: Det finns en dynamitgubbe i en liter vatten.

Vattenröret. Detta är effektivare, säkrare, vanligare, lätt att bygga osv. I grund och botten består konstruktionen av en serie rör som utgår nedåt från en trumma och omger förbränningskammaren (eldstaden). Ångan dras sedan från toppen av trumman där den leds till sin avsedda användning genom ett rör. (Se figur 1.)

Figur 1. Vattenrörspanna

Ett vanligt exempel på dessa typer är en panna för uppvärmning av bostäder. Stora fartyg och kraftverk använder också dessa konstruktioner. Vi har en sådan i vår 23′ ångbåt som förbränner ved, och den fungerar ganska bra. Låt mig här säga att om du förbränner fast bränsle (ved eller kol) kommer du att vara närvarande i din panna hela tiden. Om du inte kan det är det bara att släppa hela idén. Om du kan, var beredd på evig lycka.

Den grundläggande layouten är den som illustreras i figuren. Använd inte på något sätt denna illustration för att utforma din egen panna. Om du var tvungen att utbilda dig själv genom att läsa den här artikeln kan du inte, kommer inte och ska inte bygga en sådan här. Kom ihåg att döden är slutgiltig (och smärtsam).

Det finns otaliga planer tillgängliga som är godkända, certifierade och väl testade. Ånga är definitivt en ”färdigställd” vetenskap. Om du tittar på de gula sidorna kommer du att hitta certifierade pannmakare som kommer att göra jobbet på rätt sätt. Tekniskt sett bryter du mot lagen om du bygger en icke-certifierad panna.

Monotube- eller flashpannor. Detta är den överlägset effektivaste, lättaste och säkraste pannan. Den är lätt och billig att bygga. De fungerar bäst vid kontinuerlig, jämn drift. Med liten reservkapacitet är de dock känsliga för fluktuationer i bränsle- och vattentillgångar, för att inte tala om belastningar. De vanligaste versionerna är bärbara ångtvättar. Moderna motell använder en variant som vattenvärmare.

En större ångbåt

I grund och botten består de av en kontinuerlig spole av slangar eller rör i olika konfigurationer. Därav namnet ”Monotube”. Om vi kan ge exakt kontroll över vår bränsle-/vattentillförsel har vi den idealiska hemkraftpannan. Bränslen av gas- och vätsketyp är den idealiska bränsletypen för monotuber eftersom de är lätta att reglera. Och ja, det finns godkända konstruktioner där ute för monotuber, och ett proffs kan bygga dem ganska billigt.

Fakta om förbränning

En given mängd bränsle behöver en given mängd luft för att brinnainte mer och inte mindre. Det behöver också rätt mängd utrymme för att brinna. Inte tillräckligt med luft och du får en ofullständig förbränning. För mycket luft och du värmer upp luft.

Också, om vi får luften att möta bränslet för snabbt får vi en för varm låga. Det är dåligt eftersom kvävet i luften och vissa andra kemikalier börjar oxideras vid temperaturer över 1800 grader. Det är inte bara giftigt, utan det är slöseri med energi.

Förbränningsutrymmet är viktigt eftersom för lite och vi kväver lågan. Håll ett tänt ljus så att lågan rör vid en isbit och om du tittar riktigt noga finns det ett osynligt lager gas som isolerar lågan från ytan. Detta skikt består av oförbrända gaser som kolmonoxid och orsakas av att yttemperaturen var lägre än antändningstemperaturen för de brännbara gaserna. Regeln är följande: Flamman får inte röra metall.

Också, för mycket utrymme och vi kan förlora våra strålningskoefficienter. Generellt sett får en panna 60-70 % av energiöverföringen från strålningsenergi, snarare än från heta gaser.

En halvskalig ångtraktor

Tanken här är att försiktigt förena luft och bränsle tillsammans och ge det gott om utrymme eller tid att göra sin sak. Det finns fasta formler för alla dessa faktorer, och din pannbyggare kommer att veta vad han ska göra när du berättar vilka behov du har.

