Machine a vapeur 2kW : des plans ?

[MRG-NK]

Bonjour,
il faudra que toutes les soudures qui tiennent de 0° à.... 400° ; éventuellement des vibrations.
Penser à la dilatation des métaux, les tensions sur les matériaux : certaines zones plus froides se dilatant moins. Donc, il faut des sections qui ne sont pas droites, mais courbes, à l'instar du couvercle d'une boîte de conserves, et sa surface latérale, ondulée.
Dans la pratique, on n'ira pas jusqu'à faire un corps de chaudière ondulé.... je voulais faire une présentation "pour se faire peur" : être sur que ce que l'on a fait est correct.

 

[jacounet]

Bonjour.
Un schéma de principe de chaudière presque tubulaire.
On dira chaudière à serpentin .
A+.
Jac
Nota : il existe déjà du cuivre de 2 à 5 cm de diamètre , en rouleau de 50 à 60cm de diamètre ( de mémoire) sur 10 à 15 m de long 10 spires environ ...donc déjà cintré ...y-a plus qu'à souder à la soudure cuivre avec raccord pour avoir suffisamment de spires ...

 

[MRG-NK]

Conception simple : il suffit de cintrer un tube....aspect pratique, pour un tube soudé sur le coté, penser à "sa ligne neutre" : la soudure sur la partie qui ne sera ni comprimée ni étirée.
Ca semble accessible au "premier venu" qui sait bricoler.

Il manque un serpentin dans la cuve centrale : bénéficier des gaz chauds montant....
Mais rayon de courbure plus étroit.
Si en plus, on met les tubes verticalement, il faut souder des coudes....
Donc préférer des tubes en biais : permet un rayon de courbe plus aisé, sans faire de soudure
C'est plus complexe à réaliser que le serpentin latéral

Ce serpentin supplémentaire avec en entrée l'eau déjà préchauffée.
On se trouve avec les tubes dans le foyer

Pour récupérer plus de chaleur : ajout d'un serpentin.
Le trait noir : part d'un bord bas, vers l'autre bord en haut....puis se courbe le long de la cuve, et repart vers le bas.... le trait bleu.
Pour éviter le trop de croisement en partie centrale : pas de tuyau droit en biais.... mais presque vertical.
Je sais cintrer un tube avec une planche en bois : faire un trou en biais.... mais la réalisation pratique, je laisse à ceux qui savent vraiment faire.

 

[jacounet]

Salut.

J'ai remis le serpentin sur le schéma de principe en pointillé dans le centre de la cuve … bien sûr il faut qu'il y soit .

Nota 2 : sur les chaudières 20 kWatts dans nos maisons d'habitation , pour chauffage et eau chaude , certaines ont des serpentins.
Nous on veut pousser un peu plus loin et faire de la vapeur ...mais c'est le même principe , le but étant d'avoir un bon rendement .
A ce titre il pourrait être judicieux de percer la cuve interne pour un meilleurs échange thermique ( réfection du post 122) ...et laisser la chaleur circuler le long du serpentin .
A noter que le calcaire pourrait se déposer dans le serpentin , un détartrage serait souhaitable périodiquement ( si réalisation ).
- J'ai refait/complété le schéma du post 122 en couleurs .

MRG-NK,... pour récupérer plus de chaleur, à mon humble avis , y-a la vrai chaudière tubulaire qui a fait ses preuves...mais y-a plus de boulot.
J'ai essayé de proposer une solution simple pour nos potes qui voudraient construire ce genre de chaudière .
Idem pour la turbine .
Elle pourrait servir de chauffage dans l'atelier par radiation/convection naturelle des "pertes" de chaleur , le reste de la chaleur étant récupéré en vapeur convertible en électricité via une turbine entraînant une génératrice de courant/tension continue ou alternative .

Stockage de l'énergie sur batterie Lithium Ion , ou super condensateur .
Avec un rendement utopique de 80% sur les 4 machines ( 4 ...si on compte : stockage énergie+ générateur+turbine+chaudière)... on pourrait espérer un rendement de 41%.
Rendement qui pourrait baisser à 6.25 % si les 4 machines ont chacune un rendement de 50%.
Chargemnt du bois par le haut comme sur un poêle à charbon ….fenêtre pour allumer en bas via une porte/bouche ( 5 cm environ entre 2 serpentins )

Jac .