Enormt vridmoment

Nu när vi har vår ånga, låt oss använda den. Vi utvinner arbetet ur ångan genom att låta den expandera i en kontrollerad miljö, till exempel med en kolv i en cylinder eller ett munstycke i en turbin.

Turbiner är trevliga, och jag har själv en, men i hemmaskala är de mycket ineffektiva. Det är bara en fråga om fysik och kostnader. Jag vet att det finns många som kommer att argumentera för detta, men om de kan ta fram en effektiv turbin i hemmaskala och sälja den till en rimlig kostnad, så köper jag den.

Så vi är fast med kolvmotorn (fram- och återgående). Ta mod till dig. De fungerar, de håller och de har funnits länge. Ångmotorer är tysta, tunga, långvariga och om de är moderna är de lätta att underhålla (våra större modeller använder förseglade kullager).

Du kan hitta massor av begagnade motorer på gamla skeppsvarv, raffinaderier, gamla fabriker, gruvor och järnvägar. Eller så kan du köpa en ny.

Se ångmotorer som liknar en snabbverkande hydraulisk cylinder med en automatisk ventil. Stämman är kopplad till en vev som vrider sig och ger användbart arbete. Det är viktigt att notera att de flesta ångmaskiner är konstruerade för att ta emot ånga på båda sidor av kolven, vilket gör den till en ”enkeltaktsmotor”. Det gör också att kolvmotorer ger ett enormt vridmoment vid nästan alla varvtal. Du kan beräkna vridmomentet genom att ta kolvens kvadratcentimeter, multiplicera det med det genomsnittliga cylindertrycket och multiplicera den siffran med slaglängden mätt i fot dividerat med 2. Ett exempel skulle vara: En encylindrig motor har en borrning på 3 tum och en slaglängd på 4 tum och körs med 100 lbs genomsnittligt cylindertryck eller ”medeltryck”. En 3-tums kolv har ungefär 7 kvadratcentimeter (3 x 3 x 0,7854) och en slaglängd på 0,33 fot. (4/12). 7 x .33 = 2.31. Multiplicera det med 100 pounds tryck x 2,31 = 231 och dividera det med 2, så får du 115,5 fotpund vridmoment. I verkligheten finns det dock friktion och effektivitetsförluster.

Effektiviteten mäts genom hur mycket ånga/vatten en motor förbrukar för att utföra en viss mängd arbete. Detta mäts vanligtvis i pund ånga/vatten per hästkrafttimme. På engelska betyder det att för varje hästkraft som produceras under en timme passerar en viss mängd ånga/vatten genom motorn.

Vår butiksenhet har använts de senaste 18 åren och producerat 4000 watt i timmen. Den förbrukar ungefär 250 pund vatten (som har omvandlats till ånga) på en timme. 750 watt räknas som en hästkraft, och när man räknar in effektivitetsförluster blir det ungefär 47 pund per hästkrafttimme (250 pund dividerat med ungefär 5,3 hästkrafter). Uttryckt på ett annat sätt: För varje hästkraft som motorn producerade förångade vi 47 pund vatten till ånga och lät det passera genom motorn.

Det finns motorer som är mycket effektivare, men de kostar mycket mer än vad du vill betala. Effektivitet är trevligt, men om bränslet är gratis, varför ska man då bry sig? För ju mindre ved du bränner, desto mindre behöver du hugga. Jag har använt så mycket som en kord ved på tio dagar, och för mig är det för mycket arbete.

Allt detta för oss tillbaka till frågan om varför ånga jämfört med andra former av oberoende energi? Därför att om du har användning för stora mängder värme kommer avgaserna från motorn att ge dig just det.

Dampmotorer och ångpannor är vanligtvis mest effektiva vid fulla inställningar, alla ventiler öppna, full eldning osv… så det för oss till nästa ämne:

AC vs. DC

I hemmiljöer är elektricitet den vanligaste formen av energi. Därför visar sig en ångmaskin/generator vara den mest praktiska tillämpningen.

Generatorer är antingen växel- eller likströmsgeneratorer och båda har sina användningsområden. På Tiny Power’s shop är vår Winco på 4 kW växelströmsgenerator. Tyvärr kräver växelström exakta hastighetskontroller i form av en känslig regulator och ett tungt svänghjul. Jag skulle föreslå att de flesta människor bör använda likström i stället. D.C. är lättare att tillverka, kontrollera och viktigast av allt, man kan lagra den. Genom att göra likströmselektricitet och lagra den kan ångsystemet köras med maximal kapacitet under en kort period (mest effektivt) i stället för att gå på tomgång hela dagen (ineffektivt). Det är praktiskt eftersom man kan producera sin el tidigt och sedan fortsätta sin verksamhet.

Denna ångbåt, med sitt typiska kraftverk,
användes i filmen Maverick

Jag drev ett 1kw D.C. ångkraftverk som turistattraktion här i Branson, Missouri, under en tid och blev förälskad i högspännings D.C. Systemet drev lampor och motorer på 120 volt. Den enda nackdelen är att likström är hårt för kontakter och strömbrytare. Man måste köpa de dyra brytarna och brytarna som är dimensionerade för likström.

Steam för hemmabruk

Tiny Power har 13 olika modeller av motorer plus tillbehör, och vi vänder oss främst till hobbyister som till exempel pensionerade maskinister och ångbåtsförare över hela världen. Vårt hjärta längtar dock fortfarande efter självförsörjning.

Jag håller själv på att starta ett annat företag som ägnar sig åt ånga som hemkraft. Jag kommer inte att släppa ut det på marknaden förrän systemet är idiotsäkert, effektivt och prisvärt.

Den följande konstruktionen kommer att visa ett praktiskt koncept för ett ånggeneratorsystem i hemmaskala. Det är inte en verklig ritning och jag tar inget ansvar för den som använder den som sådan. För de personer som tror att de ska använda sin vedspis för att göra ånga, gör följande: skriv in mig i ditt testamente, skicka barnen att bo hos mormor, ge en rättvis förvarning till grannarna och betala av din fastighet vid havet i Arizona.

Låt oss börja med behoven. Vårt hem kommer att behöva 2400 watt/timmar el per dag. Eftersom vi bara får ut 75 % av vad vi lägger in i ett batteri måste vi lägga in 3200 watttimmar (2400 / 0,75 = 3200). Även om 750 watt = 1 hästkraft finns det ineffektivitet i generatorer, remmar osv. En säker siffra är en förlust på 30 %, så 3200 watt med en effektivitet på 70 % är 4266 watt (3200 / 0,70 = 4571). Avrunda uppåt till 4 600. Vårt hästkraftsbehov är då 4600 watt/timme dividerat med 750, vilket är 6,1 hästkrafter (4600 / 750 = 6,1).

Med tanke på att vår motor förbrukar 47 lbs ånga per hästkraftstimme, tar vi 6.1 och multiplicerar det med 47 och vi får 286,7 eller i princip 287 pund ånga/vatten krävs.

Vi säger att 1200 Btu per pund vatten/ånga kommer att krävas för att omvandla vattnet till ånga vid vårt arbetstryck på 120 psi. Det krävs alltså 287 pund ånga/vatten x 1200 Btu = 344 400 Btu (287 x 1200).

Vår panna har en verkningsgrad på 70 %, så 344 400 Btu dividerat med 70 % ger oss siffran 492 000 Btu som faktiskt krävs (344 400 / .70 = 492 000).

Vår ved har ett värmevärde på 7 000 Btu per pund, så vi behöver 70,3 pund ved (492 000 / 7 000 = 70,3). Om vi sprider belastningen över två timmar kan vi se att vi kommer att förbränna 35,2 pund ved i timmen (70,3 / 2 = 35,2), eller cirka 35 pund. För att sätta det i perspektiv är det en rejäl armlast av ved.