 

[MRG-NK]

Bonjour,
je sais que la chaudière tubulaire est la meilleure, mais est complexe à réaliser.
Aussi, j'ai proposé un compromis : un tuyau unique, sans soudure, rayon de courbure élevé.
On pourrait aussi mettre des \/ dans la cuve : le premier, percé en son centre permet d'envoyer les gaz chauds sur les bords de chaudière.
Le second, non percé, captant le flux central et envoyant, lui aussi le flux sur le coté.
Deux ou 3 V...
Au niveau de l'échappement, mettre une cheminée chemisée. la partie centrale ayant le gaz d'échappement, la partie externe, une arrivée d'air. L'air réchauffé arrivant dans le foyer
... et pourquoi pas souder des ailettes en biais sur la partie externe du premier tube. L'air serait obligé de lécher ces ailettes, augmentant la captation de chaleur... mais on risque de devoir utiliser un ventilateur pour forcer l'arrivée d'air

Mettre des lumières pour faire passer les gaz derrière le tube intérieur est bien.
Mais, on risque un encrassement causé par les suies.
Une solution ? une grille trouée : nombreux trous, bon échange.
Le plus simple serait d'avoir un cylindre extérieur démontable. Nettoyage facile.
Plus question de l'entourer de briques réfractaires. Mais si le but est aussi de récupérer la convection, cela convient. On peut également avoir un isolant, genre laine de roche, mais il faut une autre enveloppe externe pour avoir une bonne tenue mécanique.
L'autre solution, plus complexe la cuve interne démontable....implique une grande dimension, des regards latéraux pour passer le bras, la tête, le corps.... solution moins réaliste

 

[phil135]

bonjour
les rendements ci-dessus me semblent plus qu'optimistes:
je me souviens d'un exercice de thermodynamique où avec de la vapeur surchauffée jusqu'à 450°C le rendement de la grosse machine à vapeur seule plafonnait vers 40%
en réalisation amateur la vapeur surchauffée à haute pression est dangereuse, les matériaux accessibles, la maintenance qu'on peut se permettre ... ça va finir avec 20% de rendement (à la louche)
pour limiter le tartre dans la partie mécanique, il faut avoir un bouilleur (chauffé par le circuit de retour) qui fabrique de l'eau distillée en quantité de façon à remplacer celle perdue par les échappements, alors la chaudière et les pistons sont zerotartre

 

[jacounet]

bonjour
les rendements ci-dessus me semblent plus qu'optimistes:
je me souviens d'un exercice de thermodynamique où avec de la vapeur surchauffée jusqu'à 450°C le rendement de la grosse machine à vapeur seule plafonnait vers 40%
en réalisation amateur la vapeur surchauffée à haute pression est dangereuse, les matériaux accessibles, la maintenance qu'on peut se permettre ... ça va finir avec 20% de rendement (à la louche)
pour limiter le tartre dans la partie mécanique, il faut avoir un bouilleur (chauffé par le circuit de retour) qui fabrique de l'eau distillée en quantité de façon à remplacer celle perdue par les échappements, alors la chaudière et les pistons sont zerotartre

SalutPhil 35 et MRGNK.

On devrait être entre 41 et 6.25 % ... au niveau du rendement global...c'est juste réaliste ...enfin à mon avis.
Phil quand tu parles de 40% de rendement pour la machine à vapeur ...tu parles d'une turbine , exercice en réalisé physiquement , ou c'est uniquement par calcul …? ... 20% , c'est déjà bien si rendement total/global...si c'est uniquement pour une turbine à vapeur==> y-a un problème .
L'avantage de la turbine à vapeur c'est son rendement brut car rotation sans à coup ( qu'a le moteur à piston ) et son poids( comparé à une machine à piston ), son faible entretien (comparé…) , son inconvénient son "faible " couple ( relatif au poids) , sa vitesse de rotation plus élevée qu'un moteur à piston vapeur , et la nécessité d'une technologie ( roulements et matériaux , inox et alliages d'alu , non disponible au 19 ème siécle )...d'où la turbine sur les gros bateaux ou les centrales électriques à cette époque .
MRG-NK, le plus simple et le plus accessible à la fabrication ,sera sans doute le mieux pour tous , même avec un rendement global de 20% ... voir 10%.
A+.