Håll dig i minnet att detta är siffror från ”den verkliga världen” och skiljer sig dramatiskt från vad någon rosa hand så kallad ”utbildad” typ kommer att komma fram till.

>Klicka på den här bilden för att se den helsidesversionen (111K). Använd webbläsarens BACK-knapp för att återgå till den här sidan.

Om du följer illustrationen i figur 2, lägg märke till flödesriktningen för bränsle och vatten. Detta är en monotube-konstruktion och kommer att använda elektriska pumpar och blåsmaskiner, vilket ger enkel kontroll.

Den kommer att förbränna vedgas från ”kokare” som värmer veden till antändningstemperatur men svälter den på syre. Den oförbrända gasen blandas sedan med uppvärmd luft och förbränns i pannans botten. Förbränningsgaserna passerar över vattenrören och sedan över luftvärmaren och vidare ut genom avgasröret.

Vattnet kommer in i den yttre spolen, tar upp värme, går in i värmeväxlaren (avvärmaren) och in i separatorn. Ångan kommer att lämna toppen av separatorn och in i den inre spiralen som fungerar som en överhettare. Den överdrivet heta ångan kommer att passera genom avsupervärmaren och frigöra en del Btu:s till det inkommande vattnet. Den nu ”tempererade” ångan kommer att gå mot motorn, där den kommer att utföra sitt arbete. Motorns avgaser kommer att gå in i en spole som finns i den stora tanken och avge sin återstående värme till vattnet. Efter detta kommer ångan att ha kondenserats till vatten och tvingas genom en vakuumpump som släpps ut i ”hotwell”. Från denna punkt pumpas den tillbaka till pannan via en matningspump med högt tryck för att börja om från början igen.

För att utbilda sig

Jag kan inte nog understryka hur viktigt det är att utbilda sig innan man pysslar. Stora sågverk har vanligtvis ett kraftverk, och ingenjörer är sympatiska människor som alltid vill visa upp sin ”baby”. Besök gamla fartyg eller raffinaderier och var inte rädd för att ställa frågor. Du får ut mer av någon om du ställer frågor än om du försöker berätta vad du vet.

Den ultimata utbildningen är att delta i en ångklubbsutställning. Det finns bokstavligen tusentals varje år. Chansen är stor att du befinner dig mindre än en timmes bilresa från en sådan. Se till att ta med barnen. Utställningarna är definitivt en familjeangelägenhet. Vilken hobbybutik som helst bör kunna tala om för dig var en sådan finns i ditt område.

Kontrollera också de olika publikationer som finns tillgängliga. Det finns flera tidskrifter om ångmaskiner. Alla har en stor sektion med småannonser. Vi rekommenderar starkt en som heter The Steam Show Directory som listar över 500 ångutställningar i detta land och Kanada.

Välkommen till brödraskapet.

För vidare läsning

Live Steam
P.O. Box 629
Traverse City, MI 49685
(Ångmaskiner av alla slag, även på webben)

Model Engineer
4314 W. 238th St.
Torrance, CA 90505
(Bästa tidningen för modellbygge, omfattar även leksaksångmaskiner)

Modeltec
P.O. Box 1226
St. Cloud, MN 56302
(Alla typer av fungerande modellerångmaskiner, gasmotorer, varmluftsmotorer osv.)

Steamboating
Rt. 1, Box 262
Middlebourne, WV 26149
(För ångbåtskännaren, alla storlekar, bra läsning!)

Iron Men Album
P.O. Box 328
Lancaster, PA 17608
(Gamla ångtraktorer och stationära motorer, stora rubriker)

Engineers & Engines
1118 N. Raynor Ave.
Joliet, IL 60435
(Fylld med gamla motorer och maskiner, stora annonser)

Steam & Gas Show Directory
P.O. Box 328
Lancaster, PA 17603
(Listan över alla utställningar i Kanada och USA.