Jac

 

[MRG-NK]

J'ai bien compris : le but faire simple. Le premier dessin : parfait ; le second de Jacques, une amélioration.... mais il faut percer des trous.
Si on veut un meilleur rendement un faut un peu plus complexe.
Pas évident qu'on trouve une grille à cintrer....
Donc, mettre des barres verticales, qui servent de support pour le tube en cuivre.
Mais, mettre un isolant pour ne pas avoir de contact cuivre-fer : aspect électrolytique, corrosion.
En extérieur 3 coquilles : plus facile de cintrer à120° que 180 ou 360°.... ou alors, il faut avoir une cuve qui est déjà au bon format, la scier.
Le 3 parties : pour l'aspect nettoyage des suies, enlever l'eau en fin d'utilisation : condensation.
J'ai mis une vue de Haut... à gauche (ce n'est pas un dessin industriel) et vue de face

Prévoir des barres transverses entre les barres verticales, pour l'aspect solidité, l’accrochage de pièces en V qui permettent de diriger la fumée sur les cotés, afin d'augmenter le rendement.

 

[MRG-NK]

.... aspect bas de caisse foyer, prévoir un grille soit que l'on peut translater : permet de faire tomber les morceaux non combustibles : cailloux, inclusion dans le bois : clous, balle de chasseur....
Ou des palettes qu'on peut faire pivoter plus efficace, mais plus complexe à réaliser : des tiges rondes, sur lesquelles on soude des fers plats....en fin d'utilisation, on fait tourner, on a des espaces plus grands, tout tombe.

Aspect cheminée : si on a besoin de radiateur : sur le tube en inox, souder des ailettes en bais, pour faire une spirale : l'air extérieur va lècher, et monter.
Si on veut un caisson fermé, d'autres ailettes, mises également en spirale, ça constitue un guide.. l'air quittant une pièce du monte, arrive sur l'ailette de l'autre spirale tube extérieur.... puis l'air retourne sur une ailette centrale....

 

[jacounet]

Hello.
Oui le principe est là...chacun mettra les supports qu'il peut ou veut .
Maintenant que pensent :
Pierre 2501 , Jope004,Fredcoach,Alex 31 , et surtout Pbc74 qui a besoin de 20 kWatts ...de nos schémas de principe , turbine et chaudière ,... proposés .

Je serais intéressé pour plus tard , j'ai un insert , mettre une chaudière à serpentin à la place , pourquoi pas , puisqu'on nous dit ou prédit que le rendement ne dépassera 20 % , les 80 autres % serviront à chauffer par convexion.
Mais il faut que je finisse ma soudeuse à décharge de condensateur d'abord .

A+.

Jac .

 

[fredcoach]

Des diiférentes possibiltés techniques, le moteur à vapeur me semble le plus abordable.
Jai vu beaucoup d'intérêt pour le Stirling mais j'attends de voir quelque chose fournir une puissance.
Il y a un bout de temps que je pense à m'équiper en cogénération, pour l'autonomie principalement.
Je trouve en effet absurde de passer à une énergie non dépendante du réseau électrique et dépendre de pompes électriques pour le fonctionnement...
Pour une faible puissance je ne suis pas certain que la turbine vaut mieux que le piston et c'est certainement plus difficile à optimiser.
La vapeur surchauffée est plus dangereuse en cas de fuite, c'est vrai, puisqu'on ne voit par le jet de vapeur.
Par contre, les gouttelettes que contient la vapeur saturée érodent fortement le métal, surtout aux vitesses auxquelles elles sont projetées dans une turbine.
Je n'ai toujours pas choisi ma solution...

 

[phil135]

ces 40% c'est le souvenir d'un calcul en prépa il y a 30 ans. sur une machine à piston, commentée par le prof comme représentative
en général les petites machines thermodynamiques ont un rendement plus bas que les grosses pour tout un tas de raisons qui peuvent se résumer à "les pertes sont proportionnellement plus importantes"
à greffer sur un appareil de chauffage, on trouve sur le net des stirling, manson, ericsson qui sont des variantes de moteur à air chaud fonctionnant pas très loin de la pression atmosphérique. l’intérêt est la sécurité, mais ça se paye sur le rendement et la puissance disponible
vous connaissez peut-etre déjà http://www.moteurairchaud.com/

 

[jacounet]

ces 40% c'est le souvenir d'un calcul en prépa il y a 30 ans. sur une machine à piston, commentée par le prof comme représentative
en général les petites machines thermodynamiques ont un rendement plus bas que les grosses pour tout un tas de raisons qui peuvent se résumer à "les pertes sont proportionnellement plus importantes"

Et oui .
40% c'est pour une machine à piston ...c'est déjà excellent .
Ici avec une turbine basse pression ( moins de 6 kgs ) on ne prétend pas atteindre un rendement de 50 % ( moi j'ai entendu plus en 1973 chez EDF , mais dur de vérifier) , comme sur les turbines Alsthom chez EDF .
Il ne s'agit pas non plus de faire tourner 24/24 h sous 200 kgs de pression , cette turbine ...pour ce que j'ai compris du besoin de Pbc74.
Faut du robuste , réalisable par tous .
Si personne ne veut se lancer dans la fabrication d'une turbine prototype et démontrer qu'on peut dépasser 40% de rendement ...pour moi le sujet semble clos .
Des idées , mises en pratique c'est un peu la caractéristique du forum ...non ?

Cette manipe serait sans doute possible avec une turbine prototype de 200 à 750 Watts ( un cheval max) ...peut-être avec le vaporisateur d'un fer à repasser à vapeur de 2 à 3 kWatts consommés ( rendement bon ou mauvais un vaporisateur de fer à repasser …?)...assez de vapeur ou pas pour faire tourner la turbine proto…?
Et avec cette perspective regarder la consommation sur une heure ...et l'énergie récupérée sur une heure en bout de génératrice .

Ya certainement mieux en achetant une turbine chez "Turbolub " fabriquant pour les "p.me." , mais avec quelques centaines de billets de 100 €.

A+.

Jac

 

[Jope004]

Bonjour,
Je ne peux que recommander ce MOOC d'initiation à la thermodynamique :

Conversion Thermodynamique de la Chaleur : Modéliser et Simuler

www.fun-mooc.fr

Il y a en particulier un accès gratuit au simulateur "Thermoptim" qui permet justement de simuler une centrale thermique (même de 2kW), et ainsi de connaître le rendement maximal possible en fonction des lois de la thermodynamique, et des paramètres envisagés (températures, pressions, ...).
Il n'y a pas de nouvelles sessions prochainement, mais il est possible de suivre le cours archivé à n'importe quel moment et à son rythme.

A noter que les grosses centrales thermiques EDF (1.2 GW) fonctionnent avec de la vapeur surchauffée sous une pression de l'ordre de 200 bars. Leur rendement est de l'ordre de 40 à 45 %.
A noter aussi qu'une centrale à turbine fonctionnant en circuit fermé d'eau / vapeur doit obligatoirement avoir un condenseur et une pompe dans le circuit de retour condenseur vers chauffage / surchauffage.
La pompe est très souvent oubliée ou minimisée dans les schémas, mais c'est un élément primordial pour avoir un fonctionnement correct.
Photo extraite de wikipédia :

Centrale nucléaire — Wikipédia

fr.wikipedia.org

Comme déjà écrit plus haut, une turbine doit fonctionner exclusivement avec de la vapeur. La présence d'eau liquide réduit sa durée de vie.

 

[jacounet]

Salut Jope004.

Oui rendement global de 50% ( turbine + chaudière+ générateur électrique ) pour une turbine de 1.2 Giga Watts .
Mais rendement turbine seule beaucoup plus élevé que 50%...enfin pour ce que j'ai lu .
Mais je mélange peut être turbine à gaz , turbine hydraulique et turbine à vapeur .
Jope , beau schéma...Wikipédia .

Et pour nous ...on fait quoi ….?

Qui va commencer à mettre la main dans le camboui..
On cause , ça cause , ils causent ...et rien de réalisé .
Dur ...je vais me coucher.

Bonsoir.
Jac

 

[fredcoach]

Petite précision un peu hors sujet:
Le schéma ci-dessus correspond à une centrale à eau bouillante (BWR), moins sûre que les centrales à eau pressurisée (PWR) présentes en France. En effet l'eau du circuit primaire (bien pourrie de produits radioactifs) passe dans le condenseur d'un BWR alors qu'elle en est séparée par le circuit secondaire dans un PWR.

 

[Jope004]

Oui, j'ai choisi ce schéma parce qu'il est plus simple à comprendre, mais on ne va quand même pas y mettre un réacteur nucléaire !

 

[MRG-NK]

Bonjour,
à propos de turbine, un ami a réalisé une turbine avec une imprimante 3 D. Une coque couvre une surface de la partie tournante. Les pales sont courbes, contrairement à la photo jointe : trouvé sur le net, autre projet
La turbine réalisée est destinée à être une démo, donc loin des 2 kW
Sur l image, j'ai matérialisé en rose la forme des pales.
Diamétre de l'appareil réalisé 20 cm ; un seul point pour l'entrée vapeur

 

[jacounet]

Salut.

Oui turbine en pastique donc , si faite à la 3D , même pour des essais faut que ça tienne la vitesse de rotation ...c'est pas gagné .
Reste à savoir si c'est une turbine à réaction ou pas .
A suivre donc.
Pour avoir 2 kW , il faut bien un diamètre 20cm , mais sur des pales en métal , alu ou inox ...
Sur les turbines à réaction , il y-a une seul entrée , mais sur toute la surface des pales fixes déviant les gaz vers les pales mobiles , dans le sens de l'axe , sortie à l'opposé de l'entrée.
Wikipédia l'explique bien .
Pour les rendements ,... je crois qu'il faut bien préciser les choses , rendement de la turbine seule , rendement de la chaudière seule , rendement de l'alternateur seul , et rendement de l'ensemble.
Pour ce que je crois avoir compris , les centrales nucléaires EDF ont un rendement de 50% , ce qui fait un rendement de presque 80% ( 79.4 % exactement ) pour chaque poste ==>0.8x0.8x0.8 =0.512 ...soit 51.2 % .

Jac.

 

[MRG-NK]

Bonjour,
je voulais donner un exemple : la géométrie d'une petite turbine est proche d'une turbine de puissance.
Le modèle en imprimante 3D se veut être une démo.
Je voulais simplement montrer la forme de la pale "en godet", en "gouttière", par opposition à la pale plate
La photo montrait une tentative d'usinage sur de l'alu....même refroidie, la pièce casse.
Si réaliser une rainure droite est galère, en faire une courbe est diabolique.
Et comme toujours, c'est la beauté du... Ð. ; par ses courbes qui offre le plus de puissance.

Je joins, une vue de face, une vue de coté la vapeur d'eau est évacuée sur le coté, vers le centre
En bleu la coque couvrante en noir la pièce mobile et son axe, en rouge l'arrivée

 

[jacounet]

Salut MRG- NK.
Ta turbine qui pourrait être en aluminium ou en inox, exige pour être usinée d'être équipée d'une fraiseuse et d'un diviseur ...et là c'est pas gagné pour usiner les "L" .
Pour faire quelque chose de propre , il reste la fraiseuse à commande numérique 3 axes( CNC) avec le troisième axe commandant le moteur pas à pas du mandrin diviseur ...
Comme tout le monde n'a pas ce matériel , on peut se retrancher derrière nos soudeuses par points , en soudant de la cornière pliée en "L", de 3 à 4 mm d'épaisseur , sur un disque de 20 cm de diamètre , lui même fixé sur l' arbre moteur .
Si on arrive à positionner au dixième de millimètre les "L" , on devrait avoir un équilibrage tenant environ les 3000 t/mn => notre but .
Remarque :
étant donné que la sortie de la vapeur se fait immédiatement...je pense qu'il est possible de mettre plusieurs entrées pour augmenter la puissance.
Mais alors ici "tintin" pour récupérer l'eau de la vapeur .
J'ai déjà fait une bricole similaire pour les roues en fer de mon robot jardinier...je ferais une photo pour faire voir le principe ...car je n'étais pas tenu par un impératif des forces de rotation ( centrifuges/centripètes) , car 10 à 50 t /mn .
A+
Jac

 

[Alex31]

quelques exemples de construction possible

Steam Happens

 

[MARECHE]

Bonjour,
Il y avait à Pont à Mousson 4 centrales à vapeur au charbon de 250MW chacune. Je les avais visitées en fonctionnement. Le rendement d'alternateur: 95%. Le rendement de turbine 90% Température de vapeur 450°, condenseur à 20° dépendant de la température de la Moselle. Trois sections de turbines de plus en plus grosses avec surchauffe et resurchauffe de la vapeur entre chaque section. Rendement total 45%, mais en réalité 90% du rendement de Carnot. C'est sur celui là que butent toutes les machines... Récupérez donc des turbos pour faire vos turbines..
Salutations

 

[jacounet]

Salut Marèche et Alex 31.

Les photos que tu montres sont de bons exemples d'usinage au tour et à la fraiseuse , mais avec diviseurs pour les 2 premières , et d'usinage avec une fraiseuse à commande numérique pour la troisième.
Faut déjà être bien équipé .
Autrement il y aurait la possibilité d'usiner une roue dentée déjà usinée de 20 cm de diamètre ( ça doit déjà être un peu cher) en acier ou en aluminium , et d'utiliser la division déjà faite sur les dents pour venir " tangenter " la fraise de coupe et usiner cette roue dentée...on aurait aussi un positionnement très précis .
Voir utiliser une roue dentée comme diviseur .
Pour les turbos ...oui bien sûr pourquoi pas , mais faut en trouver un pas trop abimé ...
Celui de ma C5 changé à 220 000 kms avait les roulements et ailettes abimées ( ça bouffe bien les gaz de combustion ) ... donc quasi inserviable , ...
On les change pas pour rien ...
Là faut aller voir les gentils garagistes ...car ils lâchent pas leur pièces détachées usagées comme ça .
Je fais une photo de ma roue de robot ( roue avec cornières soudées à la soudure par point ) pour demain ...sans doute.
Un "bel " exemple d'utilisation de la soudeuse par point .

A +.

Jac .

 

[MARECHE]

Bonjour,
On peut toujours récupérer la partie compresseur qui est en aluminium et ignorer la turbine des gaz d'échappement si trop corrodée, la vapeur d'une chaudière amateur ne sera pas si chaude.
Salutations

 

[jacounet]

Salut.

Oui ...bien sûr .
Qui a ça ( un turbo compresseur ) sous la main ?...
A+.

Jac.

 

[Dudulle]

Pour les rendements ,... je crois qu'il faut bien préciser les choses , rendement de la turbine seule , rendement de la chaudière seule , rendement de l'alternateur seul , et rendement de l'ensemble.
Pour ce que je crois avoir compris , les centrales nucléaires EDF ont un rendement de 50% , ce qui fait un rendement de presque 80% ( 79.4 % exactement ) pour chaque poste ==>0.8x0.8x0.8 =0.512 ...soit 51.2 % .

Jac.

Bonjour

Le rendement global d'une centrale nucléaire est de 33%.
Il existe des centrales qui devraient être capables d'un rendement de 50%, mais pour l'instant ce ne sont que des projets.

 

[jacounet]

Salut Dudulle.

On voit un peu de tout en documentation sur le rendement des centrales nucléaires , mais jamais au dessus de 50%...
Pour les centrales gaz ou charbon c'est plus facile à calculer il me semble , on a tant de tonnes de combustible qui devraient donner tant d'énergie sur un temps donné , suffi de calculer l'énergie débitée sur le même temps donné et faire le ratio énergie sortie/ énergie entrée .
Pour l'énergie atomique ça doit être un peu plus compliqué ....pour ce que j'ai compris .

A+.

Jac.

 

[Dudulle]

Non ce n'est pas si compliqué, on a d'un coté la partie produite (l’électricité) et de l'autre la partie dissipée.
On sait bien sur quelle quantité d’électricité est produite. Pour connaitre la part dissipée il suffit de connaitre le débit d'eau de circulation des tours aéro, le delta de température (entre l'entrée et la sortie) et le débit d'appoint et de purge qui permet de connaitre la quantité évaporée. Au passage il ne faut pas oublier l'air qui passe à travers la tour.

50% c'est le rendement promis par les centrales à haute température.

 

[MARECHE]

Bonjour,
La centrale nucléaire a un rendement moins élevé car la température est 100° en dessous d'une centrale charbon à la chaudière à cause des rayonnements. A Pont à Mousson il y a maintenant une centrale à gaz à cycle combiné, réacteur dont l'échappement fait bouillir de l'eau, le rendement total est monté à 60%.
Salutations